Plant factory in Japan: Current situation and perspectives

作者 Toyoki Kozai   翻译  郭斗斗

在日本，人工光植物工厂（PF）被用于蔬菜的商业化生产。每年每单位面积销售量大约是露地生产的100倍。植物工厂可以建在任何地区任何建筑中，因为它既不需要太阳能也不需要自然土壤；植物工厂的生产不依赖于外界环境和土壤肥力。在不久的未来，植物工厂将在大都市健康安全叶菜的地产地销中扮演很重要的角色。

Ø  什么是植物工厂？

植物工厂是指包含以下六个主要组成部分的植物生产设施：绝热、接近密闭、不透光的类似库房的主体结构；4到20层配备有水培系统和荧光灯或LED灯等光照设备的栽培床；空气风机及空调；二氧化碳施肥系统；水泵及营养液供给系统；环境控制系统（图1,2 Kozai，2007）。通常情况下，工人只有在洗完澡或者通过空气浴并换好干净的工作服之后才能进入植物工厂的栽培室。

由于地上部和根系部分环境的最优化控制，通过植物工厂可以周年生产高品质无农药的植物。在植物工厂生产的叶菜很洁净，不需要进一步清洗就可以直接食用或者加工。植物工厂生产的蔬菜收获后的货架期是温室生产的两倍，因为其细菌附着量通常低于300 CFU/g，是用自来水清洗之后的田间蔬菜的百分之一到千分之一。

Ø  商业化和成本效益

据估计，在2012年12月日本商业化运营的植物工厂已经超过120家，预计在2013年会增加更多。日本最大的植物工厂Spread公司每天可以生产近25000株生菜，每年可生产900万株。粗略估计，有20%的植物工厂是盈利的，60%处于收支平衡，20%在亏损。从2009年到现在，盈利的植物工厂数量和比例都在增加。折旧成本约占整个生产成本的30%，劳动成本占25%，电力成本占20%（Kozai，2013a）。在2012年，每株生菜总的生产成本（包含折旧）大约在0.6欧元（人民币约5元），售价在0.7-0.8欧元（5.8-6.6元）。

据估计，建造植物工厂一半的费用是在建造外部结构，另一半是内部装备。10层栽培架植物工厂的初期总投资约为每平米4000欧元（33200元/平米）。之后，需要5-7年来收回初期投资成本。和露地栽培相比，10层植物工厂每年叶菜的生产能力大约是其90倍，销售量约117倍。

Ø  适宜植物工厂商业化生产的植物

为了高效利用空间，每层栽培架之间的距离约为1000px，所以植物工厂种的植物生长高度应低于750px。植物工厂商业化生产适宜的种类应该是那些在弱光、高密度栽培下生长良好，植株大部分（叶、茎、根）可以食用或者可以高价出售的植物。包括叶菜、香草植物、根茎类植物、药用植物或者其他低于750px的植物。由于其单位重量的经济价值一般会低于叶菜，用于提供热量的主要粮食作物（小麦、水稻、马铃薯等）是不适宜在植物工厂商业化生产种植的。2012年10月在日本，除生产叶菜以外，还有大约150个地方使用15-100平米面积的小型植物工厂来生产种苗。使用这种类型的植物工厂可以生产番茄、黄瓜、茄子等果菜的嫁接苗或实生苗，水培菠菜、生菜的种苗，观赏植物的种苗或扦插枝条以及花坛植物等。

Ø  食品行业不断增长的需求

目前，植物工厂生产的大部分叶菜和香草植物并不是卖到超市或者零售店，而是卖到食品服务行业包括外卖家庭餐行业。在这些行业，使用植物工厂生产的蔬菜，不用清洗，没有病虫和杂物，可以明显降低清洁加工成本。植物工厂生产的叶菜也用来加工糊剂，生产婴儿食品以及老人病人的食品。目前，日本植物工厂正在研发生产高品质蔬菜和中草药等，作为加工腌制食品、冷冻食品、食品饮料添加剂、调味料、中药、保健品、化妆品等的原材料。

Ø  节约资源的特点

种植植物的必要资源是光能、水、二氧化碳和有机肥料。但是，在植物工厂中，需要电能来提供光能并控制空气的温度、流速，营养液循环及调控等。在栽培室中，光照、空调和营养液控制分别占总电量消耗的约80%，15%和5%（Kozai, 2007,2013b）。

植物工厂通常使用空调降温，即便是在最冷季节的晚上也需要降温。这是由于为了降低每天的能源消耗，减少光照和制冷成本，在夜间会打开至少40-60%的灯管，灯管产生的大量热能必须通过空调除去。在降温过程中，空调会凝结95%由植物叶片蒸腾产生的水汽，然后这些冷凝液会回到营养液池中进行循环，剩下的灌溉水（约5%）会保存在植物体内或者通过墙体内部空隙散失到外面（Kozai, 2007）。由于增施二氧化碳使其浓度达到1600-2000ppm（约为室外空气的4-5倍），植物工厂内必须使用人工光来促进光合作用和植物生长。光能利用效率比温室中高好几倍而且还会进一步提高（Kozai，2011）。同时，植物工厂需要密闭来防止昆虫和灰尘进入，引发植物的病虫害。

Ø  挑战

目前植物工厂广泛应用所面临的挑战有：进行综合的生命周期评估（LCA）；宾馆、餐厅、医院、学校和社区中心发展策略；提高光照系统，改善光质；提高植物工厂自动化程度；发展综合环境控制管理系统；将植物工厂与其他生物生产系统和资源循环系统进行整合；开发药用和功能植物生产管理系统；对植物的安全性进行第三方评估；和大田农业及设施园艺进行对接合作；使用自然可再利用能源；采用信息技术；发展植物工厂均一规格化设计；为老人及残障人士进行人性化设计。

Ø  分部在各处的迷你植物工厂

从2009年开始，小型迷你植物工厂被安置在很多非传统地区包括民居、教育机构、公共设施、商业地产、医院、宾馆、餐厅、购物广场和便利店等。小型植物工厂可以安置在起居室，可以在家庭种植新鲜美味无农药的蔬菜。通过控制光质和光强，可以控制植物的生长速率并改善营养价值。很多种类的植物是可以在这些设备中进行生产的。例如，生菜、菠菜、小松菜、日本芜菁等蔬菜，薄荷、罗勒等香草，樱桃番茄、草莓等小型果菜，小型花卉等都可以在这些装置中生长。这些植物可以创造一个舒缓心情的“绿色空间”，在每天的管理和最后的享用中都会有助于提升人们的幸福感。

Ø  迷你植物工厂网络社区的可行性

单个小型植物工厂的种植者不会孤立，通过互联网技术可以使他们链接成为一个用户网络。这种植物工厂种植者的社区可以通过云端服务器下载得到最新的栽培方式和植物品种的信息。他们也可以进入FAQ答疑和社交网络服务功能，来交流种植和菜品制作的建议。通过内置的摄像头和软件来远程自动实时观测植物，监测种植中的植物生长情况。这样就可以确保最优化的环境条件如温度，湿度，光照等，给出建议并调整设置。植物工厂种植者将可以上传他们自己种植指导手册到云服务器并共享给其他人，社交工具如Twitter和Facebook亦可以用来交流。总之，小型植物工厂的网络可以组织兴趣相同的人们来分享关于植物种植的经验，高效使用网络，并品尝收获成果，并在虚拟和现实中交流他们喜欢的事情。

Ø  植物工厂网络社区的实验项目

2012年在日本千叶县柏市的柏叶地区，实施了一个关于小型迷你植物工厂的网络社区实验项目。这个项目由千叶大学，三井不动产公司，松下公司和未来公司组成的“柏叶城市植物工厂联盟”工作组执行，当地居民作为终端使用者合作参与项目（http://www.miraibatake,net/）。

Ø  项目目标

这个实验项目目的在于测验：在家庭中人们如何给种植蔬菜；种植经验提供的有效性和植物工厂装备的可操作性；网络社区所增加的价值。同时，也可以评估了专家咨询种植管理信息、共享种植经验信息、交换种植蔬菜产品的种植者专用网络服务的可用性及商业可行性。这个项目是将柏叶地区塑造成一个“智能、新型”社区的集成部分，同时保持这个环境示范城市对绿地空间和维系市民与农业和谐共生的需求。

Ø  长期应用

这个项目评估了连接居民各个家庭的网络配置，经验和结果，可以扩展到连接学校、当地社区、种植者兴趣群体、餐厅、医院和宾馆等。这样，所谓的大数据就能通过网络收集并进行数据挖掘。可以预见，今后在渔业养殖，热带鱼和水生植物共养，集合植物、菌类、昆虫和小动物的生态群落等应用方面都可以建立一些小型网络。小范围的经验和结果可以应用到大范围的商业化和产业化的植物工厂中。最后，已经连接家庭和当地社区的能源管理系统可以形成这些网络的主干网。如Desponmmier所说，通过这种方式，植物工厂将会在不远的未来在都市农业和垂直农场中扮演重要角色（2010）。

Ø  植物工厂的间接效益

由于这些网络是基于小型种植者社区的合作，可以使他们的成员在工作经验中形成一些对环境、自然资源、食物生产和生态等科学原则的共识，同时可以享受培育生命带来的乐趣。这个网络可以成为教育人们关于饮食、环境、自然、能源和自然资源的实践工具。通过使用这个网络，可以是提醒人们关于食物和生物在我们生存环境中潜在的重要性，减少我们对自然资源的消耗并保护环境。

Ø  虚拟植物工厂与真实植物工厂的连接

这些网络具有双重功能，虚拟系统有在线教育的功能，而真实的系统则进行植物的实际栽培。在虚拟系统中，种植者可以通过模拟植物生产、环境控制和商业模块来运行植物工厂。通过模拟获得一定程度的熟练技能之后，就可以将他们新学到的知识应用在真实的植物工厂中。他们也可以同时参与到两条途径中。

由于小型植物工厂几乎密闭的环境，我们可以定量地确定它们消耗和生产的资源量。必要输入因素有用于植物光合作用的光能、水分、二氧化碳以及无机肥料，也可以测量光照、空调和营养液循环所消耗电能的实际值。同时，通过工厂内摄像头获取的图像分析和测量植物重量可以估计植物的生长量。最后，将重量（生物量）、电能、光能这些因素综合起来得到等式，就可以估计光合作用的速率，蒸腾作用的速率以及增加的鲜重（Li et al., 2012a,b,c）。同时，也可以实现能量和物质（例如光能、二氧化碳、氧气、水分、无机物和碳水化合物）的实时输入输入速率的可视化。

Ø  将植物工厂作为模式生态系统

植物工厂可以被描述为简化的生态系统模型。随着人们对这个模型的深入了解，他们获取高产食物的同时为了生活品质而获得最大利润的想法就会变的次要，因为它们减少了电力和水的消耗，生产过程没有水污染，吸收二氧化碳并且为环境提供更多氧气。达到这一目标的同时提升了他们的生活品质，并帮助了其他的生命体，保护了生态系统的平衡。小型植物工厂社区网络是传播人们生活和社会价值的一个可视化新型基地，通过信息和传感技术实现“智能”。

Ø  结论

人工光植物工厂在日本都市地产地销的商业化种植叶菜及其他矮生植物中具有重要作用。在都市地区，很少有机会在大田种植植物的居民可以使用家庭植物工厂。植物工厂和社区网络具有这样的潜在价值，可以为都市居民营造一个更好的生活，同时，为他们提供了科学技术、虚拟社区、植物生长、食物起源、全球生态和全球生产的教育远景。

作者简介：Toyoki Kozai教授是日本千叶大学的名誉教授，日本植物工厂学会会长，从事温室、植物工厂环境控制和嫁接生产系统研究。Email:kozai@faculty.chiba-u.jp

（本文经作者授权翻译并发表在科学网博客，转载请联系作者。）

参考文献：

1. Despommier, D. 2010. The Vertical Farm: Feeding the world in the 21stcentury. St.Martin’s Press, LLC., USA. 213p.

2. Kozai, T. 2007. Propagation, grafting, and transplant production inclosed systems with artificial lighting for commercialization in Japan. J. OrnamentalPlants 7(3):145-149.

3. Kozai, T. 2011. Improving light energy utilization efficiency for asustainable plant factory with artificial light. Proc. of Green Lighting ShanghaiForum 2011, p.375-383.

4. Kozai, T. 2013a. Innovation in agriculture: plant factories withartificial light. APO News. Jan.-Feb. Issue, p.2-3.(http://npoplantfactory.org/file/APO%20News.pdf)

5. Kozai, T. 2013b. Resource use efficiency of closed plant productionsystem: concepts, estimation and application to plant factory.(submitted).

6. Li, M., Kozai, T., Niu, G. and Takagaki, M. 2012a. Estimating the airexchange rate using water vapour as a tracer gas in a semi-closed growthchamber. Biosystems Engineering 113:94-101.

7. Li, M., Kozai, T., Ohyama, K., Shimamura, S., Gonda, K. and Sekiyama, S.2012b. Estimation of hourly CO2 assimilation rate of lettuce plants in a closedsystem with artificial lighting for commercial production. Eco-engineering24(3):77-83.

8. Li, M., Kozai, T., Ohyama, K., Shimamura, D., Gonda, K. and Sekiyama, T.2012c. CO2 balance of a commercial closed system withartificial lighting forproducing lettuce plants. HortScience 47(9):1257-1260.