2013年5月1日

現代農園產品—植物工廠的作物

在植物工廠中多層次排列的栽培架上,何種蔬果是適合栽種的理想作物,它們的生長狀況又受到哪些因素所影響?

作者/鄔家琪(任教宜蘭大學園藝學系)

人類利用設施栽培園藝作物歷史悠久,到了近代,植物工廠可說是將其發揮至極致。有人認為這是一種科技發展或是現代農業的指標,可解決糧食不足等問題並且潛藏著龐大的綠色商機,也有人憂心忡忡覺得可能消耗更多有限資源而對環境造成更大的影響。但無論何種看法,植物工廠確實改變了作物栽培的模式,使得看天吃飯這件事不再成為限制作物栽培與生產的逆境,同時更提供農工商整合的可能性。本文將簡要說明植物工廠可滿足人類何種栽培目的,能提供植物何種栽培環境,哪些植物適合在植物工廠中栽培,以及植物生長主要受哪些環境因子之影響與如何監測植物生長生理狀況。

利用設施栽培園藝作物歷史悠久
作物生產歷史久遠,人類於一萬年前新石器時代便能以栽培的植物作為食物,到了春秋戰國時期,人們已知將柔嫩多樣的蔬菜與需要利用大塊田區栽培的稻米、小麥等糧食作物分開栽種,因此在3000多年前的甲骨文和2000多年前的論語中已出現「稼」、「圃」二字,稼為大田栽培,圃為菜園,顯示當時已有較為精細、專業的作物分工栽培。到2000多年前的漢朝更已有溫室促成栽培的記載,《漢書補遺》的〈循史傳〉中記載:「太官園種冬生蔥韭菜菇,覆以屋廐,晝夜燃蘊火,待溫氣乃生。」,於冬季酷寒季節,藉火所生溫氣導入設施溫室中栽培蔬菜。另外唐朝詩人王建的華清宮:「酒幔高樓一百家,宮前楊柳寺前花,內園分得溫湯水,二月中旬已進瓜」,記載當時利用溫泉水提高栽培溫度,使瓜類產期提前,進行保護栽培之情形。由上可知利用多樣化的設施來進行植物栽培一直是人類試圖改變栽培環境進行作物生產的方式之一。

植物工廠有別於溫室農業,以人工塑造一個最適合植物生長的環境,不受日長、溫度、颱風、乾旱、豪雨等影響,全年無休,24小時生產。再加上可利用層架把栽培園圃在室內堆疊起來,用人工光源進行作物光合作用,單位面積產量可顯著提高。因此植物工廠是一種異於傳統、創新的植物設施栽培系統。

利用植物工廠栽培作物之優點
近年來由於全球氣候異常,經常造成農作物損害,植物工廠將天候與病蟲害的影響降至最低,且因容易維持植物適合的生長環境,即使在外在環境條件不適合栽培的情形下也可以生產,所以具有穩定調節市場供需,並提供消費者安全無農藥的安心蔬果的優點。植物工廠也可以在非農地或不適合作物栽培的地方,如沙漠、極地等不毛之地或是都會區內,甚至是外太空宇宙空間亦可進行設置。也因為可以利用多層架栽培提高土地空間利用效率,在同塊土地上,植物工廠產量是自然農場的六到七倍,耗水量可控制在5%以下,很適合在高度城市化與水資源缺乏的國家發展。另外根據聯合國統計,全球有三分之一的食物,在運輸過程中耗損掉,例如台灣夏天吃的生菜,超過七成都是進口,消耗許多食物里程。相較之下,在地設置的植物工廠更能減少食物里程與二氧化碳排放量。同時植物工廠除了能促進作物生長與提高品質外,還可透過環境控制增加作物營養與機能性成份,栽培人員也能在較舒適的環境下進行輕勞動,增加吸引人才流入的誘因。因此強化設施內部,藉由控制生育環境進行栽培,以監控環境及生育狀況做基礎,透過高度環境控制和生長預測,達成作物全年計畫生產目的之植物工廠,便受到人們矚目,也是設施園藝的進階型態。

植物工廠作物栽培種類
植物工廠既然可依作物提供所需環境,自然各種作物均可以栽培,但是由於植物工廠是種高資本與高集約的生產方式,因此生長期較長或是植株較為高大的果樹或糧食作物較不符合經濟效益,目前一般所栽培的作物主要以附加價值高的作物為主,例如各種蔬菜,尤其是標榜新鮮、柔嫩、清潔、適合生吃的生菜沙拉類,或是本地無生產需要仰賴進口的種類,如葉萵苣(主要有波士頓萵苣、橡葉生菜、皺葉萵苣、結球萵苣、蘿蔓等)、水菜、山葵菜、茼蒿、櫻桃蘿蔔、水田芥、芝麻菜、冰花(ice plant)、牛血菜(bull’s blood)、羊齒生菜(fresh mache)、菊苣、嫩葉蔬菜(baby leaf)等;原產溫帶地區而於台灣濕熱的氣候條件下不易栽培或存活的香草或香料作物,如荷蘭芹、羅勒、薄荷、細香蔥等;或是配合西餐廳餐飲需求所生產的作物。另外有限定產期的蔬果,例如只在台灣冬季與春季生產的草莓,番茄、彩色甜椒等,或是栽培時間較短、空間週轉率較高的之各式蔬菜苗、花苗、植林用、飼料草種苗等。此外附加價值較高的小型花卉,如迷你蘭花、玫瑰等,或是一些具有保健美容等機能性植物(如提高維生素、茄紅素、花青素、抗氧化力等含量)與中草藥等藥用植物都是植物工廠較適合種植的作物種類。

影響作物生產的環境因素
植物生產系統可分為露天栽培、傳統園藝設施栽培,如溫室、隧道蔭棚、簡易塑膠溫室等,一般只能提供簡易的遮風避雨、溫度調節或隔離有害生物等功能,仍然必須依地理環境、生長季節與作物種類和生長情形進行適當的栽培配置。而植物工廠雖然提供完全的環境控制,但仍須清楚所栽培的作物在不同的生長階段究竟需要何種環境條件,以便設定相關參數。影響植物生長的主要因素可大致分為環境、植物、生物與人為因素,其中人為與生物因素較難完全調控,而大部分環境因素對植物生理生態的影響,可透過相關的環境控制系統處理,因此相對比較容易掌握。環境因素包括光量、光質、紅外線、近紅外線、遠紅外線、紫外線、二氧化碳濃度、空氣中蒸氣壓差、根圈水分潛勢、根圈中無機養分濃度、植物地上部、根圈、資材溫度、植物群落內外空氣和根圈中的擴散係數(包括二氧化碳與水蒸氣的擴散;根圈內水、氧氣、養分等的擴散),氧氣濃度與根圈中氧氣濃度。生物因素包括:(一)植物群落構造與其光學特性,如葉面積與其在生長過程中動態的空間分布,葉片與植物群落的輻射反射率、吸收率和穿透率;(二)生理因素,包括氣孔阻力與葉肉阻力、氣孔與根部的水分潛勢、光合作用產物流轉相關蓄積強度、光合作用中重要酵素Rubisco活性、其他酵素、荷爾蒙、生化物質濃度與特性;(三)害蟲與天敵昆蟲;(四)病原菌、微生物、病毒、小動物。【更詳細的內容,請參閱第521期科學月刊】

沒有留言: