101年第二季
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【專題報導四】日本植物工廠參訪與發展現況介紹-學術單位篇
 
行政院農業委員會農業試驗所
邱相文、蔡致榮、林木連、黃禮棟

前言及背景

植物工廠為一種在氣密性較高的栽培設施環境下,實現對植物生長環境與營養需求提供最佳化條件精準調控的作物栽培體系,並利用高科技化的栽培輔助設施結構的投入應用,建構一種可以達成高產能、安全性與無季節性限制的植物生產體系。日本在植物工廠推動與發展已經邁入第三波的發展熱潮,目前的技術發展經驗與推展成效,已經位居全世界各農業科技先進國家之領先地位,植物工廠的產業技術也已經實際被日本民間與農企業界所廣泛應用,進行植物工廠商業化的生產運轉與相關產品的販售。台灣目前也開始積極的投入植物工廠相關技術產業的研究發展,農業試驗所在農委會資訊中心的經費支持下,於100年度開始終如一執行『高效能植物工廠立體化栽培資通體系之研究與建立』計畫,進行完全人工光源密閉型植物工廠之相關技術之研究發展。100年度也在經濟部台日技術合作計畫經費的支持下,赴日本進行植物工廠相關技術發展之參訪與研習,以作為植物工廠相關研究計畫執行的應用與參考,並作為台灣發展植物工廠方向與預期成果效益之評估參考。 

日本千葉大學植物工廠概況介紹

千葉大學目前為日本學術界在植物工廠研究發展的代表典範,除了技術與成本效益已經達到商業化生產推廣之等級,而且與日本約60幾家企業公司進行植物工廠相關技術的產學合作。該研究中心除進行相關技術的開發與系統功能的驗證之外,同時也推廣植物工廠之技術發展經驗供日本農民進行參訪及教育訓練(如圖一)。目前該校植物工廠發展中心主要的負責人–丸尾達教授指出在千葉大學的植物工廠類型有『陽光利用型』、『陽光與人工光源並用型』和『完全人工光源密閉型』等三種類型。目前運轉中的植物工廠有5棟陽光利用型植物工廠進行番茄的栽種與生產,以及2棟完全人工光源型的植物工廠進行萵苣的多層架式水耕栽培,該中心利用多樣化環控策略與營養管理措施來達成『高產能、低成本』的植物工廠化之生產目標(圖二)。由於千葉大學因與不同的公司財團進行合作開發而發展出以各種不同環控策略與栽培措施而達到不同目標的陽光利用型植物工廠,其中包括提高生產量、提高栽植密度、提高產品品質、提高收穫期的果實整齊度、提高能源效率、提高人工勞動效率、減少肥料與藥劑的施用、減少灌溉水使用量與減少能源損耗等策略來達到提高產量、降低生產成本與節省能源等目標。

圖一、千葉大學提供植物工廠之發展概念與技術發展經驗給日本民眾與農民進行參訪與教育訓練(Maruo Toru, Chiba University, Japan)

圖一、千葉大學提供植物工廠之發展概念與技術發展經驗給日本民眾與農民進行參訪與教育訓練(Maruo Toru, Chiba University, Japan)

圖二、日本千葉大學植物工廠配置圖,其中有5棟為陽光利用型植物工廠及兩棟人工光源型(Maruo Toru, Chiba University, Japan)

圖二、日本千葉大學植物工廠配置圖,其中有5棟為陽光利用型植物工廠及兩棟人工光源型(Maruo Toru, Chiba University, Japan)

日本植物工廠技術利用特點

在千葉大學陽光利用型植物工廠技術,可以將其應用特點區分為幾點來論述:

  1. 設施與栽培結構:利用高透光型的塑膠薄膜以增加陽光之穿透,運用保溫與濾光披覆材料的應用進行光照與溫度的控制;利用可移動床架來增加種植密集度可充份利用空間(如圖三);設施外面建構的雨水回收利用系統更可以增加水資源的利用(圖四);利用鋼索懸吊以提高作物之高度以增加種植密度和提高單位面積之產能(圖五);增加設施頂端橫樑高度並配合日光照射方位以提高日照效率。
  2. 環控策略與系統:提高設施的氣密性並阻隔地面能量的傳導,可在設施內達到較高精準的環境條件控制;充份利用熱泵進行溫度與濕度的調控以達到節能的效益;施用CO₂以促進光合作用效率並於作物近側進行人工光源的補光照射。
  3. 營養供應與管理:利用薄膜水流(NFT)、滴灌與噴霧灌溉等方式,並進行養液的回收與再利用措施,可達成節水、養份充分利用吸收與零排放的目的,並且可達到提高產能與降低成本的效益;進行養液溫度、EC值、pH值、液位與流速的監控以提供根系最佳化的生長條件。
  4. 栽培與管理策略:選用(育)最適合植物工廠環境栽種與高產量之品種,利用不同栽植時段的控制,進行高密度與多層次栽植以達穩定和全年度出貨的目標;維持作物的最適合的生長發育條件,並發揮作物本身最極限的產能為目標。
圖三、利用可移動式床架可進行作物4個不同生長階段的栽培管理與進行內部空間的調節運用以增加植株密度(Maruo Toru, Chiba University, Japan)

圖三、利用可移動式床架可進行作物4個不同生長階段的栽培管理與進行內部空間的調節運用以增加植株密度(Maruo Toru, Chiba University, Japan)

圖四、設置有雨水收集與過濾再利用系統可充份利用水資源

圖四、設置有雨水收集與過濾再利用系統可充份利用水資源

圖五、應用金屬線將番茄植株往高處懸吊以增加空間利用率而達到提高單位面積之產能為目標

圖五、應用金屬線將番茄植株往高處懸吊以增加空間利用率而達到提高單位面積之產能為目標

完全人工光源密閉型植物工廠以立體化多層架水耕栽培方式,並利用T5螢光燈為人工光源進行萵苣的植物工廠化生產。為提高單位面積之產能而達到降低生產成本的目的,目前立體栽培層架於人工進行作業的情況下可達成10層的高效率栽培生產(圖六)。空間規劃利用可同時進行播種、移植與採收作業,在406平方公尺的設施面積上,一天可以達成收穫2000棵萵苣之生產量並且可穩定的進行周年計畫性生產。在栽培環境中人員的作業均以無塵室的作業規範進行服裝與口罩、手套等衛生方面的要求,因此,所生產的萵苣不用清洗即可以安心的進行生食。為了節省電費與增加人工光源的效率,千葉大學利用曲面反射板來增加光能的利用效率以進行結球萵苣的栽培(圖七),其用電只需為原來的四分之一,目前之生產成本已經可以與露天栽培之結球萵苣作價格上之競爭。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。因此,千葉大學完全密閉型植物工廠之特點為:

  1. 不受天候影響,可以達到定時、定量與品質穩定之要求。
  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,可適合身障人士就業。
  6. 可栽培多樣性作物。 在節能方面的應用方面,丸尾達教授同時提到東京燃氣曾探討將氫氣站回收的二氧化碳供應給植物工廠使用的成本與效益,千葉大學也進行評估向植物施予回收二氧化碳的效果,同時還調查包括工廠內冷氣及換氣在內的最佳二氧化碳供給方法,考慮向設施園藝領域廣泛應用,並探索將來與氫氣站相鄰建設植物工廠的可行性。
圖六、完全人工光源型植物工廠以水耕栽培方式種植10層萵苣

圖六、完全人工光源型植物工廠以水耕栽培方式種植10層萵苣

圖七、利用曲面反射板來增加人工光能的利用,效率進行結球萵苣的栽培(Maruo Toru, Chiba University, Japan)

圖七、利用曲面反射板來增加人工光能的利用,效率進行結球萵苣的栽培(Maruo Toru, Chiba University, Japan)

日本植物工廠經驗對台灣發展的啟發

由千葉大學發展植物工廠的經驗可以得知日本植物工廠發展方向的趨勢,以農業生產面而論,陽光利用型的植物工廠可視為溫室栽培設施的升級,其改善了傳統設施的氣密性,因此可以進行較為精密的環境控制,如二氧化碳的施用與溫濕度的調控,再加上人工光源的補充與立體栽培的空間的充份利用,可以增加作物的密度而達到極限的單位面積產能。因此,在充份利用陽光與遮蔽、阻隔過濾材料的充份配合應用下,可以達到低耗能與低投資成本的植物工廠化之周年計畫性生產規模,這樣的成功發展經驗值得台灣發展陽光利用型的植物工廠來借鏡與參考,使台灣的溫室設施可以提昇成為植物工廠的等級。在完全人工光源型全密閉式的植物工廠方面,雖然其初期投資成本較大,而且營運與生產成本較高,但是,透過單位面積產能的提昇與人工光源利用效率的增加,亦可以大量的降低生產成本。而在其所強調的產品安全衛生與產品的全年無休的穩定性供應上的優勢,也成為其與一般露天栽培與傳統式設施栽培的競爭優勢。此外,由發展完全人工光源型植物工廠所帶動的相關設備與光電資訊產業發展,如LED人工光源(圖八)與監控電子設備等資訊與通訊產業也提供另外一個發展機會。

圖八、農試所建構資通化植物工廠所應用的T5燈光與LED人工光源系統

圖八、農試所建構資通化植物工廠所應用的T5燈光與LED人工光源系統

 
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