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一、概况
1.植物工厂的定义、分类和意义
“植物工厂(Plant Factory)”一词是日本首先提出的，其概念广义上涵盖了设施园艺，而狭义上则专指人工光型的植物生产系统。根据日本植物工厂的现状，植物工厂是完全控制型和太阳光利用型营养液栽培系统的总称。日本植物工厂学会对植物工厂的定义是：利用环境自动控制、电子技术、生物技术、机器人和新材料等进行植物周年连续生产的系统，也就是利用计算机对植物生育的温度、湿度、光照、二氧化碳浓度、营养液等环境条件进行自动控制，使设施内植物生育不受自然气候制约的省力型生产。
植物工厂生产的对象包括蔬菜、花卉和果树，还有一部分大田作物、食用菌等。根据其研究对象层次的不同，植物工厂可分为：以研究植物体为主的狭义的植物工厂，以研究植物组织为主的组织培养系统，以研究植物细胞为主的细胞培养系统。另外，根据对太阳光利用形式的不同，狭义的植物工厂又可分为完全控制型、太阳光利用型和太阳光并用型等3种。
植物工厂对于日本农业具有重要意义。首先是提高其农业的生产性，在有限的土地上利用高度的环境控制技术，提高土地产出率和劳动生产率；其次，使寒冷、酷热和沙漠等不毛之地的农业生产成为可能；植物工厂内的作业环境优越，实行机械化生产节省劳动力，使集中劳动周年平均化；进行无农药生产，可提供新鲜高品质绿色食品；利用营养液栽培减少连作障碍，周年有计划稳定地生产。但是，植物工厂进行的是高投入高产出的生产活动，设备投资大，电力消耗多，因此生产成本较高。例如，太阳光利用型植物工厂每生产一株生菜的成本约为50日元，而完全控制型植物工厂则需要100日元以上。
2.植物工厂发展的历史与现状
1974年日立制作所率先在日本着手进行植物工厂的开发工作，其后植物工厂的研究便盛行起来，到1975年底，有许多企业和大学也加入研究行列。那时的研究还是把营养液栽培的自动化与植物工厂独立开来，直到1985年二者有机结合后，植物工厂的数量才在短期内迅速增多起来，达到了日本植物工厂发展的一个高潮。
早期的植物工厂以研究为主，也有实用化的植物工厂可以进行以生菜为主的叶菜类蔬菜、萝卜、芹菜和蘑菇等的生产。近年来，以生产经营和示范性农业公园形式出现的植物工厂越来越多。截至1997年，实际运营中的植物工厂有16个，面积约1.5h平方米，年产量约550t，主要进行生菜、番茄、草莓、菠菜、玫瑰花和部分组培苗的生产，其中太阳光利用型1h平方米，年产量287t，完全控制型0.5h平方米，年产量260t。到2001年增加到20多个，遍及日本全国各地。
随着植物工厂的发展，与其相关的一些研究机构、组织和企业不断成立，相关活动越来越多。如日本植物工厂学会每年举行一次全国性的学术大会，植物工厂普及振兴会积极开展推广应用工作，同时与设施园艺学会、生物环境调节学会、气象学会、照明学会、电气学会等保持密切联系，以保证其研究水平的先进性和实用性。
二、主要技术
1.营养液栽培技术
日本营养液栽培的方法有许多种，如NFT、湛液培、喷雾培、固体基质培(包括岩棉培、砾培、砂培等)，其中以岩棉培和NFT为主，而岩棉培更是占到营养液栽培面积的近50％。典型的营养液栽培装置有以下几种形式：①三水式NFT装置?D?D栽培床用泡沫制成，有一定的斜度(1／80－1／100)，底部营养液呈薄膜状缓缓流动，可以自动供肥，还设有杀菌装置；②协和式?D?D使用成型塑料栽培床，分成若干单元，适用于果菜栽培；③M式?D?D栽培槽用“U”型泡沫制作的成型产品连接而成，定植板也用泡沫做成，里面铺聚乙烯薄膜，适于叶菜特别是鸭儿芹栽培；④新和式等量交换装置?D?D其主要特征是栽培槽分成两部分，相互间进行营养液的等量交换，以补给根系充足的氧气(②、③、④均属于湛液栽培装置)；⑤诚和式?D?D这是一种循环式岩棉栽培装置，在栽培槽中央安装排水管，从下到上依次铺放粒状岩棉垫、岩棉块和定型灌水管，采用滴灌方式，多余的营养液经排水管流回集水槽供循环使用。植物工厂中多采用移动栽培装置，主要有平面式、立体式和倾斜式三种，通过合理密植，提高了有效栽培面积。
日本的营养液理论非常成熟，其中兴津园艺试验场开发的园试标准配方通用性好，适用于多种蔬菜，而山崎配方则是针对每一种作物提出的专有配方。这两种配方在我国也得到广泛应用，此外还有神园配方等。日本在营养液的管理、杀菌、回收处理、病害防治等方面的研究与应用，也达到了较高水平。营养液栽培技术的发展促进了植物工厂水平的提高，与土壤栽培相比，营养液栽培能加速作物生育进程，使一年的栽培茬数增加15％-20％，如生菜和芹菜一年可栽培6茬，洋葱4.8茬，黄瓜和番茄1.8茬。
2.环境控制技术
植物工厂为达到周年连续生产的目标，环境控制是一项重要的技术。
(1)作物生长及其环境。植物工厂作为一个半封闭系统时刻不断地与外界进行物质、能量和信息的交换，其内部作物的生育受到以下环境因子的影响和制约：光照(光强、光质和日照长度)、温度、湿度、C02气体浓度、风速及根部环境因子如营养液的pH、EC、肥料成分、溶氧量、液温、流速等。对植物工厂进行环境优化控制，最根本的是要明确作物光合作用、产物积累、转流分配、发育和呼吸等生理过程与全部或部分环境因子之间的关系。但是由于存在以下3个问题点，植物工厂的环境控制并不简单：其一是各种环境因子并不是独立对作物生育起作用，而是诸因子综合作用的结果；其二是控制成本问题；其三是最大的产量并不意味着最高的品质。
最近，日本在电磁场、音响、远红外线等物理刺激对作物生育影响上的研究，特别引人注目，但关于其产生效果的机理原因尚不清楚。
(2)环境控制的原理与方法。植物工厂特别是完全控制型植物工厂为控制光、温等条件需消耗补光、空调的大量电力，环境控制成本很高，同时环境控制存在报酬递减的规律，即当控制成本增加到一定程度后继续增加，控制效果越来越小。所以，在植物工厂中要综合考虑各环境因子的复合作用效果，首先优化控制成本低、效果好的因子才是合理的，这是一种普遍采用的控制方法，称为最适化原理。采用这种方法，可以用成本低的因子弥补成本高的因子，达到较好的综合控制效果。
日本植物工厂环境控制的方法主要有以下两大类：①过程控制?D?D反馈控制、ON-OFF控制、PID控制；②计算机控制?D?D分布式控制，分时集中控制，分层网络化控制，最适化、适应化和智能化控制。
走进日本“植物工厂”
2009年06月05日 11:12:24 来源：新华网
新华网东京６月５日电 通讯：走进日本“植物工厂”
新华社记者华义
在日本，一种被称为“植物工厂”的新型生产方式正成为改变日本传统农业生产方式的新亮点，它不但有望以更少的资源产出更多的蔬菜和粮食，还可为提高就业率作贡献。
所谓“植物工厂”，是指在封闭的环境中，人工控制植物的生长环境，比如光、温度、湿度、养分等，通过高水平的环境调节，全天候地批量生产蔬菜等植物。
千叶大学在“植物工厂”的技术研究开发中走在前列，据千叶大学教授丸尾达准介绍，“植物工厂”目前主要分为“完全控制型”、“太阳光、人工光并用型”和“太阳光利用型”三种类型，新华社记者日前应邀参观了千叶大学和东京都府中市的完全控制型植物工厂。在这里，蔬菜像普通商品一样被批量生产，让人不禁惊叹现代高科技农业的力量。
小津公司是一家拥有３００多年历史的造纸公司，由于传统行业不太景气，公司看好“植物工厂”的发展前景，转而将公司的一处厂房改造为“植物工厂”的车间。在位于东京都府中市的“植物工厂”，我们看到的情景和传统的蔬菜种植业完全不同，一排排蔬菜生长在高高的隔层架子上，这里的一切都是人工控制的，包括温度、灯光、二氧化碳浓度等，在室内无菌环境下，工人穿着特殊的防尘服，戴着口罩和手套在“种菜”，无土栽培的蔬菜绿油油的，长势喜人，静待收获。
据介绍，这种蔬菜非常干净，可以免洗、直接入口。现场参观的记者们还饶有兴致地品尝了新鲜的蔬菜，不少人还自掏腰包购买了一些，其价格和通常市场上的菜价差不多。
“植物工厂”以其可调控、高产出、高品质等特点，近来备受瞩目，这个项目也得到了日本经济产业省和农林水产省的政策支持，其中包括对“植物工厂”建设、相关技术开发、人才培养和市场推广等进行财政补贴和支持。
目前，日本全国有４９个这样的“植物工厂”。预计３年后，“植物工厂”的生产成本有望降到目前的三分之一，工厂数目则有望增加３倍。随着技术的不断进步，“植物工厂”将为人类提供越来越多的食物，这一技术将来也许能有助于缓解全球粮食短缺危机。
日本加快植物工厂应用推广速度
2012-06-04 16:02 文章来源： 驻日使馆经商处
文章类型： 编译 内容分类： 新闻
据《日本经济新闻》报道，日本科研机构、企业加强合作，加快植物工厂的推广速度。从事简易住宅的三协FRONTIER公司将从6月开始植物工厂设备出租业务，除建筑物本身以外，主要租赁栽培架、照明、空调等设备，还销售种苗。由于植物工厂不受天气、病虫害影响，且不使用农药，适合非专业人员种植。目前，该公司主推的小型植物工厂占地仅6平米，一般种植生菜，生育期为2至3周，每天采收8株。这套设备价值200万日元（约合16万人民币），主要面向餐饮公司出租。为招揽更多客户，该公司暂定租价仅3万日元。规模较大的植物工厂占地在13至160平米之间，该公司计划2013年4月前租售500套，并定期提供种苗和营养液。植物工厂外壁还可以作喷涂餐饮广告。植物工厂一般种植速生的叶用蔬菜，很少种植多年生果树。从事糕点生产的FT山梨公司宣布，将从2014年开始进行植物工厂的酒用葡萄栽培，采用东京农工大学开发的栽培方法，产量可以提高6倍。葡萄采用“甲州”等盆栽品种，今年5月开始试栽。东京农工大学准备了早春、春、夏、秋、晚秋、冬等6种环境的植物工厂，调节每个植物工厂的二氧化碳浓度和光照，葡萄在各个植物工厂之间转换，加快了葡萄生长速度，达到一年采收2次的效果。下一步工作主要是验证葡萄品质是否符合制作葡萄酒的要求。
日本开发“植物工厂”
一提到植物，人们自然会想到农业。但日本大成建设公司近日开发的“植物工厂”，则采用了完全工业化和自动化的方式生产农作物。在人们眼中，它是工业和农业的有机融合物，代表了21世纪农业的一个发展方向。“植物工厂”有一个很大的厂房，如同普通工厂，但房顶是由透明玻璃构成的，阳光可以照射进来。蔬菜种在一个个托盘上，基本是无土栽培，用营养液代替土壤。从种植到收获全部是自动化，由计算机控制的机器人可根据蔬菜生长的需要调节湿度和光照。
在“植物工厂”里，种植不受季节影响，一年四季可以按照市场的需求向人们提供各种新鲜蔬菜。蔬菜生产周期比露天栽培要短得多，比如生菜从种植到收获只用20天时间。由于全部是室内作业，所以病虫害较少，基本上不用农药。工人只要会操作电脑，没有任何农业知识也能生产。“植物工厂”已经由大成建设公司推向市场，现在有不少食品厂家前来参观，大成建设公司希望每年能有数十亿日元的订单。
由于日本年轻人不愿意从事农业，导致农业后继乏人，如何减少农业生产中的人力已成为一个重要课题。另外，在激烈的国际竞争中，日本蔬菜怎样以质取胜，也是受到人们普遍关心。“植物工厂”既能节省人力，又可生产安全的蔬菜，是一种新尝试。 (来源：上海农业信息网)
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