植物工厂系列谈_九_植物工厂实例.pdf

1、20 GREENHOUSE HORTICULTURE表 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

2、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。

3、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

4、， 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 8828.46m 2地下一层 管道铺设 644.76m 2 。面积 6384.21m 2 。一层 其中， 太阳光与人工光并

5、用型温室 （ 4 间） 3042.0m 2 ； 人工光温室 （ 9 间） 608.4m 2 ； 育苗室202.8m 2 ； 预冷室、 防露室、 平台、 锅炉房、 机械室等。面积 1791.99m 2 。二层 其中， 栽培管理室 202.8m 2 ； 太阳光与人工光并用型温室 （ 8 间） 464.1m 2 ； 人工光温室 （ 4间） 202.8m 2 ； 大厅、 电气室、 仓库等。附属设备 贮冰槽 （ 2 槽） 928.2m 2 （ 522.6 m 2 +405.6 m 2 ）。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

6、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

7、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55 mol/ （ m 2 s ）， 人工光温室的光合成有效辐射强度为 190 mol/ （ m 2 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

8、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， 同时设计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

9、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

10、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

11、、 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、 CO 2 、 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

12、 PPF （即光合成有效光量子束）、 光照时间、 气温、 湿度、 风速、CO 2 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

13、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 500m 2 ， 其中栽培面积 290m 2 。 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 1700m 2 ， 二期工程同等面积。 植物工厂内包括连栋实验室 4 间， 具体实验内容包括 ： 利用多种栽培

14、技术手段克服作物生理障害 ； 经济实用性的补光方法 ； 探索 CO 2 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 （ HazardAnalysis 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 ：

15、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、 CO 2 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、 CO 2 、 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

16、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

17、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

18、， 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 1096m 2 ， 其中温室面积860m 2 （栽培室 600m 2 ， 育苗室 54m 2 ， 管理室 107m 2 ）。 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，CO 2 浓度控制在 1000 L/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 1

19、50 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 405m 2 ， 其中栽培室 360m 2 ， 管理室 45m 2 ， 实际栽培有效利用面积 473m 2（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

20、要为菠菜， 一茬生长期为 35 日， 栽培床上的种植槽每穴产 1Kg ， 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、 CO 2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

21、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，

22、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 （双层式结构示意图 佐藤容， 1997 ）