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农业照明需要解决的几大核心问题

光亚展已经结束了,农业照明成为照明一个重心的在迅速发展,也有越来越多的人对农业照明表现出极大的兴趣。农业照明的市场潜力巨大,这是毋庸置疑的结论,中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所研究员杨其长曾指出,现代农业几乎所有领域都与人工光有密切关系!尤其在种植业(设施园艺、都市农业等)、畜禽养殖业(设施养殖)、水产业(设施养殖、诱鱼等)、种植业(露地生产,植保诱虫等)、其他(食用菌、微藻等)对人工光源需求迫切。仅就蔬菜这一项,我们可以作一个简单的设想,2014年全年中国仅蔬菜消耗总量大约为1300亿人民币,如果未来5年、10年、20年,有30%的蔬菜是通过农业照明来实现,那么这个农业照明的市场有多大可想而知。

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  但正如沙龙上,“十二五”国家科技重点专项(半导体照明专项)专家组专家杨海峰、北京世纪金沙江创业投资管理有限公司高级副总裁丁建华、中国之光网及农业照明网总经理洪兵所言,农业照明市场巨大,但基于农业照明涉及面的复杂性等原因,做大、做深并不是一件容易的事情。目前,农业照明痛点仍存,各种探索仍在进行。

  基础层面:农业照明涉及面的复杂性

  复旦大学电光源研究所刘木清、朱雪菘从下面五个层面阐述了这点。

  一、农业照明的多学科性

  如果把植物照明与动物照明纳入农业照明范围内,则其所涉及的学科包括植物学、动物学、生物统计学、照明技术、控制技术等。前三者是生物学的领域,后两者是照明技术的领域,学科跨度很宽,在这几门学科中,照明技术是技术手段,而生物学领域的内容是实验过程与结果评判。总体来说,生物学领域的知识是进行农业照明的最重要部分,但目前农业照明主要指的是采用LED的照明技术,而LED的高度灵活性,使得进行农业照明过程中,作为主体的农业或者生物领域的科学家,需要照明学家的高度配合,以实现各种动植物物种的最佳照明条件,同时照明学科在视觉领域的成功完善,也是农业照明值得借鉴的。因此,农业照明的学科与技术进步,需要农业及生物领域的科学家与照明领域的科学家密切配合。

  二、农业照明的复杂性

  作为1项与农业相关的科学与技术,农业照明继承了农业科学的复杂性特点,如前所述,其中包括两个方面:农业与照明。

  前者研究的物种非常多,且每1个物种,影响的条件因素也非常多。如植物生长的几个基本要素,阳光、空气、水,除此之外,种子、土壤、周边环境如温度、湿度、气候的变化等,也影响植物的生长。而动物方面,由于是活动的,包括的因素更多,即使所有这些条件一致,各个动植物个体的生长情况也可能有差异,这就决定了进行农业照明研究时必须以生物统计学的方法进行研究。

  另外在照明方面,也存在多个变数,包括照明的光谱、强度、时间与周期、光形式(稳态还是脉冲)等。

  以上两个方面,决定了农业照明的复杂性,尽管通过调控光的强度优化动植物的生长,可以保持其他条件相同的情况下进行,但可能存在的各种条件的相互影响将使研究问题更加复杂化。

  三、农业照明的试验难度

  农业照明的复杂性决定了农业照明研究的试验难度,体现在具体实验上就是试验的变数太多。尽管主要试验光照的情况,通过研究不同的光照条件,如照射强度、光谱、照射时间、照射周期、照射方式等情况下动植物的生长情况,并期望固定其他农业条件如温度、湿度、空气、水分、营养成分、种子等。但是这两类因素可能相互影响,因而在实际的实验研究中,要考虑的试验变化条件非常多,同时每个条件,出于生物统计学的考虑,也要具有一定的样本。这就使得试验条件多、样本多,再加上每个试验条件需要一定的生长时间,最后造成农业照明研究的情况是:试验样本非常多、试验时间跨度很长,农业照明成为了费时、费力、费空间的研究。举 1个例子,如果设置 3种光照条件变数,如光谱、强度、照射时间,每种变数采用10个分立值,则可知共有1 000种条件,加上生物条件如果10种,那就是10000种情况,如果每种情况10个样本,那就是100000个样本,如果每个样本要进行2个月,那么可以想象这个试验的难度。因此实际的研究,被迫采用减少试验变数以及减少每种试验变数的数量,笔者在阅读相关文献时,常发现采用的光照条件仅仅在10种以内,有可能出现所采用的试验条件中,没有最优的,因而不能搜寻出最佳结果。

  曾经报道过的铁皮石斛补光试验,在1个大棚里共6条苗床(占地一亩),安装以及调试了153只LED灯具和8盏荧光灯,644个样本的标记。数据采集进行了7个月,已完成了3批近20万个数据,通过分析得到最佳光照条件。现场情况如图1、2、3所示。

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  如图 3中可见, 113种不同的光环境组合环境中,仅有2种试验条件出现最佳的铁皮石斛生长情况,且这两种生长情况明显比其余生长情况优越得多。而其余111种光照条件下,生长情况比荧光灯对照组及无光照组没有太大的区别。可以想象,如果试验10种或者20种条件,很可能没法搜寻出最佳的光照条件。

  在LED之前,对采用传统光源进行补光也进行了大量的研究,但由于传统光源灵活性不够,很难实现多种光照条件,往往只能研究简单的几种光照条件,如前文所说的常采用10余种。因此,在LED很容易实现各种光照条件的情况下,重新详细的研究并筛选最佳光照条件,有很大的实际意义。

  四、农业照明的光选择性与光谱加权性

  农业照明普遍认为是有光谱选择性的,这与视觉照明一样,因而存在1个类似于视觉照明中的光谱视见函数的加权曲线,常被引用的曲线如图4、5所示。

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  人眼视见函数的研究也是经过大量的试验后得到的,由于各人种存在的差异较小,因而目前该视见函数被普遍采用。但植物照明的加权函数目前有的理论有限,较多的采用图5的植物叶绿素光谱吸收率,且受到很多质疑。实际上,看看各种植物的叶面光谱反射率的不同,也很容易想象到,不同的植物的光合作用加权函数很可能不同,因而有大量的研究工作需要进行。完成各种植物的光合作用光谱加权函数之后,可以参照视觉照明建立“光通量”的概念,即辐射通量到光合作用的物理量转换,并完成相应的测试手段等。

  动物的照明与植物类似,也存在相应的研究工作有待完成。

  五、评价指标的多样性

  照明学科中,视觉科学是研究光作用于人眼的科学,主要评价指标是视觉的清楚与舒适,牵着包含照度、亮度等指标,后者是眩光、频闪等指标。进入到农业照明,关注的指标则更加复杂,包括植物的生长、某些成分的含量等,进一步细化可以是植物的叶子面积、根茎、总高、颜色等,成分方面包括糖分、叶绿素等多个指标。实际上,除此之外还有很多其他的指标,如可以通过补光实现增加植物的生长,也可以反过来抑制某些东西的生长,这就会有另一类评价指标。

  动物照明的评价指标同样复杂多样,如用于肉鸡的生长补光照明,评价指标可以是鸡的生长速度,也可以是肉质,蛋白质含量等,可以考虑鸡的销售观感与死亡率等,甚至鸡的啄羽情况等。

  评价指标上的复杂性,更增加了农业照明的研究难度。值得一提的是,由于采用多个照明条件,且不同的生长阶段可能需要不同的补光情况,因而农业照明常与控制技术结合,即通过控制技术,实现整个照明的完全控制。

  半导体光源农业应用仍面临的其他瓶颈

  除上述学科的复杂性、基础研究成最大掣肘外,技术层面的难题还表现在,光配方研究缺乏、分子机制不清楚、机理研究停留在宏观层面;LED专用灯具及节能控制技术研发缺乏;农业LED研究人才(科教单位、企业层面)极度匮乏。此外,成本价格和产业化也是LED光源在农业领域的应用与推广所面临的瓶颈。

  杨其长表示,在成本方面,人工光LED成本已大幅下降,与荧光灯相比已具备一定优势,但一次投资偏高;补光LED成本仍较高,与高压钠灯比较缺乏竞争优势(补光7公顷温室 LED590万欧元,高压钠灯30-40万欧元)。

  在产业方面,产业化与标准化水平低,市场规模难以拓展;专门致力于农业LED专用灯具开发的企业不多,国内芯片厂商投入人力物力研发农业照明用的红光芯片也较少。兼业较多,规模小,难以与国际巨头竞争;国家对农业LED补贴政策(如农机补贴)缺乏。因此,在现阶段,基础研究、技术突破、降低成本,加强推广以及建立可持续盈利的商业模式都非常重要。

  虽然农业照明的发展仍面临重重困难,但中国LED植物照明之路并不是“哀鸿遍野”。十八届五中全会指出,“要大力推进农业现代化,加快转变农业发展方式,走产出高效、产品安全、资源节约、环境友好的农业现代化道路。”行业人士解读,从高产到高效,科技兴农是现代农业必由之路。除信息化之外,“十三五”规划还指出,可能涉及的现代装备、现代育种科技等都是未来重点扶持的方向。而从习大大前段时间参观植物工厂也可以窥探出国家对于农业照明的高度重视。

  总之,仍重而道远,农业照明的发展有赖于农业科学家和照明人士的密切配合、有赖于政策的大力支持,也有赖于你我的坚持。相信,终有一天,中国的LED农业照明将受世界瞩目。


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