遮蔭網之光學性質介紹
中興大學農機系生物系統工程研究室 陳加忠 許欣正
燕和工業股份有限公司 洪正城
前言
為了穩定作物之產量與品質，國內園藝作物利用設施生產的面積逐年增加。然而夏季時強日射量引起內部高溫，光線強度也不適合作物生長。為了減少陽光進入設施 內部比例，用以疏解熱累積，並能維持作物之需求光量，遮蔭網因而被普遍採用。由於許多園藝作物對於陽光十分敏感。光量過強固然造成葉片日燒等生理障礙，在 光量不足時，作物莖葉容易徒長，花卉之花芽發育不良，果菜作物之著果率減低，而品質低劣。因此為了維持作物良好的生長環境，光量必須維持在適當範圍。國內 所用之遮蔭網形式繁多，其光學特性則缺乏相關資料可供使用者參考，因此有必要進行測定以建立其光學資料。
陽光其波長範圍為280-3600nm，通常區分為紫外線區，可見光區、與紅外光區。人眼可察覺之波長範圍為380-760nm，可再區分為各種顏色。其中對植物光合作用具有顯著影響之波長主要在400-700nm。此段之能量則稱為光合作用有效能量(PAR)。在陽光能量之量測中通常包括此三種範圍：全部日射量,可見光量，與光合作用有效能量(PAR)。陽光之可見光範圍可再細分為紫色光區(380-430nm)，藍色光區(430-470nm)，綠色光區(470-550nm)，黃色光區(550-590nm)，橙色光區(590-640nm)，紅色光區(640-760nm)。利用遮蔭網之最初目的在於減弱進入設施內部之熱源，用以疏解熱累積，因此以減少熱源為目的之理想遮蔭網應是以減少了近紅外線範圍之光源為主，但是遮蔭網之遮蔽性能往往不具選擇性，因此也影響了設施內內光合作用有效能量。
近年來，光質對作物之影響已開始引起栽培者的注意，例如紅光與藍光譜對光合作用性能之影響，紫外光對昆蟲活動、對花青素形成、與對花朵色素轉化等影響。覆 蓋材料製造廠商也開始將光質資料列入型錄內容。覆蓋材料對於光質的影響研究中，日本研究重點則以紫外線、可見光、與紅外線等三區段進行覆蓋材料透過率之測 定。歐州之研究有測定各種覆蓋材料在可見光與特定紫光部份光譜之透過率，也有利用分光光譜測定儀研究玻璃與七種塑膠材料在可見光與近紅外光光譜部份之透過 率與反射率，並依測定數據計算660nm對730nm兩段光譜範圍之透過能量比例值。
網狀覆蓋材料在歐美溫室業者主要用於防蟲，因此對農業用網之研究著重於其風阻係數。近年來，利用覆蓋網以調節光量逐漸為溫室業者使用，在溫室環控書藉中也 開始介紹。以色列研究者曾探討五種以色列製作的遮蔭網光學特性。此種特製網裝置於溫室之內，白日用以減少陽光進入地面之比例，晚上則用以保溫。因此對光學 作物性量測著重於全日射量的透光率與長波輻射的透光率及反射率。近期FlowerTech刊物有報導對不同製作的遮蔭網其透光性能研究，強調針織方式製作的遮蔭網其散射光透過率優於扁紗網製作之遮蔭網。
台灣地區一年中多數時日之日射量偏高，因此使用遮蔭網進行生產十分普遍。所用遮蔭網型式不同，因此對於陽光的透光性能也不同。農民使用遮蔭網往往以經驗為 主，缺乏學理依據。製作廠商對遮蔭網的光學特性也未能提供測定資料。末來的農業生產面臨國際化的挑戰，品質必須不斷提昇，因此生產所用資材各種相關物性資 料也必須及早建立。興大農機系生物系統工程研究室與燕和公司合作進行相關研究，以國內農民慣用之兩型遮蔭網，探討在陽光下其全日射量，光合作用有效能量， 及可見光照度範圍之透過率性能與其分光光譜特性。研究方法與結果介紹如下，以做為生產者計劃生產之用。
遮蔭網材料與研究設備
此研究所用之遮蔭網共有兩型，由燕和公司提供，其結構如圖1所示。
一、針織扁紗網( Warp knitted nets by HDPE Film tape)
使用扁平狀紗線加以編織而成，扁紗之寬度為0.2-0.35mm，厚度為28-50um。為了加強強度，也有將縱向扁紗改用圓紗。圓紗之材質為HDPE塑膠顆粒熔解抽紗而成，直徑約為0.25mm左右。由交織作業中縱向(經紗)與橫向(緯紗)所用材料可再分類如下：
1.針織圓紗網：
經紗為圓紗，緯紗為圓紗，成本高，耐久性強。適用於外遮蔭，側遮蔭，防蟲網，防風網。
2 .針織圓紗網：
經紗為扁紗，緯紗為扁紗，成本低，不耐久。主要用於內遮蔭。
3 .針織圓紗網：
經紗為圓紗，緯紗為扁紗，成本與耐久性介於上述兩者。用於隧道栽培之內、外遮蔭。
此研究中採用第3種製作方法之材料，其經紗為圓紗，緯紗為扁紗。由於圓紗(經紗)與扁紗(緯紗)紡製而成的遮蔭網其強度較都使用扁紗製成之遮蔭網有更佳的強度，在此研究中採此種結構之扁紗網。由其材料之不同，有黑網、銀網之區分，由染色色料可製成各種顏色。此研究採用三種材料：黑色、銀色與白色。
二、針織網(Interlaced nets)
使用直徑大於0.1mm的單根經(Monofilament)交織編結而成，在縱向採用圓紗以增加強度。由於此種網係以單絲編織，在光線入射角接近水平時，光線在網內有折射放大作用。換言之，光線入射角愈小(例如早上或傍晚)，網的透光能力因散射光透過量之增加而增大。此研究中採用之材料有白色、紅色與綠色網共三種。
測定儀器
一、使用設備
(一)、全日射量日射計(Pyranmoter)
(二)、光合作用能量計(Quantum sensors)
(三)、可見光照度計(Photometric sensor)
(四)、分光光譜分析儀(Spectroradiometer)
使用LI-COR公司LI-1800光譜分析儀。量測各分光光譜下之能量，量測波長範圍300-1100nm，波長驅動間隔為1nm。在使用時與個人電腦連結，利用軟體收集資料，再進行計算比對。此研究中有兩個接收單色光鏡，可同時在同一光源下比對遮蔭網內外各分光譜能量。
(五)、溫度感測元件
(六)、數據記錄器(data logger)
二、量測方法
全日射量，光合作用能量，可見光量之量測使用活動手推車，在四周扶手附掛支柱以形成活動平台，遮蔭網掛在支柱上，離平台距離1公尺。在遮蔭網上方20cm處另外裝置平板，平板之陰影不干擾遮蔭網。平台四周以黑布環繞以減少四周與地面之反射光量。在遮蔭網下方1公尺之平台上放置全日射量日射計。光合作用能量計，可見光光度計各1具。遮蔭網上方平板也放置相同之3種儀器各一具。
遮蔭網溫度將熱偶線分別放置放大氣與遮蔭網上，其感測端(接點)以鋁箔紙包覆以反射太陽光輻射能，熱偶線再連接至數據記錄器。完成儀器與遮蔭網裝置後，啟動數據記錄器，每30秒測量一次，以每分鐘2次數據之平均值加以記錄。連接個人電腦讀出數據後，分別計算透光率。
分光光譜能量測定係將分光光譜儀放置活動平台上，四周圍繞黑布。遮蔭網固定於感測元件上方20cm處，另一只感光元件於陽光下。元件方向調整以正對陽光方向。啟動光譜儀同時掃描遮蔭網內、外之分光光譜能量。量測時間為天空晴朗，上午10:30~11:00分時段。
試驗結果
一、遮蔭網溫度
遮蔭網之溫度量測中，黑色針織扁紗網溫度在氣溫36℃時，可高至44℃，原因在於黑色之材質本身吸收之太陽光熱能變成內能使溫度增加。在陽光下，黑網溫度高於氣溫4-8℃。銀網雖然與黑網同為針織扁紗網， 但是材料增加銀色反光成份，自身吸收之太陽光能量較少，溫度在陽光下高於氣溫約為2℃。以白色針織扁紗網測試結果，網溫高於氣溫2-4℃。蓄熱能力反而高於銀網。
白色針織網其網溫與氣溫十分接近，差異值在1℃以內。以相同材質而染成不同顏色之針織網加以測試，無論是紅色、淺綠色或濃綠色，陽光下針織網溫度大於大氣溫度約在1℃以內。顯示此種細線編織方式對於減少陽光累積能量有其功效，而且自身顏色並不影響溫度變化。
在設施內外使用遮蔭網時，網具本身對陽光能量的吸收能力往往影響了降溫設備之功能。尤其以遮蔭網直接貼附覆蓋材料時，更增大熱累積量。由此結果可知扁紗材 料對陽光之能量吸收容易轉變為本身內能，而且以黑色材料最顯著，白色次之，添加反光材質之銀網較能疏解此問題。細紗針織而成的遮蔭網，熱累積並不嚴重，染 料顏色也未有顯著影響。
二、遮蔭網的透光率
(一)、針織扁紗網的透光率
黑色針織扁紗網廠商標稱透光率為30%，網內、網外全日射量對測定時間之分佈如圖2。其全日射透過率，光合作用有效能量透過率，及可見光透過率之分佈範圍為30~35%之 間，三種透光率並無顯著差異。由於透光率幾乎為定值，不因全日射量之強度變化而變化，因此在遮蔭網下方之日射量隨著大氣之日射量變動而變動。在陽光強烈的 時候，使用遮蔭網可以減少陽光進入能量，但在早上、傍晚或是雲層增厚時，遮蔭網下往往因此而日照量不足。補救方式是將遮蔭網固定裝置改裝成活動裝置，但是 設施成本為之增加。
銀色針織扁紗網的透光率廠商標稱30%，網內、網外全日射量對測定時間之分佈如圖2。三種透光率之分佈範圍為0.28-0.36，，三種透光率並無顯著差異。透光率分佈範圍比黑網更廣，原因歸因於網中所含的銀色反射成份，由於陽光反射比例增加，散射量也為之增加，因此透光率之變化較大。此研究中白色針織扁紗網之測定結果與黑色針織扁紗網相近。
(二)、針織網之透光率
兩型白色針織網之光透過率與網內、網外之日射量分佈如圖3與圖4。圖3中所用材料其製造廠商標稱透光率為50%。日射量隨時間之分佈先增加再降低，三種透過率之分佈則與扁紗網有顯著不同。在日照量減弱時(早晨與傍晚)，透光率反而增加，並未維持定值。三種透光率在不同日射量下無顯著差異。日射量在500-800wm-2範圍時，透光率為0.48-0.55。日射量在500wm-2以下範圍時，透光率則因日射量之減少而增加。
此種透光率之改變對設施內部光量強度之影響極為顯著。由於在外界陽光減弱時透光率相對增加，因此內部光量變化不大。換言之，設施內部光量之變動範圍不因外界陽光激烈變動隨之改變，因此設施內全天之內有較均勻之光量。
第二種白色針織網廠商標稱之透光率為70%。此試驗所測定的三種透光率在外界日射量大於500Wm-2時，其測定結果接近70%。在日射量低於500Wm-2時，透光率開始增加，但是增加比例不如第一型之針織網。由於第一型針織網透光率低，其結構細密，低光量時擴散效果好。第二型針織網透光率高(70%)，低光量時擴散折射之增強效果不如第一種材料顯著。而在天空有雲層而日射量急遽減少時，透光率也有增加現象。
三、遮蔭網的分光透過率利用分光光譜分析儀量測各型遮蔭網其分光光譜透光率（簡稱分光透光率），結果如下：
(一)、針織扁紗網
1.黑色網
黑色針織扁紗網之分光透光率如圖5。廠商之透光率標稱為50％，而由此圖可知，在近紅外光光譜範圍，透光率接近50％，但在可見光光譜範圍（380-760nm）透光率則降低到40％。由此可知此種國內設施栽培者慣用的遮蔭黑網雖然減少了一半進入內部的近紅外線光譜能量（代表熱能來源），但也相對減少了60﹪植物光合作用需要之光能。
2.白色網
白色針織扁紗網之分光透光率對波長之分佈如圖6。在400-900nm範圍波長，分光透光率接近廠商之標稱值60％。在900nm以上波長，透光率有增加現象，在1100nm波長，接近65％。與上述黑網比較，使用白網對光合作用有效能量透光率之影響性較小。
3.銀色網
此材料製作廠商標稱其透光率為25％。圖7之量測結果顯示，在600-900nm 範圍，量測之透光率接近25％。但在低於600nm與高於900nm之波長範圍，透光率則有增加現象，尤其在380-430nm紫外光範圍，在相同透光率的遮蔭網下，使用銀色針織扁紗網比利用黑色網其紫外光之透光率較高。因為紫色光之波長可促使花朵鮮豔，對開花作物而言，採用銀網將更為有利。
4.紅色網
網線材料染色後對於分光光譜能量之影響在此試驗中也加以測定比較。紅色針織扁紗網之分光透光率測定結果如圖8。原來60％之白色網經染製成紅色網後在波長600nm其透光率仍維持60％。大於600nm之波長範圍，透光率開始增加。在近紅外光範圍，透光率增大至70％以上。而在600nm以下範圍，透光率則降低為50％，在500nm波長附近（綠色光區），透光率更降低至40％。
5.綠色網
以原來30％之白色扁紗網，染成綠色後之分光透光率如圖9。在近紅光（波長大於800nm）範圍，透光率反而增加至40％以上。但在可見光範圍，透光率則接近30％。在綠色光區（波長470～550nm），透光率則增加至35％。顯示經過染色後，特定光譜範圍之透光率有增加功能。
(二)、 針織網
1. 白色網
利用針織法製成之白色網，其分光透光率如圖10。在可見光之範圍，透光率接近廠商標稱之50％，在近紅外線光譜區（波長大於800nm），透光率逐漸增加至55％。在可見光範圍與近紅外光範圍，透光率之差異僅約5％，可知透光率之分佈穩定。而國內黑色針織扁紗網之透光率在可見光範圍反而相對降低。
2. 綠色網
將原60％透光率的白色針織網經由染色而製成綠色網，其分光透光性如圖11。在近紅外光範圍，透光率則增強為70％，600～700nm範圍（橙色與紅色光區），透光率降低為55％，在綠色光區（470-550nm），透光率則增加為70％。此結果顯示遮蔭網的顏色對分光透光率產生影響。
遮蔭網光學物性之深入探討
未來之持續研究應包括以下工作項目：
一、遮蔭網與作物生長
此研究研究結果顯示，遮蔭網的結構與顏色，對於透光率有顯著影響。因此未來研究將結合作物生長性狀，以葉菜、果菜和觀賞植物為主要作物，觀察不同遮蔭網下對作物生長之影響。
二、使用時間對遮光率的影響
此研究所用材料為新品。往往在使用一段時期後，因材料老化，結構鬆弛，灰塵累積等因素而影響透光性。使用時間與使用環境對透光率的影響有必要持續研究。
三、染色技術對分光透光性之影響
白色遮蔭網經染色後對分光透光率產生影響。染色之色調濃淡將影響在特定波長範圍之分光透光率。此影響特性應再持續探討。
參考資料
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Eamir, N. 1999. How shade nets protected your crops. FlowerTech 2(3):40-42。
紫外光 200 1200 紅外光 遠紅外光
380 430 470 550 590 640 760
紫色光 藍色光 綠色光 黃色光 橙色光 紅色光
380 430 470 550 590 640 760
紫色光 藍色光 綠色光 黃色光 橙色光 紅色光
380 430 470 550 590 640 760
紫色光 藍色光 綠色光 黃色光 橙色光 紅色光
圖1. 兩型遮蔭網基本結構
針織扁紗網 針織網測定時間(小時) 測定時間(小時) 測定時間(小時)
圖2. 黑色針織扁紗網的透光率、網內、網外全日射量對測定時間之分佈
透光率 網內全日射量 網外全日射量 全日射量
( 全日射透過率， 光合作用有效能量透過率， 及可見光透過率)
圖3. 白色針織網(50%)的透光率、網內、網外全日射量對測定時間之分佈
透光率 網內全日射量 網外全日射量 全日射量
( 全日射透過率， 光合作用有效能量透過率， 及可見光透過率)
圖4. 白色針織網(70%)的透光率、網內、網外全日射量對測定時間之分佈
透光率 網內全日射量 網外全日射量 全日射量
( 全日射透過率， 光合作用有效能量透過率， 及可見光透過率)
圖5. 黑色針織扁紗網之分光透光率 透光率
圖6. 白色針織扁紗網之分光透光率 透光率
圖7. 銀色針織扁紗網之分光透光率 透光率
圖8. 紅色針織扁紗網之分光透光率 透光率
圖9. 綠色針織扁紗網之分光透光率 透光率
圖10. 白色針織網之分光透光率 透光率
圖11. 綠色針織網之分光透光率 透光率
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