文／生物科技學系助理教授江志明
近年來國人的飲食習慣漸漸在改變，越來越注重身體的健康和食品衛生安全，對於過多的食品添加物，或是市面上的蔬菜硝酸鹽含量過高等，都是在食品衛生安全上的把關出了問題。水耕蔬菜概念因應而生，利用密閉空間種植蔬菜的植物工廠，已發展為一個新興專業領域，生科系於今年在科技大樓建置植物工廠，提供學生一個實習場域，也成為本校新觀光景點。
水耕植物發展緣起 當人們對化學人工合成的食品避而遠之，所以國家對於食品安全方面的管控及稽查，也越來越嚴謹，近來的塑化劑、修飾澱粉、油品食品蔬菜及飲水中硝酸鹽及亞硝酸鹽含量之問題逐漸被重視，主要是蔬菜及飲水中硝酸鹽，可因唾液中或其他微生物之硝酸還原酵素將之還原為亞硝酸鹽，而亞硝酸在酸性下，易與一些二和三級胺反應而形成亞硝酸胺，而此物質可能為致癌物質或致生腫瘤。再者，近年來亦發現蔬菜及飲水中之亞硝酸鹽含量，與人類之變性白色蛋白血症有關。
換言之，人體血液含過多之亞硝酸鹽時，會阻礙血紅素之攜氧作用，而導致病人發生缺氧病徵。就一般營養成份而言，水耕栽培之蔬菜應無異於傳統之土耕蔬菜。但因水耕栽培時養液中各成分均維持一定濃度，使蔬果之逐日吸收量較均衡，因之其NO3-N及NO2-N之含量最低。
台灣因地理環境的原因，山地的占地量多，加上氣候的影響降與分布不均，造成可耕種的土地變少。而傳統農業看天吃飯，同時需要耗費大量的勞力及時間，去管理蔬菜水果的生長情況，有時可能因氣候因素而供不應求或有病蟲害產生。農民開始噴灑農藥、施肥使其減少病蟲害的發生並增加產量，但也造成蔬果的農藥含量過高，同時過度施肥導致水質的優養化，以及沒有讓土地休耕造成土地的枯竭。若加上工廠排放未經處理的廢水經過灌溉，讓農作物吸收許多有毒重金屬，吃進生體裡造成中毒及死亡等問題。藉由此次機會，簡單為各位介紹植物工廠『水耕植物』的應用概念與現況。
高層密植栽培 電腦監控環境 植物工廠係指在室內，藉由人為控制光照、二氧化碳、溫度與濕度等，讓種植者能在一年四季都依照生產計畫來量產作物的穩定生長設施，其具有環控科學化、管理標準化以及系統模組化的特性。另「植物工廠」屬於高層架密植栽培，環境控制皆由電腦監控，收成也較傳統平面耕種方式更加便捷快速。
何謂『水耕植物』呢？水耕栽培方式主要是以液體營養液直接供應植物，營養液的供應有浸根式、噴霧式或半浸根式等不同方式的應用。歷史記載中，水耕栽培模式有巴比倫的空中花園，古埃及之契形文字遺跡，亦記載植物生長於水中圖形。在中國南方船戶之水上菜園及墨西哥阿茲特克的浮動花園，其目的可能是為景觀設計需求，或因地理環境特性而改變原先植物生長模式，捨棄傳統土壤耕作，可謂今日水耕之始祖。
水耕蔬菜生長所需營養液，先前大多是以合成肥料調配而成。這種營養液可以代替天然土壤向作物提供水分、養分、氧氣、溫度，使植物能夠正常生長，並完成其整個生命週期。內含維持植物所需營養要素有16種，其中碳、氫、氧、氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫等九種為主要元素。
另七種元素，鐵、錳、銅、鋅、鉬、硼、氯等七種，因植物體內含量少，所以稱為次要元素或微量元素。目前世界各國均嚐試利用天然的元素來取代合成肥料，如本系研究團隊研究利用海洋深層水(指在海面下的兩百公尺至兩千公尺之間，陽光無法到達的深海。在兩千年前極地的冰河溶解後，經由黑潮的帶動而形成。其不但乾淨清澈無病原菌而且還含有豐富礦物質、營養鹽及微量元素)來取代，目前已有不錯成果。
水耕栽培的優點 水耕栽培有何優點呢？ 因為水耕栽培的營養分是連續供應植物的根部，也就是說營養成分與根的接觸是直接的，沒有阻礙，使作物充分吸收營養，生長就迅速多了。其次、水耕栽培為配合環控設施及設備，避免其他來源的病蟲害，因此無須噴灑農藥。
此外、水耕栽培的營養液容易達到均勻分佈，加上植物本身的根系不受土壤的壓迫，更能延伸加速吸收生長所需的物質，植物本身的纖維連帶的也較為細緻，最直接的影響便是蔬果中的葉菜類，所以水耕法種植的蔬果品質也較土耕法來的佳。而小型的水耕園藝所需設備簡單、空間環境要求小，是值得推廣的栽培模式。
水耕栽培的蔬果在良好的生長環境、適度的光照與調控的溫度下，不僅生長迅速，同時單位面積的生產力也較傳統農業高。而水耕栽培減少植物病原菌的來源，無雜草防除問題，病蟲害可被設施隔離，避免連作障礙。且無土壤的需求，可以減少土地的使用，並減少土壤被農藥汙染，擺脫傳統農業的農田使用之缺點。
另外，水耕栽培所使用的水源，可在循環的栽培系統中重複使用，大大降低水資源的過度浪費，減少使用水的成本。再則，因為可調控溫度、日照和養分來源，且生育期短，所以可穩定生產，可不需根據季節種植蔬菜，具較高的經濟價值。同時在可控制的水耕系統中，不使用灌溉肥料，因此不會排放造成環境汙染。節省人力、勞力成本 。
因此，台灣目前已有建商在設計未來住宅時，將水耕栽培規劃入室內設計中，未來除了讓入住者，能自行在家種植安全蔬果來吃，同時也兼顧了休閒景觀與綠化的效果。
水耕植物的照顧 而水耕植物要如何照顧呢? 以本校植物工廠為例，水耕蔬果栽培流程： 播種作業：水耕蔬菜育苗方式與一般土耕雷同，分為點播、撒撥、移植。點播與撒撥適用於種子顆粒較小。點播是直接將乾種子播種於預先十字切割的海綿片中，播種深度配合種子大小做調整，一般控制在0.3～1公分，播種後要經浸種處理，播種後海綿片放置於盤中，保持1/3水位，並覆上黑色不織布。撒撥是直接將種子散播於已浸濕的海綿片，在覆上黑色不織布，並時常澆水，保持濕潤，以利發芽。移植則是針對較大種子先撥種在其他介質，待幼苗期完成後在移植至栽培槽。
育苗：育苗目的在於集中管理，及省人力、物力與空間有效利用。育苗期為種子萌發至2～3片本葉可供移植。種子在暗處理後萌芽，待萌芽至八成時就可將黑色不織布移除，置於日光充足處，綠化健苗，當子葉展開時，開始以營養液澆灌。養液pH維持在5.5～6.0，可中和海綿的鹼性特質。幼苗生長溫度應保持25～28度，光度10000 lux，此時應保持栽培環境清潔，避免青苔。
移植：移植的目的在於提供作物有足夠空間及養分供應。當幼苗已有2-3片本葉時，即可進行移植到栽培穴中。移植時應選擇健康、植株完整並注意避免根部騰空而缺水，應與水面接觸。
本校的水耕植物工廠已在科技大樓四樓建置完成，感謝校內各單位協助，除了展示之外牆與整體美化外，同時配備有植物工廠之循環式培養系統、獨立式培養系統、光合作用測定儀、葉片膨壓測定儀、LED燈組與空調系統，目前已開始提供大學部與研究生等多項課程使用，並且也同時指導學生具備水耕蔬菜與植物工廠之基礎技術。
本系教師團隊也利用水耕植物工廠進行相關研究，包含海洋深層水對水耕植物的助益與植物內部各項營養成份分析等。目前植物工廠已進行多次外賓參訪，參訪來賓對本景點各項設施及蔬菜甚感興趣，並且藉由互動及提問展現生物科技系之特色。順利開始各式水耕植物之栽培與相關條件之研究。
生科系植物工廠發展重點 目前本系植物工廠發展重點如下： 發展水耕栽培、環境控制與生物技術：環境控制則旨在將最佳生長條件定量化後創造作物生長之最適環境，包含光照(LED調控)、溫度、濕度，培養液成份改良(乳酸菌、抗菌素等添加)。生物生長與基因和環境息息相關，生物科技結合有關基因工程或篩選的技術進行植物生長與抗逆境研究以及微生物防治於植物病蟲害研究。
生產高品質作物應用於保健食品與功效分析：在最適當環境下栽培菜蔬或保健用植物，植株體內一般的維他命或微量元素的含量會增加，可提高營養價值。但是環境條件、作物生長階段與營養價值的關係，目前對傳統方式種植之農作物，尚無法完全加以定量化，利用植物工廠可最適化培養條件，並且結合系上萃取與分析技術進行產品開發。
發展魚菜共生系統：將養魚的水用來進行水耕蔬菜的栽培，魚排放的糞便是一種天然的有機肥，內含蔬果生長所需營養成份。而蔬果等植物因將這些營養物質消耗掉，可淨化水質，因此這些水又可循環利用來養魚，使魚長的更好，同時也達到真正的環境保護，與百分之百純天然水耕栽培之安心蔬菜。 期望在本系師生共同的努力之下，能開創植物工廠未來發展的新領域。