2023 環控農業工程

HydeoVate Lab Hydroponics + Innovate
Lettuce Handbook 萵苣栽培手冊

新北市金龍國小水耕創新實驗室

種植方式：湛液型潮汐式水耕系統

金龍國小環控農業課程在設計時，選擇購買市售一體化的水耕設備，而不是從頭開始自行組裝。設備已具備植物燈光和水泵，並能設定定時開關功能，且因量產而比自行組裝的價格還要便宜。教學的重點在於，在實際使用這些市售產品的過程中，學生將學會識別和改進這些產品的不足之處。這種方法不僅教會學生如何利用現有的工具和資源解決問題，強調在快速變化的技術環境中，適應和應用能力的重要性。課程設計旨在培養學生的創新精神和問題解決能力，而不僅僅是技術技能。

農業的革命：如何養活世界？

part 01 | 如何克服自然的限制來養活增長的人口？

馬爾薩斯人口陷阱：
隨人口增長，如何確保足夠的食物來支持人類社會的發展？
1798年托馬斯·馬爾薩斯（Thomas Robert Malthus）一位英國經濟學家和人口學家，最著名糧食論文《人口原理》（"An Essay on the Principle of Population"），中論述，人口增長呈幾何級數增長，而糧食生產只能呈算術級數增長，由於這種增長方式的差異，人口最終將超過糧食供應的能力，導致飢餓、疾病和死亡率增加，從而抑制人口增長。

上图展示了馬爾薩斯理論中人口增長與糧食生產之間的矛盾。紅色線代表人口增長，呈幾何級數增長；藍色線代表糧食生產，呈算術級數增長。從圖中可以明顯看出，隨著時間的推移，人口增長速度遠遠超過糧食生產的增長速度，這導致了馬爾薩斯所擔憂的糧食供應與人口增長之間的潛在矛盾。

鳥糞島法案：1856年鳥糞島法案如何為美國農業發展開辟新天地?
1856年的《鳥糞島法案》（Guano Islands Act）美國國會通過，允許美國公民占領未被其他國家宣稱擁有的含有鳥糞的島嶼。目的是為了確保美國農業能夠獲得高質量的天然肥料。這項法律在19世紀後期對於促進美國農業發展起到了重要作用，因為當時的農業極度依賴天然肥料來提高土地的生產力。

哈伯-博施過程的突破：工業合成氨，開啟現代農業時代
20世紀最重要的科學發明，弗里茨·哈伯（Fritz Haber）通過使用高壓和高溫，並在催化劑（鐵）的作用下，將大氣中的氮（N2）和氫氣（H2）結合形成氨（NH3）。

N2(g)+3H2(g)→2NH3(g)
這種方法首次提供了一種從大氣中獲得氮肥的經濟可行途徑，從而結束了對自然鳥糞等有限氮源的依賴。通過提供大量便宜的氮肥，它大大提高了農業產量和效率，從而使全球糧食生產能夠支持更大的人口。支持了城市化和經濟發展，使得人們能夠從農業勞動中解放出來，從事其他經濟活動，進一步推動了工業化和現代化進程。

哈伯-博施過程解決了氮肥的供應問題，通過圖表和數據顯示這一發明於20世紀，提高農業產量，支持了人口增長和城市化。

part 02 當農業勞動力消失於都市化巨浪之下

當前挑戰：

氣候變遷與日趨減少的農村人口能夠持續為，日益增多的都市人口提供足夠糧食嗎？
(每星期全球有約 165 萬人遷入都市 )
隨著全球都市化進程加速，農業勞動力的急遽下滑正迅速成為一個嚴重的國家戰略問題。這不僅威脅到糧食安全，也對維持社會穩定構成挑戰。
人工氮肥的過量使用是由於缺乏知識或者經濟驅動的產量最大化，造成的環境傷害。

解決方案與未來方向：
有沒有一種食物生產系統，使用最少的資源 (土地、水、人力與能源等)，對環境的影響小，而能夠在最短的時間內栽培出高品質的農漁牧產品?
通過創新技術和方法：智能農業、自動化、精準農業、垂直農業等，來提高農業生產效率，減少對人力的依賴，並應對都市化帶來的挑戰。幫助實現更穩定的糧食生產，同時降低對環境的影響。

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• Mushroom production
• Artificial meat
• Aquaponics
• UrbanAgNews
• 貨櫃養魚
• 植物工廠
• 魚菜共生
• 養蟲工廠

農業的革命 (2).pdf

資料來源：
方煒台灣大學生物產業機電工程學系教授

DRF Hydroponic System 湛液型循環式水耕系統

植物栽種於本水耕系統時其根系在每次營養液之灌排流程中，隨養液之昇降而上下左右波動，且隨植物根系之伸長時，藉由栽培床之水位自動昇降排液器，使營養液由 4~6 公分逐漸降至 0.5~1.5 公分。因之，上位根部可露於空氣層中而誘導產生氣根去增加根部活性，及利用養液離流經空氣混入器而增加 16% 溶氧量。

Environmental Set-Points 環境設定值

RO Water逆滲透水
使用逆滲透水（RO水）來調配水耕營養液能確保植物獲得的養分是已知且純淨的，因為RO水只含極少量養分或污染物。相比之下，自來水含有氯和碳酸鹽，這些成分可能對植物造成傷害並增加調節pH值的難度。因此，直接使用RO水可以避免這些問題。
Lettuce Seed萵苣種子

種植前做預措處理能順利的打破休眠及促使發芽率整齊。
種子經常保存在乾燥低溫狀態，不常用者置於-20o C冷凍櫃，常用者分裝後置於4o C冰箱
種子需要用膠袋或鋁箔帶緊密包裝，並在包裝內、外分別註明:❶購入(採收)日期❷(品)種名❸來源❹發芽率❺千粒重❻ 含水量。種子包裝後置於密封罐之中，置低溫儲藏。
從冰箱拿出種子後，須將密封罐置室溫下若干時間，俟種子回溫後才能打開取出包裝，否則種子易吸水氣。拿到所需要的量後馬上再密封裝罐放回冰箱，勿放在室溫下太久。

3. Fan風扇

使用風扇垂直吹向生菜可增加其蒸散作用，從而改善營養物質的傳遞，尤其是對生菜幼苗根部和生長迅速的葉片中鈣離子的傳輸。這種增強的營養傳遞能夠為植物葉片提供充足的鈣，但也可能導致葉緣出現葉燒現象。缺乏空氣流動時，生菜只能在低光環境下緩慢生長。

4. Lighting 燈光

生菜對光照強度的需求不高，但光周期對其開花有顯著影響。長日照條件下，即日照超過14小時時，有利於生菜的花芽分化和開花。短日照會延遲開花。在秋冬季節，嫩莖生菜的花芽分化和抽薹較不受光週期影響。光質方面，紅光促進生菜種子發芽，而遠紅光則有相反效果。

Led植栽光量名詞說明 01：何謂 PAR、PPF、PPFD

Led植栽光量名詞說明 02：PPFD & LUX 的關係

5. Temperature 生育適溫

日溫

Day Temperature 24 oC (ex. 8:00 - 18:00) 12.8°C至18.3°C ( HGIC )
結論：結球萵苣與不結球萵苣的生育室溫，控制於19 oC

夜溫

Night Temperature 19oC

酸鹼值

❶ pH 5.8 (台大) 6.0 (台中農改) 6.0-6.5 ( HGIC )
❷ pH > 8：pH 值偏高時，作物易引起缺鐵、錳和磷現象，可能導致植物葉子發黃，特別是新生葉子，而葉脈仍保持綠色，這被稱為葉脈間變色或葉脈保綠。

❸pH < 4.5：過酸的環境可能導致鈣、鎂、鉀易沈澱並引起許多元素的缺乏現象，從而引發植物生長遲緩、葉片變形或變色等症狀。
❹根也會排出有機酸等，因此培養液pH降低，影響電導度。

❺作物別如萵苣、草莓等會優先吸收NH4 +，使養液剩下較多之陰離子，使pH下降。作物別如小白菜等會優先吸收NO3-，使pH 上昇。

結論：將小白菜與萵苣混重，平衡營養液PH值

電導度

❶EC 1200 µS cm-1(台大) 800 µS cm-1(台中農改)

❷EC > 1800：營養液中的鹽分濃度過高，導致植物出現葉子燒傷、生長受阻，以及產量下降，造成離子不平衡和毒性問題，對植物的新陳代謝和整體健康產生負面影響。

❸EC值 < 400：表示營養液中的營養元素濃度不足。可能導致植物出現營養不足的症狀，如生長緩慢、葉子顏色淺，以及影響開花和結果的能力。

❹不同生長階段的 EC 理想範圍：

種子期：400-800 ppm。

生長期：800-1400 ppm。

開花/結果期：1400-1800 ppm。

1 μs/cm to ppm

溶氧量

DO 4 ppm or greater

日累積光量

Light 17 moles/m2/d

養液溫度

Nutrient Solution Temp. 24 oC

相對濕度

Relative Humidity less than 70%

Fertilizer Solution 營養液研究

-N氮素

使用NO3-N與NH4-N 併用原因

單用NO3-N會增加葉中NO3-N，而多量吸收NO3-N之作物對人體有害
植物吸收NO3-N需光酵素，弱光時會被抑制
萵苣優先吸收NH4-N使培養液PH下降，小白菜優先吸收NO3-N使培養液PH上升

水耕蔬菜 ≠ 有機蔬菜

有機質肥料：經由微生物菌將其分解成無機離子型態後植物才能吸收利用，所以水耕不能把有機肥液直接加入水中
水耕時植物根部直接吸收水中的營養素，所有營養素皆必需是離子型態才能為植物根部所吸收，所以選擇水溶性肥料是最直接的方式，但是水沒有緩衝能力，肥料的配比就得嚴格控制，否則容易過量或不足，甚至種出重金屬過量的有毒蔬果

水耕營養液調配與管理

Happy Hydro Farm

使用澳洲原裝進口之高純度完全均衡配方AutoPot專業級水耕肥料，通過澳洲Victoria State 國家 CHARLES BERNARD GORE BRETT NOTARY PUBLIC 機構，以及台灣中央標檢局 22 項安全檢驗認證之高規格農業生產用養液栽培專業級肥料。
A劑成分：硝酸態氮 6.1%、水溶性磷酐 11.4%、水溶性氧化鉀 34.7%、水溶性鐵 0.16%、水溶性氧化鎂 6.9%、水溶性硼 0.02%、水溶性硫 18.7%、水溶性鉬 0.001%、水溶性錳 0.03%、全鋅 0.02%、全銅 0.004%
B劑成分：硝酸態氮 13.6%、全鈣 19.5%

Problem-Based Learning, PBL

學生將首先接觸到澆灌系統的程式碼，然後在理解其基本功能的基礎上，參與硬體的設計和製作。在此過程中，學生需要不斷調整程式碼和硬體設計以解決新出現的問題，例如植物基質的浮動問題。

不要想要直接做到一體自動化
列出種植過程中，最耗費你( 時間、精力、精細、重複 ) 的工作 (動作) ?
設計替代機器人 ( 程式碼 + Code )

觀看右邊影片，回答問題：

這個設備在什麼事情?
它的影響 ( 益處 ) ? 它改變了那些人力配置、場域配置？
仔細研究這個設備，它的運作原理與機構？ ( 請拆解它的運作步驟並說明影片0:13秒處，那個可以往下滑動金屬片的功效 )

潮汐灌溉的植床

種植池（A池）：用於種植作物。

營養液池（B池）：含有用於植物生長的營養液。

循環泵動作：

b池泵：將營養液從b池泵送到A池，工作15分鐘，然後休息30分鐘。

a池泵：在b池泵休息期間，將水從a池泵回到B池，工作15分鐘。

Micro:bit編程代碼

使用兩個數位輸出引腳來控制兩個水泵，pin0用於控制a池泵，pin1用於控制b池泵。

這個程序將不斷重複這個循環，確保水和營養液在兩個水池之間有效循環。

Micro:bit程序示例：

Lettuce Production 萵苣生產

Germination Area Stage 發芽區栽培階段

Day 0 - 3 Sowing 第 0-3 天
播種

Wet-Wrap 濕敷
淹灌讓種子在發芽期容易缺氧，故 0-3 天是使用濕敷，發芽後3-7天淹灌。
Lighting 燈光
在第0天，發芽區的燈光維持於50 µmol/m2/s 的光量，必需提供光量以確保完整整的發芽，穴盤上需要覆蓋保濕蓋以確保種子維持濕潤，在24小時候，光量可提升至250 µmol/m2/s。
Temperature溫度
在發芽區內於播種後第一個24小時維持20°C有兩個主因：

- 在發芽的關鍵時段內，讓種子維持濕潤是很重要的，低溫低光高濕可避免種子過乾。
- 種子最佳發芽溫度為15.6°C-26.7°C。 ( HGIC ) ，15°C-20°C (農業部)
- 2日之內可發芽
- 當氣溫超過 25°C-30°C時，由於萵苣胚乳細胞之細胞壁與膜間氣體交換速率受阻而導致種子進入熱休眠狀態而不發芽，需特殊處理促進發芽，如GA3處理浸種冷藏處理。種子浸種之後在低溫的環境之下會打破休眠。種子浸在流動水中10-12小時，在低溫4-6°C下，約3~5天則會打破休眠。種子在打破休眠之後在高溫的環境下仍可以發芽，但是若只是浸種未經低溫打破休眠，則一樣會進入休眠。新鮮種子對高溫較老熟種子敏感。打破休眠的種子在胚根未突破種皮之前陰乾播種，打破休眠的種子勿以重力揉搓，否則胚乳及根將因機械傷害而失去發芽能力。

Fertilizer Solution 育苗區的營養液

使用澳洲原裝進口之高純度完全均衡配方AutoPot專業級水耕肥料，通過澳洲Victoria State 國家 CHARLES BERNARD GORE BRETT NOTARY PUBLIC 機構，以及台灣中央標檢局 22 項安全檢驗認證之高規格農業生產用養液栽培專業級肥料。每組含 A、B 兩劑，內含植物所需之 16 項巨量及微量元素
使用方法：

- 1. 先準備2個1公升以上的容器或寶特瓶，分別標示A、B。
  2. 以 600 ml 溫水加入 200 g 之 A劑粉末，均勻攪拌後將水加滿至1公升，製成1 公升之濃縮營養母液。
  3. 以 600 ml 溫水加入 200 g 之 B劑粉末，均勻攪拌後將水加滿至1公升，製成1 公升之濃縮營養母液。
  4. 500g共可調製成2.5 公升高純度濃縮母液。
  5. 此濃縮營養母液使用法可依照下列之比例稀釋後，即成為各種不同植物所需之完全均衡通用配方。特殊用途情況，亦可依照兩劑不同比例之方式調製所需之離子比例。
- 使用濃度參考：
  1. 每 1 公升清水中，分別先加入 5ml 之 A 劑濃縮母液，均勻攪拌後，再加入 5ml 之 B 劑濃縮母液，(盡量避免同一位置或同時一齊加入)，充分混合後即可成為 EC 約 2.4(mS/cm)的標準全效性營養稀釋液 (EC≒2.2~2.4，PH= 5.5~6.5 需視水質而定)
  2. 其他濃度調整比例如下：(誤差度視水質及調製精準而定)

- 1. - A+B 濃縮母液 2.5 ml／1 公升水 → EC≒1.2 (mS/cm)
    - A+B 濃縮母液 3.7 ml／1 公升水 → EC≒1.8 (mS/cm)
    - A+B 濃縮母液 5 ml／1 公升水 → EC≒2.4 (mS/cm)
    - A+B 濃縮母液 7.5 ml／1 公升水 → EC≒3.6 (mS/cm)

0-3天是濕敷發芽

3-7天移植定植綿淹灌

經過預措處理萵苣種子發芽時間較統一，發芽率也從60%提高到80%

Day 4 -7 - Transplanting & Sub-irrigation
第 4-7 天幼苗移植 & 淹灌

將發芽的幼苗，移植到定植綿上
保持苗株直立與置中
種苗的淹灌允許水分由穴盤底部被植物吸收，每天淹灌 6次，提供足量的水分與營養來供應植物成長。
把溫度調高至25°C，在此溫度下，種苗有最佳的成長速率。

Day 8 - Removing Double Seedlings & Seedling Selection
第 8 天 - 幼苗篩選

依據它們第一片子葉展開的大小 (約直徑1公分)來進行篩選，若幼苗的生長不合格 (直徑小於1公分)，將直接被淘汰。一般來說，大約會有20至30%的幼苗會被淘汰。在此階段成長良好沒被淘汰的幼苗，在第11天移植時大多也會通過。幼苗的篩選別對於作物品質的均一性來說是非常重要的。
單一穴格中如有超過一株的幼苗需在第 8 天予以移除，以確保作物的均勻成長。此時也可留意發芽率來了解種子的品質與此階段的生長條件是否適當。在這個階段中，提供均一的環境條件以確保作物的均一成長是非常關鍵的！

Day 21 - Spacing
第21天 - 疏植

萵苣的葉片已經大到會干擾到其他鄰近萵苣的生長了，在第21天進行疏植可以讓萵苣有足夠空間繼續生長。
生菜不耐熱，高溫或水分壓力會導致生菜抽苔變苦。

Day 35 – Harvest
第35天 - 收成

萵苣約5盎司(150克)重，均一的生長條件與適當的生產排程，可確保作物有均一的大小與品質。

Disease 病害

水耕比較不會有病蟲害，不須施放農藥。
如果發生病害問題，需將病株丟棄，並清空水池和養液槽，再以2 %的漂白水清洗水池和養液槽做滅菌處理。也可能病害起於發芽區，則該區的栽培床架和養液槽也要清洗並做滅菌處理。
保麗龍浮板、穴盤與其他設備均需要以2%的漂白水做滅菌處理。工具在每次使用前也需要清洗，以避免病害傳播。
為避免害蟲或病原菌的感染，不可以將其他植物或泥土帶入溫室中。
養液槽需有適度的遮蔭，藻類容易在濕潤有光的環境下孳生，養液槽富含營養更是藻類的最佳繁殖場所。將養液槽、進水管、排水管與其他可能沾濕的設備都予以遮蔭可抑制藻類孳生。藻類雖不會直接傷害作物，但會降低作物對於疾病的抵抗力。

Nitrates 硝酸鹽
沒農藥的水耕蔬菜真的健康嗎?

由於水耕蔬菜是直接從營養液中吸收養分，所以硝酸鹽NO3-含量會比土耕蔬菜更高，這會讓人對其高含量的硝酸鹽產生擔心，是否會因此而在體內形成致癌的亞硝酸胺物質(nitrosamines)?

根據網路上找到的資料，大多只探討硝酸鹽/亞硝酸鹽含量，如A 2017 European Food Safety Authority (EFSA) report endorsed an Acceptable Daily Intake or ADI (the amount that can be consumed over a lifetime without appreciable health risk) that equates to 235mg of nitrate for a person weighing 10 stone (63.5kg/140lb). 歐洲食品局規定每天攝取量為235mg，但硝酸鹽/亞硝酸鹽以不同方式存在於每日飲食中，如食品防腐、加工品、或是天然蔬菜。但是，膳食中的硝酸鹽/亞硝酸鹽與健康之間的關系遠不止 "它們對我們有害 "這麽簡單。例如，甜菜根汁中的天然硝酸鹽含量很高，被認為可以降低血壓和提高運動能力。硝酸鹽也是一些治療心絞痛藥物的有效成分，心絞痛是一種血流量減少導致胸痛的疾病。而蔬菜又是人體吸收硝酸鹽/亞硝酸鹽的最大食源，佔80%。所以我們更應該著重在硝酸鹽/亞硝酸鹽在食物中的含量與人體健康之間的關係較為複雜，並非簡單地全部有害上來探討。尤其硝酸鹽和亞硝酸鹽轉化為一氧化氮，對心血管系統更是有益，能降低血壓。

It’s not so much nitrates/nitrites that are carcinogenic, but the way they are cooked and their local environment – Kate Allen

如果想攝入正確的硝酸鹽和亞硝酸鹽，避免攝入可能致癌的硝酸鹽和亞硝酸鹽，那麽就應該廣泛攝入不同種類的飲食，每天至少吃五份水果和蔬菜，避免經常啃咬加工肉類。這樣，硝酸鹽和亞硝酸鹽的好處幾乎肯定會大於壞處。

更多詳情，請參考原文：BBC Future - The truth about the nitrates in your food。

遭遇問題與測試解決方法

1. 青苔汙染

水耕系統中青苔的生長通常是由於營養液暴露在光線下，以及存在適合其生長的環境（如水分、營養物質和適宜的溫度）所致。
遮光措施

使用黑色不透光壓克力板遮住營養液槽，青苔需要光線進行光合作用，阻止光線直接照射到營養液可以顯著減少青苔的生長。
確保遮光材料不僅覆蓋營養液槽的頂部，並考慮到側面遮光，特別是槽體材料本身不是不透光的。

2. 為什麼種子在最初成功發芽、破殼並展現出生長的跡象後，在接下來的幾天內卻出現枯萎或死亡的現象？這種情況可能是由哪些因素導致的？

- 種子在播種初期過度淹灌導致“泡死”的情況，主要是由於水分過多造成的缺氧環境。
- 缺氧：種子在發芽過程中需要氧氣。如果水分過多，會導致種子所處的環境缺乏氧氣，從而阻礙其正常發芽。
- 改善排水：確保種植介質具有良好的排水性能，避免積水。嘗試使用毛細現象讓介質保持濕潤。
- 適時通風：適當的通風幫助調節濕度和氣溫，為種子提供所需的氧氣。

3. 萵苣發生葉燒 ( Tip Burn)？
考慮水耕栽培生菜發生葉尖焦枯的各種因素，推斷金龍國小發生的可能原因有下列