植物照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)

劉文科（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)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點實驗室，北京 100081）

植物照明是農(nóng)業(yè)照明的主要組成部分，是一種調(diào)控設(shè)施植物光環(huán)境的工程技術(shù)措施，以促進植物的生長發(fā)育、產(chǎn)量及品質(zhì)。植物照明主要應(yīng)用于設(shè)施植物生產(chǎn)（人工光植物工廠和溫室等園藝設(shè)施中），少量用于露地栽培補光，克服弱光寡照逆境或?qū)嵤┕庵芷谡{(diào)控，以獲得最大植物生產(chǎn)效益。植物照明是一個跨界的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及到設(shè)施園藝工程和照明工程兩個學(xué)科，為交叉新興產(chǎn)業(yè)，因此產(chǎn)業(yè)發(fā)展快慢和質(zhì)量高低依賴于學(xué)科交叉融合程度?，F(xiàn)今世界范圍內(nèi)，設(shè)施園藝光環(huán)境調(diào)控已成為研究的熱點，尤其集中在溫室補光和人工光植物工廠光環(huán)境調(diào)控方面。植物光質(zhì)生理規(guī)律的揭示是驅(qū)動植物照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展的科學(xué)基礎(chǔ)，植物照明的原理是最大程度利用植物光質(zhì)生理特性，設(shè)計專用LED植物燈和照明控制系統(tǒng)，在時間和空間上給予植物特定的光照條件，通過光合作用和光形態(tài)建成調(diào)節(jié)，挖掘植物光合和代謝潛能，實現(xiàn)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)目標[1-2]。

隨著LED照明技術(shù)的進步與興起，受荷蘭和日本設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)發(fā)展的影響，中國設(shè)施園藝多樣性和先進性正在經(jīng)歷著跨越式發(fā)展，連棟溫室規(guī)?；l(fā)展遞增，人工光植物工廠應(yīng)用持續(xù)興起。最近10年，伴隨LED植物照明專用光源產(chǎn)業(yè)和設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)爆發(fā)式發(fā)展，形成了以珠三角、長三角和京津冀為中心的植物照明研發(fā)與產(chǎn)業(yè)基地，植物照明產(chǎn)品和應(yīng)用領(lǐng)域逐年增加，已經(jīng)成為中國LED照明產(chǎn)業(yè)盈利的新增長點。目前，包括上游LED芯片、中游的封裝、電源和燈具企業(yè)已有數(shù)百家，遍布全國20余個省份。近5年，隨著國際上大麻種植和使用的合法化或被許可、設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)升級和高附加值園藝產(chǎn)品需求的攀升，植物照明迎來了發(fā)展新契機，植物照明研發(fā)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展進入了新的發(fā)展時期。根據(jù)全球調(diào)研機構(gòu)Technavio研究報告顯示，2020年全球植物生長燈市場達30億美元，2016～2020年全球市場以11.7%的增長率增長。第26屆廣州國際照明展上，據(jù)不完全統(tǒng)計涉及植物照明的企業(yè)多達幾十家，發(fā)展勢頭可見一斑。本文總結(jié)了植物照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展的機遇，分析了植物照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)，并展望了未來10年植物照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局。

植物照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展機遇

植物照明的興起和產(chǎn)業(yè)發(fā)展是國內(nèi)外設(shè)施園藝和LED照明科技發(fā)展融合的必然結(jié)果。按照具體應(yīng)用領(lǐng)域而言，在國際疫情常態(tài)化條件下，人工光植物工廠、設(shè)施園藝補光、大麻室內(nèi)種植、家庭園藝等設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)是撬動植物照明發(fā)展的主要驅(qū)動因素。此外，中國雄厚的LED產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)也為植物照明發(fā)展提供了工業(yè)基礎(chǔ)和產(chǎn)業(yè)背景。

人工光植物工廠

人工光植物工廠一般采用LED燈為唯一光源進行蔬菜、藥用植物等規(guī)模化生產(chǎn)，是單位面積LED燈使用密度最大的園藝設(shè)施類型，是近些年驅(qū)動LED植物照明發(fā)展的首要因素。國際上，中大型人工光植物工廠快速發(fā)展，生產(chǎn)高附加值和高品質(zhì)植物種類及其產(chǎn)品，如草莓、藥用植物、藥食同源植物等。國內(nèi)方面，經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)人工光植物工廠發(fā)展頗為迅速，陸續(xù)涌現(xiàn)出了多家規(guī)模較大的人工光植物工廠企業(yè)，從事植物生產(chǎn)和工程復(fù)制[3]。而且，LED光源家庭植物工廠產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，已推出十余款家庭植物工廠產(chǎn)品，可生產(chǎn)各種葉菜，功能多樣[4]。此外，在海島、沙漠、太空、艦船、極地、高原等特殊極端環(huán)境條件下，人工光植物工廠在解決綠色鮮活蔬菜問題上起著不可或缺的作用，社會應(yīng)用價值不言而喻。

設(shè)施園藝補光

中國設(shè)施園藝的栽培面積高達400萬hm2以上，涵蓋了蔬菜、果樹、藥用植物、食用菌、種苗、組培苗、花卉等多個領(lǐng)域。設(shè)施園藝是環(huán)控型產(chǎn)業(yè)，光環(huán)境調(diào)控是其本質(zhì)要求，對消除弱光寡照逆境，實施光周期調(diào)節(jié)，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)起到重要的作用[5]。設(shè)施作物反季節(jié)生產(chǎn)上市，補光措施需求迫切，北方設(shè)施果樹（櫻桃、葡萄、油桃、棗、藍莓、西甜瓜等），提前上市可大幅提升生產(chǎn)效益。即使在南方，露地火龍果等果蔬生產(chǎn)在陰雨天氣也需要人工補光，促進開花結(jié)果，獲得更高的效益。

國際大麻室內(nèi)種植

北美工業(yè)大麻合法化不斷推進，推動植物照明需求爆發(fā)，未來五年全球大麻市場每年可能增長22%。美國大麻市場迅速擴容，2019年種植面積45.3萬英畝（1.8×105hm2），比2018年增長了479%。根據(jù) New Frontier Data，2019年美國合法大麻市場規(guī)模為136億美元，其中娛樂大麻市場76億美元，醫(yī)用大麻市場60億美元。2019～2025美國合法大麻市場規(guī)模將由136億美元增至297億美元，醫(yī)用大麻市場將由60億美元增至131億美元。其次，工業(yè)大麻種植在全球更多國家蓬勃發(fā)展[6]，大麻二酚（CBD）應(yīng)用空間廣闊。根據(jù)Canopy Growth測算，潛在的全球工業(yè)大麻市場規(guī)模超過3000億美元。展望未來，大麻植物工廠種植是必然趨勢，LED植物照明燈具需求將大幅增加。

國際疫情常態(tài)化因素

國際上，因美國等諸多國家疫情短時無法得到有效控制，疫情背景下供應(yīng)鏈及食品安全憂慮顯現(xiàn)、疊加長期全球人口增長與耕地面積有限的矛盾。北美市場為代表的用于工業(yè)大麻種植的植物生長燈，歐洲為代表的果蔬、花卉種植的植物生長燈銷量都有較明顯的增長。近兩年，國際疫情常態(tài)化條件下，安全、營養(yǎng)農(nóng)產(chǎn)品的需求保障問題比較棘手，室內(nèi)種植成為較好的選擇。從蔬菜、苗木、香料、草莓，到花卉、牧草、（工業(yè)）大麻等室內(nèi)場所規(guī)模化種植需求逐年增加，這必然導(dǎo)致對LED植物生長燈的國內(nèi)外需求激增，刺激植物照明市場。

LED制造業(yè)高值賦能

中國是世界最大的LED產(chǎn)業(yè)國，LED半導(dǎo)體照明上中下游產(chǎn)業(yè)鏈完善，產(chǎn)業(yè)規(guī)模大。根據(jù)CSA research發(fā)布的《2019中國半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展藍皮書》顯示，2019年中國LED半導(dǎo)體照明行業(yè)總產(chǎn)值達7548億元。LED產(chǎn)業(yè)規(guī)模發(fā)展中，下游應(yīng)用貢獻最大。2019年，中國LED半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)下游應(yīng)用規(guī)模達到6388億元，占比84.63%。雄厚的LED產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)也為植物照明發(fā)展提供了工業(yè)基礎(chǔ)和產(chǎn)業(yè)背景。LED植物照明已經(jīng)占據(jù)一席之地，成為新的增長點，出口勢頭強勁。

植物照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展挑戰(zhàn)

LED企業(yè)轉(zhuǎn)型需要產(chǎn)研合作

植物照明是需要LED燈具與植物栽培平臺有效對接才能獲得最佳的應(yīng)用效益。同時，LED植物照明的技術(shù)參數(shù)制定非常關(guān)鍵，需要大量的試驗來揭示植物光質(zhì)生理學(xué)規(guī)律。所以高效起見，植物照明企業(yè)應(yīng)與設(shè)施園藝領(lǐng)域科研院所合作，實施強強聯(lián)合和專業(yè)分工，把針對特定植物種類或品種的最優(yōu)光環(huán)境參數(shù)與高性價比的LED燈具設(shè)計相結(jié)合，獲得高效的LED植物照明系統(tǒng)。此外，植物照明懸掛方式很重要，優(yōu)化的懸掛方式可充分利用LED植物燈冷光源特性，兼顧照射面積，獲得最佳的光照效益。以（工業(yè)）大麻室內(nèi)種植為例，（工業(yè)）大麻光環(huán)境的技術(shù)參數(shù)尤其重要[7]，過去（工業(yè)）大麻未合法化年代（工業(yè)）大麻光環(huán)境參數(shù)研究成果很少[8]，值得關(guān)注。

室內(nèi)大麻生長燈依賴于國際市場

近些年，植物照明LED燈具的銷售市場主要包括國內(nèi)和國際市場，主要集中于設(shè)施園藝和（工業(yè)）大麻生產(chǎn)兩個領(lǐng)域。當(dāng)前，中國LED植物照明產(chǎn)品主要出口到歐美市場，得益于北美大麻種植逐漸合法化。但是，國內(nèi)市場尚待開發(fā)培育，潛力不容低估。

設(shè)施園藝細分市場亟待開發(fā)

設(shè)施園藝用戶的激活與培育是保障LED植物照明產(chǎn)業(yè)長期發(fā)展的基礎(chǔ)。但是，基于設(shè)施園藝生產(chǎn)的復(fù)雜性，設(shè)施園藝LED照明系統(tǒng)的研發(fā)存在多樣性和技術(shù)難度，必須在揭示設(shè)施植物光質(zhì)生理特性前提下，才能按照栽培平臺要求設(shè)計LED燈具，才能有效實施光環(huán)境調(diào)控。溫室園藝中LED燈取代高壓鈉燈是必然趨勢，設(shè)施牧草、藥用植物、果樹等新興園藝業(yè)態(tài)不斷涌現(xiàn)，LED照明將成為未來設(shè)施園藝標準配置裝備，對實現(xiàn)未來智慧園藝必不可少。

LED植物燈的性價比提升

較高的產(chǎn)量品質(zhì)效應(yīng)和良好的視覺健康效果是LED植物照明的基本目標，也是衡量LED燈具性價比的重要原則。通過光譜調(diào)制、智能控制和植物栽培平臺的合理耦合，可以獲得較高的產(chǎn)量品質(zhì)效應(yīng)。通過光譜調(diào)制、二次光學(xué)設(shè)計和照射角度控制可以獲得良好的視覺健康。當(dāng)然，高性價比LED燈具的研制是以半導(dǎo)體芯片技術(shù)先進性為前提的，其節(jié)能效率和光電轉(zhuǎn)換效率是后端燈具設(shè)計無法從根本上控制的。

總結(jié)

植物照明是近10年LED照明領(lǐng)域的研發(fā)的熱點和產(chǎn)業(yè)增長點?？傮w來講，LED植物照明已經(jīng)越過了技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)塑形的初級階段，產(chǎn)業(yè)已經(jīng)越過成長期，逐步走入成熟期。當(dāng)前，植物照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨著發(fā)展機遇，也存在一些挑戰(zhàn)。機遇方面，在國際疫情常態(tài)化條件下，人工光植物工廠、設(shè)施園藝補光、大麻室內(nèi)種植、家庭園藝等設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)將長期助力植物照明的快速發(fā)展，中國雄厚的LED產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)也為植物照明發(fā)展提供了工業(yè)基礎(chǔ)和產(chǎn)業(yè)背景。植物照明產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)包括以下幾個層面。首先，植物照明市場仍需要培育，細分市場產(chǎn)品和產(chǎn)品性價比亟待提高；其次，植物照明龍頭企業(yè)鳳毛麟角，知名產(chǎn)品屈指可數(shù)；產(chǎn)業(yè)自信心、用戶可見度、產(chǎn)學(xué)研結(jié)合和細分市場利用有待提升；最后，國內(nèi)市場開發(fā)利用是重大課題，尤其是在當(dāng)前中國植物照明產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)集群、科研機構(gòu)集群和設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)集群地域分離問題嚴重，三者合力和凝聚力有待強化。展望未來10年，植物照明技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用規(guī)模將取得重大進展，形成較為完整的產(chǎn)品體系和市場體系，重點將推出植物工廠用大麻生長燈[8]、牧草生長燈[9]、育苗燈、草莓燈和藥用植物生長燈等，以及溫室蔬菜、果樹專用補光燈等，市場前景十分可觀。此外，LED將有序取代HPS，國內(nèi)設(shè)施園藝生產(chǎn)植物照明燈具覆蓋率將達到60%以上，LED產(chǎn)品滲透率將達到60%以上，比當(dāng)前提高1倍。產(chǎn)業(yè)上，植物照明產(chǎn)業(yè)將出現(xiàn)10家左右龍頭企業(yè)，年市場規(guī)模將達到50億元以上，出口規(guī)模逐年提升，成為植物燈生產(chǎn)和使用大國甚至強國。