人工光植物工厂中毛豆可持续生产：产量与品质双提升的创新策略

为解决毛豆长期贮藏难、季节性供应受限及传统农业对农药依赖等问题，研究人员开展人工光植物工厂内毛豆水培系统优化研究，通过对比营养膜技术（NFT）、岩棉栽培（ROC）和雾培（MIST），发现NFT系统可实现高产（鲜种子产量达田间水平或更高）、高糖分与异黄酮含量，虽游离氨基酸略低，但综合品质优异，为毛豆全年稳定供应及城市农业应用提供新方案。

　　

随着全球人口持续增长和气候变化加剧，农业生产面临前所未有的挑战。传统农业依赖农药和季节性自然条件，不仅易受干旱、病虫害等威胁，还造成环境污染。毛豆作为一种高蛋白、高营养的豆类作物，因其独特风味和健康益处风靡全球，但鲜食毛豆采后品质迅速劣变，难以长期贮藏，导致市场供应集中于夏季，冬季价格飙升。如何实现毛豆的稳定、高效、全年生产，成为农业科技领域亟待突破的难题。

人工光型植物工厂作为一种创新农业模式，通过精确控制光、温、湿、二氧化碳和营养液等环境因素，可实现作物周年生产，减少农药使用，提高空间利用效率。然而，目前植物工厂的应用多局限于叶菜类蔬菜，对于果菜类和高蛋白作物的栽培技术仍不成熟。毛豆的水培研究尤为缺乏，其在不同水培系统中的生长特性、产量构成和营养品质尚未系统评估。

为此，日本研究人员在《Scientific Reports》发表论文，探讨了人工光植物工厂中毛豆的最优水培系统。研究团队选取两个毛豆品种“Sayane”和“Ooyukimidori”，对比了营养膜技术（NFT）、岩棉栽培（ROC）和雾培（MIST）三种水培方式，并以田间栽培（FIELD）为对照，全面评估了植株生长、产量形成、种子营养成分及代谢特性。

研究采用人工光型植物工厂系统，使用白色LED光源（光强520±17 μmol m^?2 s^?1，光周期16小时），温度恒定26.7°C，营养液电导率（EC）控制在1.5 dS m^?1。NFT系统采用多层栽培架，营养液连续循环流经根区；ROC系统使用岩棉基质，滴灌方式供水；MIST系统通过超声波雾化器间歇喷施营养液。田间对照栽培于东京大学试验站，施用复合肥，种植密度统一为12.5株/平方米。测定指标包括株高、叶片数、开花数、生物量、鲜种子产量，以及成熟种子中糖类、淀粉、游离氨基酸和异黄酮含量，采用高效液相色谱（HPLC）进行成分定量，并通过主成分分析（PCA）综合评价各系统表现。

生长性状

NFT和ROC系统在营养生长期表现最佳，株高、叶片数和节数均显著高于MIST。成熟期地上部干重（包括茎、叶、荚果和种子）在NFT和ROC中最高，其中茎干重、叶干重和荚果干重均优于MIST，且与田间栽培相当或更高。这表明NFT和ROC能促进毛豆全生育期旺盛生长，为高产奠定基础。

产量相关性状

NFT系统的鲜种子产量最高，ROC次之，MIST最低。对于品种“Sayane”，NFT产量显著高于田间栽培；而“Ooyukimidori”在NFT中产量与田间相当。产量构成分析显示，单株荚果数和每荚种子数是决定总种子数的关键因素，且与产量呈极显著正相关（r=0.994和0.930）。此外，地上部生物量和收获指数（HI）也与产量高度相关（r=0.986和0.942），而种子灌浆特性（如单粒重和成熟种子比例）影响较小。这表明在植物工厂中，通过增加荚果形成和生物量积累可实现高产，而NFT系统因营养液供应稳定，更利于产量形成。

种子成分

糖分分析显示，NFT和ROC栽培的毛豆蔗糖含量显著高于MIST，且与田间相当或更高。蔗糖作为毛豆主要糖分，其积累有助于提升甜度和食用品质。淀粉含量在NFT和ROC中也较高，尤其在“Sayane”中显著高于田间。游离氨基酸总量在植物工厂各系统间无显著差异，但NFT中特定氨基酸（如天冬酰胺、丙氨酸和谷氨酸）含量低于田间。异黄酮（包括丙二酰染料木苷、丙二酰大豆苷元、大豆苷元和黄豆黄素）含量在NFT中总体较高，其中“Sayane”在NFT中异黄酮总量显著高于田间。功能成分提升进一步增强了毛豆的营养价值。

主成分分析

PCA分析整合了产量、食用品质和营养属性，PC1（方差贡献率71.1%）与产量、生物量、收获指数和总糖含量正相关，PC2（21.8%）与游离氨基酸正相关、与异黄酮负相关。NFT在PC1上得分最高，表明其综合性能最优；ROC居中，MIST最低。田间栽培在PC2上得分较高，反映其氨基酸积累优势，但产量和糖分较低。这表明NFT系统在平衡高产与优质方面最具潜力。

研究结论表明，NFT水培是人工光植物工厂中毛豆栽培的最优系统，不仅能实现高产（鲜种子产量达田间水平或更高），还能提升糖分和异黄酮等功能成分，虽游离氨基酸略低，但整体食用品质和营养效益显著。该成功验证了果菜类作物在可控环境中的栽培可行性，突破了植物工厂传统叶菜生产的局限。

讨论部分指出，NFT系统的优势源于其持续、稳定的营养液供应，利于养分吸收和植株生长；而雾培因液滴较小可能导致养分供应不足。代谢分析显示，异黄酮生物合成（通过苯丙烷途径）可能与氨基酸合成竞争碳源，导致NFT中氨基酸含量较低，但通过品种选育和光质调控可优化这一平衡。此外，田间高温可能抑制碳水化合物和异黄酮积累，而植物工厂的稳定环境更利于这些成分合成。

该研究对全球粮食安全、城市农业和太空农业具有深远意义。随着人口增长和资源约束加剧，可控环境农业需向高蛋白作物扩展，毛豆因其营养密度高、生长周期短，成为理想候选。NFT系统的多层栽培能力可显著提高空间利用效率，适用于垂直农场和资源受限地区（如沙漠、太空站）。未来通过品种改良、光环境优化和营养管理，有望进一步突破产量和品质瓶颈，推动植物工厂作物多样化，实现可持续食物生产的新范式。