本省溫溼度及太陽輻射量與作物之需求
台大農機系方煒
一、作物栽培適溫
四、本省的太陽能輻射
溫度管理旨在藉著各種保溫、加溫與降溫方法來達到溫度調節，維持作物栽培之最適溫度。作物之最適栽培溫度依種類與品種而異，溫度對於作物生長之影響程度也會依作物種類、品種、生長階段、天候、土地條件、臨界溫度之持續時間長短等而變化。本省設施內栽培之作物種類繁多，有關最適栽培溫度之決定，一般可規納成五大通則：
1.
一般作物喜愛有日夜溫的變化， 晴天的日溫比夜溫高約
5 至8℃，陰天則約高 3℃。一些原生於熱帶地區的作物，如觀葉作物則在日夜等溫的情況下生長最好。百合、聖誕紅、菊花等作物經日夜等溫之處理可得株型矮化之效果。
2.
最適溫會受到總日射量之影響，即會依季節及地區而異。
3.
最適溫度常依株齡而異，一般言之，剛發芽之小苗喜好高溫，隨株齡增加，最適溫漸降。
4.
最適溫度常依生長階段不同而異，如扦插發根、發芽、花蒂創始、開花、結果和結球等均有其最適溫度。
5.
最適溫度也依栽培目的不同而異，如前期的種苗生產和後期的成品，其最適溫度亦有異。
在機制的探討上，植株之蒸散作用，養液中有機與無機分子的擴散，光合作用，呼吸作用與春化作用等均直接受溫度影響，亦間接影響生長速率。有關葉菜類之種子發芽適溫與生育適溫如表1所示，筆者將該表依生長適溫之最高值以22℃為分隔區分為涼季與暖季蔬菜分列二表方便比對。表2所示為果菜類之適溫與限界溫度。一般言之，葫蘆科作物的適溫範圍比茄科作物者為高，果菜類之適溫比葉菜類為高。
表1a. 涼季葉菜類蔬菜之種子發芽適溫與生長適溫(℃)
|
種類 |
種子發芽適溫 |
生長適溫 |
|
菠菜 |
10-20 |
15-20 |
|
萵苣 |
15-20 |
15-20 |
|
芹菜 |
15-20 |
15-20 |
|
芥藍 |
25 |
15-22 |
表1b.暖季葉菜類蔬菜之種子發芽適溫與生長適溫(℃)
|
種類 |
種子發芽適溫 |
生長適溫 |
|
蕹菜 |
20-30 |
20以上 |
|
結球白菜 |
15-30 |
18-25 |
|
甘藍 |
15-30 |
18-25 |
|
不結球白菜 |
15-20 |
15-30 |
|
莧菜 |
20-35 |
25-35 |
表 2、果菜類蔬菜之生長適溫與限界溫度（℃）
|
作物名 |
育苗期 |
栽植圃 |
||||
|
|
日溫 |
夜溫 |
日溫 |
日溫 |
夜溫 |
夜溫 |
|
|
適溫 |
適溫 |
適溫 |
上限溫 |
適溫 |
下限溫 |
|
番茄 |
25∼20 |
18∼10 |
25∼20 |
35 |
13∼ 8 |
5 |
|
茄子 |
30∼25 |
20∼15 |
28∼23 |
35 |
18∼13 |
10 |
|
甜椒 |
30∼25 |
20∼15 |
30∼25 |
35 |
20∼15 |
12 |
|
胡瓜 |
25∼22 |
17∼12 |
28∼23 |
35 |
15∼10 |
8 |
|
西瓜 |
30∼25 |
20∼18 |
28∼23 |
35 |
18∼13 |
10 |
|
網紋香瓜 |
30∼25 |
22∼18 |
30∼25 |
35 |
23∼18 |
15 |
|
香瓜 |
30∼25 |
20∼17 |
25∼20 |
35 |
15∼10 |
8 |
由多處氣象測站14年來的逐時溫、濕度資料可知本省平地地區全年的乾球溫度範圍在5至40℃，濕球溫度範圍在5至30℃，相對濕度範圍在50至100%，濕球降則在0至10℃。另外，對於在本省採用蒸發冷卻方式降溫的溫室，25℃幾乎可視為夏季之降溫極限。如表1b
與表2所示的各類蔬菜，25℃同時均屬適溫範圍。表1a所示的四種蔬菜則較適合於涼季栽培。
表3所示為本省氣象測站14年來逐時平均之乾濕球溫度機率分佈，由表中第三欄可知，一年中平均有26.77%(宜蘭)至46.08%(高雄) 的時間，其乾球溫度為超過25℃；15.83%至28.84%的時間，其乾球溫度為超過27℃；3.7%至
7.97%的時間，其乾球溫度為超過30℃。由此些數值與蔬菜生長適溫的比較看來，瓜果菜類尚可，葉菜類則常處於不是最適當的溫度範圍下生長。
表3、本省各主要地區乾球溫度(Tdb)與濕球溫度(Twb)分佈機率表
|
|
Tdb≦10℃ |
Tdb>25℃ |
Tdb>27℃ |
Tdb>30℃ |
Twb ≧25℃ |
|
台北 |
3.20 % |
31.32 % |
20.23 % |
8.50 % |
24.60 % |
|
花蓮 |
0.27 % |
30.74 % |
16.95 % |
3.70 % |
21.05 % |
|
宜蘭 |
2.14 % |
26.77 % |
15.83 % |
4.85 % |
24.45 % |
|
台南 |
1.72 % |
39.63 % |
25.18 % |
7.97 % |
32.10 % |
|
高雄 |
0.38 % |
46.08 % |
28.84 % |
7.54 % |
34.44 % |
|
嘉義 |
2.67 % |
31.49 % |
19.15 % |
5.78 % |
28.48 % |
|
台中 |
2.72 % |
32.81 % |
20.55 % |
6.99 % |
21.63 % |
|
台東 |
3.96 % |
38.25 % |
21.84 % |
5.94 % |
24.00 % |
|
梧棲 |
3.02 % |
31.51 % |
19.27 % |
5.90 % |
25.72 % |
氣象局或各區農業改良場的各地氣象站均會收集氣象資料，空氣溫度是一定有的項目，雨量、風速、風向、太陽能等資料也通常會有。溫室環控設計需要空氣溫度與太陽能資料。當溫室中有採用蒸發冷卻系統時，平均共期濕球溫度(mean coincident wet-bulb temperature)也是需要的氣象資料，此溫度是指在乾球溫度設計值時的預期的濕球溫度。
表1、表2與本省各地之氣象基礎資料除了可提供選擇適栽作物之基礎之外，同時可提供環控設備降溫需求量之判斷依據，繼而從各種降溫設施使用效率與降溫極限之探討可知應該使用何種組合的降溫方法。
在設計上氣象資料通常以兩種方式來呈現，傳統上以溫度設計值(design temperatures)方式表現，此些溫度設計值係基於至少15年，有些則長達40年或以上的氣象資料所發展出來的。譬如，一個地區的97.5%夏季溫度設計值代表該地區的夏季溫度有97.5%的時間是低於該溫度值。5%冬季溫度設計值代表該地區的冬季溫度只有5%的時間是低於該溫度值。
氣象資料的另一種表示方式稱為區間法
(Bin data)，將某地的最低溫至最高溫之間的溫度範圍分割為若干個區間 (Bin)，並計算全年中共有多少小時的溫度是落在該溫度區間內，此種表示法提供了更多的資訊，譬如，可提供做全年能源使用量的計算依據。
方(1995)提出使用累積機率公式來呈現氣象資料是另一種更新、更具彈性的方式，將任意兩個溫度值代入當地當月份的溫度累積機率公式，所得兩值相減即為該溫度範圍內的機率值，再乘上一年中小時數(8760)即為一年中發生於該溫度範圍的小時數。濕度累積機率公式的利用方式亦然。
如附錄一與附錄二所示為筆者於國科會研究計畫不同年度報告中之各一章，前者對本省的農業氣象有完整的探討，後者則除列出本省各主要地區逐月的平均溫、濕度值與最高、最低值之外，亦包括本省各地區之溫、濕度累積機率公式。謹一併提供參考。
作物對光的需求可分三方面來考量：光強度（Intensitity），光質（Quality，係指不同光譜範圍的光)與光照時間（Duration）。設施內所接受到的陽光，此三方面之可用量亦隨季節、緯度、海拔、地形、被覆資材、結構、氣象條件等之影響而時有不同。
光量子數目影響光合作用，光質亦影響作物之生育，如紫外線可抑制徒長，但其亦為花色果色形成所必需，可見光影響發芽、花芽分化，其中 400-700 nm 範圍更是光合作用之主要動力，稱之「光合作用有效光」。波長範圍在 440-500 nm 的藍光可促進葉綠體的活動，有利於光合成。波長範圍在
500-600 nm 的綠光和黃光則較不利於光合成，生長勢減弱；波長範圍在 600-700 nm 的橙∼紅光，可以激發葉綠素光合作用的能力，利於光合成可促進生長；波長範圍在
300-440 nm 的紫外線和紫光則是植物色素生成之主要光能，在育苗作業時，紫外線更可用來防止苗的徒長。
植物行光合作用時，光強度若逐漸增加，二氧化碳之消耗量會隨之增加，換言之，光合速率增加。當光合速率與呼吸速率相等時之光強度稱光補償點（light compensation point），當光強度繼續增加至某一程度，光合速率不再隨之增加時之光強度值稱之光飽和點（light
saturation point）或是最適光強度（optimum light intensity）。
作物之最適光強度隨依種類而不同，如表3所示為栽培蔬菜之最適光強度。一般蔬菜的光合作用飽和點大都在5萬至8萬 Lux(50-80 kLux)，而十字花科蔬菜則都在4萬 Lux
(40kLux)左右。本省園藝界仍習用 Lux來表示光強度，表4仍保留此單位，惟，需知其轉換常數：Lux之定義為 Lumens/㎡，屬照度單位，以Lux為單位之值除以107.5可得
W/m2，此轉換常數只適用於太陽光。又，簡記為ly的 Langley之定義為Cal/㎝2，以ly/min為單位之值乘上697.33可得W/m2。
表 4、作物栽培最適光強度
|
區 別 |
光量 |
種類 |
|
超強光 |
100
klux 以上 930
W/m2 以上 1.335
ly/min 以上 |
蔬菜及其它：莧菜、玉米、甘蔗。 花卉：向日葵。 |
|
強光 |
40∼100
klux 372∼930
W/m2 0.534∼1.335
ly/min |
蔬菜：洋香瓜、番茄、西瓜、南瓜、胡瓜、甜椒、茄子、芋、豌豆、芹菜。 花卉：玫瑰、康乃馨、菊花。 |
|
中光 |
10∼40
klux 93∼372
W/m2 0.1335∼0.534
ly/min |
蔬菜：四季豆、甘藍、結球白菜、蕪菁、甘薯、番椒、大豆、菜豆。 花卉：紫羅蘭、仙克來、小菖蘭。 |
|
弱光 |
10
klux 以下 93.0
W/m2 以下 1335
ly/min 以下 |
蔬菜：鴨兒芹、薑、紫蘇、西洋萵苣、萵苣、蕗。 花卉：大岩桐、斑葉芋、蓬萊蕉、觀賞鳳梨。 |
表 4所示為蔬菜生長所需之最適光強度，就種苗而言，最適之值當小於此值。
１、大氣層外圍太陽輻射能
大氣層外圍水平面上單位面積所受到的太陽能可透過公式計算求得，以本省的經緯度值代入可得如表
5所示最末列之值，此些值可視為地表面上單位面積所能接受到的太陽能的一個上限。表 5中其它列所示的各地區12年來之平均量測值除以最末列之值可得出各地區各月之平均大氣透過率(Clearness
Index，CI)，亦稱大氣穿透係數(atmosphere transmission coefficient)；晴天時之CI值一般估計為 0.75，月平均之CI值則多半在0.3至0.6之間。將各地之CI值予以繪圖，可看出除台南地區之外，全年之CI值變化趨勢呈山型，亦即在夏季之大氣透過率為較高，台南地區的CI值全年中均極穩定，趨近0.43呈直線走向（方，1994a）。
表5、本省七個地區及大氣層外圍之平均日總輻射能資料，MJ/㎡日
|
|
一月 二月 三月 四月 五月 六月 七月 八月 九月 十月 十一月 十二月 |
|
台北 |
6.67 6.76 8.31
10.39 12.08 13.54 16.23 16.08 13.18
10.91 8.33 7.01 |
|
桃園 |
6.47 7.99
7.88 8.65 13.10 15.09
18.79 17.74 14.65 12.49 9.95 8.00 |
|
宜蘭 |
7.13 6.82 8.86
11.35 13.51 15.21 19.78 18.20 13.47 9.66
7.30 6.41 |
|
花蓮 |
7.47 7.26 8.98
10.40 12.89 14.78 19.67 18.60 14.41
11.39 8.93 7.04 |
|
台南 |
10.75 12.58 13.28 14.63
16.68 16.77 18.03 15.79 14.55
13.28 11.36 10.14 |
|
台東 |
10.54 11.05 13.12 14.94
17.32 19.60 22.84 20.72 17.37
15.42 12.65 10.79 |
|
梧棲 |
9.41 9.04 10.25 12.49 14.30 15.85 17.20 16.15 14.98 13.45 10.69
9.59 |
|
大氣層外圍 |
25.06 29.11 33.34 36.85
38.63 38.99 38.72 37.47 34.69
30.43 26.03 23.87 |
2、氣象局日總輻射資料的應用
在美國東北地區佔地3000 ft2（278.7 m2，84坪）的溫室在晴朗的夏天中一日內會蓄積大約3.2 MBTU（3374
MJ/日，12.1 MJ/㎡日）的熱量，此熱量相當於需燃燒32加侖的燃油（Bartok,1994）。上述之參考值與表5所示的本省氣象資料比較可知，南台灣的平地地區在三月至十月的日總輻射能均大於前述之參考值，北台灣則為五月至九月。需注意表5的值為月平均，換言之，包括了晴天、陰天和雨天；而Bartok的參考值為晴天下的數據，是以在本省晴朗的夏天，溫室內蓄積的熱量將大於表5所列之值，且遠大於Bartok的參考值（方，1994a）。
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 m2），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，如表6所示，全省之參考值為5530
MJ/日，相當於每日燃燒52.5加侖的燃油所提供之熱量。將溫室面積之差異納入考慮，本值為Bartok之參考值的1.39倍。
表6、本省六至九月七個地區 100坪溫室內蓄積之輻射能量(MJ/日)
|
|
六月 七月 八月 九月 |
平均 |
總平均 |
|
台北 |
4468 5356 5306 4349 |
4870 |
|
|
桃園 |
4979 6200 5854 4835 |
5467 |
|
|
宜蘭 |
5019 6527 6006 4445 |
5500 |
|
|
花蓮 |
4877 6491 6138 4755 |
5565 |
|
|
台南 |
5534 5950 5210 4801 |
5374 |
|
|
台東 |
6468 7537 6837 5732 |
6644 |
|
|
梧棲 |
5230 5676 5330 4943 |
5295 |
5530 |
3、瞬時輻射能之估算
在本省大氣層外最大的逐時總輻射能為5 MJ/m2小時，相當於1375 W/m2，由於晴天無雲時之大氣穿透率一般以0.75估算，所以本省暑熱期間落於地表之最大瞬時輻射能可以用1041
W/m2估算。又由各地各月平均大氣透過率可求出各地區之平均瞬時輻射能之估計值（如表7所示）；以桃園為例，最大平均大氣透過率為0.479，所以該地區在地表的平均瞬時輻射能可用651
W/㎡來估算。
表7、本省各地正午（太陽時）最高瞬時輻射能與平均瞬時輻射能分佈
|
|
一月 |
二月 |
三月 |
四月 |
五月 |
六月 |
七月 |
八月 |
九月 |
十月 |
十一月 |
十二月 |
|
正午（太陽時 11:30∼12:30）大氣層外逐時總輻射能，
MJ/m2小時 |
||||||||||||
|
|
4.054 |
4.462 |
4.772 |
5.000 |
4.960 |
4.883 |
4.897 |
4.953 |
4.840 |
4.564 |
4.147 |
3.921 |
|
正午時分本省各地最大瞬時輻射能，
W/m2（大氣透過率以 0.75 估計） |
||||||||||||
|
|
844 |
930 |
993 |
1041 |
1033 |
1017 |
1020 |
1031 |
1008 |
950 |
863 |
816 |
|
正午時分本省各地平均瞬時輻射能，
W/m2（大氣透過率以月平均值估計） |
||||||||||||
|
台北 |
300 |
287 |
330 |
391 |
431 |
471 |
570 |
590 |
511 |
453 |
368 |
320 |
|
桃園 |
288 |
340 |
310 |
322 |
461 |
517 |
651 |
645 |
566 |
522 |
440 |
362 |
|
宜蘭 |
32 |
290 |
352 |
428 |
482 |
529 |
695 |
668 |
521 |
402 |
323 |
292 |
|
花蓮 |
335 |
308 |
356 |
391 |
460 |
514 |
691 |
682 |
558 |
474 |
395 |
321 |
|
台南 |
483 |
535 |
527 |
551 |
595 |
583 |
634 |
579 |
563 |
552 |
502 |
462 |
|
台東 |
474 |
471 |
522 |
562 |
617 |
682 |
802 |
760 |
673 |
642 |
559 |
492 |
|
梧棲 |
422 |
384 |
406 |
471 |
510 |
551 |
604 |
592 |
581 |
560 |
473 |
437 |
由前面之分析可明顯看出，本省之日射環境對大多數之作物在大部份時間均可滿足其最適光強度。惟，日射過強所帶來昇溫之問題有必要透過內、外遮陰的方式予以降溫。若溫室內溫度已然過高，則應該儘可能的遮陰，降溫應為最優先之訴求。然而，若溫室內之溫度還不算太高，在不妨礙光合作用進行之前提下，即，在不低過作物栽培最適光強度之範圍內，可以內、外遮陰方式遮掉之百分比為若干，亦可透過上述計算與下表資料求得。舉例說明如下：
大晴天時，到達溫室內之能量以816~1041W/m2計算，假設設施內作物為甘藍，其最適光強度為
372.1 W/m2(40 kLux)，若溫室內溫度還不算太高，在不妨礙光合作用進行之前提下，可以遮去之百分比為 54~64 %。由月平均的 544 ~694 W/m2計算，可以遮去之百分比為 31~46 %。以大晴天的1000W/m2計算，使用50%遮陰網可遮去500
W/m2，若此熱量未被遮去，其可能造成的溫室內溫度增加度數為多少? 簡單計算如下:
假設溫室的換氣量為每分鐘一個溫室體積，溫室平均高度為4米，增加的熱量有一半用在顯熱，且溫室為一絕熱系統，空氣之比容為0.833 m3/kg，空氣之比熱為1.006
kJ/kgK，以符號 Cp 表示。由假設條件可知，用於顯熱增加的熱量為500 x 0.5 = 250 W/m2=
15 kJ/m2/min，以符號 q表示。溫室高 4米，所以每平方米可有4 m3的空氣體積，相當於 4.8
kg/m3的空氣重量，以符號 M表示。又，換氣量為每分鐘一個溫室體積，所以相當於 4.8 kg/m3/min 的流量率
(mass flow rate)。已知 ΔT = q / M Cp = 15 /4.8/1.006 = 3.1 ℃。以上數值與計算方法可作為本省溫室降溫、增溫、遮陰、補光等環控系統設計上的參考，亦可作為由光量需求與合適栽培溫度上考量適栽作物之依據。