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(nóng)業(yè)發(fā)展的方向受到高度關(guān)注。日本農(nóng)業(yè)的發(fā)展同樣面臨著從業(yè)人口減少，老齡化加劇，農(nóng)產(chǎn)品自給率降低，以及設(shè)施栽培用肥料及燃料等其他耗材完全依靠進(jìn)口等問題。

日本農(nóng)林水產(chǎn)省數(shù)據(jù)顯示，早在1955年，水稻占日本農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(shè)施栽培占到蔬菜栽培總面積的50%以上（圖1），在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的中起著主導(dǎo)作用。2000年，日本設(shè)施栽培面積降低到50000 hm2，

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

自2008年起，日本農(nóng)林水產(chǎn)省和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)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(shè)施園藝的地域性發(fā)展。2013～2015年期間，日本在不斷學(xué)習(xí)借鑒荷蘭的設(shè)施園藝技術(shù)的基礎(chǔ)上，靈活運(yùn)用地域能源，實行高精度環(huán)境控制，構(gòu)筑周年穩(wěn)定生產(chǎn)體系，截止到2015年5月，由農(nóng)林水產(chǎn)省和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省共同出資補(bǔ)助科研單位、企業(yè)、農(nóng)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(chǎn)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(kuò)散，進(jìn)行大規(guī)模設(shè)施栽培管理技術(shù)數(shù)據(jù)累積及相關(guān)技術(shù)人員的培養(yǎng)，最終實現(xiàn)高品質(zhì)蔬菜周年穩(wěn)定供應(yīng)，被稱為“次世代”設(shè)施園藝發(fā)展計劃。

植物工廠是一種技術(shù)高度密集的高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，是多項技術(shù)要素的集合體，包括外圍與內(nèi)部資材的選用、栽培品種的選擇、ICT環(huán)控系統(tǒng)、加溫設(shè)備、細(xì)霧降溫設(shè)備、無土栽培技術(shù)、營養(yǎng)液管理系統(tǒng)、機(jī)器人技術(shù)、廢液處理設(shè)備、CO2施肥系統(tǒng)等技術(shù)。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(bǔ)光）與營養(yǎng)液栽培進(jìn)行植物工廠化生產(chǎn)。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(chǎn)不太穩(wěn)定，但建設(shè)與運(yùn)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(shù)進(jìn)行植物工廠化生產(chǎn)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(shè)與運(yùn)行成本較高。

日本植物工廠的關(guān)鍵技術(shù)

荷蘭是世界上設(shè)施園藝發(fā)達(dá)的國家之一，日本在植物工廠技術(shù)的研發(fā)方面，一直在不斷引入和借鑒荷蘭的高新技術(shù)，同時結(jié)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(zhǔn)控制，更加節(jié)能和低運(yùn)行成本的實用化方向發(fā)展，以實現(xiàn)技術(shù)的普及化。

品種選擇

植物工廠生產(chǎn)中，栽培品種的選擇至關(guān)重要，應(yīng)選擇適于在植物工廠智能化精準(zhǔn)控制的栽培條件下生長，具有高產(chǎn)高質(zhì)量、滿足市場需求的特性。2016年1月，日本設(shè)施園藝學(xué)會對“次世代”設(shè)施園藝發(fā)展中關(guān)于番茄品種的選擇進(jìn)行了如下總結(jié)：

產(chǎn)量 日本培育出一系列高光能利用率、高品質(zhì)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(zhì)含量可達(dá)5.5%，年產(chǎn)量達(dá)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(jù)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(qiáng)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(jié)實 培育無需授粉或激素處理而結(jié)實的品種，從而大大降低生產(chǎn)成本。

育苗

一般來講，設(shè)施栽培的成敗50%決定于種苗，培育整齊一致的優(yōu)質(zhì)種苗是保證大規(guī)模設(shè)施栽培正常運(yùn)行的關(guān)鍵。目前，日本用于大規(guī)模生產(chǎn)的育苗設(shè)備是全封閉育苗室（圖4），主要以不透光的絕熱材料為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，熒光燈等人工光作為光源，可對內(nèi)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(jìn)行自動控制，全天候穩(wěn)定運(yùn)行，種苗品質(zhì)與生產(chǎn)技術(shù)實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化管理。育苗室一般都采用多層立體栽培，根據(jù)育苗所需光強(qiáng)度及溫度進(jìn)行人為調(diào)節(jié)，如在育苗適宜光強(qiáng)范圍內(nèi)100～400 μmol/（m2·s），選擇相對較低的光強(qiáng)，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(diào)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(yīng)系統(tǒng)（圖7），極大降低水的使用量及減少化學(xué)肥料的浪費(fèi)。

營養(yǎng)液無土栽培技術(shù)

2010年，日本無土栽培面積達(dá)1741 hm2，占設(shè)施栽培總面積49000 hm2的4%左右。利用無土栽培技術(shù)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(dá)90%以上，并且降低了勞動力，減少病蟲害。無土栽培結(jié)合環(huán)控技術(shù)能合理調(diào)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(chǎn)潛力。因此，無土栽培是大規(guī)模設(shè)施栽培以及植物工廠的基礎(chǔ)。日本目前應(yīng)用較多的無土栽培類型（圖8）。

地上部環(huán)境控制技術(shù)

★ 熱泵調(diào)溫節(jié)能技術(shù)

2000年以來，隨著石油價格上漲，熱泵由于其熱性能系數(shù)（COP）較高，節(jié)能效果明顯逐漸受到關(guān)注。到2015年為止，熱泵調(diào)溫節(jié)能技術(shù)在日本利用面積占到加熱設(shè)施栽培面積（1500 hm2）的7%。熱泵具有加熱、降溫、濕度調(diào)節(jié)、增加室內(nèi)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(jìn)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(nèi)制冷、制熱負(fù)荷受太陽輻射、室內(nèi)外溫度差影響較大，還需結(jié)合其他輔助設(shè)施，如夏季結(jié)合噴霧降溫，冬季結(jié)合傳統(tǒng)加溫裝置，進(jìn)行聯(lián)合調(diào)控。

★ 噴霧降溫技術(shù)

噴霧降溫是向空氣中噴灑細(xì)霧達(dá)到降溫增濕效果的技術(shù)。一般可使室內(nèi)溫度降低2～4℃。日本目前利用細(xì)霧降溫主要有兩種類型；一類是將噴頭均勻安裝在設(shè)施內(nèi)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(fēng)力進(jìn)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(shù)

2011年，在日本三重縣植物工廠生產(chǎn)中的實驗研究表明，在6：00～16：00增施CO2，使室內(nèi)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(chǎn)量有明顯提高。日本在植物工廠增施CO2技術(shù)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(yùn)行成本相對較低，利用面積較大。然而，煤油中雜質(zhì)較多，容易引起不完全燃燒，產(chǎn)生有毒氣體，通常對設(shè)備及煤油的質(zhì)量進(jìn)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(chǎn)，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(guān)鍵。需要對植株的生長狀態(tài)進(jìn)行定期監(jiān)測，如測定一周內(nèi)莖的伸長量、生長點下方15 cm處的莖粗、葉面積、葉片數(shù)。

機(jī)器人采收技術(shù)

近年來，日本國家農(nóng)業(yè)研究中心農(nóng)機(jī)研究組致力于研發(fā)采收機(jī)器人。成功應(yīng)用于實際栽培中的有番茄和草莓采收機(jī)器人，主要由采收手、攝像頭（人眼）、畫面處理器、計算機(jī)（人腦）、操縱器、走行器構(gòu)成六部分組成。攝像頭識別成熟的紅色果實，將畫面?zhèn)鬏數(shù)疆嬅嫣幚砥?，?jīng)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(jī)器人，是充分利用草莓栽培槽的可移動性，將機(jī)器人固定在一個位置進(jìn)行自動化采收。

日本植物工廠生產(chǎn)實例連體缽高品質(zhì)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(chǎn)為主。靜岡縣作為日本農(nóng)林水產(chǎn)省植物工廠發(fā)展計劃中的一個示范點，根據(jù)其地域性，以靜岡大學(xué)與靜岡農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)研究所為中心，日本Amela公司作為技術(shù)示范平臺，進(jìn)行高品質(zhì)番茄植物工廠化生產(chǎn)技術(shù)的研究及推廣。2008年，在靜岡農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)研究所建成2000 m2太陽光利用型植物工廠，進(jìn)行高品質(zhì)番茄周年連續(xù)生產(chǎn)，年產(chǎn)量達(dá)40 t/1000m2，干物率達(dá)6%以上，果重為M號（200～140 g）。其栽培技術(shù)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(zhì)，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(jù)太陽輻射強(qiáng)度植株水肥需求量，然后利用營養(yǎng)液自動灌溉系統(tǒng)進(jìn)行灌溉。由于其使用基質(zhì)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(dá)1200～1500 mL/（日·株），如果每次給液60 mL/株，一天給液次數(shù)要達(dá)到20次以上。此外，植株的吸水量根據(jù)溫度日射的變化而變化，在中午前后（10：00～14：00）達(dá)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(jìn)行水分脅迫，達(dá)到低成本生產(chǎn)高品質(zhì)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(nóng)場）

此立體栽培農(nóng)場位處日本北部栃木縣，占地0.92 hm2，栽培床采用上下層構(gòu)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(chǎn)1.6 t番茄，此公司產(chǎn)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(chǎn)（圖17），定植盤漂浮在營養(yǎng)液面上，太陽光結(jié)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(nèi)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(jīng)歷40天，可實現(xiàn)周年穩(wěn)定供應(yīng)。

完全人工光植物工廠（功能性葉菜類生產(chǎn)）

★ 日本村上農(nóng)園株式會社（圖18），是一家利用完全人工光型植物工廠進(jìn)行芽苗菜生苗菜生產(chǎn)過程包括：催芽、播種、發(fā)芽、綠化、預(yù)冷、收獲、包裝、發(fā)貨。全部生產(chǎn)過程采用聯(lián)網(wǎng)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)量達(dá)30000株，β-胡蘿卜素含量高達(dá)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(dǎo)體株式會社與日本秋田大學(xué)合作研究，2014年1月開始大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)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(chǎn)量及品質(zhì)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(nèi)蒙古人，博士。畢業(yè)于日本岐阜靜岡聯(lián)合大學(xué)，主要從事植物工廠蔬菜作物栽培技術(shù)，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。