日本植物工廠的關鍵技術及生產實例

張軼婷 劉厚誠

隨著人口、資源、環(huán)境問題的日益突出，未來農業(yè)發(fā)展的方向受到高度關注。日本農業(yè)的發(fā)展同樣面臨著從業(yè)人口減少，老齡化加劇，農產品自給率降低，以及設施栽培用肥料及燃料等其他耗材完全依靠進口等問題。

日本農林水產省數據顯示，早在1955年，水稻占日本農業(yè)生產總值的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，其中設施栽培占到蔬菜栽培總面積的50%以上（圖1），在農業(yè)經濟發(fā)展的中起著主導作用。2000年，日本設施栽培面積降低到50000 hm2，

然而總產量并沒有下降，其主要原因是現(xiàn)代化工業(yè)及科學技術的發(fā)展帶動了設施高效化生產。

自2008年起，日本農林水產省和經濟產業(yè)省開始啟動植物工廠發(fā)展計劃，陸續(xù)在全國范圍建立起6處示范型植物工廠基地，供研究、示范、推廣等，從而推動設施園藝的地域性發(fā)展。2013～2015年期間，日本在不斷學習借鑒荷蘭的設施園藝技術的基礎上，靈活運用地域能源，實行高精度環(huán)境控制，構筑周年穩(wěn)定生產體系，截止到2015年5月，由農林水產省和經濟產業(yè)省共同出資補助科研單位、企業(yè)、農戶，2年間在全國范圍建立起10處植物工廠示范點，每處示范點平均栽培面積在2～4 hm2。以生產草莓、番茄、櫻桃番茄、甜椒、黃瓜等為主。其目的在于以各個示范點為中心，逐漸向全國擴散，進行大規(guī)模設施栽培管理技術數據累積及相關技術人員的培養(yǎng)，最終實現(xiàn)高品質蔬菜周年穩(wěn)定供應，被稱為“次世代”設施園藝發(fā)展計劃。

植物工廠是一種技術高度密集的高效農業(yè)生產系統(tǒng)，是多項技術要素的集合體，包括外圍與內部資材的選用、栽培品種的選擇、ICT環(huán)控系統(tǒng)、加溫設備、細霧降溫設備、無土栽培技術、營養(yǎng)液管理系統(tǒng)、機器人技術、廢液處理設備、CO2施肥系統(tǒng)等技術。目前，在日本的植物工廠主要有兩種模式，一種是太陽光利用型植物工廠（圖2），是在封閉或半封閉的溫室環(huán)境下，采用自然光（或人工補光）與營養(yǎng)液栽培進行植物工廠化生產。由于系統(tǒng)未完全封閉，受外界氣候環(huán)境影響較大，有時生產不太穩(wěn)定，但建設與運行成本相對較低。另一種是人工光利用型植物工廠（圖3），是在完全密閉可控的環(huán)境下采用人工光源與營養(yǎng)液栽培技術進行植物工廠化生產的方式。由于系統(tǒng)密閉，受外界氣候環(huán)境影響較小，但其能源消耗較大，建設與運行成本較高。

日本植物工廠的關鍵技術

荷蘭是世界上設施園藝發(fā)達的國家之一，日本在植物工廠技術的研發(fā)方面，一直在不斷引入和借鑒荷蘭的高新技術，同時結合日本地域性特征及市場需求，使植物工廠朝著更加智能化精準控制，更加節(jié)能和低運行成本的實用化方向發(fā)展，以實現(xiàn)技術的普及化。

品種選擇

植物工廠生產中，栽培品種的選擇至關重要，應選擇適于在植物工廠智能化精準控制的栽培條件下生長，具有高產高質量、滿足市場需求的特性。2016年1月，日本設施園藝學會對“次世代”設施園藝發(fā)展中關于番茄品種的選擇進行了如下總結：

產量 日本培育出一系列高光能利用率、高品質的番茄品種，如安濃交系列，在高精度環(huán)境控制下，果實的干物質含量可達5.5%，年產量達55 t/1000 m2。

抗病性 在番茄的無土栽培中，地下部病害較少，而地上部煙草花葉病毒（TMV）及黃化卷葉病毒（TYLCV）等其他病毒病頻發(fā)。因此，地上部抗病性也作為品種篩選的一項參考因素。

栽培方法 番茄的栽培方法一般分為低段高密度周年栽培與多段長季節(jié)栽培兩種方式。前者可根據季節(jié)變化選擇不同品種，如夏季高溫期，選擇花芽分化穩(wěn)定的品種。而長季節(jié)栽培中，一般選擇適宜長短栽培及耐病性強的品種。

植株形態(tài) 適用于長季節(jié)栽培的番茄品種，一般具有植株節(jié)間長、冠層透光率高的特性。

單性結實 培育無需授粉或激素處理而結實的品種，從而大大降低生產成本。

育苗

一般來講，設施栽培的成敗50%決定于種苗，培育整齊一致的優(yōu)質種苗是保證大規(guī)模設施栽培正常運行的關鍵。目前，日本用于大規(guī)模生產的育苗設備是全封閉育苗室（圖4），主要以不透光的絕熱材料為圍護結構，熒光燈等人工光作為光源，可對內部光環(huán)境（光量子密度、照明時間、光譜組成、照射方向）、溫濕度、氣流、CO2濃度等環(huán)境因子進行自動控制，全天候穩(wěn)定運行，種苗品質與生產技術實現(xiàn)標準化管理。育苗室一般都采用多層立體栽培，根據育苗所需光強度及溫度進行人為調節(jié)，如在育苗適宜光強范圍內100～400 μmol/（m2·s），選擇相對較低的光強，降低用電成本的同時滿足了植株光合作用所需。圖5為全封閉育苗室育出的番茄苗，播種21天后，4片真葉完全展開，外觀形態(tài)表現(xiàn)為節(jié)間短、莖粗、葉色深、葉片厚，且通過調控生長環(huán)境保證幼苗生長整齊一致（圖6）。此外，水肥循環(huán)式供應系統(tǒng)（圖7），極大降低水的使用量及減少化學肥料的浪費。

營養(yǎng)液無土栽培技術

2010年，日本無土栽培面積達1741 hm2，占設施栽培總面積49000 hm2的4%左右。利用無土栽培技術實現(xiàn)了水肥自動化管理，不僅節(jié)省了水資源，肥料利用率也高達90%以上，并且降低了勞動力，減少病蟲害。無土栽培結合環(huán)控技術能合理調節(jié)作物生長的光、溫、水、氣、肥等環(huán)境條件，充分發(fā)揮作物的生產潛力。因此，無土栽培是大規(guī)模設施栽培以及植物工廠的基礎。日本目前應用較多的無土栽培類型（圖8）。

地上部環(huán)境控制技術

★ 熱泵調溫節(jié)能技術

2000年以來，隨著石油價格上漲，熱泵由于其熱性能系數（COP）較高，節(jié)能效果明顯逐漸受到關注。到2015年為止，熱泵調溫節(jié)能技術在日本利用面積占到加熱設施栽培面積（1500 hm2）的7%。熱泵具有加熱、降溫、濕度調節(jié)、增加室內氣流循環(huán)等功能。一般有立式與吊式兩種類型（圖9）。在人工光植物工廠中，主要用熱泵進行降溫；在太陽光植物工廠中，熱泵主要用于夏季夜晚降溫，冬季加溫。對于太陽光植物工廠而言，由于室內制冷、制熱負荷受太陽輻射、室內外溫度差影響較大，還需結合其他輔助設施，如夏季結合噴霧降溫，冬季結合傳統(tǒng)加溫裝置，進行聯(lián)合調控。

★ 噴霧降溫技術

噴霧降溫是向空氣中噴灑細霧達到降溫增濕效果的技術。一般可使室內溫度降低2～4℃。日本目前利用細霧降溫主要有兩種類型；一類是將噴頭均勻安裝在設施內直接噴霧（圖10）；另一類是將噴頭接在循環(huán)扇邊緣，借助循環(huán)扇的風力進行噴霧（圖11）。研究證明，噴霧粒徑在30 μm以下葉片不易沾濕。粒徑過大葉片易沾濕，病害增加。

★ CO2施用技術

2011年，在日本三重縣植物工廠生產中的實驗研究表明，在6：00～16：00增施CO2，使室內CO2濃度維持在800～1000 μmol/mol，換氣時的CO2濃度維持450～550 μmol/mol，番茄的產量有明顯提高。日本在植物工廠增施CO2技術方面，主要通過以下三種途徑（圖12）：

一是煤油燃燒法；二是LP液化氣燃燒法；三是液態(tài)CO2氣化方法。其中煤油燃燒法的投入及運行成本相對較低，利用面積較大。然而，煤油中雜質較多，容易引起不完全燃燒，產生有毒氣體，通常對設備及煤油的質量進行定期檢查。

植株生長發(fā)育狀態(tài)定期監(jiān)測

對于番茄等果菜類蔬菜長季節(jié)周年穩(wěn)定生產，植株的生長發(fā)育容易受外界環(huán)境的影響。正確把握好植株的生長與發(fā)育二者的平衡，是保證長季節(jié)栽培成功的關鍵。需要對植株的生長狀態(tài)進行定期監(jiān)測，如測定一周內莖的伸長量、生長點下方15 cm處的莖粗、葉面積、葉片數。

機器人采收技術

近年來，日本國家農業(yè)研究中心農機研究組致力于研發(fā)采收機器人。成功應用于實際栽培中的有番茄和草莓采收機器人，主要由采收手、攝像頭（人眼）、畫面處理器、計算機（人腦）、操縱器、走行器構成六部分組成。攝像頭識別成熟的紅色果實，將畫面?zhèn)鬏數疆嬅嫣幚砥?，經過信號傳送，操縱器控制采收手，移動到果柄附近，將果柄切斷，果實直接落在傳送帶上完成采收。此采收方法稱為“果房采收”，極大地減少勞動力。此外，草莓采收機器人，是充分利用草莓栽培槽的可移動性，將機器人固定在一個位置進行自動化采收。

日本植物工廠生產實例連體缽高品質番茄栽培

果菜類植株相對高大，光飽和點較高，一般以太陽光利用型植物工廠生產為主。靜岡縣作為日本農林水產省植物工廠發(fā)展計劃中的一個示范點，根據其地域性，以靜岡大學與靜岡農業(yè)經濟研究所為中心，日本Amela公司作為技術示范平臺，進行高品質番茄植物工廠化生產技術的研究及推廣。2008年，在靜岡農業(yè)經濟研究所建成2000 m2太陽光利用型植物工廠，進行高品質番茄周年連續(xù)生產，年產量達40 t/1000m2，干物率達6%以上，果重為M號（200～140 g）。其栽培技術特點為：10個250 mL小苗缽連在一起形成一個連體缽（圖13），以巖棉為栽培基質，將每株番茄種植在250 mL的巖棉中，株間距在24 cm，低段（3～4穗果）高密度（3600～

4320株/1000m2）栽培（圖14），根據太陽輻射強度植株水肥需求量，然后利用營養(yǎng)液自動灌溉系統(tǒng)進行灌溉。由于其使用基質較少，根際蓄水能力有限，需采取少量高頻度灌溉營養(yǎng)液，每次每株灌溉營養(yǎng)液40～80 mL。以果實成熟期為例，植株吸水量可達1200～1500 mL/（日·株），如果每次給液60 mL/株，一天給液次數要達到20次以上。此外，植株的吸水量根據溫度日射的變化而變化，在中午前后（10：00～14：00）達到最高，因此，中午前后的給液頻率高于早晚。營養(yǎng)液濃度控制在EC1.2～1.5 mS/cm。此栽培系統(tǒng)易于對植株進行水分脅迫，達到低成本生產高品質番茄的目的。另外，此種栽培方式同樣用在哈密瓜的實證栽培，取得較好效果（圖15）。

番茄立體栽培（Kanjin農場）

此立體栽培農場位處日本北部栃木縣，占地0.92 hm2，栽培床采用上下層構造模式（圖16），有效提高土地利用面積，采用低段密植（留4穗果），下層為收獲期番茄，上層為定植到采收前番茄，下層番茄收獲完畢后將上層栽培床降下，開始采收。日產1.6 t番茄，此公司產品95%專供大型酒店以及出口。

太陽光-人工光并用型植物工廠（綠葉菜）

日本有一家太陽光-人工光并用型植物工廠，1989年建成，占地0.53 hm2，生菜營養(yǎng)液栽培，周年連續(xù)生產（圖17），定植盤漂浮在營養(yǎng)液面上，太陽光結合高壓鈉燈盡興照明，泡沫板按照栽培生菜的苗齡在栽培槽內從定植端漂浮到采收端。夏季利用水簾降溫，冬季利用熱泵加溫。從播種到收獲經歷40天，可實現(xiàn)周年穩(wěn)定供應。

完全人工光植物工廠（功能性葉菜類生產）

★ 日本村上農園株式會社（圖18），是一家利用完全人工光型植物工廠進行芽苗菜生苗菜生產過程包括：催芽、播種、發(fā)芽、綠化、預冷、收獲、包裝、發(fā)貨。全部生產過程采用聯(lián)網監(jiān)控，可對8家分公司同步監(jiān)控管理。從采收到銷售點保證完全冷鏈過程。主要生產豆苗及芽苗菜，包括卷心菜芽苗，紫色卷心菜芽苗，芥菜芽苗，花椰菜芽苗、白蘿卜芽苗等。其產品富含蘿卜硫素、β-胡蘿卜素、維生素C、維生素E等功能性成分。其中花椰菜芽苗因富含蘿卜硫素被稱為“超級保健品”。

★ 日本SPREAD株式會社成立于2006年，是一家利用完全人工光，從育苗到采收完全自動化的植物工廠，生菜日產量達30000株，β-胡蘿卜素含量高達2710 μg/100g，是普通生菜的11倍，堪稱“世界第一”的人工光利用型植物工廠（圖19）。

★ 日本富士通半導體株式會社與日本秋田大學合作研究，2014年1月開始大規(guī)模商業(yè)化生產用于透析腎臟病患者食用的低鉀生菜與菠菜。采用全生長期降低鉀營養(yǎng)液或采收前兩周斷鉀營養(yǎng)液栽培的方法。在產量及品質保持穩(wěn)定的前提下，低鉀蔬菜的鉀含量降低到普通蔬菜的1/4（圖20）。

作者簡介：張軼婷（1985-），女，內蒙古人，博士。畢業(yè)于日本岐阜靜岡聯(lián)合大學，主要從事植物工廠蔬菜作物栽培技術，番茄限根無土栽培，營養(yǎng)液配方，果實番茄紅素代謝等方面研究。