格樑智慧澆灌

1. 前言

近年來由於人為活動以及土地利用的改變，大量溫室氣體被排放至大氣中，其中大約75％的二氧化碳排放來自化石燃料工業，25％來自土地利用型態變更(如森林砍伐)，導致氣候變遷加劇、極端氣候事件的頻度及強度增加、各種災害更趨嚴重，高溫、乾旱、暴雨等事件層出不窮，對人類生活以及都市發展的影響程度也越來越大。極端氣候事件對都市生態環境產生衝擊，同時也影響都市居民的生活，使得生態系自然調適的能力衰退，也降低生態系統服務功能^[4][7]。

隨著全球各地都市化程度增加，都市集居及各種開發行為使極端氣候災害的種類及影響趨於複雜，為減緩災害擴散的程度，許多城市在規劃發展的過程中逐漸開始重視自然生態、強調防災規劃、環境友善及綠覆率等面向，建設理念也因應氣候變遷做出調適，例如海綿城市的建設理念即是為了彌補城市在建設發展過程中大量使用瀝青、水泥等不透水鋪面取代原本的自然鋪面，除了使地表喪失了原有入滲、補注之功能，更使得地面逕流速度增加、洪峰流量增加，造成了現有河川排水、下水道之負擔，導致現有防洪排水設施保護風險提高。因此海綿城市提倡城市能像夠像海綿一樣，在適應環境變化和應對自然災害等防面具有良好的彈性，下雨時吸水、蓄水、滲水、淨水，需要時將蓄存的水釋放並加以利用，因此海綿城市建設特別重視城市原有生態系統的保護，以維持發展前的自然特性，減少對自然環境之干預，進而與環境共存共榮^[26]。

都市的綠覆率與調節性生態系統服務密切相關，植物綠化具有可調節氣溫、淨化空氣及降低噪音等功能^[4]，然而植物生長在都市環境中常會遭遇到許多環境逆壓，如空氣污染、乾旱、不當修剪、種植空間狹小、土壤夯實等問題，致使這些都市中的植栽生長受限，達不到原本預期的綠美化效果與功能，嚴重時甚至影響植栽的存活。台積公司晶園十五B廠位處大肚山坡，為提升廠區景觀形象並改善綠化生硬的水泥壁壘，於格樑擋土牆種植大面積的平戶杜鵑營造花海景觀，然由於先天環境的限制(如坡度陡峭、降雨缺乏、生長空間狹窄等)，杜鵑養護過程時常並不順利，時常需要耗費大量成本補植養護。因此本文以格樑杜鵑作為研究對象，利用植物生理相關試驗方法檢測植栽之生理狀況，期能了解其生長情形並作為後續植栽管理維護之參考；並透過無線感測網路的架設，即時監控棲地現況以精準控制噴灌水量，避免水資源的浪費。

2. 文獻回顧

2.1 擋土牆綠美化

傳統公共工程人定勝天的舊思維觀念，純粹以施工或結構的抵抗性或補償式作法，往往輕忽社會成本與環境成本，實已無法因應當今環境之劇烈變遷。因此現今永續之綠色工程須符合安全、生態、減碳等多元目標，達到防災、減災及環境永續發展之新思維^[31]。擋土牆具有加固土坡，防止土石崩落及土石流的效用，在近年來暴雨事件頻傳的情況下，擋土牆對於保全牆內生命財產的重要性不言而喻，然而傳統擋土牆建設需投入大量能源與營建材料，若能以生態工法營造或於擋土牆上種植綠美化植栽可降低溫度且兼具景觀及減排與固碳效益^[32]。

台積公司晶園十五B廠位於大肚山區，由於廠址建於山坡地上，公司在廠區周邊均設立格樑擋土牆作為坡地整治工法(圖1)，占地約10,000平方公尺，並栽植平戶杜鵑約90,000株綠美化(圖2)。

但是廠區在2021年適逢長達8個月的嚴重乾旱，由交通部中央氣象局大雅(中科園區)氣象站之資料顯示(圖3)，自2020年9月至2021年5月下旬的降雨量極低，5月30日起才有明顯降雨，本區雖設有自動噴灌，但擋土牆本身具有斜度，保水不易，再加上科學園區限水緣故，植物在極端乾旱環境下大量死亡(圖4)。衛強等^[32]於溪頭地區的研究也指出，土壤含水率會影響擋土牆植生狀況。嚴重乾旱導致的缺水、限水，以及高蒸氣壓差(vapor pressure deficit)均會使植栽更易面臨缺水逆境。此外，種植於受限容器中的植栽常有植穴太小、土壤空間不足、根系發育不完整等先天上的限制，更容易造植物吸收水分的困難，導致後續生理上的逆境。

2.2 林木生理之應用

植物的生長表現與生理反應均會受環境因子影響，如高光、高溫、寒害、強風、乾旱等各項逆境皆會抑制植物的生理作用，進而影響到個體的生長與存活^[3][10][18]。光合作用是綠色植物最重要的生理機制，而光合系統對環境逆壓(如乾旱、缺光、低溫等)的反應相當敏感，我們可藉由量測光合作用速率及葉綠素螢光相關參數來偵測植物受逆境影響的程度^[1][6][9]。

葉綠素螢光具有迅速且非破壞性的量測特性(圖5)，也廣泛應用於偵測植物對逆境的反應以及生理健康的表現上^[5][8][23]，其中光系統II(photosystem II)中的最大光化學潛能(Fv/Fm)，常作為光抑制現象(photoinhibition)的指標，在一般情況下，正常植株的Fv/Fm約在0.73-0.83左右，受到逆境影響時此值會降低^[13][20][28]。

光合作用速率的量測一般以紅外光氣體分析儀(infrared gas analyzer)為量測基礎，其原理為利用二氧化碳對紅外光波段(4260nm)的吸收率，以固定面積的葉夾夾住待測葉片，同時監測通過葉夾與未通過葉夾的二氧化碳濃度之差異，即可得知單位葉面積的二氧化碳吸收或排放量，藉以計算光合作用速率。常用的量測模式包括氣體交換日變化量測及建立光合作用光反應曲線，日變化量測通常量測一整日的氣體交換速率之變化，常自日出至日落每間隔一小時或兩小時量測一次，藉以得知植物生理狀況的日週期性波動；而光合作用光反應曲線則是以不同光度照射葉片，同時記錄該光度下的淨光合作用速率值，即可繪製成曲線，藉由此一曲線可計算出各項光合參數，包括最大光合作用速率(maximum photosynthesis rate)、光補償點(light compensation point)、量子收率(quantum efficiency)及暗呼吸速率(dark respiration)，藉以了解植物對光能的利用範圍及碳同化效率(圖6)。

水分逆境為常見的環境逆境，通常為淹水或缺水造成，在氣候變遷加劇造成極端氣候事件頻傳的當下，乾旱及暴雨事件發生的頻度及強度均增加，對植物的影響也相對嚴重，因此都市植栽的水分控管對植株健康及水資源利用上日趨重要，不僅缺水會造成植株傷害，過多的水分也會造成水資源浪費及植株徒長^[11]。水分是植物生長與存活的重要元素之一，水分逆境會導致植物光合色素減少，包括葉綠素及類胡蘿蔔素，但類胡蘿蔔素與葉綠素比值則會增加，以減少光能吸收並幫助消散過剩能量^[2]。在乾旱環境下，植物通常以關閉氣孔來對應水分的急速散失，但氣孔的關閉也會造成二氧化碳的短缺而使光合作用速率下降，若水分逆境持續則植物可能因無法消散過多能量而傷害光合系統^{[12][14][16][17][19]}。欲了解植物體的水分狀態，可藉由量測植物體各部位的相對含水率及水勢(water potential)來偵知，藉以評估植物是否處於缺水狀態。一般量測葉片水勢常在黎明與正午時進行(圖7)，黎明水勢可以表示經過整個夜晚的休息後植物體的水分能回復到何種程度，此值常為水勢的一日最高值；而正午水勢則呈現在中午高光高溫的影響下，植物能持留多少水分，此時通常為一日最低值，而植物體水勢常以壓力單位表示，如MPa等，一般植物在水分充足下葉片水勢約在−0.2MPa~−1MPa的範圍，其值會隨植物體水分狀態而變化，在乾旱環境下水勢會下降，下降程度也會因植物種類而異^[18]。

2.3 擋土牆綠化植物

擋土牆配合植栽種植為工程上常見的工法，藉由植物的根系深入土壤，可有效達到安全防護、防止土壤沖刷、增加水源涵養、提升生物多樣性等優點。邊坡之坡度對於坡面安定及植物生長皆有很大的影響。坡度越陡，植物根系伸入土中之深度則越淺，植物生長較易衰退。因此為了防止根系生長之土層滑落，必須在坡面上以工程處理，構成基礎後再栽植植物^[25]。考量結構荷重問題，一般常見的邊坡植物多為草本及蕨類植物為主，如衛強等人^[32]調查溪頭的木製格框檔土牆上的植群狀態，發現了共53種植物，其中雙子葉的草本植物及蕨類植物占大宗，實際分布情形則受到含水率影響。

台積公司晶園F15B廠的擋土牆占地約10,000平方公尺，坡度約60度，主要以水泥固定框為材質，並於格框中填塞植生袋供植物生長。栽植植物以平戶杜鵑(Hirado azaleaas)為主要綠美化植栽，平戶杜鵑為杜鵑花科杜鵑花屬植物，花色多樣且花期長，盛花期約在每年2-4月間，是著名的觀賞植物，其分布廣泛適合全日照環境，喜好偏酸性土壤(pH=4.5-5.5)，常用於景觀盆栽、綠籬、群植花叢，道路分隔島綠美化等，在臺灣亦有許多引進的園藝栽培種，廣泛栽植於臺灣北部平地及低海拔地區，生長勢強健，對都市的空氣污染、高溫等環境適應性佳^[27][30]。杜鵑雖然樹勢強健，然而受到2021年的嚴重乾旱事件影響，許多植栽出現黃化、落葉甚至死亡的情形，現地雖有人工灌溉，但因中部地區乾旱限水導致水源不足，往往不能使植栽充分供水，因而造成植栽的死亡，造成視覺景觀及維護管理上的困難。

2.4 無線感測器及田間伺服器在農林業上的應用

台積電F15B擋土牆位於廠區最外圍，噴灌系統需供應約10,000平分公尺，共90,000株杜鵑使用，耗水量十分可觀，且擋土牆具有斜度，如何精準拿捏杜鵑生長所需使用水分成為養護管理當務之急。但是擋土體距離員工辦公室相當遙遠，實體電力及網路線路架設十分困難，若噴灌系統故障無法即時察覺，可能造成水量無謂的浪費或是植物大量死亡，耗費大量金錢與時間。因此架設一套具感測現場環境條件的無線感測系統並能夠自動運算、遠端控制噴灌系統則可能有效節省水資源，並減輕養護的負擔。台灣政府近年開始推動「農業自動化」，陸續發展精緻農業、安全農業等產業政策，以期能有效對應日漸加劇的極端氣候、解決農民年齡層偏高等問題，並有效率地推動安全農業，提升農產品價值，首要工作即是針對不同環境因素作物目標，建立對應之知識平台，並收集各種數據資料作為作物管理的依據。但因為田園環境傳輸受到先天性的限制(如距離、電力、網路等)，使得無線感測網路成為一個適合應用於農林漁牧等生產管理監控領域且有實際應用價值的技術工具。無線感測網路(WSN)是一種由無線Ad Hoc網路傳播機制來連結多個感測器，再將各類感測器收集到的數據加以處理回傳，同時具有感測、運算與通信的能力^[24]。

田間伺服器(Field-Sever, FS)系統為一種多用途的網路自動化農產品生產監測與田間資料收集系統，其動力可以太陽能或一般電力運作，並依農業場合應用需求的不同，選擇安裝不同的感測器，常見的類型包括光照、土壤與環境濕度、導電度、喇叭、麥克風、IP攝影機、紅外線等；FS具有網線網路功能，能串聯數個FS，並從任一點就近直接連線到網際網路，因此使用者可以從遠端操控，作農業生產之即時田間監測、資料收集與管理^[21]。黃政龍^[33]在太麻里番荔枝果園以無線土壤水分感測系統進行試驗，針對番荔枝各個時期(休眠期、新梢生長期、授粉期、果實生育期及採收期)所需要的不同土壤溼度作監測及建議，並設置警報上下限隨時提醒水量異常問題，長期累積下來的數據更可彙整成番荔枝專屬的養護手冊，供農民交流使用。

3. 研究方法

3.1 試驗地分區

試驗地位於台積電中科廠區晶圓十五B廠(臺中市西屯區新科路1號尾端)之格樑擋土牆，擋土牆占地約(10,000m2)分為上(H)、中(M)、下(L)三層，每隔50m設立一個分區(編號A到O)，於編號C-G共5個分區內針對各層樣木進行量測，每個分區均於上、中、下層各選取10株杜鵑樣木為量測對象，一個分區共30株樣木。

3.2 格樑杜鵑葉綠素螢光及水勢量測

試驗期間為2021年4~7月間，每株樣木量測09:00、12:00、15:00三個時段的葉綠素螢光參數、葉片水勢與環境光度(photosynthetic photon flux density, PPFD)，葉片水勢的量測頻率同前述三個時段，各層選取5株樣木進行量測。葉綠素螢光參數以葉綠素螢光計(MINI-PAM-II, WALZ, Germany)進行量測，量測前先進行暗處理，以鋁箔紙包覆待測葉片30分鐘後量測各項螢光參數，並計算PSII最大光化學潛能(Fv/Fm)。葉片水勢以水勢測量儀(Psypro, Wescor, France)搭配C-52 chamber量測，以打孔器打取葉圓片後放入C-52內平衡一段時間後進行量測。環境光度以手持式植物照明檢測儀(PG200N, UPRtek, Taiwan)於待測葉面附近量測，自上午9時至下午16時每小時記錄一次。

以攜帶式氣體交換分析儀(LI-6400, LI-COR, USA)搭配人工光源葉室(6400-02B LED light source)進行光合作用之量測，於噴灌前後各量測3株樣木在不同光度下(2000、1500、1000、750、500、200、100、50、20、10、5、0μmol m^-2 s^-1)之光合作用速率變化，變換光度後待光合作用速率穩定再行紀錄，並藉以建立光合作用光反應曲線，計算最大光合作用速率(maximum photosynthesis rate, Amax)、光補償點(light compensation point, LCP)及暗呼吸速率(dark respiration, Rd)。

3.3 智慧澆灌控制架構

為提供工作站穩定的電源，搭設小型太陽能板供現場設備使用。於擋土牆現場隨機取12個格樑安裝土壤溫溼度感測器，並以邏輯控制器(B1z-10MR-25)收集現場數據，搭配4G的訊號接收器將及時感測器數據傳送至機房端的控制器，當現場土壤溼度不足時便會傳送訊號給噴灌電磁閥給水，直到溼度達到我們所設定的標準。另外透過4G網路我們可以從遠端監測格樑現場狀況並給予控制，不需再長途跋涉的跑到現場確認狀況。(圖8)

4. 結果分析

4.1 格樑杜鵑澆水臨界值測定

試驗期間適逢2021年旱季末期，自5月30日開始進入雨季，試驗地5個量測日的環境光度如(圖9)所示，擋土牆面向東南東方，由光度日變化結果可知，擋土牆於13:00過後因地形位置遮蔽，試驗區域受遮蔭使光度明顯下降，7月量測到上午最高光度可達2106.6 µmol m^-2s^-1。試驗地4~6月均溫分別為22.8℃、28.1℃及27.7℃，逐日均溫變化如(圖10)所示，試驗期間最低溫為4月10日的19.3℃，最高溫為5月17日的30.2℃。試驗期間日降雨量如(圖2)所示，自5月30日起進入雨季，4~6月降雨量分別為12.5mm、160mm及564.5mm。

葉綠素螢光參數之Fv/Fm可表示植物光合系統II最大光化學潛能，常用以評估植株的健康狀況。一般情況下，正常植株的Fv/Fm約在0.83左右，受到逆境影響時此值會降低^[13][20][28]。由(表1)可知，杜鵑的Fv/Fm在下層顯著較高，中上層則無顯著差異，顯示下層的養護與不定期澆灌對植株的健康有顯著效果，而葉片水勢的量測結果也顯示上下層有顯著差異，上層葉片水勢已低至−4.22MPa，且在嚴重乾旱末期(5/28)上中層均低於−6.11MPa，葉片水勢相當低，現地觀察也有發現萎凋的情形。前人研究顯示，木賊葉木麻黃在斷水21天後正午水勢可低至−6.90MPa^[22]，而相思樹屬的Acacia xanthophloea在斷水6天後正午水勢可達−3.50MPa^[15]，構樹(Brussonetia papyrifrea)則在斷水10天後正午水勢達到−2.78MPa^[29]，除了呈現樹種間的差異外，也顯示擋土牆上層的杜鵑植株處於嚴重的水分逆境之下。

由不同時段的量測可知(圖11)，Fv/Fm在下午時段會回升，此現象應與擋土牆在下午時段受到地形遮蔭有關，環境光度下降使Fv/Fm上升，其中以下層的Fv/Fm較高，而葉片水勢則變化較不明顯。不同量測日期的結果顯示(圖12)，2021年的嚴重乾旱事件影響很大，試驗地自5月30日之後才有明顯降雨，因此在5月28日為旱季末期，中層及上層的Fv/Fm明顯下降，上層最低達0.21，中層最低也達到0.24，顯示植株遭受嚴重的逆境。葉片水勢也在5月28日達到最低點，中層及上層在正午皆低於−7.1MPa，下層則維持在−3.8MPa，而在6月頻繁降雨之後，7月1日的水勢及Fv/Fm均有明顯回升，此結果顯示若能提供充足的水分供給，對於擋土牆杜鵑的生長與存活會有相當大的助益。由葉片水勢與Fv/Fm的關係(圖13)可以看出，當葉片水勢低於−2MPa時Fv/Fm會驟降，顯示此可能為試驗地平戶杜鵑的臨界水勢，可提供未來植栽水分管理之參考。

4.2 智慧澆灌預期效益

透過每日現場回傳的土壤溼度數據顯示(圖14)，格樑杜鵑的土壤溼度相當不平均，同一個時間點測得的數據差異最大可相差約50%，顯示有的區塊的杜鵑已經呈現休眠停止生長，但有些區塊的杜鵑卻可能有土壤過濕的狀況。若為了維持這些特別乾燥區域的杜鵑生長，勢必需要延長噴灌時間，如此便會造成澆灌用水的浪費及分配不均。

目前已得知−2MPa為格樑杜鵑維持正常生理功能所需之最低臨界水勢，接下來僅需以此數據做為噴灌水量的設計基準，濕度不足時再開啟相對應的迴路噴灌予以準確的水量，在確保植物正常發育的同時，避免水資源被過度浪費。

5. 未來展望與結論

格樑杜鵑佔地面積廣袤，且位處廠區邊陲地帶，不易立即發現處理現場問題，若發生系統性的故障，則影響範圍甚鉅，往往需耗費大量人力金錢養護復原。大肚山環境乾燥，降雨稀少且不穩定，植物難以僅依靠自然降水生存，水源的穩定與否成為生長的關鍵因子。格樑杜鵑自2017年起陸續完工，初期因滴灌系統尚完整，在水源無虞的情況下，杜鵑生長狀況尚可接受，但滴灌管線不耐紫外線長期日曬，外圍鼠類猖獗啃咬管線等問題，導致管線大量損壞，直接影響每一年的開花狀況，直到2022年開始針對噴灌管線進行全面的材質更換後，開花狀況才開始有漸趨穩定的盛況(圖15)。在解決水源供應的問題後，我們也與屏科大森林系及特生中心的植物生理專家合作，希望能以科學化的手法來分析格樑杜鵑的生長狀況，藉此為後續的景觀養護提供一些系統化的協助並訂立生長條件的標準。再者透過無線感測器的架設及與現有控制系統的鍵結，實現噴灌系統的遠端操控及生長狀況的即時監測等技術(圖16)，將格樑杜鵑的景觀養護視為高精度的農場來經營，持續朝穩定運轉、杜鵑花海的方向努力。