植物工厂

20 GREENHOUSE HORTICULTURE 2 神内植物工厂“沙拉莴苣”和“桑秋莴苣”生产流程 作业时期 作业室 植物滞留时间 播种、催芽 播种室、催芽室 2～3天 绿化 太阳光温室A 1周 苗化 太阳光温室A～D 3周 栽培 太阳光温室1～3、人工光温室 3～7周 收获 太阳光温室1～3、人工光温室 0.5天 包装 防露室 0.5天 冷藏 预冷室 0.5～3天 上市 移动起重机、冷藏车 0.5天 植物工厂系列谈（九） ——植物工厂实例 ■ 杨其长 张成波 植物工厂的发展经历了半个多世纪，技 术上不断创新与完善，并先后出现了多种形 式的实用模式，为植物工厂的进一步发展提 供了有益的借鉴。采用大量的照片和图表对 植物工厂的建筑结构、工艺流程、配套设备 和生产试验模式等作以介绍。 神内植物工厂 神内植物工厂是日本神内农场-21的 主要生产实体，农场位于日本北海道中部 地区桦户郡浦臼町，距札幌市80Km左右， 建成于2001年。农场总投资5.6亿元人 民币，其中植物工厂建设投资为2.8亿元 人民币，这是迄今为止日本乃至世界上设 备最精良、技术最先进、投资最多的植物 工厂。植物工厂的类型既有人工光利用 型，也有人工光和太阳光并用型。图1为 神内植物工厂平面示意图。表1为该植物 工厂建筑构成概要。表2为植物工厂内蔬 菜生产流程。该流程显示的是两个生菜品 种“沙拉莴苣”和“桑秋莴苣”的定期生 产过程。 神内植物工厂内拥有许多先进的设 备，现将与生产密切相关的设备及特征 介绍如下： 空调、换气系统 太阳光温室在夏季高温季节气温上升 时，首先开启换气扇降温。如果开启换气 扇也降不到设定的温度时就要启动雾喷系 统进行冷却。同时，温室内还有一套冷气 输送装置。供冷系统的运转是通过送气装 置和空调装置进行的。其冷热源是利用季 节性蓄热系统，高温时要运转空调和换气 系统，当室外日照量超过设定值的时候， 还要使用遮阳网。人工光温室内夏季降温 的措施是空调和换气系统，原理与太阳光 温室相同。 冷热源 太阳光温室供冷 太阳光温室供冷用的冷热源，采用的 方式是冰蓄热空调。这里的设施与通常的 冰蓄热系统差异很大，是利用冬季的冷气 制作冰块蓄积冷源，到了夏季则利用蓄冰 供冷，是一种“季节性蓄冰制冷系统”。 贮水池深为1.8m，用于制冰贮藏。制 冰的方法是先放入设定量为20cm深的 水，待这一层水结成冰之后再放入等量的 水，反复积累直到1.8m为止。该系统是 神内植物工厂与日本大成建设公司共同开 发的专利技术。在这里，充分利用北海道 图1 神内植物工厂平面示意图 表1 神内植物工厂建筑构成概要 总面积 8828.46m2 地下一层 管道铺设644.76m2。 面积6384.21m2。 一层 其中，太阳光与人工光并用型温室（4间）3042.0m2；人工光温室（9间）608.4m2；育苗室 202.8m2；预冷室、防露室、平台、锅炉房、机械室等。 面积1791.99m2。 二层 其中，栽培管理室202.8m2；太阳光与人工光并用型温室（8间）464.1m2；人工光温室（4 间）202.8m2；大厅、电气室、仓库等。 附属设备 贮冰槽（2槽） 928.2m2（522.6 m2+405.6 m2）。 GREENHOUSE HORTICULTURE 21 得天独厚的冰雪资源（年降雪13m左右）， 通过漫长冬季户外的冷空气，制成1000t 的冰，到了夏天，通过提取冷水进行热交 换。这是一种节能效果极佳的环保型冷热 交换方式。 预冷室冷却 预冷室（图2）的冷源也是采用冬季冷 气蓄积系统。在这里，有一个可容纳4100 个托盘的冰窖，预先将水注入托盘内，再 把托盘依次置放在高6m的棚架上。冬季 通入0℃以下的室外冷气，将托盘内的水 制成冰，该冰窖可贮冰1000t，主要用于 夏季上市蔬菜的预冷。 水热源泵 水热源泵用的冷热源，使用的是安装 在室外的冷却塔。 预冷室的常年温度保持在4～5℃，湿 度在90%以上。 温热源 太阳光温室供暖时的热水管道、融雪 管和水热源泵的温热源，用的都是高压蒸 汽锅炉，锅炉房建于地下。 栽培用照明 栽培用的照明有两种，在太阳光温室 A～H的8个车间里安装高压钠灯，用于补光 照明，而人工光温室照明设备安装荧光灯。 太阳光温室补光时的光合成有效辐射强度为 55μmol/（m2·s），人工光温室的光合成有 效辐射强度为190μmol/（m2·s）。 营养液加温、冷却 营养液加温用的是高压蒸汽锅炉，通 过不锈钢管铺设于栽培床内传热加温。冷 却用的是空调机。太阳光温室有时还要辅 之以通风、遮阳、开窗等措施。 融雪 融雪用的热源是高压蒸汽锅炉，屋顶 内侧装有热水管，屋外顶层装有融雪管 道，热水通过融雪管道将雪融化。 人工模拟气候室 这是一个能精确控制植物生长环境的人 工模拟气候室（图3），可以模拟地球上多种 多样的环境因子，同时有深液流水培装 置和营养液循环系统，可以进行各种环境条 件下的作物生长比较实验和水培试验。 化验分析室 目的是对所生产的蔬菜品质和营养液 成分等进行化学分析和研究。配有色谱分 析仪、原子分析仪、有机化合物混合分析 仪、原子吸光分析装置、超净工作台、高 压蒸汽灭菌装置等。 TS式植物工厂 设备概要与特征 TS即Triangle Panel（三角板）和Spray （喷雾）的简称。TS式属于人工光完全控制 型植物工厂，采用的是喷雾培方式，利用 这种方式可以实现立体化栽培，与传统的 平面式栽培相比可以说是生产方式上的一 次飞跃。图4所示为该模式的断面图。该 模式具有四大特征： 封闭式构造，完全控制型 温室内墙利用隔热材料，双重结构，可 人工调控室内环境，不受季节变化的影 响。一年之中可以定时、定量、定品质地 进行植物生产，从播种到收获的周期是稳 定的。 采用人工光源，不受地域限制 在大楼之间的通道、 多雪地区、地下室、沙漠地 区甚至极地环境下等都可 以进行同样的生产，获得 同样质量的产品。同时，由 于是封闭结构，室内与大 气和土壤隔离，防止了病 虫害的侵入，可以实现完 全无农药生产。 喷雾培 营养液通过喷雾装置 雾化后直接从栽培板下面 喷到植物的根系上，由于根系是暴露在栽 培板下面的，所以根能够从空气中吸收到 必需的氧，很好地解决了根系的水气矛 盾。有些品种的蔬菜与传统的水培方式相 比管理更方便。营养液采取循环供液方 式，从贮液池中流出，喷到植物根部，再 把喷出来的营养液经过过滤回收到贮液池 中循环使用，与普通的深液流栽培方式相 比用液量少，废液的处理也比较容易。 栽培板 作物种植在栽培板上，栽培板按照三 角形拼合排列，呈“A”字形立体栽培，单 位栽培面积的利用率是平面式的2倍以 上，不仅大大提高了温室的空间利用率， 而且节省了同等面积的空调运行费用，节 约了能源。栽培板采用泡沫塑料板，底部 装有滑轮，便于移动。 这种方式可以种植的作物品种主要有 蔬菜类（莴苣、菠菜、三叶芹、春菊等）、 药草类（百里香、薄荷、龙蒿、柠檬菜等）、 切花类（玫瑰、香石竹、金鱼草等）。为了 提高生产效率和便于管理，这种生产方式 多是栽培一些小株型的叶菜类作物。 环境控制 通过计算机对光、温、湿、CO2、营 养液等环境要素进行自动控制，计算机中 图2 预冷室 图3 人工模拟气候室 22 GREENHOUSE HORTICULTURE 心可以同时控制几个植物工厂，相隔较远 的几个工厂也可以通过电话、网络或遥控 方式实行自动化管理。植物工厂内配有自 动报警装置，即便是出现故障也可以把损 失减轻到最低程度。 在TS式植物工厂里环境控制是最重要 的组成部分，该系统内PPF（即光合成有效 光量子束）、光照时间、气温、湿度、风速、 CO2浓度、培养液的EC和pH以及喷雾时 间可自动调控，植物生产空间的照明光源 为改良型940W高压钠灯，育苗棚光源为 改良型360W高压钠灯，催芽棚的光源为 40W白色荧光灯。PPF主要通过选择不同 功率的光源和改变设备位置以及安装遮阳 网来调控。该系统在光利用方面还存在以 下问题： ◎ 由于光利用效率低，造成一些光饱和点 高或生长期长的植物的生产成本太高，所以 限制了可栽培的植物种类； ◎ 由于光质无法调控造成某些植物形态异 常，有的则造成味道与口感等方面品质下降； 植物栽培面光强度不均匀、发光效率的损失 和空调热负荷过高； ◎ 高压钠灯的使用寿命短而造成的消耗品 费用高和废弃物多。为了减少光照期间的空 调负荷，该工厂通常把光照时间设置在深 夜，以降低生产成本。 生产能力与运行 TS式植物工厂建筑面积500m2，其中 栽培面积290m2。生产能力为沙拉莴苣 1200株/日，44万株/年；散叶莴苣930 株/日，34万株/年。 KL式植物工厂 KL式植物工厂是由日本川铁生命株式 会社于1999年建成的，其结构见图5。面 积（一期）为1700m2，二期工程同等面 积。植物工厂内包括连栋实验室4间，具 体实验包括： ◎ 利用多种栽培技术手段克服作物生理障害； ◎ 经济实用性的补光方法； ◎ 探索CO2施肥规律； ◎ 高产与优质蔬菜栽培方法等。同时，为 了保证植物工厂蔬菜产品的安全性，在KL式 植物工厂内执行了HACCP方法（Hazard Analysis and Critical Control Point）。 设施与设备 温室设备 连栋钢架玻璃温室，顶开窗式，檐高 4m，跨度8m。天窗及通风口有防虫网（网 眼直径为0.4mm），出入口为双重门，内 有风淋机、风机。 栽培设备 ◎ 播种：自动播种机。 ◎ 发芽：恒温恒湿发芽室、温湿度控制 仪、多层式育苗床。 ◎ 育苗：塑料穴盘。 ◎ 生产车间：NFT式栽培系统，密度自动 调整设备。 ◎ 收获：采收工作台、采收机、水槽清 洗机、空槽返回装置。 ◎ 包装：皮带传送机、自动包装机、低温库。 环境控制设备 环境控制包括数据采集与控制系统两 部分组成，具体由计算机来完成。 ◎ 计算机采集并显示的数据包括：外部 气象数据（温度、湿度、风向、风速、雨 量）；室内温度、湿度、CO2浓度、液温、 EC、pH以及设备运行状况。 ◎ 控制项目包括：制暖设备、保温幕、天 窗、百叶窗、送风机、换气扇、空调机、遮 阳网、补光灯、CO2、EC、pH。 栽培作物 主要有沙拉莴苣、半结球莴苣、菠菜、 药草等。 栽培流程 见表3。 电中研式植物工厂 日本电力中央研究所是日本最早研究 表3 KL式植物工厂植物栽培流程 播种（2～3天） ◎ 采用穴盘式自动播种机。 ◎ 将穴盘放在皮带传送机上，播种机将蛭石基质投到穴盘内，然后通过振动送料器 将种子投到真空管内，按照设定好的数量将种子播到各个穴盘之中。 催芽（2～3天） ◎ 播种结束后，向穴盘内洒足营养液，置放在多层式育苗床上，送到催芽室，通 过温、湿度调节催芽。 育苗（16～18天） ◎ 育苗期间采用底面灌溉，为了节省空间，育苗床分为上下两个层面，幼苗时就 移到移动苗床上育苗。 ◎ 上下两大层面的光源分别是下层用荧光灯靠近照明，上层用高压钠灯补光。 定植（20～25天） ◎ 穴盘里预先留有穴孔，以方便定植时分离。 ◎ 钵的底部有小孔，有利于根系扩张生长。 ◎ 栽培床长6～7m，材料为铝合金中空隔热材料三层构造，隔热保温效果好， 可以抑制液温升高。 ◎ 种植槽设计有种植穴，直接将穴盘苗移进。 ◎ 定植后，可以通过种植槽随着苗的生长自动调节密度和行距。 收获 ◎ 收获时采用机器人，将种植槽移到作业位置。 ◎ 收获机一边清洗种植槽一边切断作物根部。 ◎ 收获结束后，将空槽洗净，回收到定植车间。 GREENHOUSE HORTICULTURE 23 开发植物工厂的机构之一，先后研究开发 出许多类型的设施，统称之为“电中研式 植物工厂”。从栽培方式的角度来分，可以 把这些类型分为单层式和双层式两种。 单层式 设施概要 建筑总面积1096m2，其中温室面积 860m2（栽培室600m2，育苗室54m2，管理 室107m2）。属太阳光人工光并用型。白天阳 光过强时采用两层遮阳网遮光隔热，补光时 采用200只400W的卤素灯，育苗室为76只 110W的荧光灯。湿度控制在70%～80%之 间，室温白天为25℃左右，夜晚为20℃左右， CO2浓度控制在1000 μL/L左右（图6）。 栽培系统 该系统采用DFT方式栽培。通过变化 栽培行的行距来加速植物的生长和充分利 用空间。系统内单茬可种植150万株不同 苗龄的生菜，每个定植板栽培360株。一 个栽培床可放置8组栽培槽，每一个栽培 槽可根据作物种类的不同而放置数量不等 的定植杯（栽培钵），栽培床架及栽培槽都 是以传送带根据不同的生育期而进行株行 距调节的。 植物种植和收获时的操作都是由机械 来完成的。 双层式 设施概要 电中研双层式植物工厂，属于太阳光 人工光并用型，复式立体结构。该系统建 筑面积405m2，其中栽培室360m2，管理 室45m2，实际栽培有效利用面积473m2 （栽培床规格为3.1m×38.4m， 上下两层，共2台）。建设投资 6000万日元，设计使用年限10 年。栽培作物主要为菠菜，一茬 生长期为35日，栽培床上的种 植槽每穴产1 K g，年生产量 19200Kg（平均日产64Kg× 300日）。 图7所示为植物工厂内设 施的配置，温室分为管理室和 栽培室。管理室内配有播种机、 收获计量包装机、清洗机等。栽 培室内有2台栽培架，配有上下 移动装置。环境控制装置有制 暖、制冷、保温幕、遮 阳网、补光装置、CO2 施肥装置等，环境控制 是在控制室通过计算机 来自动进行的，室外配 有冷却塔和冷冻机。 栽培系统 该系统采用NFT方 式栽培。这种方式有利 于维持营养液中的肥料 浓度，适宜栽培对营养 液反应敏感的作物，如 莴苣、油菜、芝麻菜、四季豆， 特别适宜于菠菜。 传统的栽培装置都是朝一个 方向移动的，也就是将播种室 与收获室分别置于温室的两端。 这样一来收获结束后，还要把 收获的产品，栽培用的材料等再搬出管理 室，效率不高。电中研双层式栽培系统是 上下两层，栽培位置和收获位置合二为 一，即在同一地点，既可播种又可收获，不 仅作业效率大大提高，而且设施利用率也 达到最大化。 图8为该栽培装置与双层式栽培架构 造示意图。栽培装置规格为长3.1m（其 中有效栽培长度2.9m），一组栽培床体有 两台栽培架，上下两层。下层光线弱，用 来催芽育苗。上层用来栽培，栽培架上装 有营养液循环系统、补光灯、牵引轨道。组 装栽培设备时，将垂悬器挂于两端，营养液采 用多孔管供给，栽培床下层是水平式，上层是 倾斜式。营养液沿着供液管道如同淋浴一样洒 向栽培床，再从栽培床流到水槽，返回到贮液 罐内。根据需要调整增温或冷却。下层接受上 层透过来的光线和荧光灯的补光，上层除了接 受太阳光外，还要在日照量不足时用高压钠灯 补光。上层的补光灯为400W反射型高压钠灯， 下层为110W白色荧光灯。栽培床从栽培架的 下层的一端送入再从另一端转到上层，收获时 栽培床移到上层。 ■ 中国农科院农业环境与可持续发展研究所 100081 图6 日本电力中央研究所植物工厂（单层示意图） 图7 电中研式植物工厂（双层式０结构示意图 佐藤容，1997）