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  21世纪是生态农业的世纪,而物理农业是实现生态农业的主要技术途径之一,在众多的物理技术手段中,光学技术起着至关重要的作用,现代农业“光的世纪”已悄然而至。尤其是电光源的应用无处不在,农业科研、生产活动与光密切相关。节能、高效光源研发是实现人工光设施植物生产发展需要解决的首要问题。迄今,在农业照明领域使用的人工光源大多存在光效低、能耗大等缺点。另外,这些光源的光谱相对固定,对植物无效波长较多、产生的热量大,无法近距离照射植物。因此,开发高光效节能光源是农业领域人工光植物栽培的重要课题。


  随着光电技术的发展,LED(Light Emitting Diode,发光二极管)研制成功,使得低能耗LED光源在农业种植领域的应用成为现实。LED是由Ⅲ~Ⅳ族化合物,如砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)、磷砷化镓(GaAsP)等半导体材料制成。与其他传统光源相比,LED光源不仅具有光电转换效率高、体积小、寿命长、耗能低等优势,而且光谱(红/蓝光比例或红/远红光比例等)易于组合与调控。随着光电技术的不断革新,LED应用的性价比快速提升,为这一新型光源的普及与应用提供了重要条件。


  LED应用于农业领域,能够给社会和人类带来真实的物质财富和经济效益,不同于亮化照明只带来的视觉感受,两者具有不同的区别和意义。采用高效、绿色环保的LED光源、适宜的光照策略和智能光控方法,能够解决不适合光环境对农业生产活动的制约,促进植物生长发育,达到增产、高效、优质、抗病、无公害的目的,这对于增强农业产出能力、改善民生、保障农产品安全、加快我国农业现代化发展具有非常重要的现实意义,同时能够为半导体照明产业开拓广阔、持久和更为巨大的消费市场,促进我国LED产业的可持续发展。LED在农业种植领域的应用发展势头迅猛,被认为是21世纪现代农业领域最有应用前景的人工光源。


  1 、LED植物照明技术分析及技术优势


  1.1LED植物照明关键技术


  近年来,随着设施农业的快速发展,对植物照明的研究越来越多。由于植物生长对光环境有特定要求,因此需要严格把控光学参数,使其符合相应植物的生长需求,以此选择出合适的光源、确定光源的数量及排布,根据植物对光的合理需求为光源研制应用提供适宜的方案。


  LED植物照明技术发展需要重点考虑以下几个关键要素:


  (1)光谱分布


  大量的研究表明红光和蓝光是植物生长最重要的两种光谱。植物一般依靠叶片中的叶绿素吸收照射光,其吸收波段一般处于蓝光和红光区域,如图1所示。吸收光在植物体内经光合作用转换为有机能量,用以生长繁殖。因此,对于植物照明产品,首先应考量其吸收波段的辐照度,一般为400~500nm蓝光和600~700nm红光波段的辐照度,以及需要确定所选组合植物照明的光谱组成、范围、值波长和色温等。


  (2)光照度


  植物接受光照度不同,将直接影响植物的生长发育和结构特征。研究发现,光照度影响光合速率。随着光照度增大,光合速率将不断上升,直至光饱和点。同时,光照度影响作物的形态结构、花芽分化和果实产量。光照度影响作物的生长发育,其影响程度因作物的种类和特性而不同,因植物对光照度需求的不同,可将植物分为阳生植物、阴生植物及中生植物,这些植物都需要合适的光照度才能良好生长。


  (3)光均匀度


  由于LED发光具有较强的方向性,且可能存在空间光色分布不均匀性,因此,在大面积种植场合,还应考察植物受照面上辐射照度均匀性,以获得高质量的均匀照明环境。


  (4)昼长(光周期)


  光照度和特定的光谱波长显著地影响着植物的生长发育,同时光周期也对植物的生长发育产生着深远的影响。不仅影响植物的花芽分化、成花诱导和花性分化、植物的休眠,还影响植物的营养生长和生理分化。不同植物对光谱的需求不同,不同生长阶段对光谱的需求也不同,设施农业中的人工补光必须遵循植物的光生理特性,才能达到最佳的补光效果。因此,不仅需要准确测量LED光源的光谱组成,还要能够知悉照度随时间变化的情况。


  1、2LED植物照明技术优势


  光是植物生长发育最为重要的环境因素之一,对于植物的光合作用和生长发育新陈代谢都有着直接的调节作用。目前已知的环境因素,比如相对的潮湿、温度、光强度和光质量都对植物的生长和发展有着密切的影响。而在这些因素中,光谱分布则直接影响植物干的生长,侧分枝,叶扩展和色素的沉积等主要的生长指标。近几年来,LED植物照明技术广泛应用于农业领域主要源于以下几点优势:


  (1)具有光波长与植物要求吻合的优势


  LED植物生长灯具一直以来都被看作是未来植物照明领域的主流产品。LED的光谱域宽在(±20)nm左右,波长正好与植物光合作用和形态建成的光谱范围吻合。植物光合作用在可见光光谱380~760 nm范围内,所吸收的光能约占生理辐射光能的60%~65%,其中主要为波长610~720 nm的红、橙光和波长为400~510nm的蓝、紫光。LED能够发出植物生长所需要的单色光光谱,光能有效利用率可达80%~90%,并能对不同光谱和发光强度实现单独控制。表1列出了不同类型光源的灯具在各类植物照明场合的适用情况。


  (2)具有宽幅可调性


  目前植物工厂使用的光源大部分都是复合光谱,其光谱比等一些光环境因素难以调节,无法满足不同植物的需求。LED作为单色光光源,可以有效调节红蓝光谱比、远红外光谱比等一系列的光环境因素。同时LED本身的光照强度也具有很多调节方式,如直流电源调光、脉宽调制(PWM)调光、分段式开关调光等。根据不同植物的需求,可以自由调节光环境因素,形成最适宜植物生长发育的光环境。


  (3)提高空间利用


  对于植物工厂而言,空间利用率的大小也是决定其产能的一个关键因素。由于选择单色大功率LED,可以有效控制光谱中红外和远红外光谱分布,从而可以实现对植物进行近距离照射而不会发生灼伤植物的现象。同时由于LED光源体积小,可以自由设计照明系统的形状,大幅度提高光源利用率和空间利用率,适用于多层多段紧凑式的栽培模式,在如今耕地面积不断减小的形势下具有积极的意义。


  2、国内外LED植物照明产业发展状况


  2.1全球LED植物照明发展概况


  多年来,国内外学者围绕LED光源在植物照明领域的应用进行了不懈的探索,取得了重要进展。首先,就红蓝光及其组合光源对植物生长发育的影响进行了研究,充分证明了红蓝光作为光源栽培植物的可行性。到目前为止,LED已成功用于植物的栽培,并在植物补光、组培、植物工厂以及太空种植领域取得重要进展。国际有关LED照明在植物生产中应用的研究主要侧重于不同光谱能量分布对植物生产的影响。研究主要着眼于不同光质的LED照明对植物生长、光形态建成、光合作用、叶绿素荧光特性、次生代谢及产品品质的影响,进而从分子生物学的角度探究植物对不同光质反应的分子机理。


  全球LED植物生长灯产值从2013年起已开始呈现高速成长态势,从不足1000万美元规模增长至2014年的3 500万美元左右,2017年更有望达到3亿美元。LED作为植物照明光源可以广泛应用于设施栽培、组培培养、植物工厂等众多领域,具有促进植物生长、调节植物形态以及节能环保等多方面优势。其中,植物工厂集现代生物技术、信息技术、人工环境控制等多种高技术于一体,不仅产量高于陆地栽培多倍,而且还可以在戈壁、荒漠、海岛、水面甚至城市大楼里等非可耕地上进行生产,也被认为是未来解决人口、资源、环境等问题的有效技术手段。目前国际上各大知名照明产品制造商均已涉足LED植物照明领域的技术研发和生产布局并各具发展优势。


  2.2国内LED植物照明产业状况分析


  我国LED植物照明起步晚,但发展迅速,在设施园艺、畜禽养殖、渔业植保等方面具有推广应用的潜力。CSA Research的数据表明,2015年我国仅植物照明产品产值为1.9亿元,预计到2018年达到5亿元。目前我国从事植物半导体照明的企业数约为150家,2014年LED植物照明产品出口额为1100万美元,相对于3 000多亿元的LED半导体照明产业仍是非常小的份额。


  据估算,未来我国从事农业半导体照明的企业数在250~400家,产值在10亿元以上。国内进军LED植物照明领域的厂商以具有一定研发实力的成长型企业为主。


  从目前进入LED植物照明领域企业的情况来看,主要有以下特点:


  首先,我国LED应用企业数量众多,但LED植物照明是一个新兴领域,2005年以后我国相关机构才开始进行该领域研究,因此进入LED植物照明领域的企业和机构并不多,还没有一家企业在此领域具备明显的优势。从区域分布上来看,我国涉及植物照明产品企业主要集中在广东、江浙地区和北方尤其是北京地区。


  其次,多数企业对该领域的发展还处在观察和洽谈阶段,并没有在植物生长核心技术和下游销售渠道建设等方面进行大量投入,产品的发展规划不太明确。


  再者,LED植物照明在多数相关企业中并没有作为企业的支柱产品,而只是结合示范工厂联合推广、小规模的试制LED植物照明灯具产品。


  总体来说,由于市场发展阶段的原因,企业间的竞争并不是十分激烈,具有技术优势(包括植物栽培技术和LED核心技术)的企业,在竞争中将居于十分有利的地位。但随着未来LED成本的降低和LED照明栽培技术的成熟,行业内的竞争将日趋激烈。


  3、结语


  发展现代农业,保障粮食安全和农产品有效供给是我国的长期方针政策,也是应对人口增长、资源减少、环境污染、气候变化等问题的重要举措。光照是设施农业动植物生长发育和优质高产的关键环境要素,随着LED光源的发明和推广应用,使得设施农业得以彻底全面地调控光环境(光强、光质和光周期),LED光源的特性优势和已有研究基础均表明,LED可以广泛应用于植物栽培、温室补光、植物组培、植物工厂,是植物照明光源未来重点发展方向。我国LED植物照明起步较晚,仍处于研发合作或示范推广阶段,整个市场竞争格局并不明显,成规模有绝对市场优势的企业寥寥无几,市场空白有待填补。


  国内LED植物照明产业经过这些年的推动,尽管已经取得了较快的发展,但仍然存在诸多问题,例如:同质化严重,企业缺乏核心竞争力。产业链间缺乏配套与协作,研发力量待整合。财政支持力度不够,行业标准体系不完善,科普知识未普及,传统观念未转变等。


  为解决当前LED植物照明产业存在的问题,应立足于未来LED植物照明市场发展需要,理清技术、产品、市场、应用与标准之间的关系,达到有时间性和阶段性地实施战略新兴产业技术和标准规划,加快构建产业标准体系和促进产业健康快速发展,可采取以下几点措施和对策:


  (1)重点培育龙头品牌企业


  建议国家相关部门根据产业发展布局,重点培育有较好研究基础和较强技术实力的企业,充分发挥龙头企业的引领和带动作用。企业应抓住机遇,结合自身实际科学规划,制定长期发展战略;加大人才投入,建立固定的研发团队,加快自主核心技术研发与创新。


  (2)加大对行业内共性技术问题的研究力度


  充分实现政府政策指引、科研机构规划引导、企业技术创新与实践、高校理论研究与支撑的有机融合,联合国内外致力于LED植物照明技术创新、应用、标准化、检测和研究的相关企业、科研院所和各大院校,积极整合、协调LED植物照明产业及社会资源,努力推动技术创新,组织重大技术联合攻关。


  (3)加大政府财政资金扶持


  建议国家持续关注并加大力度扶持LED植物照明产业发展,制定LED植物照明专项扶持政策,设立专项产业扶持基金,并联合民间资本力量共同研究和推广LED植物照明技术。


  (4)加快将创新成果转化为技术标准


  共同研究和研发形成的技术沉淀与积累,在条件成熟时,在试点企业中开展数据验证等工作,使得标准的制定更加科学、高效,适时上升为地方、行业、国家甚至国际标准。积极借鉴国外LED照明产品技术标准制定,与国际接轨,尽快打通走向国际市场通道。


  (5)加强相关科技舆论推广宣传


  建议在政府的主导下,企业配合政府通过多种渠道途径加强相关科技舆论推广宣传,例如:通过电视网络等大众媒体加大科普知识宣传、通过召开会议讲座、安全示范引导国人观念改变等。

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