分享本文至 E-mail 信箱

學術引用格式

MLA (點一下全選)

APA (點一下全選)

EndNote(.enw)

科技農業的進行式— 植物工廠發展沿革與台灣推動現況

2013/05/15 | | 標籤:

以現代設施監控環境,進行定期、定品質、定量之作物生產,植物工廠能於有限空間中達到高效產能,為前景可期的新式產業。

文 / 方煒(任教台灣大學生物產業機電工程學系)

十八世紀思想家盧梭(Jean-Jacques Rousseau, 1712~1778) 說「在所有技術中為第一,也最值得尊敬的就是農業」,農業提供人類生存所需的糧食,是最根本的產業。然而現今農業的發展,遭遇前所未有的挑戰,依據聯合國人口署的預估,2050 年的全球人數將達91.7 億,屆時糧食供應量將是極大問題。目前全球的可耕地已經用了80%,但約有15 億公頃的可耕地,受全球暖化、氣候變遷的影響,面臨海平面上升的威脅。依據聯合國環境規劃署的統計,每年有600 萬公頃的土地變成沙漠,約1000 萬公頃的土地因沙漠化而喪失經濟價值。同時鄉村人口往城市移動,農村的城鎮化、都市建設與環境汙染等問題,造成耕地以每年500~700 萬公頃的速度在減少。

提高單位面積產能是現階段農業發展的關鍵任務,現階段透過植物工廠立體化栽培可用最小的土地面積生產最大量的種苗或短期蔬菜。如此可避免受到風災、雨災等的影響,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,滿足消費者對食物安全的最基本需求。

何謂植物工廠

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、水分等條件)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性、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,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。

植物工廠可分為兩種型態,一為「完全人工光源型」植物工廠,其特徵為在封閉環境中不使用太陽光照射,並且控制環境進行全年計畫性生產;日本為此類型植物工廠的先進國家。二為「太陽光利用型」植物工廠,特徵為在溫室等半封閉環境中,基本上利用太陽光進行照射,但在雨天、陰天時進行補光,並利用控制夏季高溫等技術進行全年計畫性生產;此外,「太陽光利用型」植物工廠中,有使用人工光源者以「太陽光與人工光源併用型」植物工廠稱之,荷蘭為此類型植物工廠的先進國家。

植物工廠絕對是有魅力的產業,其生產模式的最大魅力在於作物的安全性,由於在屋內採水耕培育,沒有蟲害問題,完全不需噴灑農藥,更不需擔心重金屬汙染。消費者即使不清洗也能直接食用。消費者可在百貨公司、高級超市的蔬菜區和高級餐廳都能買到標榜「不需清洗即可食用」、「安全、安心」、「耐存放」的產品。所謂「安全、安心」的指標就是標榜二無二低的無農藥、無重金屬、低生菌數與低硝酸鹽,這樣的產品放諸目前全球的市場,絕對是使消費者安心的暢銷產品。

植物工廠發展沿革

人工光源型植物工廠始於1957 年丹麥的Kristensen 農場,十字花科植物水芹(cress,荷蘭傳入)的嫩芽生產。在美國,1970 年代初期的General Electric 公司,1980 年代的General Foods 公司、General Mills 公司皆展開人工光源型植物工廠的運作,但此三家皆因收支不平衡而在1990 年代停止運作。

自然光型植物工廠的運作始於1960 年代初期奧地利Rusuna 公司的立體式植物工廠,荷蘭的設施園藝大型化、自動化、資訊化則是自1970 年代至今穩定發展,至1990 年代之後,與「自然光型植物工廠」名稱相符的植物工廠生產系統開始大規模地運作。

日本植物工廠的研究始於1974 年,由當時就讀東京大學農學院的高倉直及當時隸屬日立製作所中央研究所的高辻正基展開。「植物工廠」一詞始於1985 年筑波科學技術萬國博覽會上植物工廠的實證展示中,接著1986 年成立日本植物工廠學會,2006 年此學會與日本生物環境調節學會合併成立日本生物環境工學會。

早期人工光源型植物工廠的發展主要針對隔熱材、自動化設備、光源種類與效率、空調設備效能等。近年來亦針對栽培環境的控制技術(包括光環境溫濕度控制,特別是二氧化碳補充技術)、養液調整技術、排水技術、培地調整技術、培地容器技術、移動技術、整列技術、播種與收穫省力化技術等做更精進的研究。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、收穫率提升、病害預防等方面。

日本近期發展植物工廠的策略

各國發展可量產短期蔬菜的植物工廠早已是趨勢,尤以日本為最積極,同樣位於東亞的台灣、韓國與中國緊追在後。2009 年,日本農林水產省總合糧食局長與經濟產業省經濟產業審議官成立的「農工商聯合研究會」下設立了「植物工廠工作小組」,編列150 億日圓預算帶動近年的第三波植物工廠熱潮。根據三菱綜合研究所的調查,2009 年4 月時日本的人工光源型植物工廠共有34 廠,太陽光、人工光併用型植物工廠共有16 廠,生產的品目為以生菜類、香草類為主的葉菜蔬菜、花卉(玫瑰、聖誕紅、長壽花)、番茄和草莓的嫁接苗等。到2012 年3 月止,日本植物工廠已增加至120 處。圖一為位於日本福井縣的Fairy Angel 廠內部,該廠為日產8000株萵苣的完全環控型植物工廠;目前日本最大者為日產14000 株的廠。

圖一:Fairy Angel 廠內部的栽培區。

日本植物工廠的發展是以政府帶頭投資農業,連帶帶動工商業。為了落實在地生產、在地銷售的環保理念,都會鄰近郊區也有不少店面採取生產與行銷一體的新商業模式,簡稱店產店銷。在這些店鋪中,面對馬路為銷售店面,地下室或二樓或緊鄰的店鋪後端為允許參觀的生產區,每日量產當日可以銷售的生鮮蔬菜,完全去除了運輸的需求,食品里程數可以最小化;允許消費者參觀的透明生產模式,更是提高消費者對產品的信心。

台灣植物工廠的發展現況

台灣的量產型植物工廠起步甚早於中韓兩國,尤其具備全環控精密溫室的發展條件,最具代表性的高經濟價值的作物為蝴蝶蘭種苗與梗苗的栽培,為成功的產業模式(圖二)。近年來熱門的植物工廠以研究規模的完全人工光型植物工廠為主,企業與學界合作進行的也多是此類型設施。主要栽培短期葉菜類,近期藥用植物與香料作物亦頗受矚目,小型觀賞作物也是可行的選項。

圖二:國內蘭花催花溫室的栽培現場。

台灣具備發展植物工廠的優勢,台灣本身的半導體產業發達,相關產業舉凡空調、無塵室、隔熱資材、節能燈具、控制系統、滅菌技術、機電設備等廠商眾多,這些也都是建構植物工廠需要的設備。近年有諸多業者紛紛投入完全人工光控制型植物工廠進行研究,同時亦有廠商專注於小型化,開發研究型、店鋪型專用的小型植物工廠(圖三),甚至將其家電化、家具化,走入社區或家庭(圖四)。

圖三:北部某結合植物工廠概念的餐廳,圖為餐廳內作物栽培區的一角。

圖四:2010 年台北國際花卉博覽會展出之店鋪型或研究型的小型植物栽培層架。

台灣過去在80年代推動溫室水耕栽培,曾經成為風潮,但後續一間間關廠。主要原因在於夏季無法栽培、蔬菜口感不佳等問題。但這些因素都不會在植物工廠內重現。譬如夏季無法栽培的主因在於溫度,尤其是因為水溫提高造成溶氧量降低,植物根系無法呼吸導致容易腐敗。口感不佳則是養液配方的問題,一成不變的高氮肥配方,容易造成硝酸鹽與亞硝酸鹽含量過高,缺乏回饋控制的灌溉與營養管理模式,當然栽培的蔬菜口感差。細菌感染問題也困擾過去的業者,但這些都已有方法解決。

某些消費者心中有著「植物工廠內無土栽培的蔬菜缺乏日月精華的滋潤,是不健康蔬菜」的迷思。其實太陽光的波長範圍為300~3000 奈米,但與植物生長及生育相關的波長範圍為350~750 奈米,約占全太陽光能的50%,人工光源只要所發出的光在此範圍內,100%的光能都對植物行光合成作用有幫助,植物若能獲得充分的光量,就能健康成長。反之,露天或溫室內經常發生光量太低或太高的狀況,再加上濕度及空氣流速也較難控制,又因其容易遭受病蟲害入侵,得需施用農藥,反而不一定能培植出健康的植物。而在營養成分或濃度方面,和栽培環境有很大的關連,因地、因時、因人可能造成品質極大差異。透過植物工廠穩定的栽培模式反而能保證品質,培植出營養成分高於室外栽培的植物。若營養成分濃度不高,那是由於環境控制方法不合適,或是由於比起營養成分,栽種者更加重視植物的顏色、口感、味道、香氣等因子。

至於糧食作物栽培現階段在植物工廠栽培仍有限制。通常糧食作物所需要的光量偏高,以人工光源栽培尚不符成本。例如稻米、黃豆等植株高度較高,馬鈴薯的產物在地下,都不適合以立體化栽培為主的植物工廠。但是用來生產水稻苗、黃豆芽、馬鈴薯種薯等種苗,由於體積小且生長期短,投入資源的利用效率最高,最適合優先發展。同時使用在育林、沙漠綠化、能源植物、機能性植物的種苗在各國的需求量大增,這些種苗有可能成為國際貿易商品,植物工廠的種苗生產不受地理或氣候因素影響,可望確立其國際標準技術。

結論

植物工廠並非萬能,考慮經濟效益,只有高單價、栽培期短且體積小的植株才適合。以種苗為栽培對象,更可以與溫室業者結合,依季節供應更健壯的種苗,更具國際商機。現階段植物工廠的造價高,各國皆然,台灣的工商業界整合能力強,完全有實力開發相關產品外銷。植物工廠產業的興起對於傳統農業從業人員應該更是一個機會,工商業界有多人對植物工廠抱有高度的興趣,他們所缺的是栽培相關的關鍵技術,透過農工商的融合,植物工廠可以是一個新的產業,更可發展成服務業的型態,不僅可以在農村創造新的商機提供就業機會,更有機會讓年輕人回到農村,投入農業的行列,讓農村再生,讓農業振興,開創三農的新生機。

原刊載於《科學月刊》第四十四卷第五卷

關於作者

科學月刊

非營利性質的《科學月刊》創刊於1970年,自創刊以來始終致力於科學普及工作;我們相信,提供一份正確而完整的科學知識,就是回饋給讀者最好的品質保證。