「民以食為天」，實現糧食安全與永續農業，食物應該大都來自我們腳下的土地。臺灣人口密度及先天地理環境使然，農戶平均耕地規模僅約0.72公頃，屬生產成本偏高的小農經營形態，加上農村人口老化、耕種過程所使用的肥料與農藥造成地力耗損，養殖漁業超抽地下水造成地層下陷，以及地下工廠污染農業區土地水源等挑戰，推動可持續發展、高值的智慧農業成為當務之急。
固本保源 以有機質滋養農業根基
人有形形色色，土壤也是如此，每一片農地面臨的挑戰都不同。土壤的化學性、物理性、生物性這三大條件，只要任何一項出狀況，植物就不會健康；此外病蟲害增加，是土壤地力退化造成最直接可見的問題。
中研院院士暨國立中興大學土壤環境科學系中興講座教授楊秋忠曾經在全臺舉辦過600多場演講，最常聽到農民抱怨「現在的肥料愈做愈差」，但這其實是日積月累的不良結果。每片農地的條件不同，施肥的效果本來就會有所差異。而地力流失的土壤就如同消化系統不佳的人，營養吸收會打折扣，農民誤認為施肥效果不好，因此化學肥料便愈加愈重，反而形成惡性循環；農藥使用也面臨相同困境，當農藥份量加重容易產生抗藥性，進而影響食品安全。
楊秋忠院士指出，只要種植作物就必須從土壤抽取養分，化學肥料和農藥的惡性循環亦會持續累積。此外，臺灣農地也面臨其他挑戰，如設計灌溉與排水的水道不分而造成的土壤汙染、過度翻土導致其中有機質含量偏低、水資源不足及土壤流失等。地力指標來自土壤中的有機質，一旦有機質降低，土壤便缺乏緩衝力，任何環境的細微變化都可能造成土壤快速酸化，而不正確的土壤保養方式也加快有機質分解速度。
智慧農業可以利用AI和大數據等科技，可輔助農民避免僅憑經驗判斷而耕作。即使是同一片農地的不同位置，有機質含量並非完全相同，舉例來說，出水口和入水口位置的土壤就有明顯落差，若以無人機拍攝土壤表徵，建立大數據並結合AI分析，就能提供精準施肥及施藥的建議。
以智慧科技輔助改善施肥或施藥，雖有一定效果但仍未治本。聯合國2015年永續發展目標之一即為保護、維護及促進陸域生態系統的永續使用，永續的管理森林，對抗沙漠化，終止及逆轉土地劣化，並遏止生物多樣性的喪失。因此，提升土壤有機質才是長期目標。土壤是農業的根本，作物與土壤相輔相成，好比沙漠裡種不出任何東西，唯有治本的才是長久的解決之道。
長期研究農地生態價值的國立中興大學柳婉郁特聘教授指出，農業為促進糧食供給與經濟增長之重要產業，農業多功能性為永續農業與農村發展的重要管理工具。將農地生態對人類社會的貢獻透明化，有助於農地生態環境等議題之政策制定與管理。因此，柳婉郁研究團隊分析臺灣整體農地生態系服務價值，將生態價值分為大氣、水、土壤與生物資源四類，並依據此四類之農地生態系服務建立指標因素，研究顯示永續農法下之農地生態價值比起慣行農法之農地增加34.31至45.54％。
善用有機廢棄物 一舉數得落實環境永續
楊秋忠院士以數據說明，臺灣每年產生的有機廢棄物超過2,000萬噸，其中包括廚餘及環境有機物如修剪的枝葉，然能製作成有機堆肥的比例卻只有2.4％，其餘全進了焚化爐或掩埋場，這加速設備、土地的耗損，勢必未來將付出更高的成本；農業廢棄物做成堆肥的比例也不盡理想，約為49％。令人更擔憂的是臺灣農地使用有機肥的比例僅4％，但化學肥料使用量則高達96％。此外，化學肥料原料並非臺灣生產而是全數來自國外，運到臺灣後再進行加工、分裝。
如果能將2,000萬噸的有機廢棄物製作成有機堆肥，滿足國內需求綽綽有餘，製作而成的氮肥、磷肥、鉀肥，無論是產量和品質都超越化學肥料。目前也有成熟技術可將堆肥時間由3個月縮短至3小時，只要大量生產就能降低成本，唯一問題在於有機肥比較重，施肥較不方便。對於平均年齡偏高的農業從業人口來說，結合小型的智慧機械來協助搬運及施肥是必要的協助。因此，楊秋忠院士執行科技部人工智慧製造系統(AIMS)研究中心計畫，研發無人有機廢棄物的人工智慧快速處理廠，衍生地天泰農業生技股份有限公司，開創了專業有機廢棄物處理用標靶酵素製造及有機廢棄物處理規劃服務之商業模式。
有機農業的推廣，可以提升土壤的地力和有機質，也能降低病蟲害；相對地，有機廢棄物的再利用，則可避免資源的浪費。楊秋忠院士指出，土壤有機質增加1％，就等同於地球光合作用50％的效力；而臺灣農地的有機質若增加1％，以60萬公頃的面積計算，等同於全臺灣森林的固氮能力的總和，土壤的碳吸存能力也能有助於降低碳排放。
楊秋忠院士說：「農業發展策略的改變，攸關環境的永續，有機農業是一舉數得、一勞永逸的未來願景，也是臺灣農業永續發展的唯一生機。我們必須將農業視為產業，逐步落實2050年臺灣有機島的目標，才能讓臺灣農業脫胎換骨，而非一直走下坡。」
必須將農業視為產業，逐步落實2050年臺灣有機島的目標，才能讓臺灣農業脫胎換骨。
中研院院士暨國立中興大學土壤環境科學系中興講座教授楊秋忠教授
智慧精準生產 協助雞農數位轉型和二代接班
科技部人工智慧製造系統(AIMS)研究中心主任簡禎富講座教授團隊，則是把在高科技產業累積的智慧精準製造技術移轉協助農業4.0的推動，因為肉雞屠宰前需先經過相關檢驗以確保食品安全，因此雞農必須在收雞前提前預約，而客戶對於屠宰後的光雞有一定的規格要求，最後階段的餵養對肉雞的重量又有很大的影響。透過物聯網設備、雲端資料庫技術整合，透過架設於飼養雞舍內智慧物聯網（AIoT）、監控影像和肉雞即時秤重系統，收集雞舍即時重量資訊，利用大數據分析技術預估肉雞毛雞重量值，有效降低平均出雞重量誤差在5%內，提供雞農作為最佳收雞時點的決策依據，並已在多個廠域導入驗證成功。
雞肉是重要的蛋白質來源，土雞肉雞蛋雞也是臺灣畜產業重要的一環，由於雞舍環境和勞力密集的飼養方式，因此也面臨接班的問題。智慧精準生產技術能使雞農能夠更有彈性且即時瞭解雞舍內資訊，調整雞舍內設施擺放，以改變雞隻分布集中性，優化餵食策略以降低飼料成本，維持整批肉雞的高均勻度以符合客戶規格要求、提升雞農利潤。此外，當此系統廣泛應用到各飼養戶時，大型食品廠或屠宰業者可透過整合不同雞舍的即時重量資訊，開發收雞作業管理的最佳化決策模式，打造養雞產業之聰明生產系統，減少存貨成本與浪費，並可擴展至水產養殖等產業。
串接智慧科技 精準打造可控環境
國立清華大學資訊工程系特聘教授兼電機資訊學院院長黃能富教授則以人為著眼點，研究智慧農業。例如：臺灣務農人口平均年齡偏高、在特定期間如採收期需要大量人力時的缺工問題，以及因為氣候變遷引發大乾旱、超級寒流等挑戰，農民累積數十年的經驗很難再適用。
科技的串連就是最可行的改善方案之一，包括物聯網（IoT）、人工智慧物聯網（AIoT）、自動化設備，以及設施農業如簡易溫室保護，藉以抵禦劇烈的天氣變化。這些做法的主要目的是讓環境變得智能可控，讓農民不再只看天吃飯。
黃能富教授帶領的團隊及其開發的解決方案，早在5、6年前已於臺灣南部大面積種植水果農家試行，目前全臺合作對象多達3、40家農家。以溫室種植高經濟價值或專供外銷的水果，因此必須確保品質優良、穩定及充足的供貨量，作物包括有芒果、蓮霧、柚子、香蕉、火龍果、印加果及其他作物如稻米、咖啡、有機蔬菜。
AIoT可透過感測器收集農場環境條件如溫度、溼度、日照、風向、雨量，或是土壤條件如酸鹼值、土壤溫溼度，作為施肥及灌溉的依據及判斷作物在不同成長期間所需不同元素的肥料如氮肥、磷肥、鉀肥。過去沒有感測器，只能看到土壤表面的變化，無從得知地底下發生什麼事。現在有了科技的輔助，更能讓農民清楚掌握農地數據，進而解讀數據並做出判斷與對策。此外，AI還能提供更多輔助功能，如作物成長過程的影像辨識，包括作物成長高度、葉片色澤、斑點等，達到病害、蟲害的早期預警；此外，若遇連日高溫高濕，作物經常會引發炭疽病，也可透過AI可調控設備，自動降溫或調整溫溼度，進而降低或避免農作物染病的風險。
AIoT對環境和土壤的監控功能，在溫室或露天環境都能進行，目前的感測器技術已成熟且價格合理，然而自動化控制較適合應用在溫室等可控環境，以調整出不同水果合適生長的環境，例如溫室種植草莓的產量和品質可以雙雙提升。
臺灣農業的實力強，卻很需要幫忙，讓智慧科技成為農業升級的靠山，成為輸出國外的優勢。
國立清華大學資訊工程系特聘教授兼電機資訊學院院長黃能富教授
打通銷售管道 建立整廠輸出模式
解決生產問題之後，下一步就是銷售，供需失調也是長久以來困擾農民的問題。黃能富教授以「區塊鏈」作為解決方案，因區塊鏈不可竄改的特性，可完整記錄種植及田間施作過程，自動收集資料並上傳雲端後，轉入區塊鏈保存，銷售過程時讓消費者能清楚看到種植過程相關影像、影片或數據，提高消費者對作物及農民的信賴度。
黃能富教授說明，智慧農業的目標是在產銷及通路都要對農民有利。像是與其合作的臺南及屏東農場，專門生產外銷日本的溫室芒果，自2021年6月開始出貨的禮盒皆附有區塊鏈溯源QR Code，掃描便能知曉產地和種植過程，甚至送禮的一方還可以拍攝影片給收禮的對象，預料2022年鳳梨、蜜棗、柚子也會加入同樣的行銷方式。
推動智慧農業的過程也有不少挑戰。臺灣以小農為主，在資本有限的情況下，建立智慧農業對農民來說是額外的投資，因此必須用具體可見的好處及成功案例，加上長時間溝通以建立農民接受度。另一個挑戰在於IoT技術成熟，AI仍在起步期且需大量農業專家的參與，不同作物則應有不同領域專家協助，才能精準判斷數據、解讀問題。臺灣雖然有充沛的人才，但卻缺乏讓不同專業共同合作的平臺，是必須解決的當務之急；此外，農業專家所擁有的Know-how及智財權的計費模式，甚至是收費觀念的建立，也還在萌芽階段。
黃能富教授表示，最完整的智慧農業解決方案是AI及IoT技術、自動化控制設備及農業專家的組合，先在臺灣驗證成功的經驗後，就能向國外整廠輸出完整的解決方案。例如黃能富教授團隊的產業界合作夥伴，於2019年曾和印尼洽談整廠輸出的合作案，作物是香蕉和火龍果，印尼的優勢是有人、有地、有市場，但缺資金、缺技術，正好與臺灣互補。
來自花蓮農家的背景，讓主攻資訊科技的黃能富教授選擇了一條不同的路。他說：「臺灣在半導體、醫療、工具機、工廠自動化的發展很強，產值也很高；而臺灣農業的實力很強，卻很需要幫忙，希望透過大家的努力，讓智慧科技成為農業升級的靠山，進而成為可以整廠輸出國外的臺灣優勢。」
為因應氣候變遷之挑戰，推動農業轉型增加農地韌性，應結合智慧科技，發展屬於臺灣的「氣候智慧農業」(Climate-smart agriculture, CSA)，柳婉郁教授指出，「能以生態永續的形式，增加產量、韌性、減少溫室氣體排放，以及促進臺灣糧食安全及發展目標之農業。」根據研究顯示，氣候智慧農業之有效策略包括：多樣化生產分散氣候風險，並能創造不同就業機會也增加糧食系統的價值；透過智慧技術保護傳粉媒介，保護自然資源，以維持生產永續；增加農村民眾與社區系統之復原能力；持續發展新農業技術提高農產安全性，例如，整合農業用智慧感測元件與系統整合系統，開展農場之生物生產感知系統，結合GIS、氣象與水資源等大數據分析決策模組，推升更具氣候韌性且高品質之精準農業生產等。
農業為立國之本，更與全民息息相關，除了攸關糧食及消費者安全，亦涉及環境保育及生態永續。2021年4月22日世界地球日，美國拜登總統承諾2030年溫室氣體將比2005年減少50%，日本承諾2030年時溫室氣體排放量將比2013年水準少46%，而臺灣蔡英文總統也宣示2050年將達100%碳中和(淨零排放目標)。農業碳排量主要來自肥料、牲畜以及糞肥，若臺灣能將智慧技術加入農業，換言之加強氣候友善的農業技術，生質燃料的發展，碳的吸收與截存，讓農業不僅是溫室氣體排放來源，藉樹林與農地吸收二氧化碳更是減碳關鍵。因此，智慧農業和優質農村要提高農民收益減少勞動負擔，進而提升農業的多元價值，從食品安全到自然生態共生、資源永續、環境優化、景觀價值、歷史文化，帶動國民健康樂活休憩等生活品味，並提升社會的韌性與人民的福祉。
（客座總編輯 | 國立清華大學工業工程學系講座教授 簡禎富；研究顧問團隊 | 國家實驗研究院副院長 林博文、國立清華大學電子工程研究所特聘教授 徐碩鴻、中央研究院資訊科學研究所所長 廖弘源、國立清華大學電機資訊學院院長 黃能富、國立臺灣大學電機工程學系 廖婉君；責任編輯 | 段芊卉、葉于甄、林怡君）
