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2017-06-01全環境控制下的農業生產——植物工廠
426 期
Author 作者
方煒／國立臺灣大學生物產業機電工程學系教授、國立臺灣大學生農學院環控農業卓越中心主任。
現階段全球農業面臨的挑戰是非常嚴苛的，20世紀初全球人口不足17億，2011 年達70億。聯合國人口基金會推測2050 年將達95億，然而受全球氣候變遷影響，海平面上升造成沿海可耕地的減少之外、土地沙漠化、土壤侵蝕、都市化，也造成可耕地不斷流失。加上颱風、颶風、龍捲風、乾旱、水澇等極端氣候在全球不斷發生，蟲災、病毒感染問題也加劇，預期對全球糧食生產風險造成很大的衝擊。另一方面水汙染問題在工業革命之後顯得日益嚴峻。農藥、肥料的過度使用與工業廢水等造成的土壤與水資源汙染問題，農藥、重金屬污染等食品安全問題層出不窮，食以安為先的概念受到極度的重視。農藥之外，蔬菜的硝酸鹽與亞硝酸鹽含量也是該被重視的議題。歐盟之外，中、美、日、韓、紐、澳等國對蔬菜中所含硝酸鹽濃度都有規範，臺灣則從缺。我們夏天吃的生菜很多是橫跨太平洋來的，許多販售有機農產品的商店，超過70%以上的產品是進 口的。傳統農業如果不尋求改變，肯定無法支持日益增多的全球人口，也無法為食品安全把關。
在面對糧食可能不足，環境不易永續，資源又有限的三難問題中，人們會問：有沒有一種農作物的生產系統，在使用最有限的資源下（土地、人力、水、能源等），對環境的影響為最小，又同時可穩態量產高品質的農產品？這答案是肯定的，答案指向環境控制下的農業生產，簡稱「環控農業」，由不具備環境調節能力的簡易溫室到具備環境調節能力的精密溫室再到全密閉的「植物工廠」，都屬環控農業的範疇。
什麼是植物工廠
植物工廠指的是在設施內透過控制植物之生長環境（光、環境、濕度、二氧化碳濃度、養分、水分等）進行栽培，並對植物生長環境及生育狀況加以觀察，配合高度環境控制及生育預測，使蔬菜等植物可進行全年、計畫性生產的栽培設施。稱為「工廠」是因為此農業生產模式將不受天候影響，對於產品的農藥、重金屬等食安問題，做嚴格控制，具備定期、定品質、定量生產農作物的特點，頗類似於工業界的量產工廠。透過植物工廠立體化栽培才能用最小的土地面積生產最大量的種苗與短期蔬菜。如此可避免受到天災的影響。逐年擴大產能更可避免產銷失衡，避免現地耕除的浪費，更可逐年減少對農業災害損失的補貼。
植物工廠的栽培模式可以以低於田間 栽培用水量的3%來量產蔬菜，這樣的節水幅度是非常可觀的。從經營農業的觀點來看，農業生產上要強化單位面積產能與產值，更要強化週年穩態供貨與分級的能力。也不應侷限在農業生產本身，更需要從包括生產後的流通、消費等整體觀點來重新認識農業。
依據是否利用陽光，植物工廠可分為兩種型態：
一、「完全人工光控制型」植物工廠，其特徵為在封閉環境中不使用太陽光改用人工光照射且控制環境進行全年計畫性生產。多是採多層的水耕栽培床架，單位土地面積的年產能可以是溫室或田間的數十倍，甚至上百倍。此型植物工廠在歐、美又被稱為垂直農場。如圖一所示為臺灣某公司量產萵苣的植物工廠，當栽培層數達到10層或更高，其單位土地面積的產能可 以是田間栽培相同作物的數十倍以上
二、「太陽光利用型」植物工廠，特徵為在溫室等半封閉環境中利用太陽光提供光合作用所需之光量，並利用抑制夏季高溫與避免冬季低溫的降溫與加溫技術進行全年計畫性生產。此型植物工廠中如配備人工光源，也稱為「太陽光、人工光併用型」植物工廠，此型允許在光量不足的陰雨天或凌晨或黃昏時進行補光。由於要使用太陽光，此型設施多半是單層的栽培。
完全人工光型植物工廠為一包含各種感測器、控制器、栽培裝置及栽培技術的綜合系統，工廠內可分為播種育苗室、栽培室、機械室、出貨室等部分，在播種室或栽培室等房間內，由於需要花費營運成本對環境進行控制，因此必須盡可能地減少栽培以外的面積。為了隔絕外界的光和熱，屋頂及牆壁皆由隔熱材料建築而成，此外，為了使內部構造能反射燈光，建築時會將內壁漆成白色或在燈管兩側或床架邊貼上反光材料。
太陽光利用型植物工廠通常為玻璃溫室或塑膠布溫室，亦須採用隔熱性高、吸收反射光線效果佳的被覆材料，有些植物工廠只引進普通的水耕栽培裝置。
植物工廠的關鍵技術
植物工廠涉及的技術可分成以下六大類：
一、養液調整技術與給排水技術，養液是指含有植物所需營養成份的溶液，養液調整涉及酸鹼度與電導度地調控，給排水技術可大致分為循環或是非循環的養液系統，前者為較普及，常見的有薄膜養液法、厚層養液法與潮汐灌溉法等多種技術。
二、栽培介質調整技術與栽培容器技術，土壤為傳統的栽培介質，但植物工廠為避免土傳性微生物感染，較少使用土壤，也為了方便輸送，多半栽培於容器內，容器內改用非土介質，搭配使用滴灌系統。非土介質地選擇涉及透氣性與吸水性的均衡，隨著作物地長大，也需要更換容器或是調整容器的間距，能有自動化設備可大幅節省人力。
三、收穫技術與整列技術。農產品地採收頗為耗工，規模較大的系統會有自動輸送系統，其第一步就是要能讓各個容器能夠排隊，這過程稱為整列技術。
四、播種技術與移植技術，譬如自動化播種、自動化移植等。
五、溫、濕度控制技術與水體供氧技術。所有作物都有適合生長的溫度與濕度，厚層養液循環系統還需留意水體內的溶氧量。
六、光控制技術，包括光譜、光量、給光時間等。由於使用的是人工光，所以可以提供與陽光更為有效的光源來產生特定成分，譬如陽光中只有17~19%的藍光，已知藍光有助於某些植化素的生產，植物工廠可提供30%的藍光來生產更多的該植化素。UVB與UVC對植物會造成傷害，人工光可避免此些成分，UVA對於花青素的形成有幫助，對於栽培紅葉蔬菜時人工光可補充此部分的光譜，但是對於綠葉蔬菜的栽培，此部分光譜就可避免使用。
環境控制
所有研究的重點分別針對產品品質提升、生長促進、栽培環境最適化、良率提升、病害預防等方面。在前述六大分類中，涉及植株地上與地下部環境的控制占了不小的比例。此所謂環境控制包括了風、光、水、養、氣等五項。
風：空氣的溫、濕度、風速、分布的均勻度等。植物的生長有其最適當的溫度與濕度範圍，以萵苣類為例，溫度範圍在18~25℃，濕度在65~75%，風速在0.5 ms-1為最適當。作物附近的微風有助於溫、濕度與二氧化碳濃度地均勻分布。
光：光源的光量、光質、光週期、給光的均勻度。燈具該如何安排才能有最佳的均勻度，是否需搭配反光材料？最合適的光譜是甚麼？燈管與作物的最適距離是多少？各層栽培架上需要幾根燈管？每天需要給光幾小時？是否要搭配離峰電力的時段? 每天需求的累積光量是多少？燈具所能提供的光量還會隨著使用時間衰減，有計畫地局部更換與時時的維護也關係著產品品質的穩定度。在全人工光的植物工廠內，給光的成本佔了操作成本的最大宗，使用高效率的人工光源是最首要的關鍵，過去以使用螢光燈為主，近幾年由於發光二極體的高度發展，已經成為業界使用的主要光源。
水：水質、灌溉時機、灌溉量、給水的均勻度、水體的溶氧量等。一般會選配逆滲透設備來製造純淨的原水，灌溉時機與灌溉量級給水均勻度都會受到選用的是栽培槽或栽培管或栽培床的影響，選擇不同養液系統主要影響養液的水深，也會影響水體的溶氧量。薄膜養液法與潮汐式淹灌系統不需擔心溶氧量，厚層養液法需考慮溶氧量是否不足的問題，但這些在工程設計上都可輕易克服。
養：水體營養成分、營養濃度、酸鹼度、電導度等。由於使用的原水接近於純水，所以水中所有的營養成分都是人為添加的，各種營養的濃度比例應該要與植物所能吸收的相匹配。不同作物有適合的配方可選用，商業上養液的控制以調控酸鹼度與電導度為主，前者決定容於水中的營養成分可被利用的比例，後者絕度各種肥料的濃度。濃度過高過低都不好，酸鹼度一般維持在pH 5.5~6.5之間。
氣：空氣中二氧化碳濃度。二氧化碳是光合作用的原始材料，植物利用光能來打斷所吸收的二氧化碳的化學鍵與水的化學鍵，來組合成新的碳水化合物，即葡萄糖。植物工廠內一般會維持較高的二氧化碳濃度，譬如1000~1500 ppm，高於大氣的400ppm，但仍遠低於對人體有影響的濃度，讓植物可以充分進行光合作用來加速生長。
使用水耕栽培必須累積各種作物的養液管理知識，增加適合栽種的品目並努力提高作物品質；除此之外亦需從既有的品種中選出適合在植物工廠中栽種者。除了栽培蔬菜之外，一些具備養生功能的食材、藥草類與香料類作物都是植物工廠作物栽培的選項。
各階段可能使用不同的營養液配方與營養濃度，都還需搭配前述的給光條件，其他還有空氣溫度、濕度、營養液溫度、空氣中二氧化碳濃度等諸多因子彼此牽連，相互之間可以用牽一髮動全身來說明彼此的關係。簡言之，植物工廠是各種硬體的整合，處處有關鍵也處處有商機。
結論
植物工廠是設置於設施內的作物栽培系統，只要有水、有電，酷寒的極地或酷熱的沙漠地區，室內、地下、水下等原本無法栽種的地方都能夠用來量產農作物；傳統農業強調適地適作，農產品強調吃當季；對植物工廠而言，特別是完全人工光型植物工廠，任何地點都是適地，每天都是當季。其栽培方法多採水耕栽培或使用非土的人工介質。不使用土壤就不會有重金屬殘留也不會有土傳性微生物污染等問題。採取立體化養液栽培來增加栽培面積，單位土地面積的產能可以大幅增加。使用空調設備降溫，由植物體蒸散出來的水氣可以被回收重複使用，比露天栽培所需的用水量節省很多。
植物工廠技術層次高，可吸引年輕人留農，在日本已成農學院畢業生爭取就業的時髦產業。在農村推動植物工廠不僅可以提供就業機會，更可吸引到都市就業不順利的年輕人回流，更關鍵的是可以幫農村創造利潤。
再者，植物工廠內進行的雖然是農業生產，但是涉及的硬體都是在地生產的工業產品，從事的買賣包括生鮮產品、多元的加工產品與栽培設備相關甚至設廠相關的各項硬體的銷售是標準的商業行為。簡言之，植物工廠是農工商融合的平台，其與在地產業的關聯性是非常高的。提升植物工廠的產業化發展可以做為振興傳統產業與開發新產業的重要經濟發展手段，值得相關單位的重視。