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人工光型植物工厂:向世界传播的日本农业革命

主编:

出版社:中国农业出版社

ISBN:978-7-109-19693-3

出版时间:2014-12

关键词:人工光照明 应用 蔬菜园艺 研究

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    本书是2009年11月末出版的《太阳光型植物工厂·先进的植物工厂的可持续性与设计》(欧姆社,古在丰树著)的姊妹篇。

    本书作为研究人员和研究生用的教科书,对从人工光型植物工厂的技术理论到实践应用所涉及的学术基础用语和专业术语都进行了定义和整理。

    本书的理论基础就是基于学术理论进行系统设计和生产运营,从而在现有条件下大幅度地节省资源和保护环境,以实现植物工厂的优质高产。

    本书的专业知识涉及光源、照明、空调、检测、控制、植物生理生态、营养液栽培、加工处理等领域。

    本书针对上述基础理论的论述力求简洁明了,并重点论述了密闭式植物生产系统与节能环保之间的关系,以及目前人们重点关注的人工光型植物工厂的社会背景、日本和世界的研究现状、药用植物的生产应用等内容。

  • 中文版序

    《人工光型植物工厂》即将由中国农业大学的贺冬仙和马承伟教授、美国得克萨斯州农工大学的钮根花教授翻译出版,作为原著者,我感到非常高兴。人工光型植物工厂(以下简称植物工厂)是针对受气候影响较大的植物生产...

  • 两年前,中国农业大学农业生物环境与能源工程学科的博士生导师贺冬仙老师对我说起,她准备翻译出版其导师古在先生的《人工光型植物工厂》新著(日本欧姆出版社,2012年版),要我给写个序,情意实在难却,只好谨此献...

  • 前言

    本书是2009年11月末出版的《太阳光型植物工厂·先进的植物工厂的可持续性与设计》(欧姆社,古在丰树著)的姊妹篇。《太阳光型植物工厂》的中文版于2010年在中国大陆和台湾出版,韩文版于2012年底在韩国出版。与太阳光...

  • 第1章 全球性课题与植物工厂

  • 1.1 前言

    据统计,2011年秋季全球人口已达70亿,预计到2050年将超过90亿。21世纪的全球性课题是粮食、资源(包括能源)、环境及生活质量(个人、社会的健康与福利)等4个方面。这4个课题不仅是全球性课题,也是地方性课题、国家级...

  • 1.2 密闭式物质系统的地球

    为了解决上述三大问题,首先有必要对地球生态系统中的密闭式物质系统以及开放式能量系统的概念进行再定位。也就是说,地球(包括大气圈)与大气圈外的宇宙空间没有物质交换(宇宙火箭、陨石等除外),而作为放射能的...

  • 1.3 植物在解决三大问题中的作用

    植物是解决粮食、资源和环境等三大问题的物质基础(图1-1)。根据用途可分为三大类:第一类是粮食以及作为粮食原料、家畜饵料或饲料的植物。粮食植物主要以能够从中摄取能量的作物为主,如水稻、小麦、玉米、马铃薯等...

  • 1.4 植物的特性——光独立(无机)营养生长

    如上所述,绿色植物生长的必需条件是适宜的温度、光、CO2、水和无机营养成分(图1-2)。无机营养成分除氮(N)、磷(P)、钾(K)等大量元素外,还需要其他10种元素(参见第9章)。这种生长模式称为光独立营养生长或无机营养生...

  • 1.5 植物生产系统

  • 本章小结

    在人类所居住的地球存在着粮食、资源和环境三大问题。本章从不同的视点讨论了同时解决这三大问题并提高人们生活质量的对策。主要对同时解决这三大问题的植物的基本特性、可持续性的植物生产系统的必要条件及其...

  • 第2章 植物生产系统的特征与种类

  • 2.1 前言

    与其他植物生产系统相比,人工光型植物工厂具有很明显的特征。本章将重点论述人工光型植物工厂的特征及其在植物工厂中的定位。...

  • 2.2 植物生产系统的特征与种类

  • 本章小结

    本章介绍了基于植物特性分类的3种植物生产系统,在传统的开放式系统和半密闭式系统的基础上,增加了密闭式系统,重点论述了各系统的环境特征和对象植物。密闭式系统的概念和方法是人工光型植物工厂的基础,将在...

  • 第3章 密闭式植物生产系统

  • 3.1 前言

    本章针对人工光型植物工厂的设计和运行,围绕“密闭式植物生产系统”的基本概念和方法进行阐述。该基本概念和方法确保人工光型植物工厂能有效地实现优质高产和节能环保。...

  • 3.2 研发历程

    密闭式植物生产系统(closed plant production system:以下简称为密闭式系统,即closed system)的概念是由古在丰树教授于1999年提出的,大山、古在早在1998年就制作了最初的示范装置(3层/架,5穴盘/层)(图3-1)。...

  • 3.3 基本概念

    密闭式系统将投入的物质资源和生产物以外的物质阻隔在系统外,故外界环境与系统之间的能量交换是被调控或被限制的(图3-9)。密闭式系统的基本概念就是将所有投入的物质资源全部转换成生产物,并且不排放任何环...

  • 3.4 组成要素

    密闭式系统由以下几部分组成:①隔热且不透明的仓库状建筑物;②装备光照装置的多层立体架(栽培架每层之间的间距在40cm左右或可调,有4~25层);③热泵(空调,主要用于制冷)和风机;④CO2供应装置;⑤营养液供应装置;⑥环...

  • 3.5 特征

    以下简要地介绍密闭式系统的特征。下述数值如果没有特别说明,一般取温室生产中有代表性意义的相对值。

  • 本章小结

    本章围绕“密闭式植物生产系统”详细介绍了与人工光型植物工厂的设计和运行相关的基本概念和方法。与开放式系统和半密闭式系统相比,密闭式植物生产系统的资源利用效率有显著性的提高。密闭式植物生产系统能在短...

  • 第4章 综合环境调控

  • 4.1 前言

    人工光型密闭式植物工厂最大的优点是不论外界的气候条件如何,都能将植物栽培空间的环境控制到最适的状态。所谓的最适并不是指对植物是最适宜的,而是指对植物生产系统是最适宜的。植物生产系统的最适化首先要...

  • 4.2 投入资源利用效率与节能环保的关系

    投入资源利用效率(E)定义为:植物产量或产值(B)与植物生产系统的投入资源量(A)的比值(B/A)(图4-1)。投入资源量(A)中通过光合作用而转换的植物产量(B)的物质量或能量的比例,即为投入资源利用效率。该投入资源利...

  • 4.3 综合环境调控带来的投入产出比的提高

    投入产出比定义为系统产出与投入成本的比值(图4-3)。投入成本不仅包括投入资源量所涉及的成本,还包括处理植物残渣、环境污染物的成本以及保证食品安全和安全溯源所涉及的成本。除系统产量或产值外,系统产出还...

  • 4.4 投入资源利用效率的计算及提高

    为了明确投入资源利用效率,首先要考虑基于光合作用的植物的生长发育。植物的种子或种苗利用光合作用进行生长发育所必需的资源包括:光能、水、CO2、无机肥料(氮、磷、钾等)及热能(适宜的温度)等(图4-6)。 图...

  • 4.5 速率变量的检测与控制

  • 4.6 净光合速率(Pn)和施用CO2利用效率(Ec)的计算

  • 4.7 水分利用效率(Ew

    水分利用效率(Ew)定义为:植物体或基质中增加的水量(Wi)与灌水量(Ws)的比值(Wi/Ws)(图3-11)。这里的Ew与生态学中的水分利用效率有很大差异。在人工光型植物工厂中,为了消除光照用灯具的发热量,通常使用热泵或...

  • 4.8 氮、磷营养元素的利用效率

    植物工厂以营养液栽培为原则。营养液栽培分为使用基质的模式和不使用基质的模式,无论哪种栽培模式都会将栽培床与地面进行隔离。所供营养液的一部分以废液的形式被系统排放,但也可循环再利用。不过,完成一次栽...

  • 4.9 光能利用效率

    光能(PAR,光合有效辐射通量)利用效率的定义为:在植物生产系统中植物体所固定的化学能与所投入的光能的比值。系统投入但未能被植物固定为化学能的光能转化成热能而散失。植物干物质中所含有的化学能约为20MJ/...

  • 4.10 电子热泵(空调)的能效比

    热泵,是利用冷媒或热媒把某场所的热能运输到另外场所的装置。它由压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀、四通阀、冷媒管道等几部分组成(图4-10)。热泵的压缩机使用电能驱动则被称为电子热泵。面向家庭销售的进行加热和制...

  • 本章小结

    以植物生理和环境调控为基础,本章论述了关于植物工厂的环境调控、速率变量、综合环境调控、投入资源利用效率、投入产出比、多目标函数、热泵等的概念及其应用。本章强调的内容包括:①理解植物的基本功能和生长发育...

  • 第5章 人工光型植物工厂的定义、社会背景及国际研发状况

  • 5.1 前言

    本章首先阐述了植物工厂的定义,其次是介绍人工光型植物工厂备受世界各国关注的社会背景,最后介绍了中国(包括台湾)及韩国等国家(地区)到2012年初为止的研发状况。日本公立机构关于人工光型植物工厂的研发状况...

  • 5.2 定义

  • 5.3 为何人工光型植物工厂是全球性的?

    异常气候、全球气候变暖、环境破坏、水·石油·生物资源的不足、对粮食安全及其稳定供应的质疑,以及由此带来的市民生活习惯的变化作为社会背景,人们对人工光型植物工厂的关注度不断提高。以下具体描述这些社会背景...

  • 5.4 中国的研究开发状况

    中国的人工光型植物工厂的研究开发进展迅速,本文仅介绍北京市的研发进展。以研究为目的的小型人工光型植物工厂除外,2009年起至2011年11月底,占地面积100m2以上的人工光型植物工厂有6处(表5-3),占地面积小于...

  • 5.5 韩国的研究开发状况

    2009年以来,韩国植物工厂技术的研发进展比日本更为迅速,由企业投资建设的研发用LED植物工厂的示范设施到2010年秋季已有20处(孙,2010;Hwang,2010;李,2011;全,2011)。韩国的人工光型植物工厂的光源只使用LED,...

  • 5.6 中国台湾的研究开发状况

    台湾大学(Taiwan University)在校长的直接管辖下于2010年启动了植物工厂项目,在校园内建设了人工光型植物工厂的示范模型,首席是方炜教授(方炜,2011;图5-26、图5-27)。2011年3月底在台湾大学召开了“关于东南亚...

  • 5.7 荷兰和美国

  • 本章小结

    尽管关于人工光型植物工厂的技术研发进展相当迅速,但综合性的大型研发活动还有待开始。本章中叙述的2009年以后中国、韩国、荷兰等国及中国台湾地区进行的大型研发活动正在开展,我们期待着这些项目的更大进展。...

  • 第6章 日本公立机构关于人工光型植物工厂的研发现状

  • 6.1 前言

    日本从19世纪70年代中期就开始了人工光型植物工厂的研究与开发。1990年以后,日本生物环境调节学会、日本植物工厂学会(“两会”于2008年合并为日本生物环境工程学会)、日本营养液栽培研究会及日本园艺学会均开展...

  • 6.2 农林水产省和经济产业省的植物工厂补助事业

    2009年9月,日本农林水产省启动了“示范型植物工厂实证·展示·培训事业”项目。同期,日本经济产业省启动了“植物工厂核心技术研究据点事业”项目。这两个项目都是由2009年度第二次补正预算启动的。农林水产省项目主...

  • 6.3 其他的植物工厂项目

    日本农林水产省和经济产业省开始资助植物工厂项目后,产业技术综合研究所·北海道中心、玉川大学、丰桥科技大学、山口大学、琉球大学、静冈大学等公立机构也纷纷利用其他经费启动了植物工厂研发项目。同时,东海大学...

  • 6.4 人工光型植物工厂的普及现状

    截至2009年4月,日本有34所人工光型植物工厂和16所装备补光装置的太阳光型植物工厂开展商业化生产(三菱综合研究所调查报告)。人工光型植物工厂的产品为以生菜为主的叶菜类蔬菜、香料植物及番茄苗、草莓苗等。该...

  • 6.5 2012年以后的植物工厂相关项目

    2011年度第三次补正预算中,植物工厂项目作为日本东部地震复兴项目的一部分得以继续得到资助。日本农林水产省在2012年相继启动了更大规模的新兴产业创新项目以延续植物工厂项目。2011年秋季,日本政府明确表示...

  • 6.6 农林水产省植物工厂据点项目在千叶大学的实施

  • 本章小结

    本章主要介绍日本农林水产省和经济产业省的植物工厂据点项目,项目建设的植物工厂实际上是于2011年4月开始运行的。因此,植物工厂据点项目的实施成果应在2013年以后才可能发表。此外,第5章介绍了中国、韩国、荷兰...

  • 第7章 光与人工光源

  • 7.1 前言

    本章阐述人工光型植物工厂的设计与运行的核心元素,即光与人工光源(灯具)。人工光源尤其是LED(发光二极管,light emitting diode)的技术进步非常迅速。本章在比较LED与荧光灯的同时,介绍LED发展现状及其技术进...

  • 7.2 单位

    本书原则上采用SI制(国际)单位。国际单位的基本单位有:m(米,长度)、kg(千克,质量)、s(秒,时间)、A(安培,电流)、K(开尔文,热力学温度)、mol(摩尔,物质量)、cd(坎德拉,发光强度)。时间的替代单位有时采用小时h(h=360...

  • 7.3 光

  • 7.4 人工光源

  • 本章小结

    本章首先阐述了光的基本性质中波长、频率、能量及光通量的概念和单位,其次阐述了人工光源的发光效率等内容,最后阐述了未来成为人工光型植物工厂中最具有代表性的人工光源即荧光灯和LED(发光二极管)的种类与特...

  • 第8章 光能利用效率与电能利用效率

  • 8.1 前言

    人工光型植物工厂中的光能是通过人工光源的电能转换而来。电能是一种贵重的资源,应高效利用(大山和古在,2011;Kozai,2011)。光是植物进行光合作用的能源,也是光形态建成的信使,主要以能量的形式进行利用。因此...

  • 8.2 光能利用效率与电能利用效率

  • 8.3 光能的转换过程

  • 8.4 光能利用效率LUEd的提高

    根据式(7)至式(13),提高光利用效率LUEd有以下的方法。

  • 8.5 光照率U

  • 8.6 PPF的空间分布

  • 8.7 人工光型植物工厂的耗电量

    关于人工光型植物工厂栽培室的耗电量,除式(6)所列的单位占地面积的光照用电量(Al)外,还有空调用电量Aa,以及营养液泵、送风机、营养液冷却/加热等其他设备的用电量Am。空调(降温)的用电量Aa由式(17)计算。 ...

  • 本章小结

    比较LED和荧光灯的技术进步的同时,讨论了基于光源特征而进行优化系统光照设计和提高光照技术水平的方法。光照设计技术不仅是植物工厂设计的核心,也是直接影响植物生长发育和系统用电量的主要因素。基于光照优...

  • 附表 变量与系数的名称与符号

    附表 变量与系数的名称与符号 附表 变量与系数的名称与符号(续)-1 附表 变量与系数的名称与符号(续)-2...

  • 第9章 植物基本的生理作用

  • 9.1 前言

    本章阐述人工光型植物工厂的设计与运行时所需的植物基本的生理作用。植物基本的生理作用包括光合作用、呼吸作用、蒸腾作用、形态建成、转流、水分与养分吸收等(图9-1)。药用植物的次生代谢产物(药用有效成分)将在...

  • 9.2 光合作用

  • 9.3 呼吸作用

  • 9.4 光合速率

  • 9.5 蒸腾作用

  • 9.6 光形态建成

  • 9.7 转运

    把光合同化产物从源(source)转向库(sink)的过程就是光合产物的转运(translocation)。源就是叶片,库就是花、果实、根部或生长中的茎。转运物质的大部分是蔗糖,还有其他糖、氨基酸、有机酸等有机物和无机物。转运物...

  • 9.8 养分吸收

  • 本章小结

    本章对植物的基本生理作用中光合作用、呼吸作用、蒸腾吸水、光形态建成、光合产物转运、必需的营养元素等进行了阐述。植物的生理作用很复杂,但对所有植物来说都是相通的,植物生理的差异与植物种类有关。植物工厂确...

  • 第10章 植物环境控制的基础

  • 10.1 前言

    人工光型植物工厂需要调控的环境因素包括:光、CO2浓度、温湿度、气流速度、营养液(营养液组成或电导度、pH、溶解氧浓度、流速与流量、微生物)等。调控环境要素的设备有照明装置、空调设备、风机、营养液调控设备(包括灭...

  • 10.2 空气的组成

    空气是混合气体,标准大气中的主要组成成分为:氮(N2)78.08%、氧(O2)20.95%、氩(Ar)0.93%、二氧化碳(CO2)0.04%。光合作用必需的CO2浓度很低,仅为O2浓度的约1/5000,这是需要注意的。此外,大气中的CO2浓度由于地球植...

  • 10.3 二氧化碳

    光合作用是在有光的情况下,空气中的CO2通过叶片气孔移动到叶肉细胞从而转化为糖的现象。因此,增大CO2的移动速度也就意味着净光合速率的增大。增大CO2移动速度的方法有:①提高空气中的CO2浓度;②减少空气、叶面边...

  • 10.4 湿空气

  • 10.5 湿焓图的读法与实例

  • 10.6 热泵

  • 10.7 营养液管理

  • 10.8 能量收支

  • 10.9 环境监测用传感器

    环境监测仪器分为两类:一类仪器的精度要求高、故障少,用于研究开发、连续气象观测、工业过程管理;另一类仪器的精度要求不高、小型廉价,用于家电产品和一般电气产品。近来已有虽小型廉价,但精度较高、老化和故障较...

  • 本章小结

    本章概述了人工光型密闭式植物工厂的环境调控基础,包括空气组成、二氧化碳(CO2)、湿空气的性质与利用、热泵的工作原理、营养液管理、物质与能量收支、环境监测仪器等。这也是有效地调控植物工厂环境要素所必须掌握...

  • 第11章 药用植物的生产

  • 11.1 前言

    药用植物的价格较高,但其药用有效成分的量和浓度受环境条件的影响较大,故大部分药用植物适于在人工光型植物工厂中进行生产。另外,环境条件对药用有效成分积累的影响还处于未知状态,其遗传性质也几乎未曾解析...

  • 11.2 背景

    为了保证包括中医在内的东方医学及其替代医学的处方药疗效,首要前提是能确保高品质的植物原材料。为此,高品质的药用植物的稳定生产和供应是必需的。近年来,伴随着中药材、中成药、补药、保健食品、功能性食品等消...

  • 11.3 利用环境调控设施的药用植物生产

  • 11.4 从药用植物工厂到功能性植物工厂

    高度环境控制的植物工厂生产技术进展日新月异,目前已广泛应用于叶菜类蔬菜和种苗生产,也开始应用于小型根菜类生产。药用植物的栽培技术和环控技术如能实用化,则很可能实现药用植物的工厂化生产。药用植物工厂...

  • 本章小结

    本章论述了药用植物的资源枯竭现状与设施栽培的必要性。并以甘草、西洋贯叶金丝桃、当归等为例阐述了环境条件对药用植物生长和药用有效成分积累的影响。还描述了当归的采种方法、育苗方法及遗传基因解析现状。最...

  • 参考文献

  • ● 第1章

    古在豊樹.1999.閉鎖型苗生産システムの開発と利用.養賢堂.p.191.古在豊樹·板木利·岡部勝美·大山克己.2005.最新の苗生産実用技術-閉鎖型苗生産システムの実用化が始まった.農業電化協会.p.150.古在豊樹.2009.太陽光型物工場...

  • ● 第2章

    古在豊樹.2011.知能的太陽光物工場の新展開(13)-省資源·環境保全と高収量·高品質を両立させるサステナブル物工場.農業および園芸.86(1):41-50....

  • ● 第3章

    古在豊樹.1999.閉鎖型苗生産システムの開発と利用.養賢堂.p.191.古在豊樹·板木利·岡部勝美·大山克己.2005.最新の苗生産実用技術—閉鎖型苗生産システムの実用化が始まった.農業電化協会.p.150.古在豊樹.2009.太陽光型物工場...

  • ● 第4章

    古在豊樹.2009.太陽光型物工場.オーム社.p.186.古在豊樹.2011a.知能的太陽光物工場の新展開(13)省資源·環境保全と高収量·高品質を両立させるサステナブル物工場.農業および園芸.86(1):41-50.古在豊樹.2011b.世界における物工場の現...

  • ● 第5章

    古在豊樹.1999.閉鎖型苗生産システムの開発と利用.養賢堂.p.191.古在豊樹ら.2006.最新の苗生産実用技術.農業電化協会.p.150.古在豊樹(著者).2009.太陽光型物工場.オーム社.p.55-79,p.131-143.古在豊樹.2010.輸出産業と...

  • ● 第6章

    池田敬·早田保義.2010.ハイブリッド型照明や新殺菌法で低コスト化と品目拡大を狙う.物工場大全.日BP.p.68-76.宇佐美久尚·島田葵·谷口彬雄·髙橋伸英·野末雅之.2011.LEDと有機ELを利用するコンテナ物工場.化学工学誌.75(12):807-81...

  • ● 第7章

    河本康大郎.人工光物工場における光源.第11回NPO物工場勉強会.2011年2月18日講演資料.古在豊樹.1980.第3章放射(三原義秋著、温室設計の基礎と実際).養賢堂.p.17-29.古在豊樹ら.1992.新施設園芸学.朝倉書店.p.218.古...

  • ● 第8章

    後藤英司.2011.物の能力を活かす生育環境制御.日本生物環境工学会OSAKAフォーラム.p.25-36.池田彰·谷村康宏·中山繁樹·岩尾憲三.1992.蛍光灯ランプを用いた物工場の照明設計法に関する研.生物環境調節.30(1):9-15.大山克己·吉永...

  • ● 第9章

    工藤りか·末亜矢子·山田敦司·垣渕和正·石田豊.2007.園芸雑.76(1):139.工藤りか·山田敦司·垣渕和正·末亜矢子·石田豊.2007.園芸雑.76(2):265.工藤りか·山田敦司·末亜矢子·石田豊.2009.色光照射による病害防除技術の開発...

  • ● 第10章

    古在豊樹·後藤英司·富士原和宏.2006.朝倉書店.p.235.大山克己·吉永慶太·古在豊樹.2000.閉鎖型苗生産システムのエネルギーおよび物質収支(第1報):エネルギー収支.物工場学会誌.12(3):160-167.大山克己·吉永慶太·古在豊樹.2000...

  • ● 第11章

    福田浩三·村田和也·松田秀秋·谿忠人.2009.大和当帰の栽培生産の歴史と現状.薬史学雑誌.44(1):10-17.木村孟淳.2010.中国の生薬19当帰.月刊漢方療法.4(7):27-30.古在豊樹.1999.閉鎖型物苗生産システム開発と利用.養賢...

  • 后记

    本书执笔开始搜集资料时正赶上2011年3月11日的日本东北部大地震。同年4月,政府组织派遣了植物工厂和设施园艺领域的专家组赶赴灾区进行救援,遗憾的是专家组的救援活动未能取得实质性成果。当时,我们通过优先处...