第九章 灌溉與施肥自動化

盛中德　　興大農機系

　　　　　　　　　　　　一、設施內灌溉之基本原則
　　　　　　　　　　　　二、設施內灌溉水量之決定
　　　　　　　　　　　　三、設施內灌溉方法與設備
　　　　　　　　　　　　四、設施內灌溉自動控制技術與設備
　　　　　　　　　　　　五、設施內施肥量決定
　　　　　　　　　　　　六、設施內之施肥方法與設備
　　　　　　　　　　　　七、設施施肥的自動控制技術與設備

一、設施內灌溉之基本原則

　　植物體之組成約有 90 ﹪為水分，而水分之作用主要供給蒸散作用的消秏，及細胞生長所需 。植物在其生長過程中，不斷地由根部吸收水分後輸送至各組織細胞中，如此提供了本身進行生化作用需要，但實際上植 物生化作用所需的水分並不多，大部分的水分都經由植物體表之氣孔蒸散於大氣中，此過程即稱之為蒸散作用，而植物體 也經由蒸散作用降低了本身之溫度與分散根部吸收的肥料。

　　蒸散作用的大小會隨著生長環境的不同而變化，如季節、日照溫度、風速、土壤(或基質)水分含量及作物之生育期等所影響。 若作物根部吸收的水量不足蒸散作用所需時，作物的生長發育便受極大的影響，會發生所謂的凋萎現象。因此為避免凋萎現象 的發生，灌溉作業即成為栽培管理的重要工作之一。

　　設施栽培的最大特色，就是栽培者可以利用設施並透過環境管理技術，使環境更適於作物的生長需要，從而控制產量、品質與調節產期；利用水分的管理，控制植株及產品的生長快慢和品質。在設施內進行灌溉，原則上須根據設施的種類及構造、介質種類、作物種類、生育狀態、氣象條件、管理與栽培方法等之不同，訂定合理的灌溉計劃，以使栽培介質中水分的比例維持在 適當的範圍，使其適於作物的生長。並須確保設施內所供給的水量，時時能因應滿足所栽培作物的需要。 選擇設施內之灌溉方法與設備時，需考慮以下幾項原則：

  1. 須具有多種不同作物的適用性。
  2. 須能維持空氣之相對濕度在合理的範圍。
  3. 須不妨害其他作業的進行，如施肥與病蟲害防治作業，且操作容易。
  4. 須考慮自動化發展的可能性。

　　一般而言，最適當之灌溉時期，是在植物剛剛顯現缺水現象時，若施灌太早往往是浪費水源。而理想的灌溉方法是長時間小水量，且不論在什麼情況下，介質中都不能有自由水的存在。

二、設施內灌溉水量之決定

(一)、影響灌溉水量的因素

　　影響灌溉水量的因素有很多，可概括分為以下列三種：

  1. 土壤或介質條件－介質之體積、含水率、表面蒸發率等。
  2. 氣象條件－栽培季節之溫、濕度，光照強度等。
  3. 栽培條件－植株生長速度，蒸散量，植物種類、大小，栽培密度等。

(二)、相關名詞

  1. 土壤水分率：土壤中水分所佔容積對土壤全容積之百分比(%)。
  2. 24時間容水量：土壤達飽和狀態後，經24小時後之土壤含水量。
  3. 有效土層：在24時間容水量後尚具有減少水分能力之土壤。
  4. 限界土層：在有效土層中，水分狀態對作物生育、產量與品質有直接影響之土層。
  5. 生長阻害水分點：土壤之最低水分量，可確保作物能正常生育，有安定的產量及品質。
  6. 水分消耗比例：土壤含水量由24時間容水量到達生長阻害水分點時，限界土層內消耗的水量／有效土層內消耗的水量。
土壤水分率(或含水量)低時，表示土壤具有較大之水分負壓勢能，以當量水力頭 (Hydraulic head) 表示土壤水分負壓勢能時，因水頭之數值極大，常有－10,000cm甚至－100,000cm水柱高的情形，為了避免使用如此累贅的大數字，Schofield (1935) 建議改用pF(類似pH用作酸度標示法) 。他定義pF為負壓(張力或吸力，cm)水頭之對數值，即pF為3時之張力頭為1000cm水頭。目前土壤水分狀態常以pF來表示， 如24時間容水量、生長阻害水分點等。

(三)、灌水量之決定

必要灌水量(Ie，mm)可簡單的以下式來估計:

Ie＝D(Vmax－Vmin)/100..............................(1)

　　其中Vmax，Vmin為適當的土壤水分率(容量 %)上下限，D為有效土層(㎝)。所謂必要灌水量乃有效土層中為維持作物生長所必需的水分量。依作物對水分的利用觀點，土壤之水分可分類如圖 9-1 所示，其中24時間容水量到植物生長阻害水分點間為正常生育有效水分之範圍。


圖　9-1 依作物水分利用點之土壤水分類（土壤物理性測定法，1972）

因此，一般定義(1)式中之Vmax為24時間容水量(fc，%)，Vmin為生長阻害水分點水量(ML，%)，則(1)式變為:

Ie＝D(fc－ML)/100..................................(2)

設施栽培中，當有效土層特別淺時，有效土層與限界土層幾乎相同，此時以(2)式計算即可。若以限界土層(Ds，㎝)計算時，則須除以水分消耗比例(Cp，%)，以求得有效土層內消耗之水分量(必要灌水量)，如下式所示:

Ie＝Ds(fc-ML)/Cp...................................(3)

可經由土壤含水量測定來繪製土壤水分減少圖，並可用水分減少圖來判斷限界土層，依據根群分佈調查結果顯示，限界土層大略為主根群分佈區域，但其分佈並非完全一致。 灌溉至土壤必要灌水量時，經一定時間後，因水量消耗，必需再予以補充，此時所需的灌溉水量稱為一次純灌溉水量，而一次純灌溉水量再加上灌溉設備所損失的水量，稱為一次粗灌溉水量。在設施栽培中，由於每日的灌溉時間固定，可視為灌溉期距不變，因此所需的灌溉水量可經由計算灌溉後至下次灌溉時所消耗之水量得到。 消耗水量之量測，可埋設張力計於限界土層中，讀取土壤的水分吸引壓，再根據不同作物栽培的水分量與水分吸引壓關係曲線(圖 9-2 )求得限界土層中之土壤含水量，灌溉後至下次灌溉時測得之土壤含水量差即為消耗水量。


圖 9-2 pF與土壤水分含量之關係圖

三、設施內灌溉方法與設備

(一)、灌溉方法之決定

　　設施栽培中，因作物種類及生育階段的不同灌溉方法有很多，選擇時需一併考慮作業條件，經濟條件與水利條件。

  1. 作業條件：包括植物種類、裁培方式、集團化、機械化程度與經營規模等。
  2. 經濟條件：考慮投資成本與維修費用等，計算是否合乎經濟效益。
  3. 水利條件：從水源限制、水量之平衡、組織配水容量及灌溉效率等方面，仔細酌量。
(二)、灌溉方法之種類與特徵
  1. 空中噴灑
    (1)、噴霧法：常用於溫室中之繁殖工作，以增加濕度及溫度調節，促進發根及生長，此法主要用於花木栽種，蔬菜栽培中甚少採用此法。

  2. 地表或葉面灌溉法
    (1)、噴管法：此法有定壓及變壓兩種，定壓型使用於蕃茄，胡瓜及其它瓜菜類的栽培床或有覆蓋下的灌溉。變壓法則使用於要求栽培床橫斷面水量分佈均一之噴灌。
    (2)、多孔管法：以低水壓供水，水由管壁小孔流出灑於介質上，一般使用於地面築床栽培。
    (3)、噴嘴法：將噴嘴架設於植株上方，灌溉水經幫浦加壓後由噴嘴射出成細小水滴，施佈於全園之灌溉方法。此法省工，可自動化，但水分蒸散量大，分佈之均勻度較差，植株表面易積水，並易滋生雜草。
    (4)、滴灌法：給水管上裝上滴嘴，灌溉水經滴嘴以水滴型式進入介質。若顧慮植株之近地葉片或部位會因潮濕而易發生莖腐病、菌核病、白絹病等病害時，可使用此法，此法之水利用效率甚高。
    (5)、細管灌溉：一般應用於盆栽作物上。給水管置於栽培床上，經由連接給水管之細管將水導出，以小支架固定於植盆內介質上。
    (6)、移動床系統定點灌溉：將栽培床移動至作業區進行灌溉，此法之灌溉設備集中，溢流或滴落流出的水可回收過濾、消毒後重覆使用。

  3. 底面灌溉法
    此種灌溉方法分為以下四種，常使用於植床的盆花生產上：
    (1)、吸水物質法：於盆栽底下裝置吸水布條，布條一端垂入水中，布條可經因毛細管作用吸取水分。此方法可避免盆栽內水分過多，減少過濕的危害性。
    (2)、鋪墊利用法：栽培床上鋪砂、化纖或不織布等，當淺水流過，利用盆栽底面下鋪墊物吸收水分，此法於多量栽培時在同時間內有較均一的給水。植床略微傾斜約1/100∼1/200，此有利水的流動分佈，鋪墊尾端向下垂落以利水排出，可避免鹽類累積。
    (3)、凹槽法：植床底部中間利用凹槽提供水分，盆栽置於凹槽上吸水，水位的調整十分重要。
    (4)、潮汐法：利用水分的間斷供給，使植株根部土壤有乾燥之時段，以有利於行作物之生長調節。植床具傾斜角以利水分之排出，並可利用自動控制方法進行水分供給。另此法之水供給為密閉循環系統，經適當之處理可循環使用。

  4. 地下灌溉法

    在地表下 10㎝處(有效土層)埋設水管，於根群區域內直接給水。亦可在土層較深處埋設多孔管，經土壤的毛細作用而可經常地補給水分到根群區域。
(三)、灌溉設備

隨著設施栽培自動化的發展，灌溉設備也朝自動化的方向發展，一般灌溉系統主要的灌溉器具有加壓水槽 (水源，意) 、抽水幫浦、壓力調節及定壓裝置、主給水管、支管 (並排方式) 、噴頭或滴灌器具等，分別說明如下:

  1. 蓄水池　　蓄水池的容量大小須視補充水源取得、設施經濟效益與灌溉水量而定，建造地點則宜選擇在供水方便、配管最短且不妨礙栽培作業之處。假設蓄水池主幹線水路為24小時供水，在設施不用水時必須能儲蓄計畫用水量，若僅以灌溉水量來估計蓄水池之必要容積，可以下式計算: 　　
    V=10．Au．Du．(1-Tu/24).........................(4)
     　　　　　　V :蓄水池有效容積（ｍ3）
    　　　　　　Au:灌溉面積（ha）
    　　　　　　Du:尖峰時粗用水量(mm/day)
    　　　　　　Tu:尖峰時灌溉時間(hr)

    另外可以使用流入蓄水池的流量來計算：

    V=3.6(24-Tu)Qin.................................(5)

    　　　　　　Qin: 流入蓄水池之流量(l/sec)
    蓄水池另可配備水量與水壓的感測與控制機構。
  2. 抽水幫浦 水源若未利用水位差或水塔供水時，必須以抽水幫浦為原動力。抽水幫浦之種類與型式有很多，包括離心式、斜流式、軸流式等輪機式幫浦，往復式、旋轉式等排量式幫浦以及其它特殊型式幫浦。幫浦之選擇必需依灌溉作業需求考量，配置適當與否會嚴重的影響抽水幫浦之效率，不良的配置可使效率從75﹪降至20﹪，直接影響灌溉成本。
  3. 多孔噴管 如圖 9-3 所示，於直徑約5cm之薄聚氯乙烯管上小孔以等間隔兩列或鋸齒型排列，直接鋪設於栽培床上或架設在50∼100cm的高度處。此法之缺點為哉培床兩側部位水量較多，管正下方水量較少，可以線狀孔方式或變壓法改良此缺點。灌溉過程中需注意監控管內之壓力變化，以防管路堵塞或損壞的問題。

    圖 9-3 多孔噴管示例（植松）

    圖 9-4 各種灌溉資材配管組織之示例（水之江，一部修正）

  4. 多孔管
    於硬質塑膠管兩側開孔，採低壓方式灌溉，配管原則上如圖 9-4 所示。此法具耐久性、適於大面積灌溉使用。

  5. 噴頭灌水
    大多採硬質塑膠噴頭(表 9-1 )，全圓型噴頭適於葉面灌水，水滴飛散距離大，供水壓力約2∼3kg/m2，出水量約2∼9.3 l/min，此法同時可用以維持設施內的空氣濕度。半圓型噴頭常安裝於栽培床兩側，針對葉面下灌水或基質灌水，供水壓力約2∼3kg/m2，出水量2∼3 l/min。二方向型與線型噴頭易於控制噴射角度，主要用於地表灌水。線型噴頭則適用於植物栽培密度高的情形下。半圓型噴灌分佈較全圓型佳。 表 9-1 各種小噴頭的類型

  6. 滴灌器具
    一般以直徑0.5mm∼1.0mm之小孔，開於細塑膠水管上或相連接的滴嘴上，以0.2∼0.5kg/cm2的低壓送水，經小孔慢慢流出進行灌溉，盆栽時則以單一盆為單位用極細的塑膠水管以點滴狀進行灌溉，如圖 9-5 所示為雙層式滴水管，滴管呈雙重構造，由內側塑膠水管小孔流出的水，經由外側塑膠水管的小孔流出至灌溉區。另一種方式的塑膠水管僅有一部分為雙重構造，在直徑約13mm的主管平行方向設有副管，主副管斷面積比約5：1。副管的外側等距離開設0.5mm孔徑的小圓孔，主管上小圓孔的孔徑亦為0.5mm但孔數較少，與副管的孔數成一定的比例關係，副管上每小孔的流量約0.07∼0.15 l／min。若將滴灌法作為噴灌法之補助灌水，在50 m長之水管灌溉區內可將水量不均勻情形降至數百分之一以下。滴嘴之使用最好置於根群區域的中央位置，使用滴灌法時土表蒸發量減少，設施內較為乾燥，節省灌溉水量為其優點，但配管方法須十分注意，以避免水壓落差大，以致出水不均、零件漏水、脫落、斷裂等缺失，並需注意水質處理，以免引起滴嘴之阻塞現象。

    圖 9-5 滴灌用資材之示例

    圖 9-6 底面給水栽培床之示例

  7. 底面給水
    如圖 9-6 所示為底面給水床的範例，經由毛細管作用水經盆底往上吸引至盆內。此法常用於細粒種子播種時，可避免沖失土壤(介質)或種子。此法亦可配合施用液肥，但需注意避免上流之肥料由於優先吸上，以致造成部份植物突長的現象。另若經常使用此法，會有肥料成分集於土表而造成鹽害的問題，同時也容易造成濕度過高的不利現象。

四、設施內灌溉自動控制技術與設備

　　灌溉作業為頻繁且單調的作業，即使專人管理亦難以精確地進行，尤其在人工缺乏的環境下情形更為嚴重，因此灌溉作業朝自動化發展有其必要性。灌溉作業的自動化型式可分為消極與積極二種，消極的管理完全依據設定條件，並以時間控制作業的進行，設備成本低，維護操作容易，此方法可節省不少勞力，惟若溫室內有各種作物，且作物之灌溉作業特性不同時，此方法必須謹慎使用。另此法並未確實掌握農作物的水分量，無法做最完善的水分管理。若能確實掌握作物的生長狀況及與消耗水量有密切關係的氣象環境與土壤條件，可採用積極的方式自動判別灌溉期距與灌溉水量。

(一)、灌溉期距與灌溉水量控制技術與設備

依灌溉自動化進行方式的不同，可分為灌溉水量自動調整型與灌溉期距自動調整型兩種，其中灌溉水量自動調整型之灌水期距與次數採事先設定值，灌溉水量則以日照量進行修正。灌水期距自動調整型則根據日射量與水分蒸散量的資料來進行推定並自動調整，灌水次數可依需要變化。二種型式之灌溉作業的開始條件皆根據累積日射能或土壤水分之量測，同時並用以控制灌溉的結束時刻。因此土壤水份量測與氣象環境量測技術和設備為灌溉自動化的基礎，說明如下：

  1. 土壤水分量測法
    計測土壤水分常使用水分張力計或熱傳式土壤水分計。水分張力計為將土壤水分張力壓變換成電信訊號的儀器，可分為磁管壓力直接變換法、利用光電或差作用線圈(Different coil)將反應水分差的水銀柱昇降位差轉變化成電信訊號法，與利用測定水銀柱重量變化轉換法等。熱傳導式土壤水分計所使用之測溫熱阻體或電偶，會因土壤水分含量的不同而有不同的熱傳導係數，依此利用量測其溫度差即可求出土壤水分量。 計測出土壤水分之變動後，可以經由反饋系統來控制適當的灌溉開始時間與停止時間，此裝置之作業控制流程如圖 9-7 所示，當介質中之水分量降至設定的水量以下時，電路就啟動幫浦進行自動灌溉作業。此法常僅用來控制開始灌溉時刻，灌溉時間長短可以1次粗灌溉水量除以灌器具之出水量來估計並以定時器來操作。
  2. 氣象環境量測法
    自動灌溉系統常利用噴霧法直接量測空氣的溫濕度或使用蒸發散比之灌溉警報器等偵測氣象環境資訊。使用灌溉警報器之自動灌溉設備，乃以變壓器偵測溫室之蒸發計吸水位變化，當水位達到預設作業開始條件值時即發出訊號，啟動灌溉系統。其中蒸發計之細管連接於灌溉管路中，於灌溉作業時同時吸入水分至蒸發計中，在蒸發計之水位回復到原來位置時，即自動停止灌溉。蒸發計之細管與微量調整閥連結再接至灌溉水管，並根據灌溉系統之出水量控制回注蒸發計之水量。基本作業之控制流程圖如圖 9-8 所示，此法為灌溉期距自動調整型。一般設施常於每日固定時刻進行灌溉，則需使用灌溉水量自動調整型，此型之應灌溉水量可經由計測上次灌溉結束時到下次灌溉時刻開始間之土壤水分消耗量而得。


圖 9-7 自動灌溉作業之控制流程

(二)、水量調節技術與設備

目前最普遍之灌溉作業自動控制技術著重在閥的開或關，此技術不論在表面漫灌、畦溝漫灌、噴灑灌溉、滴灌皆可採用。以定時器進行作業啟止控制，用時間長短控制灌溉水量，此方法作業容易成本低且可有效地提昇水資源利用效益。若能配合上述之土壤水分與氣象環境因子，在灌溉系統中增加能適當控制流量的調節裝置，將能達到更精密的灌溉作業控制。


圖 9-8 自動灌溉之組成

各種流量調節裝置及使用方式說明如下：

  1. 電磁閥 電磁閥常裝設於灌溉區間流入部，其開關用來操作灌溉作業開始及停止。依灌溉計劃中預設之灌溉順序、灌溉時間等控制電磁閥動作。電磁閥必須選擇易於保養者，材質上要對水、肥料、農藥品等具有良好耐蝕性，安裝時須注意不可浸水，系統中安裝多個電磁閥時必須並聯使用如圖 9-9(a)。

  2. 自動定水量閥 在灌溉區間的流入部設置自動定水量閥，當灌溉開始時自動定水量閥內之量水器即啟動，達到設定的水量後閥即自動關閉，再打開下一個閥，灌溉下個區間，此設備不需使用電力，安罝費用較便宜，但灌溉水量調整必須於灌溉開始前針對所有的自動閥以手動方式進行，無法於管理處所以指令方式來變更灌溉時間、灌溉順序為其缺點，其設置方式如圖9-9(b)。

  3. 自動切換閥 自動切換閥設置於灌溉區間的流入部，可以不同的水壓遙控操作各閥的啟止，由於不必使用電力，設置費用較便宜，但輸水管路中若水壓產生變化過大時，管路會發生故障。自動切換閥必須串聯使用，設置方式如圖 9-9(c)。

  4. 自動轉換閥 自動轉換閥設置於主管未端，每個轉換閥有４∼６個給水口連接至各個灌溉區間。給水口之開關控制方式與自動切換閥相似。可以遙控操作輸水的開始與停止，可使用定時器做自動控制，使用甚為簡便，每一個閥所控制灌溉區間數目受限於給水口數目的多寡。設置方式如圖 9-9(d)。各種注閥規格如表 9-2。

圖 9-9 閥之裝設位置（日本農林省構造改善局， 1976）

表 9-2 各種閥之規格
電磁閥
定水量自動閥
自動切換閥
自動轉換閥
形式 口徑 接續 流體壓力 流體溫度 電壓 裝置方法操作水量調節 Pilot dospHragm e Pilot cylinder piston 20~30mm 螺絲 凸緣 0.2~15 0.5~60℃ DC12,24V AC100,200V 水平 電動(可手動) 38~250mm 螺絲 凸緣 至10kg/cm2 0.5~60℃ 水平 手動 40~65mm 20kg/cm2 60℃以下 DiapHragm type Piston 25~38mm 20~100mm (動作壓力) (動作壓力) 0.7kg/cm2 2kg/cm2 40~400l/min 25~1400l/min

五、設施內施肥量決定

(一)、施肥必要量

　　作物對無機成分的吸收量與土壤中可給態無機成分量之間的關係如圖 9-10 所示，當土壤中有效濃度低時，隨著有效濃度的增加，作物的吸收量快速的增加，但若有效濃度持續增加吸收量將次遞減緩，最後甚至會造成妨害作物生育與吸收量遞減的情況，此即為一般所謂的吸收量遞減法則。 各種無機成分之作物吸收量(Ab)，施肥成分量(F)以及施肥以外的可給態成分量(Ns)的關係式如下:

Ab＝k1F＋k2Ns...................................(5)

在吸收量遞減範圍以外k1,k2可視為定值。

F＝Ab(1－w)/k1.................................(6)

其中 w＝k2．Ns/Ab

圖 9-10 土壤中有效濃度與作物吸收量、品質和環境負荷之關係

w為露地栽培時之天然供給率,k1為肥料利用率，視作物種類與土壤的反應而定。露天栽培之施肥設計比較簡單，將此施肥必要量的概念運用於設施栽培中時，則需注意無機成分對水的溶解情況，作物高度連、輪作，前作施肥之殘存與累積等，這些都易造成吸收量遞減狀態的增加，但在大多數的場合，k1,k2可視為定值，此時(6)式的計算仍能有效。

（二）、土壤診斷與無機成分控制

土壤或介質中無機成分之累積以及特定成分的過剩現象必須加以避免，否則會引起各成分間之互相拮抗，造成土壤溶液之pH值發生變化，作物生理發生障害，微生物活動受阻，土壤水分滲透率下降，妨礙作物之水分吸收等問題，以致阻害作物生育，在設施栽培中，土壤或介質之酸度(鹽基)，鹽類濃度與無機成分之含量等，需特別加以注意。土壤提供作物養分之能力，取決於下列四個因素:

(1)土壤中各種必需元素的含量　　　

(2)必需元素的化合形式　　　　　　

(3)必需元素變成為對作物有效的過程

(4)土壤溶液及其pH值　　　　　　　

  1. (鋁、錳等)的活性化、有效養分不足以及硝酸合成的減退。而pH值很高時，則有相當多的碳酸氫根離子(HCO3-)產生，此會妨害其它離子的正常吸收，且鐵、錳等元素在高pH值溶解不易。一般作物之適合之pH值範圍如表 9-3 所示。

    FONT SIZE=4 FACE="細明體">表 9-3 pH之適合範圍
    pH作物種類
    5.0-6.5香蕉、馬鈴薯、西瓜、蘿蔔、冬瓜、山藥
    5.5-7.0 胡瓜、番茄、茄子、草莓、茼蒿菜、鴨兒芹、小白菜、山東大白菜、白菜、甘藍、蕪菁、薑
    6.0-7.5豌豆、蔥、洋香瓜、洋芹菜
    6.5-8.0四季豆、菠菜、洋蔥、萵苣

    圖 9-11 土壤pH值對植物利用養分的影響

  2. 土壤鹽類濃度（EC） EC為栽培土壤的導電度值，EC高時，顯示可溶性鹽太多，作物於水分吸收時，根群週圍土壤水分上昇受阻易產生鹽害。土壤水分之滲透壓（πS，Mpa)，導電度(ECS，mS/cm)與乾土之浸出液(土：水＝5：1)導電度(ECP，mS/cm)間之關係如下：
    πS=0.036 ECS.....................................(7)

    ECS=7.7 ECP.......................................(8)
     此二式之精確度甚佳。EC測定之主要目的在測定適合生育的土壤鹽類濃度，表 9-4 為一EC與 pH之總括判斷指標之舉例。若欲得到較為精確的土壤溶液濃度調節，除了上述的    EC測定值外，仍必需參照土壤的化學緩充能力、鹽基飽和度、灌水的多寡、施用肥料之溶解度與解離度等因素，同時須考慮施肥方法。

表 9-4 診斷蔬菜栽培土壤化學性之基準(關東東海土肥技連協)
土壤
作物
EC(1:5m )
pH(H2O)
pH(KCL)
火山灰土CEC30me以上
果菜
葉菜
根菜
0.3~0.9
0.2~0.7
0.2~0.7
6.0~6.5
6.0~6.5
5.5~6.5
5.5~6.0
5.5~6.0
5.0~6.0
火山灰土CEC30me以下
果菜
葉菜
根菜
0.3~0.8 0.2~0.6 0.2~0.6
6.0~6.5
6.0~6.5
5.5~6.5
5.5~6.0
5.5~6.0
5.0~6.0
非火山灰砂質土
果菜
葉菜
根菜
0.2~0.4
0.2~0.3
0.2~0.3
6.0~6.5
6.0~6.5
6.0~6.5
5.5~6.0 5.5~6.0 5.0~6.0
非火山灰壤粘質土
果菜
葉菜
根菜
0.3~0.7
0.2~0.5
0.2~0.5
6.0~6.5
6.0~6.5
5.5~6.5
5.5~6.0 5.5~6.0 5.0~6.0
非火山灰重粘質土
果菜
葉菜
根菜
0.1~0.5
0.1~0.5
0.1~0.5
6.0~6.5
6.0~6.5
6.0~6.5
5.5~6.0 5.5~6.0 5.5~6.0
(三)、肥料用量計算

　　營養液的組成，一般以元素在溶液中所佔之百萬分比值(ppm)表示。1公升溶液中含有的元素毫克值恰等於該元素佔此溶液之百萬分比值，即1ppm＝mg/l，此式在養液肥料濃度之運算上非常方便。養液調配時，需依據配方選擇含有所需元素之肥料，依肥料中元素之重量百分比或原子數來計算配方中各元素濃度所需之肥料量。實際計算時常以配置1000公升所需之肥料公克數為基礎，再視需要而增減。栽培者可將栽培介值取樣委託農業研究單位進行營養元素含量分析，並參考植物生育過程出現的症狀判斷某元素的量是為缺乏或太多，做為施肥計劃時之參考資料。

六、設施內之施肥方法與設備

(一）、設施內之施肥方法

　　施肥依肥料的特性可分為兩種方式，磷或鈣肥常在作物種植時即施於土壤或介值中，因其溶解度較低，必須與介質混合較為有利。由於太多的肥料會限制作物根的生長，故除鈣磷以及遲效性肥料以外的肥料，一般在種植前不施入栽培介質中。作物於種植後，肥料的施用可分為乾施與液施兩種，不能完全溶於水的肥料需採乾施，乾施的肥料成分較低。肥料溶解度超過0.1 g/ml者可採用液施方式，此時可利用灌溉系統施用，例如硝酸銨、尿素．．．等，液施之肥料成分較高。以下分別依不同肥料說明其施用方法及注意事項。

  1. 化學肥料
    利用設施栽培花卉施用化學肥料時，需特別注重施用的要領，必須依作物需要適時、適量、適法、適處地適合的肥料，例如常見的不施用情況，即長期施用過量的硫氨以致造成土壤酸化。過份或不當之施用化學肥料，不但對作物生產及品質直接造成不良的影響，而且經攝食後也會間接地影響人體健康，注意平衡的施用化學肥料的觀念甚為重要。作物吸收土壤正離子營養元素（如鉀、鈉、鎂、鈣及部份微量元素）相互間存在一個平衡比例關係，例如施用鉀肥可增加葉中鉀的含量，但往往會減少其他正離子的含量，例如如果土壤中有點缺鎂，再施用大量鉀肥時，會造成作物缺鎂的症狀發生，此現象稱為「離子對抗作用」。一般設施栽培花卉採密集式耕種，常用的大量施肥，導致鹽類累積的現象影響整個作物的生長，因此化學肥料的施用量是值得關切的問題。
  2. 有機質肥料
    對有機質含量較缺乏的土壤（小於２％），長久之計在施肥時需加強較不易分解的有機質材（如泥炭），才能逐年增進有機質含量。但一般施用較易分解的有機質材，主要作用在分解及供應作物生長所需，此種施肥公式逐年能累積的有機質效果有限。因此，在施用有機質肥料時必須兼顧易分解型及不易分解型的有機質調配，如此除了可供應適當的作物生長營養外，又可達到保養土壤的功效。
  3. 微生物肥料
    施用微生物肥料最基本觀念是要與作物的根或種子有充分的接觸，如此才能發揮微生物接種劑的功效，若施用有機質分解菌時需與有機質接觸才能有效。微生物肥料施入土壤中若能混合有機及無機營養物質或附著劑（如泥炭），則效果能更快的發揮出來。設施內栽培作物在育苗時可先接種有益菌，如此幼苗可自然地將有益菌帶至田中，甚為簡便。接種劑的型態，可分為液劑及粉劑兩種，施用時大種子一般採用種子外包覆的方法，小種子（或小苗）則採用與土壤混合的施用方法。有關微生物肥料的施用，則須注意水的使用問題，當接種劑與種子拌混或種子加水時，要把多於的水倒出，種子不可浸泡，以免傷及種子的發芽率。另使用固氮接種劑，不可與氮肥混合使用，但磷鉀肥仍須於整地時以基肥方式施用，如仍需施用氮肥，可當做追肥，少量施用。

（二）、設施內之施肥設備

在灌溉系統設計上，需考慮兼顧施肥與病蟲害防治作業的使用情況。目前之設施栽培普遍採行利用灌溉系統進行液肥施用，肥料隨灌溉水均勻分佈到作物的根群區域，且可利用自動化設備進行施肥藥的自動管制，不僅縮短了作業時間，且大幅地降低了生產成本。利用灌溉系統施肥時須先將肥料溶解成高濃度母液，再利用注八器將母液注入灌溉系統之幹管中，於管中與水流混合成濃度適宜之營養液，施灌到作物根群區域。增加施用液肥功能時必須附加灌溉系統設備如下:

  1. 養液桶
    養液桶用來儲存高濃度母液。由於含磷酸根肥料與含鈣肥料，在高濃度時若混合在一起將起化學反應，產生磷酸鈣之沉澱物，故至少系統需備有兩個以上養液桶供儲存母液。
  2. 肥料注入器
    肥料注入器的型式有很多種，以土壤為栽培介質時，可應用文氏管(Venturi)原理抽吸養液於灌溉水中混合，或利用毛細現象以不同直徑和長度之細管控制流量以進行稀釋，雖然此二者控制精度不高，但因土壤具忍受20﹪濃度變化之緩衝能力，使用尚無問題，應用在無土栽培中則不適合。無土栽培時可利用活塞式注入器，能治塞於每衝程中注入相同量的母液至水流中，故混合比例相當的穩定。所使用注入器的數量與使用母液的數量相同，可採併列或前後安置。 利用灌溉系統進行施肥，必須先做水質測試與養液調配，施肥設備常因栽培方式與栽培介質的不同而有些許差異，例如水耕培中常使用營養膜法施肥。施液肥的方式，可分為土壤(介質)施肥與葉面施肥兩種，土壤施肥可利用前述之灌溉設備，如噴管法、滴灌法、底面施肥法等，葉面施肥則可利用病蟲害防治設備進行，如索道式噴桿或機械手臂式噴藥車等。在施肥或施藥後必需將設備清洗乾淨，以免產生因不同性質的藥液混合所引生的問題，施肥與施藥因粒徑大小與附著度要求不同，作業之壓力亦予以適當調整，以維持適當施用效率。設施栽培中除了葉面與介質、土壤施肥外，尚有CO2施肥。
  3. 土壤或介質施養液系統範例
    圖 9-12 為蛭石栽培床之施養液系統，液肥母液注入幫浦抽吸的灌溉水中，混合後送入給液管中，再施放土壤中，一般常採可精密控制土壤或介質中之養分濃度之滴灌法施行。

    圖 9-12 蛭石栽培之施養液裝置

  4. CO2施肥設備
    設施栽培的主要特徵之一是空間較為密閉，在與外界未能充分進行換氣的情況下，夜間因作物與土壤微生物的呼吸作用常使得CO2濃度過高，白天則又因光合作用而使CO2濃度過低，若濃度降至100ppm以下時將使作物光合成作用驟減。調節CO2濃度，在設施外環境氣象條件適合時可採用設施內外換氣方式進行，若氣象條件不適合時則必須採用CO2發生裝置來進行CO2調節，CO2發生裝置的種類，主要可分CO2為燃燒供給裝置與液體CO2利用裝置。
    1. 液體 CO2
      將液體CO2置於鋼桶中，使用附有加熱器之減壓閥讓CO2氣化，再經風扇攪拌吹入溫室內。或將液體CO2加壓送入半透性塑膠管中，使其慢慢擴散在溫室內。此法可利用流量計與電磁閥裝置，調節流量，進行      CO2濃度自動控制，且無有害氣體的產生，初期投資成本較便宜，若同時使用減壓閥，則尚可進行溫室降溫工作。
    2. 液化丙烷燃燒型
      1kg之液化丙烷(C3H8)燃燒可產生3kg的CO2且約有12,200KCal的熱量產生(燈油約8000KCal)，對溫室有昇溫效果。本裝置有調壓閥可調整燃燒量，雖較燈油燃燒型佳，但CO2的製造成本約為燈油的2倍，若於大型溫室使用則成本將愈高。由於此法之CO2產生量較少，故通常在溫室內直接燃燒供給燃燒氣體，但若送風量不足時，會導致溫室內CO2濃度分佈不均， 且燃燒氣中之有毒物質會局部形成高濃度，危害作物。一般CO2之施用時間以日出為準，結束時刻以設施內溫度決定，設施內所須      CO2的濃度則視作物種類、栽培型態與當日的天候而定。

七、設施施肥的自動控制技術與設備

(一)、施肥自動控制

設施內之施肥作業自動化雖可利用自動化灌溉系統來進行，但施肥作業的控制較灌溉作業的控制困難許多，主要關鍵在於土壤性質與作物生長狀態的自動感測較為困難。對養液栽培系統而言，由於養液性質量測則較土壤容易且精確，目前有導電度（EC）、酸鹼度（pH）、溶氧量（DO)、離子（Ion)、溫度以及流量等感測器可資應用，其自動化作業較易推行，但對土壤栽培方式而言，一些重要性質如pH、EC、土壤中之無機成分元素含量等，大都缺乏精確的儀器可直接現場量測，一般須以取樣方式測定。此方式不易進行自動化作業，在施肥自動控制技術的發展上，除直接控制方式外，可朝專家系統輔助施肥方向發展，專家系統的主要內容應包括資料庫建立、土壤診斷與施肥設計等。 資料庫的內容包括:

  • 成員資料：設施的種類、經營診斷、設計。
  • 作物資料：作物種類、栽培形態。
  • 肥料資料：肥料名稱、成分、價格。
  • 土壤改良資材資料：有機質名稱，含有成分、價格。
  • 作物種類條件資料：作物種類的標準堆肥、特定土壤改良資材、不可使用的土壤改良資材等。
  • 改良基準值資料：作物種類的pH、EC等的上下限值、基準值與目標值。
  • 施肥標準值資料作物種類適合的養分元素量、基肥量等。
  • 施肥率資料：各種作物之施肥率記錄資料等。

完整的資料庫，再配合土壤性質的分析結果，可經由專家系統擬定施肥計劃書，根據計劃進行肥料中各成分的調配，並控制相關設備進行自動施肥作業。有效地利用農業資訊系統為此種施肥方式的物色。例如一部分的施肥設計支援系統，將根據土壤成份分析結果，採線上作業方式決定土壤肥份改良所須之肥料配方。

(二)、施肥自動化範例－養液滴灌系統

圖 9-13 為滴灌系統，配合肥料、藥物之注入混合系統，可進行全自動化養液式滴灌作業，此系統主要可分為作物區與控制室二部分：作物區內有良好之作物生長狀況與土壤特性感測系統，可偵測作物之根溫、土壤之酸鹼度及水潛勢（Water Potential)，此資料將供給控制系統做滴灌管理策略制定之用，作物區內有液體管路輸送系統，可輸送必要之養液與水分給作物，一般利用作物周圍之環境的溫濕度與日照能量感測器進行偵測，再控制滴灌作業的進行，未來的發展方向在利用感測器直接偵測作物之生理狀況進行作業控制，此將更符合作物之需要。控制室內主要包括養液調整及電腦管理系統，水與養液調製混合系統之感測器，主要偵測項目包括酸鹼度（pH）、導電度、濃度與溶氧量。由感測器傳回來的訊號，經過系統判斷不符合設定值時，即發出警示訊號並起動相關設備，進行調整作業。養液控制系統的運作是根據感測值與設定值進行， 控制注入泵（Injection Pump)、流量閥以使每種養液流入混合槽的量達到設定的標準，例如當酸鹼值太高，可自動加酸中和。系統同時監控液量，養液進入混合槽後，系統自動加水稀釋，並起動攪拌機攪拌。若導電度未符合設定值，則再繼續進行養液調整作業，如加清水，直至酸鹼計及導電度計所標示的值均與預設值相等，此時則停止攪拌。配合水泵、流量控制模組與灌溉、施肥控制器，經由控制電磁閥的開關，可從事有選擇性的滴灌作業。控制室之另一功能以電腦為中心，配合資料擷取系統，包括作物、環境與藥液之資料，依所用之專家系統進行資料分析，管理策略制定與執行。在國外所使用的管理系統，有些已具智慧型功能，目前國內所使用之滴灌系統，大都不具此功能，原因並非是系統設備過於昂貴，主要為欠缺適合的作物生長資料與生長模式，國外模式於國內直接可引用的不多，因此目前國內較先進之系統仍以利用單晶片或可程式邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC)進行控制為主。

圖 9-13 滴灌自動化系統配置圖
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