一、概況
1.植物工廠的定義、分類和意義
“植物工廠(Plant Factory)”一詞是日本首先提出的，其概念廣義上涵蓋了設施園藝，而狹義上則專指人工光型的植物生產系統。根據日本植物工廠的現狀，植物工廠是完全控制型和太陽光利用型營養液栽培系統的總稱。日本植物工廠學會對植物工廠的定義是：利用環境自動控制、電子技術、生物技術、機器人和新材料等進行植物周年連續生產的系統，也就是利用計算機對植物生育的溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度、營養液等環境條件進行自動控制，使設施內植物生育不受自然氣候制約的省力型生產。
植物工廠生產的對象包括蔬菜、花卉和果樹，還有一部分大田作物、食用菌等。根據其研究對象層次的不同，植物工廠可分為：以研究植物體為主的狹義的植物工廠，以研究植物組織為主的組織培養系統，以研究植物細胞為主的細胞培養系統。另外，根據對太陽光利用形式的不同，狹義的植物工廠又可分為完全控制型、太陽光利用型和太陽光并用型等3種。
植物工廠對于日本農業具有重要意義。首先是提高其農業的生產性，在有限的土地上利用高度的環境控制技術，提高土地產出率和勞動生產率；其次，使寒冷、酷熱和沙漠等不毛之地的農業生產成為可能；植物工廠內的作業環境優越，實行機械化生產節省勞動力，使集中勞動周年平均化；進行無農藥生產，可提供新鮮高品質綠色食品；利用營養液栽培減少連作障礙，周年有計劃穩定地生產。但是，植物工廠進行的是高投入高產出的生產活動，設備投資大，電力消耗多，因此生產成本較高。例如，太陽光利用型植物工廠每生產一株生菜的成本約為50日元，而完全控制型植物工廠則需要100日元以上。
2.植物工廠發展的歷史與現狀
1974年日立制作所率先在日本著手進行植物工廠的開發工作，其后植物工廠的研究便盛行起來，到1975年底，有許多企業和大學也加入研究行列。那時的研究還是把營養液栽培的自動化與植物工廠獨立開來，直到1985年二者有機結合后，植物工廠的數量才在短期內迅速增多起來，達到了日本植物工廠發展的一個高潮。
早期的植物工廠以研究為主，也有實用化的植物工廠可以進行以生菜為主的葉菜類蔬菜、蘿卜、芹菜和蘑菇等的生產。近年來，以生產經營和示范性農業公園形式出現的植物工廠越來越多。截至1997年，實際運營中的植物工廠有16個，面積約1.5h平方米，年產量約550t，主要進行生菜、番茄、草莓、菠菜、玫瑰花和部分組培苗的生產，其中太陽光利用型1h平方米，年產量287t，完全控制型0.5h平方米，年產量260t。到2001年增加到20多個，遍及日本全國各地。
隨著植物工廠的發展，與其相關的一些研究機構、組織和企業不斷成立，相關活動越來越多。如日本植物工廠學會每年舉行一次全國性的學術大會，植物工廠普及振興會積極開展推廣應用工作，同時與設施園藝學會、生物環境調節學會、氣象學會、照明學會、電氣學會等保持密切聯系，以保證其研究水平的先進性和實用性。
二、主要技術
1.營養液栽培技術
日本營養液栽培的方法有許多種，如NFT、湛液培、噴霧培、固體基質培(包括巖棉培、礫培、砂培等)，其中以巖棉培和NFT為主，而巖棉培更是占到營養液栽培面積的近50％。典型的營養液栽培裝置有以下幾種形式：①三水式NFT裝置?D?D栽培床用泡沫制成，有一定的斜度(1／80－1／100)，底部營養液呈薄膜狀緩緩流動，可以自動供肥，還設有殺菌裝置；②協和式?D?D使用成型塑料栽培床，分成若干單元，適用于果菜栽培；③M式?D?D栽培槽用“U”型泡沫制作的成型產品連接而成，定植板也用泡沫做成，里面鋪聚乙烯薄膜，適于葉菜特別是鴨兒芹栽培；④新和式等量交換裝置?D?D其主要特征是栽培槽分成兩部分，相互間進行營養液的等量交換，以補給根系充足的氧氣(②、③、④均屬于湛液栽培裝置)；⑤誠和式?D?D這是一種循環式巖棉栽培裝置，在栽培槽中央安裝排水管，從下到上依次鋪放粒狀巖棉墊、巖棉塊和定型灌水管，采用滴灌方式，多余的營養液經排水管流回集水槽供循環使用。植物工廠中多采用移動栽培裝置，主要有平面式、立體式和傾斜式三種，通過合理密植，提高了有效栽培面積。
日本的營養液理論非常成熟，其中興津園藝試驗場開發的園試標準配方通用性好，適用于多種蔬菜，而山崎配方則是針對每一種作物提出的專有配方。這兩種配方在我國也得到廣泛應用，此外還有神園配方等。日本在營養液的管理、殺菌、回收處理、病害防治等方面的研究與應用，也達到了較高水平。營養液栽培技術的發展促進了植物工廠水平的提高，與土壤栽培相比，營養液栽培能加速作物生育進程，使一年的栽培茬數增加15％-20％，如生菜和芹菜一年可栽培6茬，洋蔥4.8茬，黃瓜和番茄1.8茬。
2.環境控制技術
植物工廠為達到周年連續生產的目標，環境控制是一項重要的技術。
(1)作物生長及其環境。植物工廠作為一個半封閉系統時刻不斷地與外界進行物質、能量和信息的交換，其內部作物的生育受到以下環境因子的影響和制約：光照(光強、光質和日照長度)、溫度、濕度、C02氣體濃度、風速及根部環境因子如營養液的pH、EC、肥料成分、溶氧量、液溫、流速等。對植物工廠進行環境優化控制，最根本的是要明確作物光合作用、產物積累、轉流分配、發育和呼吸等生理過程與全部或部分環境因子之間的關系。但是由于存在以下3個問題點，植物工廠的環境控制并不簡單：其一是各種環境因子并不是獨立對作物生育起作用，而是諸因子綜合作用的結果；其二是控制成本問題；其三是最大的產量并不意味著最高的品質。
最近，日本在電磁場、音響、遠紅外線等物理刺激對作物生育影響上的研究，特別引人注目，但關于其產生效果的機理原因尚不清楚。
(2)環境控制的原理與方法。植物工廠特別是完全控制型植物工廠為控制光、溫等條件需消耗補光、空調的大量電力，環境控制成本很高，同時環境控制存在報酬遞減的規律，即當控制成本增加到一定程度后繼續增加，控制效果越來越小。所以，在植物工廠中要綜合考慮各環境因子的復合作用效果，首先優化控制成本低、效果好的因子才是合理的，這是一種普遍采用的控制方法，稱為最適化原理。采用這種方法，可以用成本低的因子彌補成本高的因子，達到較好的綜合控制效果。
日本植物工廠環境控制的方法主要有以下兩大類：①過程控制?D?D反饋控制、ON-OFF控制、PID控制；②計算機控制?D?D分布式控制，分時集中控制，分層網絡化控制，最適化、適應化和智能化控制。
新華網東京６月５日電 通訊：走進日本“植物工廠”
新華社記者華義
在日本，一種被稱為“植物工廠”的新型生產方式正成為改變日本傳統農業生產方式的新亮點，它不但有望以更少的資源產出更多的蔬菜和糧食，還可為提高就業率作貢獻。
所謂“植物工廠”，是指在封閉的環境中，人工控制植物的生長環境，比如光、溫度、濕度、養分等，通過高水平的環境調節，全天候地批量生產蔬菜等植物。
千葉大學在“植物工廠”的技術研究開發中走在前列，據千葉大學教授丸尾達準介紹，“植物工廠”目前主要分為“完全控制型”、“太陽光、人工光并用型”和“太陽光利用型”三種類型，新華社記者日前應邀參觀了千葉大學和東京都府中市的完全控制型植物工廠。在這里，蔬菜像普通商品一樣被批量生產，讓人不禁驚嘆現代高科技農業的力量。
小津公司是一家擁有３００多年歷史的造紙公司，由于傳統行業不太景氣，公司看好“植物工廠”的發展前景，轉而將公司的一處廠房改造為“植物工廠”的車間。在位于東京都府中市的“植物工廠”，我們看到的情景和傳統的蔬菜種植業完全不同，一排排蔬菜生長在高高的隔層架子上，這里的一切都是人工控制的，包括溫度、燈光、二氧化碳濃度等，在室內無菌環境下，工人穿著特殊的防塵服，戴著口罩和手套在“種菜”，無土栽培的蔬菜綠油油的，長勢喜人，靜待收獲。
據介紹，這種蔬菜非常干凈，可以免洗、直接入口。現場參觀的記者們還饒有興致地品嘗了新鮮的蔬菜，不少人還自掏腰包購買了一些，其價格和通常市場上的菜價差不多。
“植物工廠”以其可調控、高產出、高品質等特點，近來備受矚目，這個項目也得到了日本經濟產業省和農林水產省的政策支持，其中包括對“植物工廠”建設、相關技術開發、人才培養和市場推廣等進行財政補貼和支持。
目前，日本全國有４９個這樣的“植物工廠”。預計３年后，“植物工廠”的生產成本有望降到目前的三分之一，工廠數目則有望增加３倍。隨著技術的不斷進步，“植物工廠”將為人類提供越來越多的食物，這一技術將來也許能有助于緩解全球糧食短缺危機。
