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水凝膠膜栽培 省水節能的可持續農業

水凝膠膜栽培 省水節能的可持續農業


imec也稱作薄膜農法,膜是用水凝膠(hydrogel)做成,由於隔絕下方土壤又只需少量水養液,不管是在水泥地、沙漠、鹽害地帶、重金屬或輻射污染的土地上都能種菜,目前已在杜拜沙漠中栽培成功。森社長說「讓大家有新鮮蔬菜可吃,再加上農業創造的就業機會,就是我們的企業社會責任」(圖:森有一社長示範薄膜種出的蔬菜。





本文摘要:imec也稱作薄膜農法,膜是用水凝膠(hydrogel)做成,由於隔絕下方土壤又只需少量水養液,不管是在水泥地、沙漠、鹽害地帶、重金屬或輻射污染的土地上都能種菜,目前已在杜拜沙漠中栽培成功。森社長說「讓大家有新鮮蔬菜可吃,再加上農業創造的就業機會,就是我們的企業社會責任」(圖:森有一社長示範薄膜種出的蔬菜。圖片來源:ted演講)




沒有土壤也能栽培?從醫療跨足農業的新構想


水凝膠膜上爬滿了滿滿的根

在小番茄的溫室中,將覆蓋在畦上的塑膠板掀開,只看到一張薄膜上密密的爬滿細根,伸手一摸,竟然是乾的!再將薄膜掀起一看,下層的防水布上積了僅數公分的水,「我們稱它是「imec(アイメック),也稱作薄膜農法,這張膜是用水凝膠(hydrogel)做成,把原本用在人工透析的醫療用膜進行再開發,上面有無數個奈米大小的孔,水跟養分能夠通過,但細菌和病毒透不過去。」

在美日兩地投入透析膜、人工內臟的開發數十載、亦是早稻田大學的客座教授、「薄膜栽培」的發明者森有一社長說明。

1995年,他創立了名為Mebiol的公司,專門進行農業用水凝膠膜的研究與開發,早稻田大學還是主要股東之一。為什麼會想到把醫療用的高分子技術運用在第一級產業?森社長表示,由於工作與醫療密不可分,他很早便發覺現代醫療的極限。「許多文明病,像是糖尿病、癌症等是沒有辦法根治的,還是要從飲食著手。」

加上當時全球性的環境問題受到矚目,氣候變遷、土壤的劣化與沙漠化、水資源不足等種種因素所造成的糧食不足,「解決環境和糧食問題,不能沒有『植物』,在資源短缺的現代,農業有沒有辦法變得更省水省能呢?」

一開始水凝膠膜上的種子並無法順利發芽,經過了重重的開發試驗,終於開發成功,並取得了世界70餘國的專利。番茄、哈密瓜、小黃瓜、草莓、甜椒、各種葉菜類都能用薄膜栽培,目前日本實際運用的農家則以高糖度小番茄為大宗。

森社長也承認,這個方法適用於蔬菜水果,並不適合用於小麥、玉米、水稻等糧食作物。


森有一社長:「這個就是imec水凝膠膜」
簡單裝置降低從農門檻,高糖度、高營養番茄的差別化戰略


水凝膠膜下方是養液水

裝設非常簡單,在地表設置防水布和養液點滴水管、鋪上不織布,最後放上水凝膠膜與養液點滴水管便完成。在防水布上注入含有養分的水,植物在薄膜上生長,吸收水凝膠膜中所含的水與養份。

一株蕃茄一天所需的平均水量只要200ml,是一般點滴栽培的十分之一,更不像水耕需投入大量水源,比起一般栽培能節省70%的水;養分沒有流失的問題,能夠大幅節省肥料的費用,而且不會造成地下水的污染;細菌和病毒穿不過薄膜,病害發生少,可以輕易轉換成無農藥栽培。

然而沒有土壤往往會讓大多數人難以接受,「特別是日本農業界,要打破傳統接受新技術並不容易。」赤字經營了十幾年,由於想務農的年輕人增加,加上311之後的輻射污染與海嘯造成的表土流失,讓不需土壤的水凝膠膜栽培近年備受矚目。

每個地方的土壤狀態各不相同,要養出好的可耕土壤,需要花上五年、十年,新規就農者通常要賠錢三年以上,為了生活開銷焦頭爛額,「日本現在有一半以上的農家已經65歲以上,如果能夠降低從農的門檻,讓年輕人從第一年開始就能夠安定生產、獲得安定收入,不是很好嗎?」農業不需要「放棄」前職的獻身式覺悟,更不必流於悲情。


輸送養液的設備,大約可供給三千平方公尺
「逆境生長」原理 讓蕃茄糖度、營養更高


隨手採的番茄帶回來一測,糖度高達10.5

在實驗過程中,還意外發現水凝膠膜栽培能夠孕育出高糖度、高營養的番茄。

番茄原產於南美的安地斯山脈,老祖先的生長環境惡劣、降雨少、陽光強,所以要是澆太多的水,就會光長枝葉、果實數量變少且味道變差,反之若是給與適當的環境壓力,就能提高甜度。在日本,想要栽培糖度8以上的「水果番茄」,不是使用「永田農法」,給予最低限度的水和肥料,就是栽培於高鹽分地帶,抑制水分吸收。

水凝膠膜意外創造了一個有壓力的生長環境。透過水凝膠來吸收水與養份並不容易,因此番茄會拼命長根,特別是專門吸收養分的毛細根數量會大幅增加,換言之,能吸收養分的面積是數百倍,「同樣使用養液的水耕或傳統土耕的毛細根有數百奈米,但這個方法長出來的根只有幾奈米。」

同樣使用養液,水耕的平均糖度為4,水凝膠膜栽培的糖度可到10,甚至還能到14,氨基酸中的麩醯胺酸為三倍、γ-氨基丁酸(GABA)高達五到十倍、茄紅素也有兩三倍。

「現在新規就農的人大多想走『六次產業化』,自己加工、販賣,所以一定要做到產品區隔。」水凝膠膜栽培成功打造出高附加價值的番茄。農家一公斤平均可獲得1000日幣,比起水耕的200~300日幣,土耕的400~500日幣,高出不少。
在極惡之地開花結果


「下方的水已經一年沒換了,因為病菌透不過去所以植物也不會生病」森社長如是說

由於隔絕了下方土壤又只需少量的水,不管是在水泥地、沙漠、鹽害地帶、重金屬或輻射污染的土地上都能夠種菜,目前已在杜拜的沙漠中栽培成功。

「杜拜雖然生活富裕,但蔬菜都靠進口,非常難吃,經過碰撞開始發爛或變黃的蔬菜甚至都還放在架上。」去過杜拜好幾次的森社長對低落的蔬菜品質印象深刻。

當地業者引進水凝膠膜栽培,並搭配循環水蒸氣降溫設備,在白天高達50度的沙漠中,不需要冷氣也能讓溫度維持在30度,整個溫室只花通常十分之一的水電費,就成功栽培出香甜的杜拜國產番茄,在超市、飯店博得好評,今年預計開始正式販售。

除了杜拜,目前新加坡、上海等地也都開始嘗試水凝膠膜栽培。「上海那邊是廢棄工廠的土地,受到污染,無法轉為農業用地,所以才引進這個方法。」

身處物產豐饒的台灣,往往很少意識到原來可耕土壤是多麼珍貴的資源,「接下來希望能夠推廣到準沙漠地帶的國家,讓更多人都有新鮮的蔬菜可以吃。」

另外,由於海嘯造成表土的流失,農業生產復興遙遙無期的岩手縣陸前高田市,從去年開始也在「震災復興計畫」中導入了1.2公頃的水凝膠膜栽培,「今年三月預計會開賣小番茄,是復興的象徵。」

不管種的人是誰、不管在哪裡,都能夠穩定生產安全而好吃的食物—這就是Mebiol的目標。


參觀到附近使用水凝膜栽培的小番茄農家
針對氣候變遷、糧食不足的提案:自體循環農業


用水凝膠膜栽培出來的草莓,還在試驗階段

Mebiol的實驗農場正在進行草莓的栽培試驗,「這是四季草莓,味道偏酸,多半用在蛋糕,」森社長說明:「冬天的一季草莓品種繁多、競爭激烈,我們想針對夏天的市場。」

除了草莓,哈密瓜、小黃瓜都已經陸續投入實際栽培,「水凝膠膜栽培還有個好處,就是不怕過量的硝酸鹽殘留。」為了讓哈密瓜的表皮形成美麗的網狀,必須注意水分的調節,要讓甜度提高,則必須有充分的氮肥,「許多人吃了哈密瓜會覺得舌頭不舒服,覺得麻麻的,這是因為施用大量氮肥導致硝酸鹽殘留。」植物無法一次大量吸收水分和養分的水凝膠膜則碰巧解決了這個問題。

他還透露,中國有業者正在檢討使用水凝膠膜栽培藥草的可能性。常見藥草重金屬殘留,乾淨的可耕地確保不易,「藥草沒有辦法用水耕,因為藥效的成分會減低。」水凝膠膜,或許是另外一條出路。

水凝膠膜的初期投資比水耕低廉,但仍然高於土耕。「雖然成功打出品牌的農家們能夠獲得高於平均的收入,如果未來產量能夠擴大,那價格就能夠更便宜。」

水凝膠膜燃燒之後不會產生有毒氣體,放入90度以上的熱水中就會溶解,在實驗室中已經成功地將溶解後的水凝膠膜重新再製,達到百分百的重新利用,「現在的問題就是要怎麼實際生產,這也是下一步我們想做的。」

森社長的理想,是搭配太陽能發電、RO逆滲透水淨化、再加上imec水凝膠膜,讓沒有乾淨水源與土壤的地方都能夠自成一個循環性的農業系統,讓世界上任何地方都能種菜。

「許多這樣的地方往往窮困,讓大家有新鮮蔬菜可吃,攝取良好的食物改善健康,再加上農業創造出的就業機會—我想這就是我們的企業社會責任。」

留言

Michael Tsai寫道…
請問台灣有引進該技術?或可以引進嗎?
Michael Tsai寫道…
請問台灣有引進該技術?或可以引進嗎?

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菜豆

菜豆喜溫暖,不耐高溫和霜凍。菜豆種子發芽的適溫為20-30℃;在40℃以上的高溫和10℃以下的低溫,種子不易發芽。幼苗生長適宜氣溫為18-25℃。花芽分化的適宜氣溫為20-25℃,過高或過低溫度易出現發育不完全的花蕾、落花。

菜豆對光照強度的要求較高。在適宜溫度條件下,光照充足則植株生長健壯,莖的節間短而分枝多,開花結莢比較多,而且有利於根部對磷肥的吸收。當光照強度減弱時,植株易徒長,莖的節間長,分枝少,葉質薄,而且開花結莢數少,易落花落莢。

菜豆根系強大,能耐一定程度乾旱,但喜中度濕潤土壤條件,要求水分供應適中,不耐澇。生長期適宜土壤濕度為田間最大持水量的60%-70%,空氣相對濕度以80%為宜。開花結莢期對水分最敏感,此期土壤乾旱對開花結莢有不良影響,開花數、結莢數及莢內種子數減少。土壤水分過大時,下部葉片黃化,早脫落。空氣濕度過大會引起徒長、結莢不良。

菜豆具有深根性和根瘤菌,對土壤的要求不甚嚴格,但仍以土層深厚肥沃、排水良好的輕砂壤土或粘質壤土為好。土壤過於粘重、低溫、排水和通氣不良則生長不良,炭疽病重。菜豆喜中性至微酸性土壤,適宜的土壤pH為5-7.0,其中以州6.2-6.8最適宜。菜豆最忌連作,生產中應實行2-3年輪作。

菜豆生育過程中,主要吸收鉀和氮較多,還要吸收一定量的磷和鈣,才能良好發育。結莢期吸收磷鉀量較大。磷鉀肥對菜豆植株的生長發育、根瘤菌的發育、花芽分化、開花結莢和種子的發育等均有影響。缺乏磷肥,菜豆嫩莢和種子的品質和產量就會降低。缺鈣,幼葉葉片捲曲,葉緣失綠和生長點死亡。缺硼,則根係不發達,影響根瘤菌固氮,使花和豆莢發育不良。 耐陰半陰(大概3-4小時日照) 應選擇耐陰的蔬菜種植,如萵…

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連通管原理與應用

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連通管基本原理 1.連通管原理指的是,在一般開放的空間中,幾個液體容器的底部都相通的裝置,而若任一容器內注入液體,則當液體靜止時,各容器的液面必在同一水平面。



2.兩 端的大氣壓力一樣,但管內兩端的水受重力作用而各自下墜,下墜瞬間,在圓弧頂部拉出一個真空,因真空而有壓力差,此時兩端的大氣壓 力再次從兩端將兩管的水壓回,但壓回的力量是大氣壓力減去管內的水壓(F=(Patm-PH2O)*A),而長管內的水比短管內的水還要重,所以壓回的力 量是短管的壓力大於長管的壓力,所 以,虹吸管內的水就會不斷的由短管端流入而由長管端流出。



3.如果我們用兩根連通管,所以效率會變成兩倍。




4.如果用兩根連通管,但是其中一個連接抽水馬達,此時一根連通管是抽水,所以另一根把水送回,大氣壓力將兩管的水平衡,所 以,一個馬達可以有兩倍的動力,水就會不斷的循環。


問題1:請比較上連通管與下連通管的差異?
問題2:請問雙連通管時,管徑與高度差的關係?



簡易潮汐開關 (外部連通管) 1.由於水持續進入水箱,水在水箱和潮汐開關內以同樣的速度上升。(潮汐開關內的底部是連通的)。虹吸管是通到外部的。水會持續上升到外部的開口端。 2.一旦水上升到內部的開口端,它變成一個密封空間。由於水繼續上升,在水箱內水位繼續上升,但速度變慢。同時,水箱內水壓漸大。
3.由於水位接近高水位線,壓力在開關內鐘將水位上升到臨界,造成部份水會先進入管道。
(同時會將管道上端部份空氣帶出,因為空氣在管內流動,也是噪音最大的時候) 4.由於水在水箱到達高水位線後,體積空氣被迫壓縮管道,並透過虹吸作用,排出的空氣壓力後,進而開始大量排水。
(一旦開始大量排水,也是聲音最小的時候)
5.水會一直流出,直到水位低到讓潮汐開關吸入空氣。然後,潮汐開關回歸起始位置。
6.由於水持續進入水箱,水在水箱和潮汐開關內以同樣的速度上升。(潮汐開關內的底部是連通的)。虹吸管是通到外部的。水會持續上升到內部的開口端。
可以參考以下的影片


簡易鐘型潮汐開關
1.由於水持續進入水箱,水在水箱和潮汐開關內以同樣的速度上升。(潮汐開關內的底部是連通的)。虹吸管是通到外部的。水會持續上升到內部的開口端。 2.一旦水位上升到內部的開口端,直接…