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環控技術與完全密閉型植物工廠

 

中興大學 生物系統工程研究室 陳加忠

 
 

一、植物工廠在農業設施生產之定位

在所有的農業設施中,溫室的結構最完整,環控設備最複雜,環境調節功能最強,而成本也是最高。溫室之定義十分嚴謹,具有以下三條件之農業設施才可稱為溫室:1.有屋頂、牆壁,2.由透光之覆蓋材料,3.人員可出入作業。

溫室由於有屋頂、牆壁,因此可隔絕內外環境,形成與外界獨立之空間,提供作為植物生長的場所。溫室由其環境調節功能之演變階段,可歸納如下:

0階段:  傳統露地栽培,作物生長環境由大氣氣候決定,因此又稱為"看天田"階段。

1階段:  利用溫室進行作物栽培,以人為設備控制溫度,相對濕度與二氧化碳濃度,並以遮蔭網與人工光源局部 調節光量,因此作物地上部環境得以人為控制,作物不再受到自然氣候環境控制。

2階段:  無土栽培或是人工介質栽培。作物根部栽培用材料不再是天然的泥土,而是人為調配之介質。利用灌溉控制以調節水分與養分。介質之透氣性、保水性、酸鹼度等物性均可加以預先調整。在此階段作物地下部環境可以以人為控制,不受溫室所在位置其泥土性質限制。作物生產管理加以工程化,即進步為工廠式的植物工廠,也稱為半密閉型植物工廠。

3階段:  人工光源控制。作物之光源由人工燈所提供。因此光環境之光週期、光量、與光質完全由人為控制,也可以與太陽光併用。如果在密閉空間內完成使用人工光源,在國外研究界則稱為全密閉型"植物工廠"

4階段:  重力由人為控制,應用於未來之太空農場。在重力低於地球重力之情況下,控制與調節作物之生長。

以環境控制技術的層次而言,第2階段半密閉式植物工廠的技術難度最高。對於地上部氣體環境而言,溫室內部的日照量、溫度;相對濕度與二氧化碳濃度等因子,往往相互影響。增加日照量,即提高溫度,降低相對濕度。而且外界大氣環境的日照量、氣溫、風向、與風速等條件都是不斷變動。不定期的雲層,下雨,加上颱風,寒流等因子使得溫室環控技術更加複雜。

對地下部環境而言,雖然可以以人為灌溉施肥以進行管理作業。但是由於介質的蒸發與植物的蒸散作用,介質的溫度與水分含量不斷地改變。介質的養份被作物吸收,因此介質內的ECpH與各離子濃度也不斷地變動。

溫室內部地上部與地下部環境又無法完全區隔成兩部份。蒸發與蒸散的能量吸收影響地上部熱環境。放出的水蒸氣影響了溫室內濕度環境。

內部成長的作物,其葉面積,葉片數目,植株高度,根系分佈等作物成長因子也是不斷地改變。不同的成長階段有著不同的成長尺寸。因此在溫室內部,尤其是半密閉型植物工廠,環境因子的調節是如此複雜,涉及了作物生理、電機、資訊、感測、機械等專業知識。因此溫室環控技術成為一個國家整體重要水準的一項指標。

對於全密閉型植物工廠而言,內部環境控制反而成為一種簡易,低門檻的技術。只要付出昂貴的成本,以大筆資金購買機械設備,建構絕緣良好的空間。在此密閉絕緣的空間,有效地切斷了外界熱量與質量的傳遞性。因此空間內的溫度、相對濕度、二氧化碳濃度、光量與光質都是恆定狀態。對於地下部環境而言,引入技術早已成熟的養液控制設備,植物地下部之水量、肥料濃度與溫度也容易維持在恆定狀態。栽培的作物採用生長週期短的葉菜,在生長條件不受限制之下,作物的栽培工作也是十分單純。換言之,在安定的生長環境,配合生長週期短暫的葉菜。這種全密閉型的植物工廠反而不需要高級技術。只要願意投資,只要灑下大筆資金。全密閉型的植物工廠成為可複製,可移轉的一種生長箱型植物設施。與全密閉型植物工廠最接近的生產設施是植物組培苗所使用之組培瓶。其環控技術遠比溫室環控還要簡易。

以技術層次而言,半密閉型植物工廠由於成本低,因此相對利潤高,其代價是需要高層次的科技技術。全密閉型植物工廠,生產成本高昂,技術層次需求反而低,不容易得到生產利潤。因此只是一些有錢國家的奢侈品。

 

二、日本發展之現況

以日本目前的植物工廠發展現況,依日本農林水產省生產局於平成21(2009)之規劃,其植物工廠共分成兩大類型:

1.      太陽光與人工光共同使用型

2.      完全控制(人工光源)型。

日本千葉大學古在豐樹教授 ( Professor Toyoki Kozai)之統計,至20095月日本之植物工廠數目如下:

1.      兩者光源併用型16

2.      完全人工光源型34家。其中高壓鈉燈11家,螢光燈型20家,LED3家。

使用人工光源完全密閉型植物工廠所生產作物以葉菜為主,包括萵苣,菠菜與藥草。

採用全密閉型植物工廠之特點如下:

1.      不受天候影響,可以達到定時,定量,品質穩定之要求。

2.      不受地域限制。

3.      單位面積生產效率高。

4.      水份,肥份之施用精準,無農藥使用。

5.      作業環境舒適。

6.      可栽培多樣性生物。

 日本農林水產省的評估報告中,植物工廠之面臨問題如下:

1.      設置與營運成本高昂

2.      產品的數量與銷售單位有限

由於植物工廠之產品以葉菜類為主,銷售市場之對象為高所得都會區人群,因此數量必須穩定。如果供應量超過需求量,其售價將下跌。

3.      可栽培的作物其種類有限,只限於快速生長之少數葉菜,對於根葉,果菜等作物並不適合。

4.      在夏季高溫情況下,難以達到完全控制。

5.      願意從事植物工廠栽培之科技人才嚴重不足。

三、電子工廠改裝完全密閉型植物工廠之探討

日本此方面的相關研究係以電子工業為主,電子業將已閒置不用的潔淨室改裝成為完全密閉型植物工廠。歸納其研究成果與使用經驗如下:

1.      設施安裝於建築物內部,完全不受天候限制。

2.      因為為完全控制之環境,因此可終年生產。

3.      採用多層式養液栽培,可增加栽培面積,提高單位面積的生產量。

4.      因為生產環境為清潔氣密,可防止病菌與害蟲進入。不需使用藥物栽培。

5.      使用養液循環,對於環境負擔減少。

 

        其面臨問題與前段內容相同。在成本比較方面,則顯示此為植物工廠的致命傷。以日本農林水產省的調查數據為例,在2005年,1公頃的植物工廠其成本與養液栽培用溫室之比較如下:

 

植物工廠(A)

溫室栽培(B)

A/B

設置成本

3.1億日圓

1800萬日圓

17

能源成本

1860萬日圓

40萬日圓

47

 

四、中國大陸有關之報導

近日以來,中國大陸報紙也開始颳起"植物工廠"的熱潮。以"中國消費網訊"(中國消費者報)兩位李先生對中國農業科學院實驗室20平方公尺"植物工廠"之報導如下:

中國農業科學院內實驗室型的"植物工廠"設在一個20平方米左右的房子裡,分佈著4個栽培架,每個栽培架有3層,每層上都種滿生菜或小白菜等蔬菜。他們有的白色的光源下生長,有的在藍色的和紅色的光源下生長。牆上的顯示屏正報告著室內的環境數據:溫度25.5℃、環境相對濕度52.1%、二氧化碳濃度1290 ppm

中國"植物工廠"研究的創始人-中國農科院農業環境與可持續發展研究所楊研究員表示,農科院這個只有20平方米的"植物工廠"只是實驗型。目前規模大的是他們和長春市人民政府合作研製成功並在長春農博園區投入使用的建築,其面積為200平方米的"植物工廠"。這是中國大陸第一例以智能控制為核心的LED"植物工廠"。另一個更大型植物工廠正在農科院東門區興建。

楊研究員表示,多年來"植物工廠"一直被公認為設施農業發展的最高階段,是衡量一個國家農業高技術水平的重要標誌之一。但是"植物工廠"就像航天工程、磁懸浮、大飛機等技術一樣,發達國家不會輕易讓外人掌握。這些年來,他曾多次訪問歐洲和日本,但在參觀"植物工廠"時,無論是研究單位還是生產廠商基本都不許拍照,對於一些核心技術更是避而不談,有時甚至有意把顯示屏上的參數遮擋起來。中國研究"植物工廠"只能依靠自主研發。近些年來,在中國農業專家的努力下,中國已經研發出了"植物工廠"中的硬件系統及其相應的控制技術。

現在的"植物工廠"蔬菜還正處於研發完善階段,因此還沒有大量走向市場。不過他預言,在不久的將來,越來越多的中國人肯定能吃到"植物工廠"裡培育出來的蔬菜。

在京華時報16日版,記者李先生之相關介紹如下:

據了解,由於"植物工廠"不佔用農用耕地,產品無污染,機械化程度高,產量大,因此被認為是解決資源、環境問題的重要途徑。目前只有美國、日本、中國等少數國家掌握這項技術。

中國有關植物工廠的技術是直接自國外引入還是如同其研究人員所自稱是自行發展得到?大陸研究人員的宣傳與日本Kozail教授的演講內容,兩者答案完全不同。中國科技界有太多的假、大、空不良記錄,因此我寧可相信日本Kozail教授。只是以技術層次而言,中國研究界將植物工廠宣稱與太空船,磁浮列車等技術為相同等級,用以抬高植物工廠的身價,也同時提高研究人員自己的身份地位。這種宣傳手法在中國與在台灣,倒是十分雷同。

以技術層次,植物工廠反而簡單。作物生產環境與大自然隔絕,以昂貴設備控制於一定的地上部氣體環境與根部環境。葉菜種苗本身整齊度又是一致,因此管理作業更為簡易。對於工程人員,真正高難度的討戰是在變動的大氣環境下,以相對省能源低成本之溫室,進行半密閉式植物工廠生產作業。要能夠兼顧工程效率、成本收益與環境保護,這才是一個國家科技水準的真工夫。

 

五、完全密閉型植物工廠在台灣使用之面臨問題

植物工廠在日本使用的問題如設置成本與能源成本高昂,產品的銷售數量有限,可栽培的作物有限與高科技栽培人才不足,這些問題在台灣也將產生。因此台灣發展此種高成本,高收成之完全控制型植物工廠必須面對如下之問題:

1.      生產之數量與種類

由於此型植物工廠必須採取多層式栽培以提高單位面積之產量,因此栽培的作物以短期即可收穫,個體高度有限之葉菜。這些葉菜主要用以為生鮮沙拉蔬菜食用。種類有限,銷售量也有限制。因此在要裝置此型植物工廠之前,市場調查十分重要。到底有多少消費者能夠買得起此高售價商品?

2.      整合性之科技人才

植物工廠之環境必須適合葉菜生長。為了提高產量,提昇品質,栽培環境與作物生理之關係必須確立。包括地上部環境(溫度、光量、光週期、光質、二氧化碳濃度等),地下部環境(養液濃度,成份等)之相控效應。台灣之葉菜品種栽培在此之相關研究並不足。此種植物工廠的控制作業要求的技術水準並不高,一般自動控制的人才即能勝任。但是要具有溫室環控與作物栽培生理的整合性人才,台灣就是缺乏。如果只是自日本整廠輸入,除了買進設備,還要買下其葉菜品種,養液與相關資材等。那在台灣之生產成本將比日本高昂。

3.      高投資成本之限制

由於此型植物工廠投資成本高昂,能夠投入植物工廠之建置與經營者為現行之大企業,尤其是有閒置電子廠房之企業。對台灣農業與農民之收益將造成市場  競爭,尤其與現行有機農業之輔導農民產生市場衝突。

        依上述討論,完全控制型植物工廠在技術層面簡易可行。在市場面則應慎重。不可盲目擴增造成同質性產品在有限消費市場相互削價競爭,最後為同歸於盡。如果只是在科博館,在大學農學院,各農業改良場搭建一兩棟全密閉式植物工廠,只要有經費那倒是十分容易,也可做為科學教育之用。但是要以此型全密閉型植物工廠就可以開創農業生機,就可以以此給農民帶來利潤,那只是欺己欺人而已。20年前"水耕蔬菜"在台灣農業界其氣焰是不可一世,如今台灣整個海島以看不到一家"水耕蔬菜"農場。如今在日本,在中國大肆宣傳的全密閉型植物工廠,未來在台灣不也就是另一型"水耕蔬菜"