抽象的な

現在、植物工場はキュウリ、トマト、ピーマン、ナス、メロンなどの野菜苗の育成に成功しており、農家に高品質の苗を一括供給し、植え付け後の生産パフォーマンスも向上しています。植物工場は野菜産業にとって重要な苗供給手段となり、野菜産業の供給側構造改革の推進、都市部への野菜供給の確保、緑黄色野菜の生産においてますます重要な役割を果たしています。

植物工場の苗育種システムの設計と主要な技術設備

植物工場育種システムは、現在最も効率的な農業生産システムであり、人工照明、養液供給、三次元環境制御、自動化された補助操作、インテリジェント生産管理などの包括的な技術手段を統合し、バイオテクノロジー、情報技術、人工知能を融合しています。インテリジェント化などのハイテク成果は、業界の継続的な発展を促進します。 

LED人工光源システム

人工光環境の構築は、植物工場における苗育成システムの中核技術の一つであり、苗生産における主要なエネルギー消費源でもあります。植物工場の光環境は柔軟性が高く、光質、光強度、日長など多面的に光環境を制御できると同時に、異なる光要因を時系列で最適化・組み合わせることで苗育成用の光処方を形成し、苗の人工栽培に適した光環境を確保します。そこで、異なる苗の成長における光需要特性と生産目標に基づき、光処方パラメータと光供給戦略を最適化することで、専用の省エネLED光源を開発しました。これにより、苗の光エネルギー変換効率が大幅に向上し、苗バイオマスの蓄積を促進し、苗生産品質を向上させると同時に、エネルギー消費と生産コストを削減できます。さらに、光環境制御は、苗の栽培化や接ぎ木苗の治癒過程においても重要な技術手段となっています。

取り外し可能な多層垂直苗システム

植物工場における苗育成は、多層立体棚を用いて行われます。モジュール式システム設計により、苗育成システムの迅速な組み立てを実現しています。棚間隔は柔軟に調整可能で、様々な品種の苗育成に必要なスペースに対応し、スペース利用率を大幅に向上させます。さらに、苗床システム、照明システム、給水・施肥システムを独立設計することで、苗床に輸送機能を持たせることができ、播種、発芽、栽培などの異なる作業場への移動に便利で、苗トレイの取り扱いにかかる労力も削減します。

取り外し可能な多層垂直苗システム 

水施肥灌漑は主に潮汐式、噴霧式などの方法を採用し、養液供給の時間と頻度を正確に制御することで、水とミネラル栄養素の均一な供給と効率的な利用を実現します。苗専用の養液配合と組み合わせることで、苗の成長と発育のニーズを満たし、苗の迅速かつ健全な成長を確保します。さらに、オンライン養液イオン検出システムと養液殺菌システムにより、苗の正常な成長に影響を与える微生物や二次代謝物の蓄積を回避しながら、適時に栄養分を補給することができます。 

環境制御システム

植物工場育苗システムの主な特徴の一つは、精密で効率的な環境制御です。植物工場の外部維持構造は、一般的に不透明で断熱性の高い材料で組み立てられています。これにより、光、温度、湿度、風速、CO2などの調節は外部環境の影響をほとんど受けません。CFDモデルを構築して送風ダクトのレイアウトを最適化し、ミクロ環境制御法と組み合わせることで、高密度栽培空間における温度、湿度、風速、CO2などの環境因子の均一な分布を実現できます。分散型センサーと接触制御によりインテリジェントな環境制御を実現し、監視ユニットと制御システムを接続することで、栽培環境全体のリアルタイム制御を行います。さらに、水冷光源と水循環の使用、屋外冷熱源の導入を組み合わせることで、省エネ冷却を実現し、空調エネルギー消費を削減できます。

自動補助操作装置

植物工場の苗育成作業工程は厳格で、作業密度が高く、作業スペースがコンパクトであるため、自動化補助設備は不可欠です。自動化補助設備の使用は、労働力の消耗を減らすだけでなく、栽培スペースの効率向上にも役立ちます。これまでに開発された自動化設備には、プラグ土壌被覆機、播種機、接木機、AGV物流搬送台車などがあり、支援するインテリジェント管理プラットフォームの制御下で、苗育成の全工程の無人運転が基本的に実現できます。さらに、マシンビジョン技術も苗育成プロセスにおいてますます重要な役割を果たしています。苗の生育状況の監視や商用苗の管理を支援するだけでなく、弱苗や枯死苗の自動選別も行います。ロボットハンドが苗の除去と充填を行います。

植物工場育種の利点

高度な環境制御により年間生産が可能

苗育成の特殊性から、栽培環境の管理は非常に重要です。植物工場の条件下では、光、温度、水、空気、肥料、CO2などの環境要因が高度に制御されており、季節や地域を問わず、苗育成に最適な生育環境を提供できます。また、接ぎ木苗や挿し木苗の育成過程においては、接ぎ木の傷の治癒や根の分化といった過程において、より高い環境制御が求められ、植物工場は優れた担い手でもあります。植物工場自体の環境条件の柔軟性が高く、非育種期や極限環境における野菜苗の生産に大きな意義があり、苗の支援を提供することで野菜の永続的な供給を確保することができます。さらに、植物工場の苗育成はスペースの制限がなく、都市郊外やコミュニティの公共空間など、その場で行うことができます。仕様は柔軟かつ変更可能で、大量生産と高品質苗の緊密な供給を可能にし、都市園芸の発展に重要なサポートを提供します。 

育種サイクルを短縮し、苗の品質を向上させる

植物工場の条件下では、さまざまな生育環境因子を正確に制御することで、従来の方法と比較して苗の育種サイクルが30％から50％短縮されます。育種サイクルの短縮により、苗の生産バッチ数を増やし、生産者の収入を増やし、市場変動による運営リスクを軽減できます。生産者にとっては、早期の移植と定植、早期市場投入、市場競争力の向上につながります。一方、植物工場で育種された苗は整然として丈夫で、形態と品質の指標が大幅に向上し、定着後の生産パフォーマンスも向上します。研究によると、植物工場の条件下で育種されたトマト、ピーマン、キュウリの苗は、葉面積、草丈、茎の直径、根の活力などの指標が向上するだけでなく、定着後の適応性、耐病性、花芽分化も向上し、生産性などの面で明らかな利点があります。植物工場で育成されたキュウリの苗を植え付けた後、1株あたりの雌花数は33.8%、果実数は37.3%増加しました。苗の生育環境に関する生物学的理論研究が継続的に深まることで、植物工場は苗の形態形成と生理活性の向上において、より正確かつ制御性の高いものとなるでしょう。

 温室と植物工場における接ぎ木苗の状態の比較

資源の有効活用による苗コストの削減

植物工場では、標準化、情報化、産業化された栽培方法を採用し、苗生産のすべてのリンクが厳密に管理され、資源の利用効率が大幅に向上しています。種子は苗育成における主なコスト消費です。従来の苗は、操作が不規則で環境制御が不十分なため、種子が発芽しない、生育が弱いなどの問題が発生し、種子から商業苗までの過程で大きな無駄が生じます。植物工場の環境では、種子の前処理、細かい播種、栽培環境の正確な制御を通じて、種子の利用効率が大幅に向上し、投薬量を30％以上削減できます。水、肥料などの資源も従来の苗育成における主なコスト消費であり、資源の無駄遣いの現象が深刻です。植物工場の条件下では、精密灌漑技術を適用することで、水と肥料の利用効率を70％以上高めることができます。また、植物工場自体の構造がコンパクトで、環境制御が均一であるため、苗の増殖過程におけるエネルギーやCO2の利用効率も大幅に向上します。

伝統的な露地育苗や温室育苗と比較して、植物工場における育苗の最大の特徴は、多層・立体的に行うことができることです。植物工場では、育苗を平面から垂直空間にまで拡張できるため、単位面積あたりの育苗効率が大幅に向上し、空間利用効率も著しく向上します。例えば、あるバイオ企業が開発した育苗標準モジュールは、4.68㎡の面積をカバーする条件下で、一度に1万本以上の苗を育成することができ、3.3ムー（2201.1㎡）の野菜生産ニーズに対応できます。高密度多層・立体育苗の条件下では、自動化補助設備やインテリジェント物流輸送システムをサポートすることで、労働力の利用効率を大幅に向上させ、50％以上の省力化を実現できます。

緑の生産を支援する高耐性苗育種

植物工場のクリーンな生産環境は、育成空間における害虫や病気の発生を大幅に低減します。同時に、栽培環境の最適化された構成により、生産された苗の耐性が向上し、苗の増殖および植え付け時の農薬散布量を大幅に削減できます。さらに、接ぎ木苗や挿し木苗などの特殊苗の育成においては、植物工場における光、温度、水、肥料などのグリーン管理措置を活用することで、従来の栽培におけるホルモン剤の大量使用を代替し、食品の安全性を確保し、環境汚染を低減し、グリーン苗の持続可能な生産を実現します。

生産コスト分析 

植物工場が苗の経済的利益を高める方法は、主に2つあります。一つは、構造設計の最適化、操作の標準化、そしてスマート施設・設備の活用により、苗育成過程における種子、電力、労働力の消費量を削減し、水、肥料、熱、エネルギー消費量を改善します。ガスやCO2の利用効率を高めることで、苗育成コストを削減します。もう一つは、環境の精密制御とプロセスフローの最適化により、苗の育成期間を短縮し、年間育成量と単位面積あたりの苗収量を増加させることで、市場における競争力を高めます。 

植物工場技術の発展と苗育成に関する環境生物学研究の継続的な深化により、植物工場における苗育成コストは従来の温室栽培とほぼ同等となり、苗の品質と市場価値は向上しています。キュウリ苗を例にとると、種子、培養液、プラグトレイ、培地などを含む生産資材の割合が大きく、総コストの約37％を占めています。また、植物工場の照明、空調、培養液ポンプのエネルギー消費などを含む電力消費は総コストの約24％を占めており、これは今後の最適化の主な方向性です。さらに、労働力の割合が低いことも植物工場生産の特徴です。自動化の度合いが継続的に高まるにつれて、労働力消費コストはさらに削減されます。今後、高付加価値作物の開発や貴重林樹苗の産業化栽培技術の開発を通じて、植物工場における苗育成の経済的利益はさらに向上する可能性があります。

キュウリ苗のコスト構成 /%

工業化の状況

近年、中国農業科学院都市農業研究所に代表される科学研究機関やハイテク企業は、植物工場での苗育種産業を実現し、種子から出芽まで効率的な産業生産ラインを備えた苗を提供することができます。その中でも、2019年に建設され稼働した山西省の植物工場は、3,500平方メートルの敷地面積を誇り、30日周期で80万本のピーマンの苗や55万本のトマトの苗を育種することができます。もう一つの苗育種植物工場は2,300平方メートルの敷地面積を誇り、年間800万～1,000万本の苗を生産することができます。中国農業科学院都市農業研究所が独自に開発した接ぎ木苗用の移動式ヒーリングプラントは、接ぎ木苗の栽培に流れ作業式のヒーリングと栽培化プラットフォームを提供することができます。一つの作業スペースで、一度に1万本以上の接ぎ木苗を処理できます。今後、植物工場における苗育種の品種多様性はさらに拡大し、自動化と知能化のレベルも向上していくと予想されます。

中国農業科学院都市農業研究所が開発した接ぎ木苗用の移動式治癒植物

見通し

植物工場は、工場型育苗の新たな担い手として、従来の育苗方法と比較して、精密な環境制御、資源の有効活用、作業の標準化といった面で大きな優位性と商業化の可能性を秘めています。育苗における種子、水、肥料、エネルギー、労働力といった資源消費を削減し、単位面積あたりの苗の収量と品質を向上させることで、植物工場における育苗コストは更に削減され、製品の市場競争力は高まります。中国では苗の需要が非常に高く、野菜などの伝統作物に加え、花卉、漢方薬、希少樹木といった高付加価値苗も植物工場で育種され、経済効果が更に向上すると期待されています。同時に、産業化された育苗プラットフォームは、異なる育苗方法の互換性と柔軟性を考慮し、季節ごとの育苗市場のニーズに対応する必要があります。

苗育成環境の生物学的理論は、植物工場の環境を精密に制御するための核心です。光、温度、湿度、CO2などの環境要因による苗の植物形態や光合成などの生理活動の調節を深く研究することで、苗と環境の相互作用モデルを確立し、苗生産のエネルギー消費を削減し、苗の品質と生産性を向上させることができます。品質は理論的根拠を提供します。これに基づいて、光を中核とし、他の環境要因と組み合わせた制御技術と設備を開発し、植物工場における高密度栽培と機械化操作の要件を満たす、特殊な植物種、高均一性、高品質の苗生産をカスタマイズすることができます。最終的には、デジタル苗生産システムの構築に技術的根拠を提供し、植物工場における標準化、無人化、デジタル化された苗育成を実現します。

著者：徐亜良、劉信英ほか。 

引用情報:

Xu Yaliang, Liu Xinying, Yang Qichang.植物工場における苗育種の主要な技術設備と産業化[J].農業工学技術、2021、42(4):12-15。