一、概    況

　　1. 植物工廠的定義、分類和意義

　　“植物工廠（Plant Factory）”一詞是日本首先提出的，其概念廣義上涵蓋了設(shè)施園藝，而狹義上則專指人工光型的植物生產(chǎn)系統(tǒng)。根據(jù)日本植物工廠的現(xiàn)狀，植物工廠是完全控制型和太陽(yáng)光利用型營(yíng)養(yǎng)液栽培系統(tǒng)的總稱。日本植物工廠學(xué)會(huì)對(duì)植物工廠的定義是：利用環(huán)境自動(dòng)控制、電子技術(shù)、生物技術(shù)、機(jī)器人和新材料等進(jìn)行植物周年連續(xù)生產(chǎn)的系統(tǒng)，也就是利用計(jì)算機(jī)對(duì)植物生育的溫度、濕度、光照、CO2濃度、營(yíng)養(yǎng)液等環(huán)境條件進(jìn)行自動(dòng)控制，使設(shè)施內(nèi)植物生育不受自然氣候制約的省力型生產(chǎn)。植物工廠生產(chǎn)的對(duì)象包括蔬菜、花卉和果樹(shù)，還有一部分大田作物、食用菌等。根據(jù)其研究對(duì)象層次的不同，植物工廠可分為：以研究植物體為主的狹義的植物工廠，以研究植物組織為主的組織培養(yǎng)系統(tǒng)，以研究植物細(xì)胞為主的細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)。植物工廠的廣義分類見(jiàn)表1。另外，根據(jù)對(duì)太陽(yáng)光利用形式的不同，狹義的植物工廠又可分為完全控制型、太陽(yáng)光利用型和太陽(yáng)光并用型等3種。植物工廠對(duì)于日本農(nóng)業(yè)具有重要意義。首先是提高其農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)性，在有限的土地上

　　□    表1  日本植物工廠廣義分類

　　項(xiàng)目植物工廠（狹義）組織培養(yǎng)系統(tǒng)細(xì)胞大量培養(yǎng)系統(tǒng)

　　對(duì)象植物全體植物組織植物細(xì)胞

　　方法主要是培養(yǎng)液栽培組織培養(yǎng)細(xì)胞培養(yǎng)

　　地上部控制因子光、溫、濕、CO2濃度光、溫、濕、CO2濃度溫、光、營(yíng)養(yǎng)成分

　　地下部控制因子肥料成分、EC、pH、水量、溶氧量營(yíng)養(yǎng)成分（糖、礦物質(zhì)、維生素等）pH、溶氧量、攪拌速度

　　利用高度的環(huán)境控制技術(shù)，提高土地產(chǎn)出率和勞動(dòng)生產(chǎn)率；其次，使寒冷、酷熱和沙漠等不毛之地的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成為可能；植物工廠內(nèi)的作業(yè)環(huán)境優(yōu)越，實(shí)行機(jī)械化生產(chǎn)節(jié)省勞動(dòng)力，使集中勞動(dòng)周年平均化；進(jìn)行無(wú)農(nóng)藥生產(chǎn)，可提供新鮮高品質(zhì)綠色食品；利用營(yíng)養(yǎng)液栽培減少連作障礙，周年有計(jì)劃穩(wěn)定地生產(chǎn)。但是，植物工廠進(jìn)行的是高投入高產(chǎn)出的生產(chǎn)活動(dòng)，設(shè)備投資大，電力消耗多，因此生產(chǎn)成本較高。例如，太陽(yáng)光利用型植物工廠每生產(chǎn)一株生菜的成本約為50日元，而完全控制型植物工廠則需要100日元以上。

　　2. 植物工廠發(fā)展的歷史與現(xiàn)狀

　　1974年日立制作所率先在日本著手進(jìn)行植物工廠的開(kāi)發(fā)工作，其后植物工廠的研究便盛行起來(lái)，到1975年底，有許多企業(yè)和大學(xué)也加入研究行列。那時(shí)的研究還是把營(yíng)養(yǎng)液栽培的自動(dòng)化與植物工廠獨(dú)立開(kāi)來(lái)，直到1985年二者有機(jī)結(jié)合后，植物工廠的數(shù)量才在短期內(nèi)迅速增多起來(lái)，達(dá)到了日本植物工廠發(fā)展的一個(gè)高潮。

　　早期的植物工廠以研究為主，也有實(shí)用化的植物工廠可以進(jìn)行以生菜為主的葉菜類蔬菜、蘿卜芹菜和蘑菇等的生產(chǎn)。近年來(lái)，以生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)和示范性農(nóng)業(yè)公園形式出現(xiàn)的植物工廠越來(lái)越多。截至1997年，實(shí)際運(yùn)營(yíng)中的植物工廠有16個(gè)，面積約1.5hm2，年產(chǎn)量約550t，主要進(jìn)行生菜、番茄、草莓、菠菜、玫瑰花和部分組培苗的生產(chǎn)，其中太陽(yáng)光利用型1hm2，年產(chǎn)量287t，完全控制型0.5hm2，年產(chǎn)量260t。到2001年增加到20多個(gè)，遍及日本全國(guó)各地。

　　隨著植物工廠的發(fā)展，與其相關(guān)的一些研究機(jī)構(gòu)、組織和企業(yè)不斷成立，相關(guān)活動(dòng)越來(lái)越多。如日本植物工廠學(xué)會(huì)每年舉行一次全國(guó)性的學(xué)術(shù)大會(huì)，植物工廠普及振興會(huì)積極開(kāi)展推廣應(yīng)用工作，同時(shí)與設(shè)施園藝學(xué)會(huì)、生物環(huán)境調(diào)節(jié)學(xué)會(huì)、氣象學(xué)會(huì)、照明學(xué)會(huì)、電氣學(xué)會(huì)等保持密切聯(lián)系，以保證其研究水平的先進(jìn)性和實(shí)用性。

　　二、主要技術(shù)

　　1. 營(yíng)養(yǎng)液栽培技術(shù)

　　日本營(yíng)養(yǎng)液栽培的方法有許多種，如NFT、湛液培、噴霧培、固體基質(zhì)培（包括巖棉培、礫培、砂培等），其中以巖棉培和NFT為主，而巖棉培更是占到營(yíng)養(yǎng)液栽培面積的近50 ％。典型的營(yíng)養(yǎng)液栽培裝置有以下幾種形式：①三水式NFT裝置??栽培床用泡沫制成，有一定的斜度（l／8～1／100），底部營(yíng)養(yǎng)液呈薄膜狀緩緩流動(dòng)，可以自動(dòng)供肥，還設(shè)有殺菌裝置；②協(xié)和式??使用成型塑料栽培床，分成若干單元，適用于果菜栽培；③M式??栽培槽用“U”型泡沫制作的成型產(chǎn)品連接而成，定植板也用泡沫做成，里面鋪聚乙烯薄膜，適于葉萊特別是鴨兒芹栽培；④新和式等量交換裝置??其主要特征是栽培槽分成兩部分，相互間進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)液的等量交換，以補(bǔ)給根系充足的氧氣（②、③、④均屬于湛液栽培裝置）；⑤誠(chéng)和式??這是一種循環(huán)式巖棉栽培裝置，在栽培槽中央安裝排水管，從下到上依次鋪放粒狀巖棉墊、巖棉塊和定型灌水管，采用滴灌方式，多余的營(yíng)養(yǎng)液經(jīng)排水管流回集水槽供循環(huán)使用。植物工廠中多采用移動(dòng)栽培裝置，主要有平面式、立體式和傾斜式三種，通過(guò)合理密植，提高了有效栽培面積。

　　日本的營(yíng)養(yǎng)液理論非常成熟，其中興津園藝試驗(yàn)場(chǎng)開(kāi)發(fā)的國(guó)試標(biāo)準(zhǔn)配方通用性好，適用于多種蔬菜，而山崎配方則是針對(duì)每一種作物提出的專有配方。這兩種配方在我國(guó)也得到廣泛應(yīng)用，此外還有神園配方等。日本在營(yíng)養(yǎng)液的管理、殺菌、回收處理、病害防治等方面的研究與應(yīng)用，也達(dá)到了較高水平。營(yíng)養(yǎng)液栽培技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了植物工廠水平的提高，與土壤栽培相比，營(yíng)養(yǎng)液栽培能加速作物生育進(jìn)程，使一年的栽培茬數(shù)增加 15 ％～20 ％，如生菜和芹菜一年可栽培6茬，洋蔥4.8茬，黃瓜和番茄1.8茬。

　　2. 環(huán)境控制技術(shù)

　　植物工廠為達(dá)到周年連續(xù)生產(chǎn)的目標(biāo)，環(huán)境控制是一項(xiàng)重要的技術(shù)。

　?。?）作物生長(zhǎng)及其環(huán)境。植物工廠作為一個(gè)半封閉系統(tǒng)時(shí)刻不斷地與外界進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息的交換，其內(nèi)部作物的生育受到以下環(huán)境因子的影響和制約：光照（光強(qiáng)、光質(zhì)和日照長(zhǎng)度）、溫度、濕度、CO2氣體濃度、風(fēng)速及根部環(huán)境因子如營(yíng)養(yǎng)液的pH、EC、肥料成分、溶氧量、液溫、流速等。對(duì)植物工廠進(jìn)行環(huán)境優(yōu)化控制，最根本的是要明確作物光合作用、產(chǎn)物積累、轉(zhuǎn)流分配、發(fā)育和呼吸等生理過(guò)程與全部或部分環(huán)境因子之間的關(guān)系。但是由于存在以下3個(gè)問(wèn)題點(diǎn)，植物工廠的環(huán)境控制并不簡(jiǎn)單：其一是各種環(huán)境因子并不是獨(dú)立對(duì)作物生育起作用，而是諸因子綜合作用的結(jié)果；其二是控制成本問(wèn)題；其三是最大的產(chǎn)量并不意味著最高的品質(zhì)。

　　最近，日本在電磁場(chǎng)、音響、遠(yuǎn)紅外線等物理刺激對(duì)作物生育影響上的研究，特別引人注目，但關(guān)于其產(chǎn)生效果的機(jī)理原因尚不清楚。

　?。?）環(huán)境控制的原理與方法。植物工廠特別是完全控制型植物工廠為控制光、溫等條件需消耗補(bǔ)光、空調(diào)的大量電力，環(huán)境控制成本很高，同時(shí)環(huán)境控制存在報(bào)酬遞減的規(guī)律，即當(dāng)控制成本增加到一定程度后繼續(xù)增加，控制效果越來(lái)越小。所以，在植物工廠中要綜合考慮各環(huán)境因子的復(fù)合作用效果，首先優(yōu)化控制成本低、效果好的因子才是合理的，這是一種普遍采用的控制方法，稱為最適化原理。采用這種方法，可以用成本低的因子彌補(bǔ)成本高的因子，達(dá)到較好的綜合控制效果。

　　日本植物工廠環(huán)境控制的方法主要有以下兩大類：①過(guò)程控制??反饋控制、ON－OFF控制、PID控制；②計(jì)算機(jī)控制??分布式控制，分時(shí)集中控制，分層網(wǎng)絡(luò)化控制，最適化、適應(yīng)化和智能化控制。

　　三、最新發(fā)展動(dòng)態(tài)

　　在最近幾年日本植物工廠學(xué)會(huì)會(huì)刊及相關(guān)學(xué)術(shù)會(huì)議上，發(fā)表了許多該領(lǐng)域的最新技術(shù)報(bào)告，集中起來(lái)主要有以下幾個(gè)方面：⑴人工補(bǔ)光技術(shù)，包括熒光燈近距離高效間歇補(bǔ)光、高壓鈉燈超廣角燈具的開(kāi)發(fā)及發(fā)光二極管LED、激光二極管LD等新型光源的研制；⑵營(yíng)養(yǎng)液殺菌（熱殺菌、紫外線殺菌、臭氧殺菌）系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)；⑶利用圖像處理和通訊技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離栽培管理；⑷閉鎖系統(tǒng)CELSS的研究；⑸功能性無(wú)農(nóng)藥蔬菜及品質(zhì)評(píng)價(jià)；⑹植物工廠規(guī)劃設(shè)計(jì)的虛擬技術(shù)；⑺利用生物技術(shù)進(jìn)行組培、育種和轉(zhuǎn)基因的研究；⑻栽培管理的信息化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化（專家系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)）；⑼種苗工廠和地下植物工廠的開(kāi)發(fā)；⑽作物生理信息的監(jiān)控；⑾植物工廠的自動(dòng)化技術(shù)及Internet技術(shù)在植物工廠方面的應(yīng)用等。

　　四、展    望

　　目前，日本植物工廠的發(fā)展達(dá)到較高水平，在部分領(lǐng)域的研究和應(yīng)用已超過(guò)了溫室業(yè)較發(fā)達(dá)的荷蘭、以色列等國(guó)，但仍然面臨諸多技術(shù)課題亟待解決。為推進(jìn)植物工廠的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，以降低生產(chǎn)成本為核心，進(jìn)行硬件和軟件的技術(shù)開(kāi)發(fā)至關(guān)重要。

　　進(jìn)入21世紀(jì)，植物工廠在日本農(nóng)業(yè)中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，對(duì)于解決糧食問(wèn)題、環(huán)境問(wèn)題，乃至于對(duì)宇宙的開(kāi)發(fā)，都開(kāi)辟了一條新的途徑。

　　作者單位：江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程研究院

　　※ 日本三重大學(xué)生物資源學(xué)部

　　摘自：《世界農(nóng)業(yè)》雜志2002年第十一期