農業部推動「智能防災設施型農業計畫」中程計畫,預估自2023至2026年將投入共54.8億元,設施栽培加上智慧化是未來農業顯學嗎?農業人工智慧市場近年在全球呈現指數成長,相關技術愈趨成熟,尤其環控設施生產有助於應對省工、改善栽培管理、氣候變遷下穩定生產等問題,臺灣有物聯網(IoT)、資通科技(ICT)優勢,於亞熱帶栽培環境相對先進的發展亦在國際獨具一格,但智農工具運用仍必須經過學習,資金需求乃至網路基礎建設也都是其推動門檻。
桃園市是臺灣重要葉菜產區,透過設施栽培,短期葉菜即使颱風汛期仍能持續生產,確保糧食安全;引進環控技術智慧灌溉,澆灌降溫克服高溫逆境,穩定蔬菜品質,精準灌溉,用水還能少一半。
彰化縣田尾鄉素有「臺灣花鄉」美名,是國內重要花卉產地,近年全球掀起觀葉植物栽培風潮,生產觀葉植物的田尾「金昌園藝」智慧溫室,利用日照、降雨、風速等感測器掌握氣候條件,遠端遙控天窗、捲簾、遮蔭及灌溉啟閉;設定好氣候參數讓環控設備自動調節,實現「無人化管理」,農場主一週不進場都沒問題。
臺灣大學生物資源暨農學院院長林裕彬指出,全球農業環境面臨耕作環境衰退、溫室氣體排放、水資源匱乏及食安問題等挑戰,「全球農業面臨的問題就是臺灣面臨的問題」;全球暖化除了影響作物產期,也改變降雨分布及強度,讓病蟲害防治更困難,這些環境逆境可以靠適合的新品種來調適,但育種需要的時間很長,因此就需要環控設施來輔助農業生產。
2016年國內接連遭遇尼伯特、莫蘭蒂、梅姬等颱風重創,造成眾多溫網室損毀,行政院因此指示農委會(今「農業部」)農糧署推動5年「設施型農業計畫」中程計畫,將溫網室設施補助比例由3分之1提高至2分之1,輔導農民設置結構加強型溫網室,是政府首度以大型計畫推動設施農業;並從2020年起進而補助農民引進自動化及智能化環境調控設備。
去年農業部獲行政院同意推動「智能防災設施型農業計畫」中程計畫,預估自2023至2026年每年再投入13.7億元,共54.8億元,輔導新建加強型溫網室,並導入自動化、智能化環控設備。
設施栽培以環境感測器收集氣候資料,將設施環境資料參數化,讓環控設備可在設定參數條件後自動運作,除了節省人工,也讓栽培管理比仰賴人為感官經驗判斷更精準;設施環境資料經由人工智慧(AI)分析、深度學習,甚至可預測作物產量,針對作物病蟲害及時預警、防治。
「農試所研發『設施作物葉面積監測系統』,已可預估溫室番茄、小黃瓜一週後的產量」,農業部農業試驗所副所長蔡致榮表示,近兩年基於深度學習的影像辨識及定位技術逐漸成熟,不久的將來,影像辨識技術將可判斷溫室栽培番茄是否成熟足以採摘,或是利用作物光譜特徵,辨識是否發生缺水逆境以控制灌溉,以及植株健康狀況等。
中興大學生物產業機電工程學系教授、台灣農業設施協會名譽理事長黃裕益表示,近年氣候異常程度愈來愈高,農民無法再靠經年累積的經驗作生產,因此像農試所建立的「智慧農業數位分身」技術,藉由分析大量環境資料、融合專家知識提供管理建議,甚至可讓新進農民不必長時間摸索,有助降低跨入設施農業的門檻。
歐美等高緯度國家農業栽培使用設施原本是為了保溫,但臺灣位在北迴歸線上,充足的日照反而易使設施內溫度過高,因此冬季能栽培小果番茄,夏天就必須轉作瓜類。黃裕益說,國內大部分溫室只有「外殼」,但只要導入適當環控,「充足日照就可以從劣勢轉變為優勢」;溫室小番茄若要週年生產,環控設備可能就是標準配備。
國內農業栽培面對氣候逆境,自1970、80年代即引進多種栽培設施、建立設施栽培技術,但據行政院主計總處每5年一次的農林漁牧業普查,2020年全臺設施栽培面積約3.7萬公頃,約占可耕作地面積55.7萬公頃的6.6%,比例仍不高,其中引進智能環控設備的更少。
以農業部2017至2021年「設施型農業計畫」為例,補助全臺設置加強型溫網室共1,894公頃;2020年起補助農民購置包括溫室環控系統、水養液供應系統、內循環風扇、降溫風扇、光控式電動內遮蔭、微霧降溫系統、自走懸吊桿式噴灑系統、溫室電動天窗、屋頂電動捲揚設備、栽培高架設施等10類環控設備,但申請的智慧溫室面積僅204.8公頃、約占1成多。
蔡致榮直言,農民引進智慧工具困難之處在於投入資金高,往往需3至5年才能回本,同時栽培者必須具備智慧化工具在設施栽種管理的相關知識,才能讓投入的設備發揮效益。 他舉例,花卉品質容易受到氣候不利影響,農試所為花卉智慧設施栽培建置「生育監控及產銷戰情整合服務平台」,內含生產產程管理、生育異常生理檢測等模組技術,已應用於蝴蝶蘭、文心蘭等主力外銷花卉,考量投資報酬率,未來較有機會針對洋桔梗、火鶴花等高價、週年生產的外銷型花卉作物推廣。
「循環扇推廣了20年,但農民現在才(普遍)使用」,黃裕益表示,植物的真菌性病原菌普遍存在空氣中,但只要使用室內循環扇讓設施內空氣流通,就可大幅降低作物發病風險,但農民以前沒有這些觀念;又如許多農民會將感測器裝設在設施立柱高處,而非作物實際生長的下方空間,因此即使智農技術可隨著數據累積形成最佳管理曲線,若自始感測器收集的資料就有誤,機器學習的方向當然會跟著錯,農民使用智慧工具也需要學習、受過基本訓練。
協助金昌園藝建置智慧溫室的鍠麟機械公司總經理洪福良指出,西部地區常見午後雷陣雨、西北雨,農民第一反應常是將天窗全部關閉,但其實雷陣雨常發生在午間時段,設施內蓄積高溫高溼就容易使作物萎凋,因此遇雨首要應是啟動通風、降低溼氣。他表示,環控不單是開關,還要擬定排程、管理策略,農民應到各試驗改良場所、農業部「農民學院」學習,認識植物生理、設施栽培方式,才知道控制策略如何擬定。 「推廣智慧農業,不拉電信公司加入就沒有可能」,洪福良強調,許多人煙罕至、沿海的農村地區,常因電信業者考量成本未架設基地臺,導致訊號非常弱,智慧栽培有大量影像傳輸的需求,但「我們常遇到(影像)丟上去跑了20分鐘還跑不出結果,農民就不看了」,農村的頻寬相當不足,農業要智慧生產,就必須及早加入5G、甚至6G網路。
鍠麟機械是將智能環控技術整合應用在農業設施的公司,其在2014年創立,起初資本額僅20萬元,但隨著近年智慧栽培需求成長快速,不到10年,至今資本額已暴增50倍,達1,000萬元,是國內近年成長快速的智慧設施產業標竿。
全球農業發展已進入以無人操作為特徵的智能農業時代,世界銀行(World Bank)推估全球農業人工智慧市場規模於2017年約2.4億美元,但2023年將快速成長到7.9億美元;林裕彬指出,智農市場呈指數型成長,主因就是氣候改變導致栽培愈來愈困難,臺灣的智農技術並不比荷蘭(按:正式名稱為尼德蘭Netherlands)等先進國家差,智農產業未來將成為臺灣重要的技術輸出產業。
「全球設施栽培技術最進步的是荷蘭,為何臺灣沒有普遍使用荷蘭溫室?」黃裕益指出,臺灣溫室多數採用自然通風,但荷蘭是高緯度國家,設施採密閉型的操控方式,「無法體會熱帶、亞熱帶強日照、高溫的栽培情形」,環控觀念無法落地;反之,臺灣有熱帶、亞熱帶設施經營的經驗,東南亞地區未來將是國內設施產業很大的市場。
洪福良指出,臺灣物聯網(IoT)、資訊及通訊科技(ICT)技術很強,還有非常厲害的育種、栽培專家,只要將農業專家的達人經驗寫進控制設備,建立亞熱帶、熱帶栽培模組,進軍東南亞市場就無法被取代。他舉例,鍠麟曾跟臺中農改場技轉文心蘭「智能補光技術」,為文心蘭栽培導入補光概念,切花品質可從B級變A級,農民收益增加,自然樂於使用。 鍠麟機械具有多明尼加、印尼、菲律賓等國整場輸出的經驗,洪福良細數越南大叻、馬來西亞金馬崙及泰國等東南亞潛力市場,他表示,中國智慧設施產業良莠不齊,「10支感測器排開,(度量)可以差異到3度」,反觀臺灣產品品質好、價格有彈性,比日本產品更有競爭力;但一座智慧溫室不能光有環控設備,他更期待聯合國內設施業者組成國家隊,一起打國際市場。
然而,溫室設施、設備生產過程會產生溫室氣體排放,溫室經營消耗能源,塑膠布等耗材更新等均會造成碳排,與全球農業淨零碳排趨勢相衝突。國際設施產業已投入材料研發,例如日本開發具高透光性、高耐久性塑膠膜「F-Clean」(氟樹脂薄膜),拉長使用年限,即有助減少耗材廢棄。
黃裕益表示,設施栽培有所謂「二氧化碳補充」技術,日照強時提高設施內二氧化碳濃度,有助作物光合作用、增加產量,國內台電公司即研究嘗試收集火力發電所排放的二氧化碳,供設施栽培循環利用,也是減少碳排的一種方式。
蔡致榮則指出,設施栽培可透過感測器、自動控制系統和數據分析,有效地管理溫度、光照、灌溉水等資源,降低能源消耗,減少碳排放及水資源浪費;導入區塊鏈等技術,以數據追蹤碳足跡,確認哪些生產過程產生較多碳排予以改進,並可作為農產品追溯相關證明,增加產品附加價值;設施整合太陽光電等再生能源,也能提高能源自主,減少對化石燃料的依賴。 蔡致榮表示,設施栽培引進智能化技術是實踐農業永續發展的關鍵,智慧設施栽培在實現淨零碳排、提高能源自主性方面擁有巨大的潛力,但仍面對著高成本、高技術及電力供應等多方面挑戰,須逐步克服。
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