日本人工光型植物工厂技术进展与典型案例

日本植物工厂研究会

自2009年开始，日本农林水产省和经济产业省先后投资近150亿日元启动了“示范型植物工厂实证·展示·培训事业”和“植物工厂核心技术研究据点事业”项目，组织了日本千叶大学、东京农工大学、大阪府立大学、爱媛大学、信州大学、明治大学、岛根大学、农研机构·蔬菜茶叶研究所、九州冲绳农业研究中心、三重县农业研究所、青森县产业技术中心农林综合研究所等大专院校与科研院所开展核心技术攻关和试验示范。同时，由67家涉农企业为核心会员成立的日本植物工厂研究会也同期应运而生，理事长为古在丰树教授，是一个特定非盈利的社团法人，目前已有108家团体会员和88名个人会员。日本植物工厂研究会的入会金为1万日元，年会费分为6档：A类特别团体会员的年会费为100万日元，B类为50万日元，团体会员的年会费为10万日元，个人会员的为2万日元，赞助团体会员的年会费为5万日元，赞助个人会员的为1万日元。日本植物工厂研究会每年定期举办10次植物工厂学习会和6次植物工厂培训会、还接受网上预约的植物工厂参观会。到2016年4月1日截止，已成功举办96次植物工厂学习会，会员的学费为2700日元/次、非会员为5400日元/次；植物工厂参观按照预约制，每20～40人成团，无专业讲解的参观会每人收费500日元，有专业讲解的参观会每人收费2200日元。植物工厂参观会的专业讲解员则由古在丰树教授、篠原温教授、丸尾达教授担任，可见日本植物工厂研究会对植物工厂科普工作的重视。

日本植物工厂研究会的主要成员结成松下联盟组、未来联盟组、和乡联盟组开展植物工厂的技术研发与试验示范活动（图1）。松下联盟组主要开展都市型植物工厂的产品研发与产业推广活动，主要业务是将小型或超小型的人工光型植物工厂向办公楼、超市、医院、酒店、学校、餐厅、住宅群、便利店等场所推广。未来联盟组主要针对大规模商业化生产的人工光型叶菜植物工厂开展研发和市场推广活动。和乡联盟组针对结球生菜的产业需求开展大规模和低成本化的植物工厂技术研发和产业化推广。产业联盟组成员与植物工厂研究单位进行产学研结合，针对人工光型植物工厂的明期暗期的最佳组合控制、基于生育阶段的环境要素与栽培密度的优化、人工光下最佳栽培品种的开发、功能性植物的培育技术、抗病性好但抗逆性弱的品种筛选、植物工厂进行采种和育种的可行性等开展了深入的研发试验。笔者曾参加了4次植物工厂学习会，并有幸2次作为讲师登上学习会的讲台，深有感触。日本植物工厂学习会虽然每次只有4 h，但针对明确的主题，包括基础理论学习与科普、最新的技术研发进展、产业普及现状与商业化前景展望，让每一个听众都能针对主题内容掌握一定的理论知识与技术实践，并对其商业化前景和存在的问题有深刻的体会和认识。植物工厂学习会的听众每次在60～100人，几乎都是座无虚席，听众层次都为企业高层和技术骨干，讲师与听众也积极互动，很多听众在休息时间和会后与讲师互换名片并简短交流。在这样一个精益求精、人人学习的社会环境下，才使得日本的植物工厂技术能够走在全世界的前列。

日本未来有限公司的人工光型叶菜植物工厂

日本未来有限公司（MIRAI CO， LTD）成立于2004年9月，是一家以植物工厂和水耕栽培设备的研究开发与设备销售、设备售后的工厂运营/栽培技术支持、水耕蔬菜的生产与销售为主体业务的高新企业，其研发活动是与千叶大学共同开展的。目前，拥有4栋自己经营的植物工厂：多贺城Labo（日产生菜500株）、多贺城Green Room（日产生菜10000株，使用LED光源）、柏之叶Green Room工厂（日产生菜10000株，使用荧光灯）、千叶大学内Green Room（日产生菜3000株，现为荧光灯，准备更换为LED光源）。2013年向蒙古国销售日产生菜3000株的人工光型植物工厂2栋，2014年向中国香港销售日产生菜4500株的人工光型植物工厂1栋、向俄罗斯销售日产生菜10000株的人工光型植物工厂1栋。日本未来有限公司的技术优势是紧密地围绕在日本千叶大学的周围与其共同开展研发活动，并将其自有工厂积累的人工光蔬菜生产经验反馈到植物工厂设计建设和栽培管理中。

基于LED的多贺城Green Room在改造前是一个半导体工厂，将其改建为利用15层水耕栽培、全面采用LED照明的日产生菜10000株的人工光利用型植物工厂（图2）。原来的半导体工厂的建筑面积为2300 m2、层高为7 m，植物工厂改造后栽培面积为1400 m2、栽培架的层高为6 m，按照7 h/天的工作量安排的实际用工数为20人，主要生产生菜和香草，销售对象是超市、连锁餐厅、连锁咖啡店等。该植物工厂采用LED光源共计17500支，从育苗室出来后的初期阶段采用白色和红色LED光源，其光质偏白以促进光合作用，然后再照射由红色和蓝色组合的LED光源，其光质偏红以促进叶片和根茎的生长，临近收获期时采用偏白的LED光源以促进光合作用。与使用荧光灯的柏之叶Green Room的人工光型植物工厂相比，基于LED的多贺城Green Room的耗电量减少了40%，其收获量也提高了50%。据该公司介绍，为了避免因多层栽培架在高度方向上的温度、风量及光照强度等产生明显差异，科学而合理地布局了空调和设备。该植物工厂自2014年5月投产后运行良好，产量基本能达到设计目标，但使用荧光灯的柏之叶Green Room则无法实现预期目标。该公司在2013年成立了未来大田（北京）贸易有限公司进军中国市场。从未来公司的全球业务扩张到运营管理来看，人工光型叶菜植物工厂由LED光源取代荧光灯指日可待。

其实，在日本利用人工光生产叶菜的最大的植物工厂是由京都Spread公司建立的，该公司从日产生菜5000株的植物工厂开始，逐渐扩大生产规模，累计生产规模已经达到40000株以上，目前还准备建造1栋占地面积为4400 m3、全球首个完全自动化的新型植物工厂，每日的生菜产量将达30000株。京都Spread公司在人工光叶菜生产领域可以说是全世界最强的。富士通公司利用植物工厂生产的低钾生菜也已经投放市场，其市场价格是普通生菜的3倍以上，这是由植物工厂生产高附加值植物的一个典型范例。

日本日清纺股份有限公司的人工光型草莓植物工厂

日本的设施草莓生产以其优质高产和品种众多闻名于世，在中国还在探讨如何提高越冬草莓生产水平时，其研究重点早就转向越夏草莓的优质高产技术研究和适宜品种开发。同时，日本的种子繁殖型草莓品种的开发也取得了突破性进展，目前已经在开展商业化推广。草莓因其株高矮、需光量不大、果实价值高等特点，是适于在人工光型植物工厂中生产的植物种类。日本千叶大学率先在日本开展了草莓的人工光栽培研究，其后由日清纺股份有限公司（Nisshinbo Group）开展了草莓人工光生产的商业化。

日本日清纺股份有限公司成立于1907年，从纺织起家逐渐拓展事业版图，于2009年成立集团控股公司，下辖6家子公司，产业扩及纺织、汽车、化学、电子、机械设备及造纸等6大领域。日清纺公司新规事业开发部于2010年成立植物工厂研发组并开展草莓和叶菜的植物工厂生产，于2011年3月在德岛县德岛市设置了10000株草莓植物工厂进行中试，到2012年9月已扩展为占地面积为6000 m2、种植草莓10万株的草莓植物工厂，并注册商品名为“あぽろべりー”开始销售（图3）。公司于2014年1月在静冈县藤枝市又建设了同样占地面积为6000 m2、种植草莓10万株的草莓植物工厂。以下就德岛草莓植物工厂的生产情况进行简单介绍。

德岛草莓植物工厂的占地规模为60 m×100 m，每个栽培单元的层高为3.2 m，有20 m的5层栽培床8列，目前主要使用荧光灯，每月能稳定生产6～7 t草莓（每年0.8 kg/株），全部采用B2B方式签约销售，销量的90%用于蛋糕加工。据称，该公司已掌握了草莓的人工光种植方法，并预定于2017年全部更换为LED光源，预计在2017年3月实现12～13 t/月的草莓产量（每年1.6 kg/株），到

2018年3月实现15～17 t/月

的草莓产量（每年2 kg/株）。普通的设施草莓的产量约为6～10 kg/m2（每年<0.2 kg/株），种植密度约为7～8株/m2，而人工光型草莓植物工厂的产量目前也在5～6 kg/m2，期待在2017年以后达到12～16 kg/m2以上。

日清纺公司的草莓植物工厂的突出之处在于，利用营养液管理、温湿管理、光照管理等环境控制手段有效地调控了草莓果实的大小、糖酸比、口感等品质指标，无论是在冬季还是夏季都能生产出品质如一的果实，耐储藏性更好（图4）。这对于品种多样性好、短日喜冷的草莓生产来说，完全环境控制的人工光型植物工厂无疑是一个理想的生产设施。草莓的一季性品种适于越冬栽培以提高其糖度用于鲜食，四季性品种适于夏秋栽培，但酸度较大，主要是由韩国和美国生产。人工光型植物工厂可以在完全可控环境下进行稳定生产，不仅能突破品种的季节性限制，还能实现周年稳定的草莓品质调控。据日清纺公司的工程师介绍，该德岛草莓植物工厂的草莓苗从2010年到现在一直没有更换，其技术要点在于营养液的pH和根系管理。（编者注：1人民币元=16.798日元）

作者简介：贺冬仙（1970-），女，山西太谷人，教授，博士，博士生导师。