日本植物工厂的关键技术及生产实例
打开文本图片集
随着人口、资源、环境问题的日益突出，未来农业发展的方向受到高度关注。日本农业的发展同样面临着从业人口减少，老龄化加剧，农产品自给率降低，以及设施栽培用肥料及燃料等其他耗材完全依靠进口等问题。
日本农林水产省数据显示，早在1955年，水稻占日本农业生产总值的60%。到2013年，水稻所占比例降低到30%左右。然而蔬菜的比例大幅增加，其中设施栽培占到蔬菜栽培总面积的50%以上（图1），在农业经济发展的中起着主导作用。2000年，日本设施栽培面积降低到50000 hm2，
然而总产量并没有下降，其主要原因是现代化工业及科学技术的发展带动了设施高效化生产。
自2008年起，日本农林水产省和经济产业省开始启动植物工厂发展计划，陆续在全国范围建立起6处示范型植物工厂基地，供研究、示范、推广等，从而推动设施园艺的地域性发展。2013～2015年期间，日本在不断学习借鉴荷兰的设施园艺技术的基础上，灵活运用地域能源，实行高精度环境控制，构筑周年稳定生产体系，截止到2015年5月，由农林水产省和经济产业省共同出资补助科研单位、企业、农户，2年间在全国范围建立起10处植物工厂示范点，每处示范点平均栽培面积在2～4 hm2。以生产草莓、番茄、樱桃番茄、甜椒、黄瓜等为主。其目的在于以各个示范点为中心，逐渐向全国扩散，进行大规模设施栽培管理技术数据累积及相关技术人员的培养，最终实现高品质蔬菜周年稳定供应，被称为“次世代”设施园艺发展计划。
植物工厂是一种技术高度密集的高效农业生产系统，是多项技术要素的集合体，包括外围与内部资材的选用、栽培品种的选择、ICT环控系统、加温设备、细雾降温设备、无土栽培技术、营养液管理系统、机器人技术、废液处理设备、CO2施肥系统等技术。目前，在日本的植物工厂主要有两种模式，一种是太阳光利用型植物工厂（图2），是在封闭或半封闭的温室环境下，采用自然光（或人工补光）与营养液栽培进行植物工厂化生产。由于系统未完全封闭，受外界气候环境影响较大，有时生产不太稳定，但建设与运行成本相对较低。另一种是人工光利用型植物工厂（图3），是在完全密闭可控的环境下采用人工光源与营养液栽培技术进行植物工厂化生产的方式。由于系统密闭，受外界气候环境影响较小，但其能源消耗较大，建设与运行成本较高。
日本植物工厂的关键技术
荷兰是世界上设施园艺发达的国家之一，日本在植物工厂技术的研发方面，一直在不断引入和借鉴荷兰的高新技术，同时结合日本地域性特征及市场需求，使植物工厂朝着更加智能化精准控制，更加节能和低运行成本的实用化方向发展，以实现技术的普及化。
品种选择
植物工厂生产中，栽培品种的选择至关重要，应选择适于在植物工厂智能化精准控制的栽培条件下生长，具有高产高质量、满足市场需求的特性。2016年1月，日本设施园艺学会对“次世代”设施园艺发展中关于番茄品种的选择进行了如下总结：
产量 日本培育出一系列高光能利用率、高品质的番茄品种，如安濃交系列，在高精度环境控制下，果实的干物质含量可达5.5%，年产量达55 t/1000 m2。
抗病性 在番茄的无土栽培中，地下部病害较少，而地上部烟草花叶病毒（TMV）及黄化卷叶病毒（TYLCV）等其他病毒病频发。因此，地上部抗病性也作为品种筛选的一项参考因素。
栽培方法 番茄的栽培方法一般分为低段高密度周年栽培与多段长季节栽培两种方式。前者可根据季节变化选择不同品种，如夏季高温期，选择花芽分化稳定的品种。而长季节栽培中，一般选择适宜长短栽培及耐病性强的品种。
植株形态 适用于长季节栽培的番茄品种，一般具有植株节间长、冠层透光率高的特性。
单性结实 培育无需授粉或激素处理而结实的品种，从而大大降低生产成本。
育苗
一般来讲，设施栽培的成败50%决定于种苗，培育整齐一致的优质种苗是保证大规模设施栽培正常运行的关键。目前，日本用于大规模生产的育苗设备是全封闭育苗室（图4），主要以不透光的绝热材料为围护结构，荧光灯等人工光作为光源，可对内部光环境（光量子密度、照明时间、光谱组成、照射方向）、温湿度、气流、CO2浓度等环境因子进行自动控制，全天候稳定运行，种苗品质与生产技术实现标准化管理。育苗室一般都采用多层立体栽培，根据育苗所需光强度及温度进行人为调节，如在育苗适宜光强范围内100～400 μmol/（m2·s），选择相对较低的光强，降低用电成本的同时满足了植株光合作用所需。图5为全封闭育苗室育出的番茄苗，播种21天后，4片真叶完全展开，外观形态表现为节间短、茎粗、叶色深、叶片厚，且通过调控生长环境保证幼苗生长整齐一致（图6）。此外，水肥循环式供应系统（图7），极大降低水的使用量及减少化学肥料的浪费。
营养液无土栽培技术
2010年，日本无土栽培面积达1741 hm2，占设施栽培总面积49000 hm2的4%左右。利用无土栽培技术实现了水肥自动化管理，不仅节省了水资源，肥料利用率也高达90%以上，并且降低了劳动力，减少病虫害。无土栽培结合环控技术能合理调节作物生长的光、温、水、气、肥等环境条件，充分发挥作物的生产潜力。因此，无土栽培是大规模设施栽培以及植物工厂的基础。日本目前应用较多的无土栽培类型（图8）。
地上部环境控制技术
★ 热泵调温节能技术
2000年以来，随着石油价格上涨，热泵由于其热性能系数（COP）较高，节能效果明显逐渐受到关注。到2015年为止，热泵调温节能技术在日本利用面积占到加热设施栽培面积（1500 hm2）的7%。热泵具有加热、降温、湿度调节、增加室内气流循环等功能。一般有立式与吊式两种类型（图9）。在人工光植物工厂中，主要用热泵进行降温；在太阳光植物工厂中，热泵主要用于夏季夜晚降温，冬季加温。对于太阳光植物工厂而言，由于室内制冷、制热负荷受太阳辐射、室内外温度差影响较大，还需结合其他辅助设施，如夏季结合喷雾降温，冬季结合传统加温装置，进行联合调控。
★ 喷雾降温技术
喷雾降温是向空气中喷洒细雾达到降温增湿效果的技术。一般可使室内温度降低2～4℃。日本目前利用细雾降温主要有两种类型；一类是将喷头均匀安装在设施内直接喷雾（图10）；另一类是将喷头接在循环扇边缘，借助循环扇的风力进行喷雾（图11）。研究证明，喷雾粒径在30 μm以下叶片不易沾湿。粒径过大叶片易沾湿，病害增加。
★ CO2施用技术
2011年，在日本三重县植物工厂生产中的实验研究表明，在6：00～16：00增施CO2，使室内CO2浓度维持在800～1000 μmol/mol，换气时的CO2浓度维持450～550 μmol/mol，番茄的产量有明显提高。日本在植物工厂增施CO2技术方面，主要通过以下三种途径（图12）：
一是煤油燃烧法；二是LP液化气燃烧法；三是液态CO2气化方法。其中煤油燃烧法的投入及运行成本相对较低，利用面积较大。然而，煤油中杂质较多，容易引起不完全燃烧，产生有毒气体，通常对设备及煤油的质量进行定期检查。
植株生长发育状态定期监测
对于番茄等果菜类蔬菜长季节周年稳定生产，植株的生长发育容易受外界环境的影响。正确把握好植株的生长与发育二者的平衡，是保证长季节栽培成功的关键。需要对植株的生长状态进行定期监测，如测定一周内茎的伸长量、生长点下方15 cm处的茎粗、叶面积、叶片数。
机器人采收技术
近年来，日本国家农业研究中心农机研究组致力于研发采收机器人。成功应用于实际栽培中的有番茄和草莓采收机器人，主要由采收手、摄像头（人眼）、画面处理器、计算机（人脑）、操纵器、走行器构成六部分组成。摄像头识别成熟的红色果实，将画面传输到画面处理器，经过信号传送，操纵器控制采收手，移动到果柄附近，将果柄切断，果实直接落在传送带上完成采收。此采收方法称为“果房采收”，极大地减少劳动力。此外，草莓采收机器人，是充分利用草莓栽培槽的可移动性，将机器人固定在一个位置进行自动化采收。
日本植物工厂生产实例连体钵高品质番茄栽培
果菜类植株相对高大，光饱和点较高，一般以太阳光利用型植物工厂生产为主。静冈县作为日本农林水产省植物工厂发展计划中的一个示范点，根据其地域性，以静冈大学与静冈农业经济研究所为中心，日本Amela公司作为技术示范平台，进行高品质番茄植物工厂化生产技术的研究及推广。2008年，在静冈农业经济研究所建成2000 m2太阳光利用型植物工厂，进行高品质番茄周年连续生产，年产量达40 t/1000m2，干物率达6%以上，果重为M号（200～140 g）。其栽培技术特点为：10个250 mL小苗钵连在一起形成一个连体钵（图13），以岩棉为栽培基质，将每株番茄种植在250 mL的岩棉中，株间距在24 cm，低段（3～4穗果）高密度（3600～
4320株/1000m2）栽培（图14），根据太阳辐射强度植株水肥需求量，然后利用营养液自动灌溉系统进行灌溉。由于其使用基质较少，根际蓄水能力有限，需采取少量高频度灌溉营养液，每次每株灌溉营养液40～80 mL。以果实成熟期为例，植株吸水量可达1200～1500 mL/（日·株），如果每次给液60 mL/株，一天给液次数要达到20次以上。此外，植株的吸水量根据温度日射的变化而变化，在中午前后（10：00～14：00）达到最高，因此，中午前后的给液频率高于早晚。营养液浓度控制在EC1.2～1.5 mS/cm。此栽培系统易于对植株进行水分胁迫，达到低成本生产高品质番茄的目的。另外，此种栽培方式同样用在哈密瓜的实证栽培，取得较好效果（图15）。
番茄立体栽培（Kanjin农场）
此立体栽培农场位处日本北部栃木县，占地0.92 hm2，栽培床采用上下层构造模式（图16），有效提高土地利用面积，采用低段密植（留4穗果），下层为收获期番茄，上层为定植到采收前番茄，下层番茄收获完毕后将上层栽培床降下，开始采收。日产1.6 t番茄，此公司产品95%专供大型酒店以及出口。
太阳光-人工光并用型植物工厂（绿叶菜）
日本有一家太阳光-人工光并用型植物工厂，1989年建成，占地0.53 hm2，生菜营养液栽培，周年连续生产（图17），定植盘漂浮在营养液面上，太阳光结合高压钠灯尽兴照明，泡沫板按照栽培生菜的苗龄在栽培槽内从定植端漂浮到采收端。夏季利用水帘降温，冬季利用热泵加温。从播种到收获经历40天，可实现周年稳定供应。
完全人工光植物工厂（功能性叶菜类生产）
★ 日本村上农园株式会社（图18），是一家利用完全人工光型植物工厂进行芽苗菜生苗菜生产过程包括：催芽、播种、发芽、绿化、预冷、收获、包装、发货。全部生产过程采用联网监控，可对8家分公司同步监控管理。从采收到销售点保证完全冷链过程。主要生产豆苗及芽苗菜，包括卷心菜芽苗，紫色卷心菜芽苗，芥菜芽苗，花椰菜芽苗、白萝卜芽苗等。其产品富含萝卜硫素、β-胡萝卜素、维生素C、维生素E等功能性成分。其中花椰菜芽苗因富含萝卜硫素被称为“超级保健品”。
★ 日本SPREAD株式会社成立于2006年，是一家利用完全人工光，从育苗到采收完全自动化的植物工厂，生菜日产量达30000株，β-胡萝卜素含量高达2710 μg/100g，是普通生菜的11倍，堪称“世界第一”的人工光利用型植物工厂（图19）。
★ 日本富士通半导体株式会社与日本秋田大学合作研究，2014年1月开始大规模商业化生产用于透析肾脏病患者食用的低钾生菜与菠菜。采用全生长期降低钾营养液或采收前两周断钾营养液栽培的方法。在产量及品质保持稳定的前提下，低钾蔬菜的钾含量降低到普通蔬菜的1/4（图20）。
作者简介：张轶婷（1985-），女，内蒙古人，博士。毕业于日本岐阜静冈联合大学，主要从事植物工厂蔬菜作物栽培技术，番茄限根无土栽培，营养液配方，果实番茄红素代谢等方面研究。