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智慧灌溉是什麼?基於蒸發散量而適時適量灌溉

農村人口外移與高齡化導致農業缺工,普遍發生在各種作物的栽培場合,尤以精緻栽培的設施果菜生產農場為甚。因為農村勞動條件較辛苦,在沒有新技術與新機具節省人力與提高工作效率前提下,不易吸引青壯人力投入農業,亟需適合本土應用之省工機具來提升耕作效率,減輕農耕勞力負荷與減少農民身體勞務損傷。智慧農業的前提建立在農業機械化、自動化與資訊化,因此本文將介紹臺中區農業改良場(以下簡稱本場)研發的省工高效率及智能灌溉技術與機具,供參考與選用,分擔灌溉決策之心力。

 

臺灣天氣陰晴不定,水分蒸散狀況隨之高低起伏變化,傳統灌溉為人工啟動或定時灌溉,有費工與灌溉水量過多或過少的水電資源浪費問題。灌溉技術著重適時與適量灌溉,包含二個層面:一為何時灌溉?另一為灌溉多少水量?就傳統淹灌與溝灌而言,田區放滿水即可,不考慮耗用許多灌溉水的問題;現代化管路加壓灌溉具有噴灌與滴灌的省水特性,尤其設施園藝應用最多,將適量的灌溉水經由管路運送到作物根部,但是需要知道作物生長階段和天氣陰晴的需水特性,才能決定每天灌溉水量與次數。

 

臺灣的天氣多雲,彰化縣晴天的光照強度變化頻繁,當雲層擋住太陽時照度降低,光照強度隨之下降,夏日中午光照強度約12萬Lux,秋冬中午光照強度約7.5萬Lux。臺灣白天無雲的日期約在秋天與冬天,晴天無雲時太陽從昇起到西沈,光照強度變化在中午前後各1小時達到高峰,早晨到中午逐漸增加,中午到傍晚逐漸減低,日照計可以提供光照強度數據,運用在農業環控與灌溉。

 

灌溉驅動技術區根據成本高低及技術成熟度之不同,分為人工啟動、定時器啟動、作物植體(莖徑、莖液流或葉片溫度)感測、蒸發散量感測、重量變化感測、土壤水分感測、光度與蒸氣壓差感測及單獨光度感測等八種,歐美國家已經成熟地使用蒸發散量(Evapotranspiration, ET=土壤蒸發+作物蒸散)感測與下雨感測技術應用在灌溉控制, ET感測控制灌溉所處理的灌溉水量比較少,約只有理論值1/2,然而完整的ET感測設備與技術造價高昂,並需定期校正維護,臺灣除了農企業可以負擔外,小農需要低成本且可靠的灌溉技術。

 

本場試驗發現植物的蒸發散量(灌溉澆水量)與光線強度有高度相關性,影響蔬果作物蒸發散量的氣候因素以太陽光最重要,其次為溫度、風速與濕度,與歐美國家管理灌溉控制排程採用蒸發散量的發展趨勢吻合,灌溉節奏符合作物生長規律,在產量與品質獲得提升之外,更具節省水資源、肥料、電力與人工的效益。本場考量完整精準的蒸發散量測設備價格昂貴,維護成本高,一般農民採用的機會不大,因此開發「光積值灌溉技術」。光積值的應用只需要照度計與積算的軟硬體,價格比蒸發散量測設備低,農民享用此技術的機會較大。

 

應用「光積值灌溉技術」開發「適時灌溉驅動裝置」乃基於作物蒸發散量之變動特性,根據天氣變化智慧地省工節水灌溉,光照強度經過一段時間累加計算之後的數值,當光積值超過設定值時啟動灌溉一小段時間,此設定值與一小段時間則按照當地日照強度、作物發育階段與灌溉條件而定。因此,操作者首先需要瞭解種植作物1天的需水量,灌溉設備1分鐘的澆水量,據此獲得一天需要灌溉的分鐘數,再依據作物栽培土的吸水性,決定灌溉次數與每次灌溉量。光積值的設定值與啟動灌溉一小段時間這二個數值巧妙的搭配,可讓土耕適量灌溉、介質籃耕植床下的灌溉滴漏量降到最低,灌溉給水量與作物生長的蒸發散量達到平衡,此為灌溉技術的高階境界,例如2014年3月在彰化縣溪湖鎮農友的設施試驗田種植紅番番茄,面積1,000 m2,採用介質籃耕離地栽培,5月17日陰晴與18日下雨的光強度變化情形如圖一所示,而灌溉次數差異如圖二,17日天候晴有雲灌溉13次、18日下雨灌溉5次,減量61.5%,展現省工、智慧、節能灌溉之特性。

 

圖1、太陽光強度(光度)隨天候陰晴變化之情形影響作物蒸散量 圖2、適時灌溉驅動裝置於番茄園不同天候之灌溉次數差異達61.5%


此外,在本場自然通風溫室土耕滴灌番茄作物,在晴天每天灌溉5次,陰雨天智慧地自動減量灌溉20-80%,操作時間等比例減少同時具有節能20-80%的效益,並且如圖三與圖四所示在本場蔬菜溫室離地介質耕種植番茄,灌溉時機隨天候陰晴而智慧地自動伸縮灌溉間隔時間,陰雨天自動減少灌溉次數,根部維持穩定的水分含量,作物正常生長且結實累累。圖五為南投縣信義鄉自然通風溫室離地介質耕種植彩色甜椒應用適時灌溉技術之現場照片。

 

圖3、隨天候陰晴而動態且智慧地自動伸縮灌溉間隔時間,根部維持穩定的水分含量
圖4、適時灌溉驅動裝置於番茄農場試驗效果優異 圖5、適時灌溉驅動裝置於彩色甜椒農場試驗效果優異

 

任何自動肥灌主機或灌溉驅動方式,均需要定期維護保養,或在適當時機顯示定期維護保養提醒訊息,確保正常維護保養下,維持機具固有的性能。智慧農業在灌溉設備之應用,除了省工節水適時適量灌溉之外,需有提供建議、診斷預防與適時保養的機制。環境感測技術之基礎在於正確的數據,智慧農業的先鋒也是正確的數據,否則後續的整合分析工作都是做白工;錯誤數據分析歸納得到的結論誤差大,影響決策方向與結果。

 

根據本場研發試驗經驗,任何電氣設備在臺灣的農業環境高溫高溼影響下容易損壞,個人電腦和工業電腦也是如此,因此,現階段農業環控研究之主機首選為可程式控制器(PLC)或更高規格機種;「適時灌溉驅動裝置」選擇國產PLC為試驗主機,具有成本可接受、中文人機介面等優點。任何採用定時驅動管路灌溉的農場均可導入「適時灌溉驅動裝置」,簡單的與定時器並聯,不用改變農場的灌溉管路與給水給肥操作模式,就可以享有省工適時灌溉的效益。

 

研發團隊:行政院農業委員會臺中區農業改良場、COA智農團隊

E-mail:chen52@tdais.gov.tw

電話:04-8523101#341

聯絡人:陳令錫

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