第四章、溫室環境控制工程

方煒  台大農機系


            一、前 言
            二、濕空氣熱力學
            三、農業氣象
            四、植物生理
               (一)、與作物生長相關的兩大基本法則
               (二)、與作物生長相關的因子
               (三)、光合作用與呼吸作用
               (四)、溫度對植物的影響
               (五)、濕度對植物的影響
            五、環境參數與控制
               (一)、環境參數
               (二)、作物生長與環境參數
               (三)、環境控制
               (四)、環控策略
            六、感測器
               (一)、溫度
               (二)、相對濕度
               (三)、輻射
               (四)、二氧化碳
               (五)、水量
               (六)、水質
               (七)、介質之 pH 值
               (八)、介質之 EC 值
            七、複合環控策略
            八、結語
            九、參考文獻


一、前 言

  溫室是一個集合結構、機電、生物與環境而成的綜合系統。這些組件在軟、硬體各方面相互配合的優劣決定系統的成敗。溫室系統工程由提高資源使用效率,增進產品品質,節約成本,增加收益的著眼點出發,將溫室系統的研究分成以下五大部份:內部的配置,物料的運搬,環境的控制,作物的栽培及經營與管理;溫室環控工程為其中重要的一環。

  同樣的環控原理與技術,推而廣之可應用到其它許多的領域;其在農業上的應用範圍廣泛,舉凡畜舍、溫室之環控,農、畜產品之保鮮、儲藏與運輸,動、植物特殊生長室、培養箱之環控,養殖池保溫與水質之監控,食品包裝,動、植物園、水族館之環控等,均屬環控農業之範疇。

  農業環控系統的設計需要工程人員澈底瞭解系統內生物與環境間之互動關係,從而創造一合宜的環境以利生物之生長、繁殖,或農、畜產品之儲藏、運輸。

  溫室環控之重點在協調地控制作物生長之微氣候,使作物能成功地生長與繁殖。環控技術之成熟,使得植物工廠的建立為可行。農業生產工業化與農業經營企業化不再是口號;昔日不可能有農業生產的地方,如沙漠、極地、海底、太空等也都將能從事農業生產。

  溫室環控之目標在於促進植物之生長,並期能以市場所期望之品質供應市場所需求之成熟作物。這些控制過程必須在極有效率的狀態下進行,並在如能量、勞力、資材與金錢等資源有限,市場難定與天候難測的風險下操作,並期能獲取最大利潤。

  溫室內微氣候的控制是所有室內環控中最困難的,一般建築物的環控幾乎可完全不受陽光的影響,溫室則不然,溫室外環境狀況對室內環控有著決定性的影響。一般的環控多只針對空氣之溫、濕度與空氣的品質,溫室環控則尚需兼顧光量、光質、光照時間,二氧化碳濃度,水量、水溫與其它水質,包括溶氧、電導度與酸鹼度等。溫室環控的對象種類繁多,都是會成長的生物,不同品種的喜好大多不同,就算同一品種,在不同成長階段之喜好也常有所更動。換另一種作物,換另一個地點,增刪某一種設備或改另一種栽培方式都將使原有的環控需作重新的考量。這一切的繁複使得溫室環控工程人員將建立一個好的環控系統視為一個無止境且有趣的挑戰。

  光,二氧化碳與水與光合作用相關,溫度、光質與光照皆會影響植物之生長與分化,水中之電導度與酸鹼度則影響植物體根系吸收養份之能力。就植物本身之生長過程而言,要加速植物之成長,必須加大光合作用、減少呼吸作用,且將蒸散作用、同化作用及二氧化碳之分佈等合理化,並設法將光合作用後之產物儘量轉化為植物需要之一部份。這些部份包括植物之根、芽、葉、或其他可以重覆生長的部份如花、果或種子等等。凡此種種均涉及植物生理。另外,有關空氣溫、濕度之理論屬熱力學之領域;感測與控制屬機電領域;溫室外環境屬農業氣象領域。簡言之,溫室環控工程是跨領域的學門。以下就濕空氣熱力學、農業氣象、植物生理、環境參數與控制、感測器及複合環控策略等方面做概括性的介紹。


二、濕空氣熱力學

  研究環境控制問題,離不開溫度與濕度的控制;溫度控制原理植基於熱力學第一定律:能量守恆,濕度控制則遵循質量守恆定律。溫、濕度皆屬空氣之熱力性質,空氣為含有水蒸氣、氮、氧、二氧化碳與其它氣體的混合物,儘管水蒸氣含量通常小於 1% ,空氣中水蒸氣含量的多寡影響該空氣的壯態。含有水蒸氣之空氣簡稱為濕空氣,不論是熱傳或質傳皆以濕空氣為主要媒界物,所以與濕空氣有關的一些基本原理為學習環控者之必修,將於第六章中作進一步說明。


三、農業氣象

  本省地處亞熱帶, 南北島長只有 400 公里,四面環海且雨量充沛,此自然條件原本適合多種作物之成長,然而由於地形複雜兼季風盛行,氣候差異頗為顯著,例如春天梅雨季冗長,夏天常有雷雨與颱風,冬天則有寒流;在北部之冬季又具有多雨之特性。此種多變的氣候造成作物產量的不穩定與品質的不均勻,亦是本省適合發展設施農業的主因。

  溫室結構、方位、被覆資材與環控設備中之遮蔭網直接影響進入溫室之太陽輻射能,造成溫室內之溫度與相對濕度有別於大氣之溫、濕度。又,溫室中作物由於蒸散作用,直接影響室內空氣之絕對濕度,間接亦影響室內之溫度。不同作物在相同環境下之蒸散速率可能不同,相同作物在不同生長階段之蒸散速率亦是不同。再者,作物對溫、濕度影響最大的應是其在溫室內之地表面積佔有率。溫室內滿佈作物與空無一株作物對室內溫、濕度之影響自是大不相同。儘管影響溫室內微氣候之因子眾多,能夠預知溫室所在地之大氣溫、濕度與日射量之狀況,對溫室環控系統的設計與操作當能有所裨益。有關本省溫濕度狀況請參考第六章。

  氣象局日總輻射資料允許吾人瞭解本省的輻射狀況,並建立溫室應用的本土化參考值。假設溫室面積為 100 坪( 330 ㎡),被覆資材之穿透率暫不考慮(或假設其值為 1 ), 本省各地溫室在 6 至 9 月平均每日蓄積之輻射能量值為 5530 MJ/日(5.25 MBTU),相當於每日燃燒52.5加侖的燃油所提供之熱量。


四、植物生理
(一)、與作物生長相關的兩大基本法則

  自然界中與作物生長有關的有兩個基本法則:

1、最少者主控法則(萊畢定理,Liebig Law)

2、投資報酬漸減法則

「最少者主控」的概念可用圖 4 - 1a 作說明,如圖所示為各邊不等高的水桶,該水桶之攜水量受最短邊的限制。所以存在量最少的植物生長所需要素決定其生長速率。闢若:光度不足時,加熱、加二氧化碳皆不能提高植物之光合作用。

「投資報酬漸減」則說明某種有利生長的因子,其增加之效益不可能與增加之投入量成持續線性比例增加,終有飽和之時,如圖 4-1b 所示。例如,某土地平均單位面積產量為 10 kg,加了 1 kg 氮肥之後,單位面積產量增加 2 kg,業者不應期待加 2 kg 氮肥可使產量提高 4 kg.

圖 4-1 (a)「最少者主控」概念圖 (b)「投資報酬漸減」概念圖

(二)、與作物生長相關的因子

  與作物生長相關的因子眾多,其已知最重要的包括以下諸項:

1、養份

2、水份,光合作用需要水份參與,但其量很低,細胞中之水份應已足夠供應。需避免造成植物體之水緊迫之主要原因在避免氣孔的關閉。

3、空氣濕度,空氣中濕度太低會造成氣孔的關閉,維持高濕可使葉片舒展,氣孔全開。

4、空氣溫度,溫度增加,光合作用、呼吸作用加速,新陳代謝增加,葉溫增加,水份之蒸散亦增加。

5、土壤(生長介質)溫度,低溫會影響水份與營養的吸收,水耕溶液之飽和溶氧量亦隨水溫之增加而降低。

6、二氧化碳含量,已確知增加 CO2可促進生長、增加產量與增進品質。此所謂增進品質概指較長且厚的莖幹較大且厚的葉片、花朵或果實所謂增加產量概指增加的花朵或果實數量或乾物重。唯,增加 CO2之同時應加光,亦應增加水份與肥料之供給。

7、光強度,加光會增加葉面溫度,亦可加速同化作用之進行,氣孔會打開,更可加強 CO2 的吸收。 同樣因為氣孔打開,水份可輕易的蒸散,所以要同時注意水份的供應。若空氣中濕度太低,或水份來不及補充,則氣孔會關閉,加光加 CO2都無法促進光合作 用的進行,因加光所增加的溫度反而對作物更有害。

(三)、光合作用與呼吸作用

能量 + 6CO2 + 6 H2O <──> C12+ 6 O

  作物的綠色部份有葉綠素,葉綠素將得自於空氣的二氧化碳分子與得自於土壤 ( 生長介質 ) 的水分子 " 織 " 在一起(上述方程式向右執行)。此 " 織 " 的過程需要能量,且其副產品為氧氣。前述之能量得自於太陽光或人工燈光,能量由光子攜帶。此過程稱之為二氧化碳同化作用又稱為光合作用。上述方程式若反過來執行,則為二氧化碳之異化作用又稱呼吸作用。呼吸作用會消耗光合作用的產物,其所產生的能量用在作更進一步,更複雜的反應以產生更複雜的產品,如蛋白質等。蛋白質無法靠同化作用產生。由於呼吸作用需要氧氣才能進行,所以又可視為燃燒反應。光合作用僅在光子數量達某一程度以上才會進行,呼吸作用則日夜都在進行。二氧化碳之消耗與產生速率如圖 4-2所示。

圖 4-2 二氧化碳之消耗與產生速率

  正常大氣情況下之二氧化碳濃度在 340 ∼ 350ppm , 光合作用速率隨光量增加而增加,但達到光飽和點後就趨於緩和。在此情況下,溫度之影響不大,但若有二氧化碳施肥使濃度達 1000 ppm 或以上,則光合作用速率可隨溫度之增加而更加速,如圖 4-3所示。圖 4-3同時為「最少者主控」法則之明証。

4-3 光合作用速率與溫度及二氧化碳之關係

(四)、溫度對植物的影響

  空氣溫度會影響光合作用、呼吸作用與新陳代謝之速率,也會影響葉溫,亦會影響水份之蒸散速率。 日夜溫差 (DIF) 影響產量與品質之間的平衡,作物成熟期之調節亦有許多是利用溫度作調節之手段。

(五)、濕度對植物的影響

  空氣中之相對濕度降低,空氣之吸水能力增加,間接促進植物體之蒸發與發散 ( 蒸散 ) 作用,於是植物體需水量與需水頻率均增加,若水份補充不及將直接影響植物生理。詳細關係請參考圖 4-4。

4-4 濕度對植物的影響


五、環境參數與控制
(一)、環境參數

  常見的可量測之環境參數包括以下數項,茲分為五大類簡列於下:

1、輻射方面:

淨輻射,全光譜輻射 (100 - 4000 nm)
光合作用有效光 (400 - 700 nm)
光合作用有效光及遠紅光 (400 - 850 nm)
以上三不同波帶之輻射又各分直射與漫射來量測,
除量測輻射能量外,亦量測光量子數量。

2、溫度方面:

空氣溫度,葉片表面溫度,地面/地底之溫度
作物葉冠面(Canopy)之空氣溫度
溫室被覆資材(Glazing)之表面溫度
營養液之溫度
根系介質(Root Media)之溫度(如土壤、岩棉、營養液等)

3、濕度方面:

空氣之相對濕度
作物葉冠面(Canopy)之 空氣相對濕度

4、營養液方面:

酸鹼值(pH),電導度(EC),溶氧量(DO)
氮、磷、鉀、鈣等之離子活動量
水流量

5、其它方面:

二氧化碳濃度
大氣壓力
風向/風速

以上所列之可以量測之參數定義為一級參數。量測一級參數有助於以下二級參數之推導。常見之二級參數包括:

水蒸氣壓力,水蒸氣壓差
濕球溫度,露點溫度
絕對濕度,濕度比
乾濕球溫差,葉片內外溫差
蒸發速率,顯熱通量,系統熱焓值,系統淨能量通量
二氧化碳通量
作物周遭氣流大小

(二)、作物生長與環境參數

  由量測及計算前面所述之一、二級參數,再觀察作物對此些參數變化之反應,透過理論分析或迴歸、統計等數學方法之計算建立關連性為建立作物生長模式之第一步,譬如已知葉面能量之平衡是藉著葉面水分之蒸發作用來調節,這些水分則經由植物體來輸送。在這種蒸散過程中,水由植物體吸收,並間接調節葉中之二氧化碳及氧之交換速率。蒸散作用與氣體之交換速率直接受外界空氣之流動速率影響。而蒸發則直接受週圍濕空氣的特性所控制。總言之,葉面及空氣溫度可調節光合作用、呼吸作用、同化作用、蒸散作用及養分之吸收率。又,二氧化碳之吸排量直接受光合作用速率、葉片表面水份蒸發速率及空氣中二氧化碳濃度等因子之影響。

  以下將作物生理相關之三項反應速率及其各自之影響因子條列於下,有些因子如邊界層阻力非為一級環境參數,但其可繼續向下延伸終至可量測的一級參數。

  在建立作物之生理現象與環境參數之關連性的過程中,常面對的困難是缺乏足夠的二級參數(如氣孔阻力與葉片面積指標等),其歸因於一級參數之無法量測,亦即感測器的付之闕如。此類挫折也正指出了重要的研究發展方向。 葉片面積量測器( Leaf Area Meter ),氣孔阻力感測器( Porometer )及光合作用速率量測器等的發明正是工程師與科學家努力的結果。過去不能直接量測的環境參數,如今由於可直接測得所以全降格為一級參數。此些利器的發明使得建立作物生理現象與環境參數之關連性變得更簡單,也使吾人能進一步面對深一層的挑戰。

(三)、環境控制

  溫室環境控制之前提乃在提供生產中之植物所需之基本成長環境條件。這些條件與許多因素有關,其中包括:植物本身之發育階段及其生育年齡、特定之植物種類、植物本身之最終用途、地區性之氣候、特定之作物生產系統及生產者之經驗等。其他如控制之設定點、設定點附近所容許之變化範圍、每一個環境控制參數之變化時間等等均必須有所決定。一個能夠在合理之精度下,即時監控微型氣候條件之環境控制系統應能調節或整合整個系統所需之各項動作,諸如:加熱、冷卻、輔熱、灌水等等。同時必須能發展一套控制方法以精確、合理之一致性與均勻之空間性獲得所期望之環境控制條件,並期能由此生產高品質之產品。

  作物之基本需要為所有環控系統設計之基礎,是以作物本身之需求條件即可作為該作物在成長期間或其整個生命週期內所需之環境控制參數設定基準值。如何設定則是一項相當大的挑戰。

  環控的對象不僅包括空氣之溫、濕、光度及二氧化碳濃度,尚有土壤或其它生長介質之含水率,營養液之酸鹼值及電導度等。前述各環境調節設備包括升/降溫,增/減濕,補光/遮蔭,二氧化碳產生,養液調製與循環等。想控制的因子愈多、想控制的精度愈細微,則所需投資的金額也愈龐大,控制策略的複雜化導致研發成本的提高估且不計,光硬體上的投資也將相當可觀。一個生產者在作業方面若要獲得良好的報酬或利潤,其產品或作物的數量及品質為重要之影響因素,其最初投資的固定成本更是需要考慮。以目前的科技水準,若能不成本則任何環境皆能予以創造,但溫室產業不可能如此,目前常見者也僅數項環境控制參數可以作適當調節,如溫度(包括植物體附近的空氣、根部及葉部的溫度等)、濕度、光度(包括強度、光質及照射期長短)、大氣二氧化碳含量及水分。

(四)、環控策略

  環境監控系統為諸多軟、硬體之組合,硬體包括感測器、傳輸線路、電腦介面卡、驅動器等;軟體則為串聯電腦模式與控制理論的監控策略。如何整合軟、硬體以發展溫室環境適用的監控系統為決策者之一大挑戰。溫室結構、覆蓋資材及環控硬體,或由國外引進、或由本土製造,其基本上的差異並不大;整個環境監控系統之成敗純粹視其監控軟體即環控策略是否能因地制宜且有效運作。

  環控策略為整套環境監控系統之核心。系統之硬體皆可由外購得,惟有軟體部份由於與栽培作物之種類、當地之天候、環控設施之層次、環境參數之感測等息息相關,是以一般建議環控策略應由溫室管理決策者制定。愈是要予以彈性運用的溫室譬若栽培作物的常常更換,其環控策略愈是應該富於彈性。

  一般而言,大部份環境控制之重點在於溫度參數一項為多。以下簡單舉例說明溫室內的升降溫環控策略之規劃:某溫室配備有三種加熱系統分別為頂上( Overhead Heating )、 地底( Floor Heating )與桌面(Bench Heating )加熱系統;可移動式蓄熱/遮蔭簾幕;三段式風機與蒸發冷卻系統。針對不同之設定溫度,溫室環控策略可規劃為四階段增溫與五階段降溫策略(如圖 4-5所示)。 各環控設施之驅動可用簡單的 ON/OFF開關或規劃使用其他如 PI, PD, PID 等控制理論; 至於各階段設定溫度之制定可設為定值或隨其他環境參數之值而改變,更可透過模式之演算而因時因境而異。如圖 4-5所示,當溫度降至增溫設定點 1時,需啟動桌面加熱系統,若溫度持續降至增溫設定點 4,則所有的加熱與保溫設施均需啟動。當溫度超過降溫設定點 1時,開啟25 %的風機,入風口也保持全開時之25 %開度。當溫度持續增加,超過降溫設定點 3時,需開始遮蔭並維持50 %的風機於開啟狀態,入風口也保持全開時之50 %開度,當溫度持續增加,超過降溫設定點 5時,需保持遮蔭,風機與入風口皆需保持全開狀態,並需開始使用蒸發冷卻設備來降溫。視蒸發冷卻系統之不同,此時需作的是打開噴霧機或開啟水牆系統之供水泵。

環境調節設備  環控(增溫)階段 環控(降溫)階段

4-5 環控(增、降溫)策略示意圖

  上例僅為針對一項環境參數(溫度)來策劃其相關硬體之運作。一旦環控策略中加入更多的環境參數且各參數之相關硬體有所重疊之時,環控策略便會迅速地複雜化。借助決策支援資訊系統之演算分析,人工智慧的邏輯推演,將能有助於化繁為簡制定出合宜之策略。

表 4-1 簡易複合環控策略範例
感測訊號
比較
動作

上限
< 下限
啟動遮蔭網
遮蔭網收回




光度>0 時
(白天)
≧ 上限1


≧ 上限2
≧ 上限3
< 下限1
啟動遮蔭網,
啟動蒸發冷卻系統或加濕兼通風
或 加濕兼通風
啟動遮蔭網,通風
通風
加熱
光度=0 時
(晚上)
≧ 上限4
< 下限2
通風
加熱




光度>0 時
(白天)
≧ 上限1
≧ 上限2
≧ 上限3
< 下限1
加熱,通風
收回遮蔭網,通風
通風
加濕
光度=0 時

(晚上)
≧ 上限4
< 下限2
通風
加濕

  表 4-1 所示為針對溫度、濕度及光度的複合環控策略, 各設定點的決定需配合作物之生長情形與實際外界大氣之狀況,而非一成不變。如表 4-1所示,光度有一上、下限之預設值,上下限之範圍為容許遮蔭網或開或關的裕度。溫度與濕度之上、下限則又分日夜之別各有不同的預設值。

  有些溫室為整套由國外引進,包括環境監控軟、硬體。由於軟、硬體為設計給溫室專用,是以無整合之困難;一旦安裝完畢即可使用且使用上應不困難,如荷蘭的 PRIVA 系統。 其缺點在價格昂貴,且售後服務很難貫徹執行,一旦監控系統故障,整套溫室系統即可能停擺;維修不易。再者,其內建的環控策也有可能不能因應實際之所需,就算一時可行亦缺乏彈性,欲更改惟有央請原公司重新燒錄新的環控策略於IC之內一途,非常的受制於人。

  有些溫室的環境監控硬體為國內各單位自行選購,再找專人或自行設計可在個人電腦上執行之軟體。此系統比前者便宜且較具彈性,惟選擇合適監控程式設計人選可能不易,程式的規劃與寫作也費時耗工且同樣的受制於人缺乏足夠的彈性。

  較合宜的方式似乎是由溫室管理決策者使用環境監控系統軟體來建立自己的監控策略。如此則日後策略上有任何修正之必要也不需假手他人。市面上有許多工業級的環境監控系統軟體,如 GENESIS, PARAGON 等;選擇適當者,一旦能熟悉使用方法,則監控軟體之製作與修改雖不是易如反掌,但也不遠矣。較之以高階語言全盤寫作的監控軟體,此者不僅較具彈性且具高流通性,第三者可望在短時間內瞭解整個監控策略且進行修改,此為前述程式寫作方式創建監控軟體之監控系統望塵莫及之處。如圖 4-6所示為使用 GENESIS圖控軟體所規劃之複合環控溫室。圖中"????????"之處在軟體執行時會有數值顯示,且畫面左上角之區塊為各種溫度及二氧化碳濃度之曲線顯示區。如圖 4-7所示為操作盤區,使用者只需至此畫面更改設定即可控制此溫室之環境。

圖 4-6 複合環控溫室示意圖

圖 4-7 複合環控溫室操作盤


六、感測器

  感測器的有無、精確度、準確度、耐久性、一致性等是決定某環境參數能否被正確量測的決定性因素,更影響涉及之環控系統是否能有效的運作。以下簡單談談各環境參數涉及之各類感測器(依環境參數分類)。

(一)、溫度

  量測溫度之感測器可大分為兩類:電子機械式與電子式。前者包括感測器本身及一控制開關;後者則以改變本身之電阻值或產生微小電壓或電流來代表量測得的溫度。是以若選用後者,則仍需配以一硬件以接收訊號並執行開關動作。電子機械式溫度感測器較常見且便宜,但精確度不高, 誤差在±2.5℃,常見的有雙金屬片型(Bi-metallic strip,Thermostats),波登管型(Bourdon Tube)與流體(酒精或水銀)膨脹型(Fluid Expansion) 。電子式溫度感測器之尺寸較小,較精確也較貴,誤差在±0.3 至±1.0 ℃間;常見的有熱偶線(Thermocouple),熱敏電阻(Thermister),電阻式感溫器(Resistance Temperature Detactor, RTD)及固態裝置(Solid-State Devices)。熱偶線最為人們所熟知,在此略過。熱敏電阻為利用半導體之電阻值(R)與本身溫度(T)成比例之關係所發展的感測器,其比例關係為 R = a × EXP(b/T) ,其中 a,b 為與材料相關之參數。 RTD也依據相同之原理,惟其材質為某種金屬。固態裝置會依本身之溫度高低產生對應大小的微小電壓或電流。以上所提均屬接觸性溫度感測器。

  輻射測溫學 (Radiation Pyrometry) 為不接觸物體即可量測該物體溫度的一門學問, 是以輻射測溫器( Radiation Pyrometer )為非接觸性(遙測)溫度感測器,另有紅外線溫度感測器也屬之。紅外線溫度感測器一般建議只應用在放射率( Emissivity )大於 0.5 的表面。 紅外線測溫法( Infrared Thermometry )的基本原理在於可量測物體表面放射出來的能量與物體表面的溫度存在一比例關係。電磁波光譜中波長由0.72至 100 公忽(或稱微米,micron,μm )均屬紅外線的範圍,但對量測溫度有用的紅外線強度只有界於 0.72 至 20 公忽者才為有效。波長長者,其能量小的幾乎量測不到。物體表面溫度分別為 200 與 1000℃者其輻射出之紅外線之波長分佈曲線之波峰分別在 6.5 與 2.5 公忽,溫度愈高,其波長愈短,但能量愈大。

(二)、相對濕度

  傳統上相對濕度的量測皆是以量測乾、濕球溫度再利用濕氣圖或以公式計算間接求得。濕球溫度的量測在執行上常常由於不能隨時保持棉絮於全濕狀態,是以一般誤差頗大,連帶影響相對濕度之計算值。 使用固態( Solid State )電子式濕度感測器為直接量測相對濕度的方法,由量測感測元件上電容或電感值即可求出相對濕度值,其誤差一般在± 3% 以內。

(三)、輻射

  作物的生長速率直接受光照射的影響,波長在 300 - 400nm的紫外光與 700 - 800 nm 的近紅外線(遠紅光)會影響作物的生化反應及其外觀。 在 400 - 700 nm的光線與光合作用有很密切的關係,此光帶的光稱為光合作用有效光(Photosynthetically Active Radiation,簡稱 PAR)。吾人有興趣的是 PAR 範圍內光子的數量而非 PAR 範圍內光之照度;是以較佳之測量應是量測光合作用光子通量密度(簡稱 PPFD),此為單位時間內落到單位面積的平面上波長範圍在 400-700 nm 的光子的數量,其常用單位為μmol/(sec ㎡) 或μE/(sec ㎡);使用的感測器為光量子感測器(Quantum Sensor)。照度感測器 (Photometric Sensor) 用來量可見光(380-780 nm),使用單位為Lux (=lumen/㎡), 或燭光 (fc =lumen/ft2) 。照度感測器一般並不在溫室中使用。

  輻射感測器 (Pyranometer,或稱日射計, Solar meter) , 可用以量測來自太陽與其它所有來自天空之輻射,其量測之波長範圍較廣,視廠牌不同,常見的有 400 -1100nm, 320-4200 nm 及 280-2800 nm ,其量測的為此波長範圍內的能量,單位為 W/ ㎡。日射計之主要感測元件為熱電堆 (Thermopile) 或光電池( Photo Cell )。熱電堆由特殊之熱偶線堆積製成,藉溫差產生電壓差;準確度高,但非常昂貴; Eppley 公司之Pyranometer 為典型之代表,其量測之波長範圍為 280-2800 nm 。 光電池係藉光電效應引起之電流產生電場,以電流輸出;光電池之反應光譜為400-1100 nm , LI-COR 公司之 Pyranometer為典型之代表。以上三種感測器的誤差範圍一般在± 5%。

  在業界與過去學術界發表的文獻中常可見到量測光合作用有效光或輻射能時使用照度的單位,譬若 Lux 或 kLux;儘管有轉換常數存在,可將Lux 轉換成μ mol/(sec ㎡) 或 W/㎡, 但此些轉換常數仍常被誤用。需知此轉換值的導出視光源、光帶波長範圍與感測器量測範圍不同而異。假設太陽光全光譜範圍內的所有能量為1,大氣層外可見光(380-780 nm)範圍內之能量所佔之比例為 47.29 %,PAR 範圍佔 38.15 %, 而 400-1100nm 佔 65.22%。不同光帶範圍內之能量所佔之比例各不相同,且此比例僅適用於大氣層外之太陽光。

  使用照度計所量得之 Lux 值除以 54 可得 400-700 nm 範圍內之光子數, 單位為μ mol/(sec ㎡ ) ,將 Lux 值除以 36 可得 400-850 nm範圍內之光子數。若量測之光源不是太陽光,則以上兩個轉換值便不適用,各種人工補助光源有各自不同的轉換常數。由於植物行光合作用之速率與 PPFD 直接相關;又,溫室得自太陽之熱能以 W/ ㎡計算,再加上量測照明時使用的為照度單位,是以才有上述單位轉換上的困擾,使用者不可不慎。

(四)、二氧化碳

  大氣中之二氧化碳提供植物光合作用之所需,在補助人工燈光的控制環境下若幾乎完全密閉或僅有微量的通風,則二氧化碳的不足是可預見的。光線與二氧化碳在植物的光合作用中是相輔相成的,二者中任一不足都將限制整體光合作用之進行。文獻中一般認為二氧化碳保持在 500-1000 ppm 為適宜之濃度, 若高達 3000ppm 將對人體有害。由於地球溫室效應的惡質化,二氧化碳這第一號的溫室氣體並不被鼓勵使用,但若有自然的二氧化碳產生來源,譬若:酒廠酒精發酵過程,家禽家畜養殖場,堆肥處理( Composting )中心等,其自然產生的二氧化碳均可收集再予利用,不僅可提高產量且可保護環境。

  欲瞭解植物光合作用之速率,空氣中之二氧化碳濃度是必需量測的;其一般使用的儀器為紅外線輻射吸收儀,其依照樣本中吸收到的輻射量產生毫伏特的電壓訊號, 精確度可達± 1 ppm (在此, ppm為體積比, 1% = 10000 ppm )。

(五)、水量

  植物栽培灌溉系統的控制常見者為直接搭配計時器以固定的動作頻率控制泵之運轉。又,養液之流動速率及流動之時間也會改變根部之邊界流條件而影響氣體之交換。流量高時會產生較小之邊界層,因而提高其氣體交換率。充分的流量,可增加作物根部曝露於優氧營養液的時間,進而增加水與氣體之交換。流量大小與水位高低採用簡易機械原理設計者即已相當好用,不一定非採電子式且透過數位控制來執行才可。營養液之滲透壓力 ( 與鹽分濃度成正比 ) 則可調節植物之水分攝取活動與其蒸散的能力。為防止營養液流失或蒸散而減少,自動添加清水以補足其濃度是一種相當有價值的安全措施。 其他如液位不足、pH 值變化、電導度變化及環境異常之自動警報亦相當重要。

(六)、水質

  水質之監測多採定期人工取樣方式,較複雜的控制系統則使用電腦監控方式,自動調節養液的濃度、供給頻率、流速、供量時間等。 水質之相關參數包括溫度、 酸鹼值( pH )、電導度(EC )及溶氧( DO )等。

  根部及營養液溫度直接影響水分之攝取與氣體交換情形。如表 4-2所示為水在不同溫度下之飽和溶氧量,譬如:在 11 ℃時水的飽和溶氧量為 10.67 ppm,30 ℃時飽和溶氧量降至 7.53 ppm (在此,ppm為重量與體積之比,每升中有 1 毫克 = 1 mg/L = 1 ppm )。 本省夏季的平地地區,水耕栽培需特別注意養液的溫度,其主要原因在此。 表 4-2 所示的水之飽和溶氧量與溫度之關係,可用下列公式計算,量測值與計算值如圖 4-8 所示,迴歸之判定係數 R2 值在 0.999 以上。

DOs = a + b×Twater + c × Twater2 + d × Twater3

其中, DOs: 飽和溶氧量(ppm), Twater: 水溫 (℃)
a = 14.15873363, b = - 0.39372233
c = 0.007671163, d = - 0.000063861

表 4-2 水在不同溫度下之飽和溶氧量
水溫
溶氧量
mg/L,ppm
水溫
溶氧量
mg/L,ppm
水溫
溶氧量
mg/L,ppm
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
14.16
13.77
13.40
13.05
12.70
12.37
12.06
11.76
11.47
11.19
10.92
10.67
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
10.43
10.20
9.98
9.76
9.56
9.37
9.18
9.01
8.84
8.68
8.53
8.38
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
8.25
8.11
7.99
7.86
7.75
7.64
7.53
7.42
7.32
7.22
7.13
7.04

註:一大氣壓,空氣中含氧量為 20.95% 之情況

(七)、介質之 pH 值

  無論是有土或無土栽培, 測定栽培介質的pH 值猶如測量人體的體溫一樣,可瞭解介質或人體是否正常。pH 值最主要的作用為影響介質中營養元素的有效性,因此作物必須在合適的 pH 範圍的介質中,才能生長良好而不致造成養分的過多或缺乏現象。一般土壤介質 pH 值 6.2 ∼ 6.8 或無土介質 5.4 ∼ 6.0 可適應大多數的花卉作物。因為在此等 pH 範圍內,介質中養分的有效性最高。

圖 4-8 水中飽和溶氧量與水溫之關係

  介質過酸或過鹼,亦即在不適 pH 值時,當然對植物生育有不良影響。例如在 pH 低的介質,鈣、鎂含量少,作物亦呈鈣、鎂缺乏症狀,又因鋁從介質中大量溶出,會發生根系受傷現象,使很多營養要素吸收受阻;此外酸性介質下,鐵、錳、鋁等元素易與磷結合而使磷有效性降低,凡此均不利作物生長。而在 pH 值高的介質下,亦造成鐵、錳、鋅、硼的缺乏,而且鹼性環境下,鈣、鎂活性高,會與鉀抵抗使鉀的吸收受阻,鈣、鎂也易與磷結合使磷的有效性降低;此外銨態氮在 pH 高時會化為氨氣而散逸。因此在不適 pH 情況下,有必要調整改進以提高作物生產。

  酸性介質可使用石灰質材或其他鹼性質材改進,例如石灰石(碳酸鈣)、生石灰(氧化鈣)、消石灰(氫氧化鈣)、苦土石灰(及白雲石,碳酸鎂鈣)、汐酸爐渣等。鹼性介質可施用酸性質材,如硫磺粉、硫酸鋁等加以改進,但也應注意不宜過量施用。

  常用測定 pH 值之方式大略有以下三種:試紙呈色反應法、試劑比色測定與玻璃電極法。前兩種比色法測定結果均不夠精確,只能獲知土壤 pH 值的大概。 而電極法則可以精確地讀取 pH數值,早期電極 pH 計( pH Meter )價格昂貴攜帶不便,只適合在實驗室使用。近來以發展出多種攜帶型的簡易 pH 計操作簡便,價格合理,精確程度雖不如實驗室機種,已足以在田間有效運用。一般簡易攜帶型係採電極原理,其電極之先端有非常薄的玻璃膜,若保養不良將嚴重影響其準確度。

(八)、介質之 EC 值

  介質中可溶性鹽類( Soluble Salts )越多,則介質溶液濃度越大,滲透壓越高,作物越難以吸收水分和養分,當濃度超過作物的忍受限度時,即對作物產生毒害,造成根部受損、地上部葉片萎凋、生產緩慢等症狀,此種現象稱為「鹽害」,早期多依含鹽百分率衡量土壤鹽害程度,然而此種方式易造成誤差,因為真正決定鹽害的因子為介質溶液濃度及甚產生的滲透壓,而含鹽百分率相同的土壤,其介質溶液濃度會隨鹽分種類和介質質地而有所差異。因此科學家才發展出以「電導度」( Electrical Conductivity,簡稱 EC )直接表示可溶性鹽類存在於介質溶液中的濃度。所以應用EC 值以表示介質的鹽度是最切合實際的。

  介質 EC 值的測定原理是基於介質中電解質的濃度越高者,在特定水分含量下其導電性也越好,因此將電流通過兩電極間所產生的電阻之倒數(及導電度),可用來表示介質 EC 的強度。電阻的單位為歐姆( mho )電阻的倒數,即導電度單位為姆歐( ohm ),目前漸以 "S" ( Siemens )代替 mho。 實際製造測定 EC 的儀器,即 EC計( EC meter ),是設計一支電極棒,內含兩片等面積的白金電板, 置於 1.0x1.0x1.0 立方公分的小空間中,一旦電極棒上方通電,則浸置於介質溶液中的白金板會形成一電橋,電橋的強度即代表電導度( EC )的大小。 單位以 mmho/cm 或 mS/cm 表示(註: 第一個"m" 為 milli 之意,代表 1/1000 )。 電導度( EC )之量測值受溫度影響頗大,一般在定溫( 25 ℃)下量測,否則需做溫度補償,使量測之訊號值與溶液中之總鹽濃度成正比。

  EC 值的改變可能與作物對養份、水份之吸收有關, 也可能由於調整溶液酸鹼度造成,譬如過度使用磷酸容易造成鐵離子之欠缺;長期使用硫酸或鹽酸來降低溶液之鹼度也會造成硫酸根離子或氯離子之增加,而提高 EC 值。 如前所言,EC 值代表的是全體鹽類的濃度,其並不能測知養液中那一種變多或減少,所以下一型的養液控制系統即應針對各元素作偵測,擇真正之所需來作適量供給。 表 4-3 所示為由 EC 之讀值判斷介質狀況之使用指南。

表 4-3 EC值判讀指南
水質之惡劣程度
中 等
嚴 重
電導度 EC
mmhos/cm
0.75
0.75 ~ 3.0
3.0
總溶解值
mg/l,ppm
480
480 ~ 1920
1920


七、複合環控策略

  由於作物間對各種環境條件之反應極複雜,因此,溫室內生產之最大效益需藉助周延的複合環控裝置及控制策略方得以完全發揮。如前述表 4-1 所示,針對多種環境因子的複合環控, 其控制策略的規劃並不複雜,屬簡易的邏輯控制,任何稍微瞭解溫室環控設施的工程人員皆應有能力獨立規劃出此類型的控制策略。然而,真正所謂的『複合』除了包括多項環境調節設備的選擇之外,尚應包括對作物生長狀況與生長階段之認知。

  作物生長模式即植基於前述作物生理與環境參數之關連性涵式。視具備知識之齊備程度,作物生長模式可以是非常簡單也可以非常複雜。複雜程度與模式之正確性及其功能並沒有絕對的關係。譬若美國紐澤西州羅格斯大學生物資源工程學系所發展的單果串蕃茄生長模式即只依據作物所吸收的光通量(包括太陽光及人工補助燈光)與空氣溫度兩項一級參數。此模式所預測的平均每株之果實粒數,平均粒重皆相當準確,其尚可預測何時開花、結果,並排定收穫時間。作物生長模式一旦發展完成即可與實際操作中之環控策略相結合,將原只是回饋式( Feed Back )的環控策略進一步擴展為包含回饋與預授(Feed Back and Feed Forward )的環控策略。

  使用電腦行環境控制有一個較不為人所注意,但也相當重要的就是其可確實記載各驅動器( Actuator )啟動之環境調節設備,譬若加熱器、風機,燈光、馬達等之累計操作時間。此些資料將能有助於操作成本之計算,在管理上頗具參考價值。不同的環控策略將導致不同的環控動作、操作時機與操作時間;其除了反應在操作成本外,亦將反應在作物的品質、一致性、成熟時機與產量;最終更是反應在銷售成績上。此些資料的完整記錄除了可用來驗證生長模式之準確程度外,更提供生長模式修正之參考。有了可信賴的作物生長模式,配合環控策略之制定,不同策略將造成不同環境,在環境中生長的作物其反應也不會相同、其間涉及的操作成本與回收也不會一樣。這其中提供管理決策者一廣大的學習空間,更提供其面對未來多變局面的一有力工具。針對各不同目標之各不同最適環控策略可從以上的學習中求得。


八、結語

  溫室環控在全世界的應用已證實其為可行的技術。本省欲有效發展溫室環控,技術上沒有問題,其成敗關鍵應是在經濟效益上之評估以及需充份瞭解其因地制宜的特性。沒有任何一種溫室結構、資材是不擇地皆可用的,國外之最適不見得合用於本地,譬若PE塑膠膜添加紅外線阻隔層之目的在保溫,本省境內經常過熱常需降溫的溫室即不適合採用。結構、資材如此,環控設備與策略亦然。無目標地擴充硬體以嘗試錯誤法行溫室環控若不是無濟於事就是投資不菲,而終致投資抱酬低落,難以回收。溫室產業界的農友不太可能有此裕度來嘗試錯誤,是以合理的作法應是從本省的天候狀況與各地區實際栽培之作物上著手,配合學理上之印證,瞭解各地區環控上之極限後再選擇適當之環控設備。此類基礎研究應儘速完成,以為設計之參考。


九、參考文獻

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