植物体感测在自动灌溉管理的应用林平PeterPLingAssociate.PDFVIP

植物體感測在自動灌溉管理的應用 林 平 (Peter P. Ling) , Associate Professor Dept. of Food, Agricultural, and Biological Engineering Ohio State University 方 煒 (Wei Fang), Professor Dept. of Bio-Industrial Mechatronics Engineering National Taiwan University 台大生物產業機電工程學系教授 前言 灌溉管理是作物生產過程中很重要的一環。灌溉水不僅滋潤了植物體，作為養 分與藥劑的介質，亦可提供額外的冷卻。精確的控制給水可以節約資源的使用並獲 得最佳的產品品質。過度灌溉不但浪費水資源，更因需要使用馬達而浪費電，同時 由於容易造成過濕也因而增加病蟲害防治的需求。 灌溉管理在整合式防疫(integrated pest management)策略中也是很重要的一環， 透過控制根系與葉冠面的水分含量，可降低黴菌孢子的活動力與萌發率。譬如，減 短根系飽和含水時間可有效降低根腐病，保持葉冠面的乾燥可抑制真菌類繁衍造成 的疾病，譬如粉霉病(Powdery Mildew)與軟腐病 (Botrytis )等兩種溫室中最常見的疾 病。澆水時造成的水滴四濺是造成病菌蔓延的主因，減少灌溉次數可有助於防止病 菌蔓延。 在溫室管理中經常在水中加入營養元素，結合灌溉與施肥作業以節約作業成 本。在英文中以 Fertigation 稱之，係結合 fertilization 與 irrigation 兩個單字組成。 過度的施肥與灌溉均會造成栽培上與環保上的問題。在根系或介質中的鹽分累積可 能造成對根系的傷害，對長期栽培的作物而言，此種問題特別需要注意。一般多採 大量灌溉來沖刷多餘的鹽分，但這需要額外的工人與浪費水資源， 沖刷下來的飽 含營養鹽的廢水在環保法規較嚴的已開發國家中無法隨意排放。法規要求溫室業者 做到零排放的呼聲是促成研發更精準的肥培灌溉管理的動力。有效率的肥培灌溉管 理不僅可大幅降低對環境的衝擊，亦可降低作物的生產成本。 水分管理亦可用來作為改善農產品品質、提高收益的重要工具。在輕微乾旱的 季節之後市場上通常會有受到消費者喜歡的較甜的西瓜、較辣的辣椒、口味更佳的 水果就是明證。較佳品質產品的生產主要是因為有輕微的水逆境造成較高量的二次 代謝物的產生。有不少研究證實環境因子中土壤內水分與營養的逆境對作物體內二 次代謝物(植物化學 )的產生有很大的影響 (Gershenzon 1984; Waterman and Mole 1989) 。譬如，水分與營養的逆境影響許多藥草作物(herbs)精油產量與組成成份 (Clark and Menary 1980; Diatloff 1990; Rhizopoulo and Diamantoglou 1991; Rajeswara et al., 1996) 。一般而言，生長較慢或者在逆境下生長的作物多能生產較高濃度的二 1 次代謝物 (Herms and Mattson 1992; Herms 1999) 。對於在控制環境下生長的作物而 言，將水分管理策略納入日常管理不僅至少可提高管理效率也可提高作物品質。 消費者喜歡結實、枝葉開展的植株，而不喜歡瘦長纖弱狀的植株。透過水分管 理也能作到植株高度的調整而不需使用化學藥品。有經驗的農友可目測植物體的涵 水狀態，較淺的土壤表面顏色、晦暗的葉片顏色或輕微萎凋的葉冠等都可作為判斷 是否需要灌溉的指標。此時提供少量的水以防止植物脫水，但不足以讓細胞持續生 長。此方法在學理上有其依據，但純粹採人工作業方式則不太容易落實執行，因為 首先需要有經驗充足的農友，其次頗為耗工，需要灌溉頻度會提高。最好是能建立 完整的灌溉策略，透過自動化設備來決定灌溉的時機與所需的水量。 溫室灌溉管理自動化 傳統的灌溉時機與灌溉水量的決定取決於農友的經驗，農友則多半依據介質的 田間容