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、環境問題的日益突出，未來農業發展的方向受到高度關注。日本農業的發展同樣面臨著從業人口減少，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），在農業經濟發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，其主要原因是現代化工業及科學技術的發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省開始啟動植物工廠發展計劃，陸續在全國范圍建立起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，實行高精度環境控制，構筑周年穩定生產體系，截止到2015年5月，由農林水產省和經濟產業省共同出資補助科研單位、企業、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，進行大規模設施栽培管理技術數據累積及相關技術人員的培養，最終實現高品質蔬菜周年穩定供應，被稱為“次世代”設施園藝發展計劃。

植物工廠是一種技術高度密集的高效農業生產系統，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環控系統、加溫設備、細霧降溫設備、無土栽培技術、營養液管理系統、機器人技術、廢液處理設備、CO2施肥系統等技術。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境下，采用自然光（或人工補光）與營養液栽培進行植物工廠化生產。由于系統未完全封閉，受外界氣候環境影響較大，有時生產不太穩定，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境下采用人工光源與營養液栽培技術進行植物工廠化生產的方式。由于系統密閉，受外界氣候環境影響較小，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達的國家之一，日本在植物工廠技術的研發方面，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，更加節能和低運行成本的實用化方向發展，以實現技術的普及化。

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。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栽培兩種方式。前者可根據季節變化選擇不同品種，如夏季高溫期，選擇花芽分化穩定的品種。而長季節栽培中，一般選擇適宜長短栽培及耐病性強的品種。

植株形態 適用于長季節栽培的番茄品種，一般具有植株節間長、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，培育整齊一致的優質種苗是保證大規模設施栽培正常運行的關鍵。目前，日本用于大規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濃度等環境因子進行自動控制，全天候穩定運行，種苗品質與生產技術實現標準化管理。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，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，外觀形態表現為節間短、莖粗、葉色深、葉片厚，且通過調控生長環境保證幼苗生長整齊一致（圖6）。此外，水肥循環式供應系統（圖7），極大降低水的使用量及減少化學肥料的浪費。

營養液無土栽培技術

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了水肥自動化管理，不僅節省了水資源，肥料利用率也高達90%以上，并且降低了勞動力，減少病蟲害。無土栽培結合環控技術能合理調節作物生長的光、溫、水、氣、肥等環境條件，充分發揮作物的生產潛力。因此，無土栽培是大規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）。

地上部環境控制技術

★ 熱泵調溫節能技術

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，節能效果明顯逐漸受到關注。到2015年為止，熱泵調溫節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、增加室內氣流循環等功能。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，冬季結合傳統加溫裝置，進行聯合調控。

★ 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扇邊緣，借助循環扇的風力進行噴霧（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。

植株生長發育狀態定期監測

對于番茄等果菜類蔬菜長季節周年穩定生產，植株的生長發育容易受外界環境的影響。正確把握好植株的生長與發育二者的平衡，是保證長季節栽培成功的關鍵。需要對植株的生長狀態進行定期監測，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，日本國家農業研究中心農機研究組致力于研發采收機器人。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，將畫面傳輸到畫面處理器，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，然后利用營養液自動灌溉系統進行灌溉。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液，每次每株灌溉營養液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。營養液濃度控制在EC1.2～1.5 mS/cm。此栽培系統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，生菜營養液栽培，周年連續生產（圖17），定植盤漂浮在營養液面上，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，可實現周年穩定供應。

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、發芽、綠化、預冷、收獲、包裝、發貨。全部生產過程采用聯網監控，可對8家分公司同步監控管理。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月開始大規模商業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液或采收前兩周斷鉀營養液栽培的方法。在產量及品質保持穩定的前提下，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。畢業于日本岐阜靜岡聯合大學，主要從事植物工廠蔬菜作物栽培技術，番茄限根無土栽培，營養液配方，果實番茄紅素代謝等方面研究。