日本人工光型植物工廠技術進展與典型案例

日本植物工廠研究會

自2009年開始，日本農林水產省和經濟產業省先后投資近150億日元啟動了“示范型植物工廠實證·展示·培訓事業”和“植物工廠核心技術研究據點事業”項目，組織了日本千葉大學、東京農工大學、大阪府立大學、愛媛大學、信州大學、明治大學、島根大學、農研機構·蔬菜茶葉研究所、九州沖繩農業研究中心、三重縣農業研究所、青森縣產業技術中心農林綜合研究所等大專院校與科研院所開展核心技術攻關和試驗示范。同時，由67家涉農企業為核心會員成立的日本植物工廠研究會也同期應運而生，理事長為古在豐樹教授，是一個特定非盈利的社團法人，目前已有108家團體會員和88名個人會員。日本植物工廠研究會的入會金為1萬日元，年會費分為6檔：A類特別團體會員的年會費為100萬日元，B類為50萬日元，團體會員的年會費為10萬日元，個人會員的為2萬日元，贊助團體會員的年會費為5萬日元，贊助個人會員的為1萬日元。日本植物工廠研究會每年定期舉辦10次植物工廠學習會和6次植物工廠培訓會、還接受網上預約的植物工廠參觀會。到2016年4月1日截止，已成功舉辦96次植物工廠學習會，會員的學費為2700日元/次、非會員為5400日元/次；植物工廠參觀按照預約制，每20～40人成團，無專業講解的參觀會每人收費500日元，有專業講解的參觀會每人收費2200日元。植物工廠參觀會的專業講解員則由古在豐樹教授、篠原溫教授、丸尾達教授擔任，可見日本植物工廠研究會對植物工廠科普工作的重視。

日本植物工廠研究會的主要成員結成松下聯盟組、未來聯盟組、和鄉聯盟組開展植物工廠的技術研發與試驗示范活動（圖1）。松下聯盟組主要開展都市型植物工廠的產品研發與產業推廣活動，主要業務是將小型或超小型的人工光型植物工廠向辦公樓、超市、醫院、酒店、學校、餐廳、住宅群、便利店等場所推廣。未來聯盟組主要針對大規模商業化生產的人工光型葉菜植物工廠開展研發和市場推廣活動。和鄉聯盟組針對結球生菜的產業需求開展大規模和低成本化的植物工廠技術研發和產業化推廣。產業聯盟組成員與植物工廠研究單位進行產學研結合，針對人工光型植物工廠的明期暗期的最佳組合控制、基于生育階段的環境要素與栽培密度的優化、人工光下最佳栽培品種的開發、功能性植物的培育技術、抗病性好但抗逆性弱的品種篩選、植物工廠進行采種和育種的可行性等開展了深入的研發試驗。筆者曾參加了4次植物工廠學習會，并有幸2次作為講師登上學習會的講臺，深有感觸。日本植物工廠學習會雖然每次只有4 h，但針對明確的主題，包括基礎理論學習與科普、最新的技術研發進展、產業普及現狀與商業化前景展望，讓每一個聽眾都能針對主題內容掌握一定的理論知識與技術實踐，并對其商業化前景和存在的問題有深刻的體會和認識。植物工廠學習會的聽眾每次在60～100人，幾乎都是座無虛席，聽眾層次都為企業高層和技術骨干，講師與聽眾也積極互動，很多聽眾在休息時間和會后與講師互換名片并簡短交流。在這樣一個精益求精、人人學習的社會環境下，才使得日本的植物工廠技術能夠走在全世界的前列。

日本未來有限公司的人工光型葉菜植物工廠

日本未來有限公司（MIRAI CO， LTD）成立于2004年9月，是一家以植物工廠和水耕栽培設備的研究開發與設備銷售、設備售后的工廠運營/栽培技術支持、水耕蔬菜的生產與銷售為主體業務的高新企業，其研發活動是與千葉大學共同開展的。目前，擁有4棟自己經營的植物工廠：多賀城Labo（日產生菜500株）、多賀城Green Room（日產生菜10000株，使用LED光源）、柏之葉Green Room工廠（日產生菜10000株，使用熒光燈）、千葉大學內Green Room（日產生菜3000株，現為熒光燈，準備更換為LED光源）。2013年向蒙古國銷售日產生菜3000株的人工光型植物工廠2棟，2014年向中國香港銷售日產生菜4500株的人工光型植物工廠1棟、向俄羅斯銷售日產生菜10000株的人工光型植物工廠1棟。日本未來有限公司的技術優勢是緊密地圍繞在日本千葉大學的周圍與其共同開展研發活動，并將其自有工廠積累的人工光蔬菜生產經驗反饋到植物工廠設計建設和栽培管理中。

基于LED的多賀城Green Room在改造前是一個半導體工廠，將其改建為利用15層水耕栽培、全面采用LED照明的日產生菜10000株的人工光利用型植物工廠（圖2）。原來的半導體工廠的建筑面積為2300 m2、層高為7 m，植物工廠改造后栽培面積為1400 m2、栽培架的層高為6 m，按照7 h/天的工作量安排的實際用工數為20人，主要生產生菜和香草，銷售對象是超市、連鎖餐廳、連鎖咖啡店等。該植物工廠采用LED光源共計17500支，從育苗室出來后的初期階段采用白色和紅色LED光源，其光質偏白以促進光合作用，然后再照射由紅色和藍色組合的LED光源，其光質偏紅以促進葉片和根莖的生長，臨近收獲期時采用偏白的LED光源以促進光合作用。與使用熒光燈的柏之葉Green Room的人工光型植物工廠相比，基于LED的多賀城Green Room的耗電量減少了40%，其收獲量也提高了50%。據該公司介紹，為了避免因多層栽培架在高度方向上的溫度、風量及光照強度等產生明顯差異，科學而合理地布局了空調和設備。該植物工廠自2014年5月投產后運行良好，產量基本能達到設計目標，但使用熒光燈的柏之葉Green Room則無法實現預期目標。該公司在2013年成立了未來大田（北京）貿易有限公司進軍中國市場。從未來公司的全球業務擴張到運營管理來看，人工光型葉菜植物工廠由LED光源取代熒光燈指日可待。

其實，在日本利用人工光生產葉菜的最大的植物工廠是由京都Spread公司建立的，該公司從日產生菜5000株的植物工廠開始，逐漸擴大生產規模，累計生產規模已經達到40000株以上，目前還準備建造1棟占地面積為4400 m3、全球首個完全自動化的新型植物工廠，每日的生菜產量將達30000株。京都Spread公司在人工光葉菜生產領域可以說是全世界最強的。富士通公司利用植物工廠生產的低鉀生菜也已經投放市場，其市場價格是普通生菜的3倍以上，這是由植物工廠生產高附加值植物的一個典型范例。

日本日清紡股份有限公司的人工光型草莓植物工廠

日本的設施草莓生產以其優質高產和品種眾多聞名于世，在中國還在探討如何提高越冬草莓生產水平時，其研究重點早就轉向越夏草莓的優質高產技術研究和適宜品種開發。同時，日本的種子繁殖型草莓品種的開發也取得了突破性進展，目前已經在開展商業化推廣。草莓因其株高矮、需光量不大、果實價值高等特點，是適于在人工光型植物工廠中生產的植物種類。日本千葉大學率先在日本開展了草莓的人工光栽培研究，其后由日清紡股份有限公司（Nisshinbo Group）開展了草莓人工光生產的商業化。

日本日清紡股份有限公司成立于1907年，從紡織起家逐漸拓展事業版圖，于2009年成立集團控股公司，下轄6家子公司，產業擴及紡織、汽車、化學、電子、機械設備及造紙等6大領域。日清紡公司新規事業開發部于2010年成立植物工廠研發組并開展草莓和葉菜的植物工廠生產，于2011年3月在德島縣德島市設置了10000株草莓植物工廠進行中試，到2012年9月已擴展為占地面積為6000 m2、種植草莓10萬株的草莓植物工廠，并注冊商品名為“あぽろべりー”開始銷售（圖3）。公司于2014年1月在靜岡縣藤枝市又建設了同樣占地面積為6000 m2、種植草莓10萬株的草莓植物工廠。以下就德島草莓植物工廠的生產情況進行簡單介紹。

德島草莓植物工廠的占地規模為60 m×100 m，每個栽培單元的層高為3.2 m，有20 m的5層栽培床8列，目前主要使用熒光燈，每月能穩定生產6～7 t草莓（每年0.8 kg/株），全部采用B2B方式簽約銷售，銷量的90%用于蛋糕加工。據稱，該公司已掌握了草莓的人工光種植方法，并預定于2017年全部更換為LED光源，預計在2017年3月實現12～13 t/月的草莓產量（每年1.6 kg/株），到

2018年3月實現15～17 t/月

的草莓產量（每年2 kg/株）。普通的設施草莓的產量約為6～10 kg/m2（每年<0.2 kg/株），種植密度約為7～8株/m2，而人工光型草莓植物工廠的產量目前也在5～6 kg/m2，期待在2017年以后達到12～16 kg/m2以上。

日清紡公司的草莓植物工廠的突出之處在于，利用營養液管理、溫濕管理、光照管理等環境控制手段有效地調控了草莓果實的大小、糖酸比、口感等品質指標，無論是在冬季還是夏季都能生產出品質如一的果實，耐儲藏性更好（圖4）。這對于品種多樣性好、短日喜冷的草莓生產來說，完全環境控制的人工光型植物工廠無疑是一個理想的生產設施。草莓的一季性品種適于越冬栽培以提高其糖度用于鮮食，四季性品種適于夏秋栽培，但酸度較大，主要是由韓國和美國生產。人工光型植物工廠可以在完全可控環境下進行穩定生產，不僅能突破品種的季節性限制，還能實現周年穩定的草莓品質調控。據日清紡公司的工程師介紹，該德島草莓植物工廠的草莓苗從2010年到現在一直沒有更換，其技術要點在于營養液的pH和根系管理。（編者注：1人民幣元=16.798日元）

作者簡介：賀冬仙（1970-），女，山西太谷人，教授，博士，博士生導師。