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水稻精準農業體系之研究

農業試驗所農藝組研究員 楊純明
農業試驗所所長 林俊義

一、精準農業的緣起與內涵

  人類文明歷經千百年漫長時間的摸索,在實際耕作過程中的體會,造就現行的農耕操作體系,提供了配合人口增長所需要的糧食,卻也衍生諸多環保問題,如農藥與肥料的殘留、水質的污染、土質的劣化、溫室效應氣體的釋放等。讓地球村全體生物的生存空間趨於不利,也使得人類的生活品質亮起警訊紅燈。「精準農業(precision agriculture)」正是針對解決當前農業面臨的生產困境而發展,並順勢成為農業科學中近年來成長快速的一門專業領域,「精準農業」更是融合了科學技術、人文思想和實務操作,在引導農業朝向高科技及高效能時代邁進的同時,也追求農業永續的理想境界。

  精準農業發展的初期,多是以農場的農作物栽培為主要目標,著重於農作物耕作及土壤肥力的管理,常稱為精準農耕(precision farming, PF)。由於農田環境的時空變化,廣大農田各地區或各地點的農作物與農地具有極大變異,管理的重點在於鑑別及調和農田各網格地區(點)的差異,給予農作物或農地相匹配的投入、處理,故又稱為特定地點(區)農耕(site-specific farming)。為了調和農田各網格地點的差異,避免多餘的資源浪費及對環境的負向衝擊,乃採取低投入原則以求永續農地的耕作,故而被稱為永續農地使用的低投入農耕(sustainable-land-use low-input farming)。並研發出變異率作業機具執行田間差異性的操作,於是有變異率噴藥機具、施肥機具、噴施機具等的問世,因此也稱為變異率技術(variable-rate technology)或變異率操作系統(variable-rate operating sys4em)。

  為了刈取農田各網格點的產量取得產量空間變異分佈圖,以分析造成產量變異的因素,因而開發出產量偵測追蹤機具(yield monitor),附掛予視訊與製圖機組以描繪變異分佈圖。為了定位農田各網格點,採用全球定位系統(global positioning system, GPS),再為了縮小定位差距而改裝差分全球定位系統(differential global positioning system, dGPS)。針對廣大農田的觀測與監測,則利用了不同大氣尺度平台及功能的遙測技術(remote sensing technology, RS),如可見光影像(visible image)遙測、可見光至中紅外光範圍的光譜遙測(spectral remote sensing)、遠(熱)紅外光(thermal infrared)遙測、微波雷達(microwave radar)遙測等,擷取出特定資訊。而為了處理各種相關的龐大資料及現況資訊,應用了統計與資訊科技軟硬體,建立了各樣的資料庫,套疊於地理資訊系統(geographic information system, GIS)中。同時組合不同的資料庫及模式(組),發展出各種專家決策支援系統(decision support system),以因應情境的變化做出對應的判斷與操作決策。

  據此,點明了精準農業的豐富內函,以及其因應情境演變發展出的多元面向和多樣目的。簡單扼要的說,精準農業要求能夠精確掌握田間氣候和土壤環境的時間與空間變異,農作物預期與實際變異的差距,評估栽培管理的效應及其對農作物生育的影響,使能經由人為手段進行高效率與高效能的經營與管理。並降低資材(源)投入,達到穩定生產質量、創造生產利潤及保護生態環境的目標,進而永續農業的發展。

二、精準農業的發展與願景

  精準農業發展歷程由最早基於維護生產環境及降低生產成本的考量開始,繼而謀求調和農田在時間、空間及預期上的差異來『精準』的管理農地與農作物,再進一步追求環保與經濟的雙贏系統。早期實施精準農業做法的農作物多以大面積栽培的穀類、糧食、纖維等作物為主,再逐漸的延廣至果樹、蔬菜、花卉及其他特用作物等不同類別。此外,進行精準經營管理的項目也不斷擴增,從土壤肥力、作物營養狀態、病蟲害危害乃至於產量估測與預測、水分管理、災害評估及物種辨識等,而栽培地點甚且從田間移入室內,在溫室、網室或簡易設施內實施對農作物的精準管理,管理面積亦彈性的從數百平方公尺展延至數千公頃不等配合農場規模而異。

  廣義的精準農業實施對象延伸至林業、漁業、畜牧業等範疇,以求達到標的物、人力及資源(材)等多元的合理化綜合經營管理。如今談「精準農業」已是海闊天空,其內容擴及農、林、漁、牧,而出現了所謂的「精準林業」、「精準漁業」、「精準畜牧業」等新興名詞,並依照目標再細分為各式各樣的特定項目。目前舉凡設立特定目標的農業產業項目,均可本著『過猶不及』、『圓融則通』的「差異管理原則」擬定一套精準農業做法,藉由人為的精準經營與管理達成減少非必要資源浪費、保護生態環境及提升產品質量等各種目的。

  由於精準農業融合多元的知識、技術與硬體組件於農業生產和管理,同時承續了傳統的技藝,加入了現代化科技和創新做法,將使得農業獲得蛻變式的完全更新,不再是封閉落後的產業,必然帶動生產與管理技術的全面升級,並引領農業邁向高效率及高效能時代,而帶給農業新的氣象和新的風貌,使得經濟與環保維持最佳動態平衡,也使得「農業永續」化口號成為具體可行的行動。

三、國際精準農業的研究發展

  綜觀世界各地執行精準農業的現況,項目可謂是五花八門,卻也顯示出世界各地依照不同的農業需求而有多樣的特定目標,而由研究成果帶動的產業革新風潮更是百家齊放。美、歐、澳、加、日等先進國家的許多高等學府和試驗研究機構內,已設立「精準農業」有關的研究開發專責單位,積極從事各種試驗研究、系統整合及教育推廣等工作。欲全窺現階段國際精準農業的發展狀況及趨勢,可由召開的大型國際性會議擷獲全貌,其中尤以國際精準農業會議及歐洲精準農業會議2項最具代表性,前者由美國明尼蘇達大學精準農業中心舉辦(已辦理6屆),後者由歐洲各國相關機構輪流承辦(已辦理四屆)。兩者有默契的採隔年交叉方式辦理,容納來自世界各地的學者專家、農民、農政官員、廠商、產業界等不同背景人士匯集一堂,交換知識、技術、經驗、實務心得與政策方向,並觀摩軟硬體及操作系統的最新發展。

  根據2002年在美國明尼蘇達州明尼亞波里市召開的第六屆國際精準農業會議的分類,總計區劃成: (1)遙測科技在精準農業的應用、(2)自然資源變異的探討、(3)實施精準農業有關的技術與感測器、(4)遙感探測與氮素管理、(5)遙感探測與病蟲害管理、(6)統計及地理統計、(7)自然資源變異及電導度的應用、(8)取樣技術、(9)模式分析、(10)收益及氮素、(11)收益及產量、(12)技術系統及導引系統、(13)技術及產量、(14)精準農業在世界各地的最新應用、(15)技術轉移與課程、(16)技術推廣、(17)作物品質、(18)精準農業管理系統、(19)資訊管理、及(20)環境等20大方向,說明了精準農業相互關聯領域的複雜與世界各地研究發展的多樣,由這些方向的重點,可以比較各地發展的共通性與相異性。

  2003年在德國柏林召開的第四屆歐洲精準農業會議,則將全球精準農業的發展現況予以歸類為16大類,包括:(1)針對農作物營養狀態動態追蹤、能量循環及產量資訊的精準管理系統、(2)精準農業的模式與系統化研究、(3)精準農業決策支援系統所需感測儀器設備的研發與應用、(4)分析農地及作物生產空間變異的方法及套裝工具、(5)開發中國家的精準農業、(6)精準農業對社會層面的影響、(7)精準農業的決策支援系統、(8)精準農業的教育、推廣及訓練、(9)精準農業的技術層面、(10)實施精準農業對經濟及作物生產經營管理的可能衝擊、(11)農田及農場的資訊管理、(12)實施精準農業對農地及環境的長期影響、(13)精準農業的研究規劃、資料分析及統計、(14)精準農業的農作物管理決策、(15)農作物及其植被的空間變異分析方法及套裝工具、及(16)利用於農作物生產空間變異分析方法及套裝工具的新式感測器,進一步顯示出精準農業涵蓋範圍之多元性及隨時空環境改變之演進,值得各方參考。

  另外,「精準畜牧業」經過近十餘年來的大力推展,已有相當輝煌的研究成果。以2003年6月在德國柏林召開的第一屆歐洲精準畜牧業會議為例,已將正在積極研發的項目分類為6大項,包括(1)辨識廣大牧場畜養動物的遙測技術、(2)畜牧場的模式化與系統化精準管理研究、(3)經營優良畜產品處理與管控流程的決策支援套裝工具、(4)提供畜養動物餵食控制、健康管理與繁殖生產等決策支援系統所需的感測器及其應用、(5)畜養動物泌乳處理之感測器及其應用、以及(6)畜養動物健康管理感測與追蹤,顯示「精準畜牧業」在世界各地普遍受到的重視,在許多重點研究上已獲得具體成果,特別是畜牧業發達的農政部門和產業機構,多已進行有組織及有系統的試驗研究和實務操作。

四、國內精準農業的研究發展

  農委會為順應此一世界性農業發展潮流,特於1997年研擬「我國精準農業發展方向與策略」作為規劃國內精準農業試驗研究的準則,1998年委託臺灣大學農學院進行初步評估,並於1999年12月成立「水稻精準農業(耕)體系之研究」專案科技計畫,再於2001年起將此一先驅性試驗研究計畫委由農委會農業試驗所統籌規劃與辦理,農業試驗所在所內劃出近10公頃的面積進行試驗,邀集國內各有關專業領域的學者專家共同參與,致力於研發適合臺灣地區水稻栽培的精準農耕體系關鍵技術與軟硬體組件,獲取必要的知識及建立相關的資料庫。

  在農委會執行的「水稻精準農業(耕)體系之研究」計畫中,將之規劃成三大研究系統,即「水稻生育狀態與環境監測系統」、「水稻栽培與環境精準管理專家決策系統」、及「精準農業自動化農機操作系統」,分別以協力整合方式進行研發工作。依據本項計畫的分工,監測系統扮演相當於人體“眼睛”的角色,檢(偵)測與追蹤田間水稻外觀生長性狀與土壤特性的空間變異,提供現況資訊給類同人體“大腦”的決策系統做出判斷與對應的網格決策圖,再由擔任人體“四肢”的農機具系統據以實施差異性而合理有效的操作,完成對標的物件的精準管理程序。

  上述三大研究系統中,「水稻生育狀況與環境監測系統」強調關鍵技術的研發及栽培問題的解決方案,研擬提供田間水稻生育、氮營養、病蟲害、產量、土壤性質及肥力狀態之空間變異分佈圖的遙測技術。其次,「水稻栽培與環境精準管理專家決策系統」考量肥料的管理及資料庫的建立。「精準農業自動化農機操作系統」則從事關鍵組(元)件的開發及適合國內情境系統的研究,並初建系統芻型以為後續作業之改良及多功能應用之延伸。除了上述各個子題分別成立細部計畫之外,另設立實際經營與管理精準農業試驗農場運作的單位(農場組),配合試驗研究需要進行農場作業,使計畫得以順利推展。

五、「水稻精準農業(耕)體系之研究」計畫內容與執行檢討

  「精準農業」引入國內的時間尚短,因此為期約4年(1999年12月至2003年12月)的「水稻精準農業(耕)體系之研究」計畫處於萌芽階段,故予定位為先驅性試驗研究,主要在於規劃「水稻生育狀態與環境監測系統」、「水稻栽培與環境精準管理專家決策系統」及「精準農業自動化農機操作系統」等三大研究系統,分工協力進行各項預定的研發工作。

(一)水稻生育狀況與環境監測系統

  雖然隨著計畫的執行過程酌有調整,大致上本系統內含四個大主題(細部計畫),每一主題又含有若干重要研究項目,由國內大學和研究機構相關研究人員參與:

  1. 「水稻生長、逆境及產量之監測與估測技術和應用」,分別在近地面、航空及衛星遙測載台,利用光譜遙測技術結合地面水稻植株的性狀調查,探討水稻全生育期的生長、發育、氮素狀態及病蟲害發生等逆境造成之植被反射光譜改變,篩檢鑑識與判別用的光譜特徵波段,建立近地面光譜特徵模式、光譜辨識技術、產量預估及多種逆境等級區分之遙測模式與監測系統。

  2. 「稻株氮營養狀況偵測技術與應用」,在於偵測水稻穗肥施用時期的稻株氮營養狀態及相對應植被反射光譜的變化,發展可迅速檢測稻株氮營養狀況的光譜遙測模式,並研發搭載於不同遙測載台之感測系統。同時利用攜帶式葉綠素測計,建立測計讀值與稻株葉綠素及氮素狀態之相關模式,俾進行簡單易行的稻株氮營養狀態估測與監測,而應用於穗肥之精準施用管理。

  3. 「水稻光譜資料庫建置與應用研究」,著力於建立近地面水稻植被反射光譜資料庫,能夠系統性的收納與整理由各研究單位逐年累積之多種地面植被反射光譜及相關的情境調查資料,以供後續開發其他有關水稻生長、逆境及產量之估測與預測技術等用途。

  4. 「土壤性質及肥力狀態偵測技術與應用」,以發展田區土壤性質與肥力狀態空間分佈偵測技術為目標,研製具有自動定位功能的自動式田間土壤採樣設備與檢測系統,以快速調查田間土壤性質及肥力狀態之空間變異分佈,評量田間土壤性質及肥力狀態之空間分佈特性和水稻生長與產量間的相關性,組設簡易的快速偵測系統而應用於田間基肥與追肥的精準施用管理。

(二)水稻栽培與環境精準管理專家決策系統

  本系統初期擬定二個大主題,優先考量肥料的管理及資料庫的建立,以農委會農業試驗所內的研究人員為主,涵蓋農藝、農化、植病、昆蟲、農業氣象及資訊等專業領域,重要工作項目如下:

  1. 「水稻精準施肥決策專家系統之建立」,考量肥料的精準管理,整合以往試驗研究成果擬定水稻栽培的氮、磷、鉀肥的施肥推薦原則,配合環境的改變而應用生長模式及地理資訊系統串聯農耕資料、土壤資料、氣象資料及作物生育與營養狀態資料等,做出施肥決策圖以實施肥料的精準管理。

  2. 「精準農耕綜合資料庫及網站建置」,在於開發系統軟體整合「水稻精準農業(耕)體系之研究」統籌計畫下各細部計畫的試驗成果書面資料及各種資料庫,掛存於架設的伺服網站提供網路資料查詢、更新與下載,作為研究人員和一般民眾資訊交流管道,達到共享式的多使用者環境。並期藉著網際網路的訊息交換與流通,提升計畫執行效率和安全管控,促進國內及國際間專業人士的良性溝通。

(三)精準農業自動化農機操作系統

  本系統分成四大研究主題(細部計畫),由國內6所大學和研究機構相關研究人員參與,各主題之重要工作項目如次:

  1. 「精準農業作物產量分佈圖偵測系統之開發」,在於開發適合國內水稻收穫之定點稻榖產量及水分即時偵測系統,並裝配全球定位系統與地理資訊系統俾繪製田區稻榖產量空間變異分佈圖,又配置立體機械視覺組件以繪製立體視覺空間變異分佈圖,綜合以生產稻穀產量偵測追蹤機具為終極產品,亦可提供農場管理決策分析用途。

  2. 「田間作物性狀定點精準感測系統之開發研究」,以應用多光譜影像遙測技術為初期重點,發展稻株含氮量地面多光譜影像遙測系統,提供地面即時的稻株氮營養狀態,作為施用氮肥的精準管理應用。該項系統經過修正改良,亦可適用於旱田農作物植體氮營養狀況的偵測。

  3. 「田間精準噴藥系統之研究」,分別開發具有定位及可變率功能的氣輔式及桿式噴藥機具,藉由裝配全球定位系統與地理資訊系統達到定位噴施目的,再由變率組件的設置獲得噴施量的調整。未來將朝向依據專家決策系統提供變異噴施決策圖來進行差異性噴施操作的方向繼續研究,改進田間定點變率噴藥作業。

  4. 「田間定點精準變異率施肥系統之研究」,以改良深層施肥機具為目標,加裝全球定位系統與地理資訊系統進行定位施肥作業。未來亦將朝向依據專家決策系統提供變異施肥決策圖來進行差異性施肥操作的方向繼續研究,於插秧時同步進行田間定點定量的施肥作業。

  從先驅性試驗研究計畫的角度來看,「水稻精準農業(耕)體系之研究」大多數研究項目已達到計畫原先所設定的目標。在監測系統的研究上,收集與分析了許多地真及不同遙測載台的資料,建立適合不同環境的基礎光譜遙測模式,也分別發展出在直昇機、衛星及地面遙測載台操作的監測技術。在決策系統的研究上,初步開發了一套施肥決策系統軟體一套,可依據品種、水田生產力等級、期作生產力、有機資材施用量、米質要求、土壤質地及施肥方式等因素推薦氮肥用量和分配比率,提供未來農機進行變量施肥採用。而藉由設置共同資料庫網站,將可收錄共同試驗田區的各項紀錄及資料庫,未來可利用地理資訊系統建立空間分佈圖層,作為後續試驗研究之用。而計畫專業網站在資訊化時代,更是溝通與傳達的最佳工具。

  在農機系統的研究上,共計開發了作物產量分佈圖偵測系統、田間作物性狀定點精準感測系統、田間精準噴藥系統及田間定點變異率施肥系統等4項成果。伴隨這些系統芻型所發展出來的技術與組件,將可應用於相關農機產品的研發與技術水準的提昇,也助益於農業機械人才的培育養成。未來配合確定的特定目標,以上的芻型系統很快就能改良成為可供實用的農機成品,而新技術與組件的巧思整合,將可以研發出更多有用的新興產品。

  在學術與推廣方面,在計畫執行期間總計舉辦了4次中大型研討會/展示會,包括2000年4月25日的「水稻精準農業(耕)體系之研究」工作研討會、2001年8月30日的「水稻精準農業(耕)體系之研究」階段性成果研討會及2002年10月3日和2003年9月17日的「水稻精準農業(耕)體系之研究」計畫成果研討會暨展示會。讓各界人士瞭解農業的最新發展,認識新科技在農業上的深耕與開花結果,並因此學習「精準農業」有關的知識、技術、組件與系統。而2000年《水稻精準農業(耕)體系之研究》、2002年《應用於水稻精準農業體系之知識與技術》及2003年《水稻精準農業體系》等3本專業書冊的出版,除了呈現執行計畫的成果外,更延廣了執行計畫的教育成效。參與本計畫的研究人員,在計畫執行期間也先後將研究成果發表於國內外刊物中,期刊論文、研討會論文及其他推廣性報告已超過80篇以上,同時提供同儕檢驗及藉以激發新創意。

  但是,由於「精準農業」在國內仍屬新興科研項目,第一階段的4年研究計畫中,系統的整合及操作系統獲得的經濟效益評估尚待加強,因此難以表現國內發展精準農業的遠景。其次,推廣精準農業體系的動力根源,立足於經濟效益的提升、生態環境的保護、社會對農業評價的抬頭及相關科技的研發成果。未來欲大力推廣精準農業的做法,除了強調其對生態環境的正面價值之外,也勢必遷就投入與產出的平衡,考量實施的經濟效益。換言之,必須使得農民或生產者認同精準農業具有降低資材投入及提高資源使用效率的潛能,並在新技術新製程的利用上獲得大幅改進,亦提供生產收益及社會價值誘因,願意改變其慣行操作方法、消費方式與工作型態,那麼精準農業才能順利的被接受和推廣。

  再者,從長遠的考慮,由於各種農業生產環多有不同,因應各項限制因子所設立的特定目標不一而足,為求解決各樣目標將無可避免必須由專業團隊代為擬訂精準農業做法或提供咨詢服務。在實際作業層面上,可能由生產者自行操作,或改由專責專業單位協助代工,都是未來必將面對的實務問題。在發展精準農業的同時,應當計慮周詳的預謀對策,以求竟其功於一役。

六、結語

  展望未來前景,倘若農政部門持續支持「精準農業」的試驗研究,建議第二階段的研究計畫當著力於特定目標系統的整合及特定目標精準農業系統效益驗證與操作展示等工作。如此,不但可以在既有的基礎上設定實務研究主題,也務實的開發出解決特定目標的精準管理操作系統,將研究主題的成果落實成為「精準農業」的成功案例。無論以減少非必要資源浪費、保護生態環境或是提升產品質量為主要目標,祇要有了具體可行的操作系統及成功案例的實證,即可快速的將「精準農業」推廣至不同產業環境,從而全面建立適合國內的各類型精準農業體系。

引用文獻

  1. 楊純明、林俊義(主編)。2000。水稻精準農業(耕)體系之研究。行政院農委會農業試驗所出版,台中縣。129pp.

  2. 楊純明、林俊義(主編)。2002。應用於水稻精準農業體系之知識與技術。行政院農委會農業試驗所出版,台中縣霧峰鄉。221pp.

  3. Agrartechnik Bornim. 2003. Program of the joint conferences 4 ECPA-1 ECPLF. June 15-19, 2003. Berlin. Leibniz Institute for Agricultural Engineering Bornim, Potsdam, Germany.

  4. Stafford, J. and A. Werner. 2003. Precision Agriculture.Wageningen Academic Publishers, The Netherlands.

  5. Precision Agriculture Center. 2002. Proceedings of the 6th International Conference on Precision Agriculture and Other Precision Resources Management. July 14-17, 2002. Minneapolis, MN, USA.

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