設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明及其研發(fā)中的科技問題

劉文科，楊其長

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點實驗室，北京 100081)

隨著世界人口增加，農(nóng)產(chǎn)品需求持續(xù)增加，而農(nóng)業(yè)資源不斷減少，環(huán)境污染日益嚴重，氣候變化及其災(zāi)害逐年增多，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力及其穩(wěn)定性大幅下降，糧食和食物產(chǎn)出難以保證，食物數(shù)量安全與質(zhì)量安全問題日益凸顯。設(shè)施園藝是環(huán)境可控農(nóng)業(yè)，生產(chǎn)穩(wěn)定性高，在保障“食物安全”和農(nóng)產(chǎn)品有效供給方面發(fā)揮著不可或缺的作用，已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)主體。設(shè)施園藝可通過環(huán)境控制促進或延遲農(nóng)業(yè)生物的生長發(fā)育與繁殖過程，按照人類的時空要求獲得所需要的植物和食用菌產(chǎn)品。我國設(shè)施園藝栽培面積高居世界首位，已近400萬公頃，產(chǎn)值超萬億元。

設(shè)施園藝要實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展迫切需要綜合性、全面智能化環(huán)境控制技術(shù)的支撐，以克服環(huán)境逆境，創(chuàng)造適宜的生產(chǎn)條件。光照是設(shè)施園藝生產(chǎn)重要的環(huán)境因子，為了獲得較高的產(chǎn)量和高品質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品，生產(chǎn)過程中園藝設(shè)施內(nèi)包括光照在內(nèi)所有與農(nóng)業(yè)生物生產(chǎn)相關(guān)的環(huán)境因子都有必要實現(xiàn)人工或智能調(diào)控。設(shè)施園藝生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境因子控制越多越精準，越是符合園藝生物需求，就更有利于設(shè)施園藝生產(chǎn)潛力的發(fā)揮?？v觀設(shè)施園藝環(huán)境控制技術(shù)發(fā)展歷程，光照是繼溫度、濕度、CO2濃度、氣流等環(huán)境因子之后，園藝設(shè)施中最后一個實現(xiàn)智能控制的重要環(huán)境因素。其主要原因是在發(fā)光二極管(LED)這種固態(tài)半導(dǎo)體電光源出現(xiàn)之前，傳統(tǒng)電光源均無法實時調(diào)控其光強和光質(zhì)成分，無法實施智能控制。現(xiàn)今，基于LED光源良好的可控性和光電優(yōu)勢，采用LED補光或人工光環(huán)境調(diào)控可以很好地克服不適光照條件對園藝生物生產(chǎn)的制約，對保障設(shè)施園藝優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)至關(guān)重要。

1 設(shè)施園藝生產(chǎn)對人工照明的客觀需求

光環(huán)境調(diào)控為物理性調(diào)控，生態(tài)安全，環(huán)境負效應(yīng)少。設(shè)施園藝作為環(huán)境可控的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，發(fā)展光環(huán)境調(diào)控技術(shù)是其內(nèi)在要求，更是客觀需求，主要表現(xiàn)在兩個方面。其一，溫室人工補光十分必要，需求迫切。補光方式包含兩類，一是通過可見光調(diào)控(PAR)，強化光周期和光合作用；二是通過UV和FR調(diào)控形態(tài)和品質(zhì)。溫室人工補光必要性主要基于以下幾點：(1)弱光寡照脅迫。夏季連陰雨天、冬季連陰雪天等導(dǎo)致的設(shè)施弱光寡照脅迫常造成的嚴重的生產(chǎn)危害，導(dǎo)致作物減產(chǎn)甚至絕收。(2)霧霾天氣。2012年以來，我國霧霾天氣的發(fā)生頻率、持續(xù)時間及影響地域范圍呈逐年增加的趨勢，霧霾發(fā)生時段長達7個月(10月至次年4月)。霧霾天氣條件下光照強度下降20%～90%，嚴重影響作物的光合作用，開花結(jié)果，并易孳生病蟲害，造成作物減產(chǎn)甚至絕收。而且，冬春季霧霾頻發(fā)期與設(shè)施園藝生產(chǎn)關(guān)鍵期重合，加劇了危害程度[1]，對菜農(nóng)收益影響巨大。(3)高緯度地區(qū)光周期調(diào)控。在高緯度短日照地區(qū)迫切需要進行延長光周期的調(diào)控，增加光照時數(shù)。(4)長日照植物生產(chǎn)需求。在日照時間不足地區(qū)生產(chǎn)長日照植物需要增加光照時數(shù)，促進其完成生長周期?？傊瑸榭朔鲜鲈O(shè)施園藝生產(chǎn)的光環(huán)境問題，進行人工智能補光是直接有效的途徑[2]。其二，完全人工光設(shè)施生產(chǎn)光環(huán)境調(diào)控。精準智能化光環(huán)境調(diào)控是人工光植物組培、植物工廠、食用菌工廠和育苗工廠等領(lǐng)域優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、能耗與生產(chǎn)效率的決定性因素，必要性十分突出。通過光環(huán)境調(diào)控，可改善作物形態(tài)，增加產(chǎn)量，并按照人類需求定向增加有益化學(xué)物質(zhì)的含量，降低無益物質(zhì)的積累，提高農(nóng)產(chǎn)品的能值和營養(yǎng)保健價值，實現(xiàn)真正意義的優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)[3-5]。

2 農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明的定義和內(nèi)涵

傳統(tǒng)照明是視覺應(yīng)用，是通過人工光或自然光組成的照明系統(tǒng)(照明裝置)將具有特定光度、色度要求的光，按科學(xué)設(shè)計的分布特性，傳遞到目標客體，供人類感知，獲取信息[6]。農(nóng)業(yè)照明是包含視覺和非視覺功能的照明應(yīng)用方式，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)照明是指按照農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各領(lǐng)域的生產(chǎn)目標要求，利用光電光源人為創(chuàng)造適宜光環(huán)境或彌補自然光照的不足，調(diào)控農(nóng)業(yè)生物的生長發(fā)育和繁殖的一種農(nóng)藝措施。LED的出現(xiàn)推動農(nóng)業(yè)照明進入了新的發(fā)展階段，稱之為農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明，屬于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)照明的范疇的新型照明方式。農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明是指采用半導(dǎo)體電光源及其智能化管控裝備，按照農(nóng)業(yè)生物的光環(huán)境需求規(guī)律和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各領(lǐng)域的生產(chǎn)目標要求，人為創(chuàng)造適宜光環(huán)境或彌補自然光照的不足，調(diào)控農(nóng)業(yè)生物的生長發(fā)育和繁殖，以實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效、穩(wěn)產(chǎn)生產(chǎn)目標的一種農(nóng)藝措施。農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明的特征：(1)農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明的電光源是第四代半導(dǎo)體固態(tài)光源-發(fā)光二極管等現(xiàn)代電光源；(2)電光源光譜可精準調(diào)控，光強、光質(zhì)和光周期可進行實時的管控[7]；(3)能夠滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各個領(lǐng)域光環(huán)境調(diào)控的需求，實現(xiàn)高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)產(chǎn)的目標；(4)農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明既包含視覺照明范疇，也包含了非視覺范疇。其中，植物和食用菌照明屬于前者，畜禽養(yǎng)殖照明屬于視覺范疇；(5)農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明可徹底突破自然光照明的晝夜和年際光周期規(guī)律，按照需求完全控制光照條件；(6)光環(huán)境調(diào)控需要與其它環(huán)境要素控制協(xié)同進行，綜合協(xié)同調(diào)控。設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明是設(shè)施園藝工程學(xué)科的新興研究分支，是農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明的最重要組成部分，是半導(dǎo)體照明非視覺應(yīng)用的重要領(lǐng)域，我國設(shè)施園藝需要大力研發(fā)半導(dǎo)體照明技術(shù)裝備，加快應(yīng)用進程與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

3 設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明應(yīng)用領(lǐng)域及其復(fù)雜性

設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明研究的生產(chǎn)系統(tǒng)主要是設(shè)施園藝生產(chǎn)系統(tǒng)，生物種類涵蓋蔬菜、花卉、種苗、食用菌、藥用植物等，其應(yīng)用領(lǐng)域多樣，各領(lǐng)域生物形態(tài)多樣，光環(huán)境需求差別迥異。總結(jié)而言，設(shè)施園藝光環(huán)境調(diào)控的應(yīng)用領(lǐng)域如下：(1)溫室補光。為了增加植物的光合產(chǎn)量，提高光照強度，延長植物光照的光周期，必須進行人工補光。(2)食用菌工廠。目前，食用菌生產(chǎn)工廠化程度高，多數(shù)食用菌對光強要求不高，但光質(zhì)的要求苛刻，產(chǎn)量品質(zhì)效應(yīng)大，光環(huán)境調(diào)控非常重要，應(yīng)用潛力巨大。(3)植物工廠。植物工廠作為設(shè)施園藝的最高級發(fā)展階段，可用于蔬菜、苗木(蔬菜苗、水稻、煙草等)、中草藥等的規(guī)?；a(chǎn)[2]。智能化人工光源及其光環(huán)境調(diào)控對其生產(chǎn)效率起到?jīng)Q定性作用。(4)植物組培。植物組培是種苗快繁、脫毒的重要手段，完全采用人工光照進行生產(chǎn)，對人工光源的需求極大，電光源升級換代十分迫切。

設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明應(yīng)用領(lǐng)域十分復(fù)雜，需要開展系統(tǒng)、多層面、多尺度的研究工作。原因之一，農(nóng)業(yè)生物營養(yǎng)與生長發(fā)育規(guī)律具有多樣性和復(fù)雜性，農(nóng)業(yè)生物對光環(huán)境的響應(yīng)機理各不相同，研究方法各異，需要逐一系統(tǒng)研究，揭示其光生物學(xué)規(guī)律。譬如，植物是利用光能、CO2和水，通過葉綠素光合作用形成碳水化合物，將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能；而微生物(以食用菌為例)則需通過胞外酶分解栽培基質(zhì)獲取所需營養(yǎng)產(chǎn)生菌絲和子實體。農(nóng)業(yè)生物的營養(yǎng)方式根本不同，光環(huán)境需求規(guī)律迥異。原因之二，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域龐雜，農(nóng)業(yè)生物種類多樣及其賦存形態(tài)各異，對光環(huán)境時空需求不同。原因之三，光環(huán)境的數(shù)量屬性(光強和光周期)、質(zhì)量屬性(光質(zhì)和光譜)和電光源發(fā)光特性(占空比、頻率)多，需要逐一研究其生物學(xué)效應(yīng)。上述三方面因素疊加顯現(xiàn)了植物光生物學(xué)研究的復(fù)雜性和系統(tǒng)性。最后，設(shè)施系統(tǒng)種類多，光環(huán)境特征及變化規(guī)律迥異，需要有針對性進行光環(huán)境調(diào)控。

4 設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明亟待解決的科學(xué)問題

農(nóng)業(yè)生物光生物學(xué)規(guī)律研究是農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明的基礎(chǔ)。作為新興研究領(lǐng)域，國際上起步晚，設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明研發(fā)中尚存許多科學(xué)問題亟待解決[8-10]。總結(jié)而言，科學(xué)問題之一是光質(zhì)生物學(xué)。這里的光質(zhì)是指對生物有作用的光質(zhì)類型，包括可見光、UV和遠紅光等。(1)光質(zhì)的生物學(xué)功能。主要研究內(nèi)容包括弄清單一光質(zhì)及復(fù)合光質(zhì)對植物和食用菌生長發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)影響的生理代謝、分子生物學(xué)及蛋白組學(xué)機理；(2)生物種類及品種間光質(zhì)適應(yīng)性和利用差異性機理；(3)光質(zhì)與環(huán)境其它因子互作的生物學(xué)機制；(4)設(shè)施生物光質(zhì)數(shù)量屬性有效閾值和基準值(如補償點、飽和點與光脅迫閾值)。科學(xué)問題之二是逆境光質(zhì)生物學(xué)。主要研究明確單色及復(fù)合光弱光、強光及連續(xù)光照下光合機構(gòu)和代謝系統(tǒng)運轉(zhuǎn)效率的響應(yīng)機理及其農(nóng)學(xué)意義等。

5 設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明亟待解決的技術(shù)問題

綜合分析設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀，亟待解決的技術(shù)問題包括三個方面：(1)建立設(shè)施園藝各生產(chǎn)領(lǐng)域特定生物生長發(fā)育、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)所需的光照配方；(2)依據(jù)光照配方，制定農(nóng)業(yè)生物光環(huán)境控制策略；(3)研發(fā)LED光源裝置、燈具及計算機智能控制系統(tǒng)。

5.1 光照配方與光環(huán)境控制策略

光照配方是指以優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)為目標，按照特定植物種類及品種生長發(fā)育各階段所需的光質(zhì)種類及其數(shù)量屬性的參數(shù)集合。設(shè)施園藝各生產(chǎn)領(lǐng)域特定生物所適宜的光照配方是不同的，具有特殊性，需要逐一研究揭示。光環(huán)境控制策略是指以優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)為目標，以設(shè)施園藝各生產(chǎn)系統(tǒng)所栽培特定植物種類及品種生長發(fā)育各階段光照配方為基礎(chǔ)通過計算機直接控制和切換光環(huán)境參數(shù)的時空管理方法策略。建立設(shè)施園藝光環(huán)境控制策略是非常必要的。比如，溫室補光策略需要綜合考慮自然光日變化參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、作物光合生理參數(shù)、生長發(fā)育階段和燈具屬性，實施經(jīng)濟有效地補光方法，滿足光強、光質(zhì)和光周期需求，節(jié)能高效。光環(huán)境控制策略具有明顯的時空特征，采用分段管理是設(shè)施園藝生產(chǎn)的優(yōu)化選擇，具有重要實踐意義。譬如，園藝作物發(fā)芽期、苗期、營養(yǎng)生長期和生殖生長期光環(huán)境需求不同，組培植物的增殖階段和生根階段光環(huán)境需求不同，食用菌菌絲生長階段和子實體生長階段光環(huán)境需求不同。因此，基于LED半導(dǎo)體照明技術(shù)，設(shè)施園藝光環(huán)境的管理需要建立動態(tài)實時的控制策略，才能將光能、生物資源生產(chǎn)效率發(fā)揮到最高水平，避免盲目性無效光照造成的能源浪費。

5.2 LED光源及燈具開發(fā)

專用LED光源及燈具研發(fā)是設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明的核心，最為迫切。LED光源及燈具研發(fā)需要遵循以下幾個原則。(1)高光能利用率原則。制定合理光譜組分，最大程度增加LED光源的發(fā)光效率，減少光源與被照射生物距離，減少光損失，提高光能利用效率；(2)低成本原則。成本是決定設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要因素，需深挖降低成本技術(shù)；(3)生態(tài)安全原則。在滿足設(shè)施園藝作物光合生理需求基礎(chǔ)上，適宜改進純紅藍光譜組成，增加微量或少量綠光成份，增加視覺健康；(4)優(yōu)先開發(fā)設(shè)施園藝高附加值農(nóng)產(chǎn)品專用LED光源及燈具，有利于燈具銷售，培育龍頭企業(yè)。目前，市場上已經(jīng)有的燈具類型包括燈泡、燈管、面板燈、筒燈、燈帶、燈柵等。LED燈具設(shè)計關(guān)注的指標和性能包括光照的均勻性、光質(zhì)組配的合理性、散熱的可靠性、LED芯片功率的適宜性、發(fā)光面設(shè)計的有效性和感官舒適性。

5.3 智能控制系統(tǒng)

隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、自動控制技術(shù)、總線技術(shù)、信號檢測技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和相互滲透，半導(dǎo)體照明已進入了智能化控制的時代。農(nóng)業(yè)照明更是如此，簡單的開關(guān)控制已不能完成光環(huán)境復(fù)合調(diào)控的需求。實現(xiàn)照明控制系統(tǒng)智能化的主要目的有兩個：一是可以提高照明系統(tǒng)的控制和管理水平，減少照明系統(tǒng)的維護與運行成本；二是可以節(jié)約能源，提高光效。一般而言，照明控制系統(tǒng)由傳感器、控制電路、控制軟件、控制PLC或計算機組成。農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明智能控制系統(tǒng)主要功能包括兩個方面。其一，控制LED燈具的光質(zhì)、光強和光周期；其二，控制燈具的空間位置和移動速率。

6 結(jié)語

設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明相關(guān)科學(xué)技術(shù)問題的解決最終目標是為研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化服務(wù)，為設(shè)施園藝生產(chǎn)實踐服務(wù)。設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明的目標：(1)節(jié)能，提高農(nóng)業(yè)生物的光能利用效率；(2)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，獲得更高的生產(chǎn)效率和生物量，提高能源物質(zhì)或健康有益物質(zhì)；(3)穩(wěn)產(chǎn)，削減光環(huán)境逆境；(4)視覺健康，不危害生產(chǎn)人員的視覺健康。當前，設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明方興未艾、發(fā)展如火如荼，但基于設(shè)施園藝生產(chǎn)的復(fù)雜性，設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明在科學(xué)規(guī)律與技術(shù)研發(fā)方面尚有很長的路要走。但有理由相信，未來5～10年我國設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明科學(xué)技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用將取得長足進步，也將極大地推進設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)和學(xué)科發(fā)展。

[1] 劉文科. 智能補光應(yīng)對霧霾[J]. 中國農(nóng)村科技，2014，6：22-23.

[2] 劉文科，楊其長. 霧霾天氣與設(shè)施園藝補光[J]. 科技導(dǎo)報，2014，32(10)：12.

[3] Zhou W L， Liu W K, Yang Q C. Quality changes of hydroponic lettuce under pre-harvest short-term continuous light with different intensity[J]. The Journal of Horticultural Science & Biotechnology, 2012,87(5)：429-434.

[4] Zhou W L, Liu W K, Yang Q C. Reducing nitrate concentration in lettuce by elongated lighting delivered by red and blue LEDs before harvest[J]. Journal of Plant Nutrition, 2013, 36(3)：481-490.

[5] Wu M, Hou C, Jiang C, et al, A novel approach of LED light radiation improves the antioxidant activity of pea seedlings[J]. Food Chemistry, 2007, 101:1753-1758.

[6] 中國照明學(xué)會. 照明學(xué)科與技術(shù)學(xué)科發(fā)展報告2012-2013[M]. 北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社, 2014:135-137.

[7] 劉文科，楊其長,魏靈玲. LED光源及其設(shè)施園藝應(yīng)用[M]. 北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社,2012.

[8] Stutte G W. Light-emitting diodes for manipulating the phytochrome apparatus[J]. Hortscience, 2009, 44(2): 231-234.

[9] Folta K M, Childers K S. Light as a growth regulator: controlling plant biology with narrow-bandwidth solid-state lighting systems[J]. Hortscience, 2008, 43:1957-1964.

[10] 劉文科，楊其長. LED光質(zhì)生物學(xué)與植物工廠的發(fā)展[J]. 科技導(dǎo)報，2014，32(10)：25-28.