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日本的植物工厂及其新技术
发表时间:2014-04-29 阅读次数:1051
  一、概    况
 
  1. 植物工厂的定义、分类和意义
 
  “植物工厂(Plant Factory)”一词是日本首先提出的,其概念广义上涵盖了设施园艺,而狭义上则专指人工光型的植物生产系统。根据日本植物工厂的现状,植物工厂是完全控制型和太阳光利用型营养液栽培系统的总称。日本植物工厂学会对植物工厂的定义是:利用环境自动控制、电子技术、生物技术、机器人和新材料等进行植物周年连续生产的系统,也就是利用计算机对植物生育的温度、湿度、光照、CO2浓度、营养液等环境条件进行自动控制,使设施内植物生育不受自然气候制约的省力型生产。植物工厂生产的对象包括蔬菜、花卉和果树,还有一部分大田作物、食用菌等。根据其研究对象层次的不同,植物工厂可分为:以研究植物体为主的狭义的植物工厂,以研究植物组织为主的组织培养系统,以研究植物细胞为主的细胞培养系统。植物工厂的广义分类见表1。另外,根据对太阳光利用形式的不同,狭义的植物工厂又可分为完全控制型、太阳光利用型和太阳光并用型等3种。植物工厂对于日本农业具有重要意义。首先是在有限的土地上提高其农业的生产性。
 
  项目:植物工厂(狭义)组织培养系统细胞大量培养系统
 
  对象:植物全体植物组织植物细胞
 
  方法:主要是培养液栽培组织培养细胞培养
 
  地上部:控制因子光、温、湿、CO2浓度光、温、湿、CO2浓度温、光、营养成分
 
  地下部:控制因子肥料成分、EC、pH、水量、溶氧量营养成分(糖、矿物质、维生素等)pH、溶氧量、搅拌速度
 
  利用高度的环境控制技术,提高土地产出率和劳动生产率;其次,使寒冷、酷热和沙漠等不毛之地的农业生产成为可能;植物工厂内的作业环境优越,实行机械化生产节省劳动力,使集中劳动周年平均化;进行无农药生产,可提供新鲜高品质绿色食品;利用营养液栽培减少连作障碍,周年有计划稳定地生产。但是,植物工厂进行的是高投入高产出的生产活动,设备投资大,电力消耗多,因此生产成本较高。例如,太阳光利用型植物工厂每生产一株生菜的成本约为50日元,而完全控制型植物工厂则需要100日元以上。
 
  2. 植物工厂发展的历史与现状
 
  1974年日立制作所率先在日本着手进行植物工厂的开发工作,其后植物工厂的研究便盛行起来,到1975年底,有许多企业和大学也加入研究行列。那时的研究还是把营养液栽培的自动化与植物工厂独立开来,直到1985年二者有机结合后,植物工厂的数量才在短期内迅速增多起来,达到了日本植物工厂发展的一个高潮。
   
  早期的植物工厂以研究为主,也有实用化的植物工厂可以进行以生菜为主的叶菜类蔬菜、萝卜芹菜和蘑菇等的生产。近年来,以生产经营和示范性农业公园形式出现的植物工厂越来越多。截至1997年,实际运营中的植物工厂有16个,面积约1.5hm2,年产量约550t,主要进行生菜、番茄、草莓、菠菜、玫瑰花和部分组培苗的生产,其中太阳光利用型1hm2,年产量287t,完全控制型0.5hm2,年产量260t。到2001年增加到20多个,遍及日本全国各地。
   
  随着植物工厂的发展,与其相关的一些研究机构、组织和企业不断成立,相关活动越来越多。如日本植物工厂学会每年举行一次全国性的学术大会,植物工厂普及振兴会积极开展推广应用工作,同时与设施园艺学会、生物环境调节学会、气象学会、照明学会、电气学会等保持密切联系,以保证其研究水平的先进性和实用性。  
   
  二、主要技术
   
  1. 营养液栽培技术
 
  日本营养液栽培的方法有许多种,如NFT、湛液培、喷雾培、固体基质培(包括岩棉培、砾培、砂培等),其中以岩棉培和NFT为主,而岩棉培更是占到营养液栽培面积的近50 %。典型的营养液栽培装置有以下几种形式:①三水式NFT装置——栽培床用泡沫制成,有一定的斜度(l/8~1/100),底部营养液呈薄膜状缓缓流动,可以自动供肥,还设有杀菌装置;②协和式——使用成型塑料栽培床,分成若干单元,适用于果菜栽培;③M式——栽培槽用“U”型泡沫制作的成型产品连接而成,定植板也用泡沫做成,里面铺聚乙烯薄膜,适于叶莱特别是鸭儿芹栽培;④新和式等量交换装置——其主要特征是栽培槽分成两部分,相互间进行营养液的等量交换,以补给根系充足的氧气(②、③、④均属于湛液栽培装置);⑤诚和式——这是一种循环式岩棉栽培装置,在栽培槽中央安装排水管,从下到上依次铺放粒状岩棉垫、岩棉块和定型灌水管,采用滴灌方式,多余的营养液经排水管流回集水槽供循环使用。植物工厂中多采用移动栽培装置,主要有平面式、立体式和倾斜式三种,通过合理密植,提高了有效栽培面积。
 
  日本的营养液理论非常成熟,其中兴津园艺试验场开发的国试标准配方通用性好,适用于多种蔬菜,而山崎配方则是针对每一种作物提出的专有配方。这两种配方在我国也得到广泛应用,此外还有神园配方等。日本在营养液的管理、杀菌、回收处理、病害防治等方面的研究与应用,也达到了较高水平。营养液栽培技术的发展促进了植物工厂水平的提高,与土壤栽培相比,营养液栽培能加速作物生育进程,使一年的栽培茬数增加 15 %~20 %,如生菜和芹菜一年可栽培6茬,洋葱4.8茬,黄瓜和番茄1.8茬。
   
  2. 环境控制技术
   
  植物工厂为达到周年连续生产的目标,环境控制是一项重要的技术。
   
  (1)作物生长及其环境。植物工厂作为一个半封闭系统时刻不断地与外界进行物质、能量和信息的交换,其内部作物的生育受到以下环境因子的影响和制约:光照(光强、光质和日照长度)、温度、湿度、CO2气体浓度、风速及根部环境因子如营养液的pH、EC、肥料成分、溶氧量、液温、流速等。对植物工厂进行环境优化控制,最根本的是要明确作物光合作用、产物积累、转流分配、发育和呼吸等生理过程与全部或部分环境因子之间的关系。但是由于存在以下3个问题点,植物工厂的环境控制并不简单:其一是各种环境因子并不是独立对作物生育起作用,而是诸因子综合作用的结果;其二是控制成本问题;其三是最大的产量并不意味着最高的品质。
 
  最近,日本在电磁场、音响、远红外线等物理刺激对作物生育影响上的研究,特别引人注目,但关于其产生效果的机理原因尚不清楚。
   
  (2)环境控制的原理与方法。植物工厂特别是完全控制型植物工厂为控制光、温等条件需消耗补光、空调的大量电力,环境控制成本很高,同时环境控制存在报酬递减的规律,即当控制成本增加到一定程度后继续增加,控制效果越来越小。所以,在植物工厂中要综合考虑各环境因子的复合作用效果,首先优化控制成本低、效果好的因子才是合理的,这是一种普遍采用的控制方法,称为最适化原理。采用这种方法,可以用成本低的因子弥补成本高的因子,达到较好的综合控制效果。
   
  日本植物工厂环境控制的方法主要有以下两大类:①过程控制——反馈控制、ON-OFF控制、PID控制;②计算机控制——分布式控制,分时集中控制,分层网络化控制,最适化、适应化和智能化控制。
    
  三、最新发展动态
   
  在最近几年日本植物工厂学会会刊及相关学术会议上,发表了许多该领域的最新技术报告,集中起来主要有以下几个方面:⑴人工补光技术,包括荧光灯近距离高效间歇补光、高压钠灯超广角灯具的开发及发光二极管LED、激光二极管LD等新型光源的研制;⑵营养液杀菌(热杀菌、紫外线杀菌、臭氧杀菌)系统的开发;⑶利用图像处理和通讯技术进行远距离栽培管理;⑷闭锁系统CELSS的研究;⑸功能性无农药蔬菜及品质评价;⑹植物工厂规划设计的虚拟技术;⑺利用生物技术进行组培、育种和转基因的研究;⑻栽培管理的信息化、网络化和智能化(专家系统、决策支持系统);⑼种苗工厂和地下植物工厂的开发;⑽作物生理信息的监控;⑾植物工厂的自动化技术及Internet技术在植物工厂方面的应用等。
   
  四、展望
   
  目前,日本植物工厂的发展达到较高水平,在部分领域的研究和应用已超过了温室业较发达的荷兰、以色列等国,但仍然面临诸多技术课题亟待解决。为推进植物工厂的产业化进程,以降低生产成本为核心,进行硬件和软件的技术开发至关重要。
   
  进入21世纪,植物工厂在日本农业中将发挥越来越重要的作用,对于解决粮食问题、环境问题,乃至于对宇宙的开发,都开辟了一条新的途径。
 

 

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