農業(yè)照明需要解決的幾大核心問題

　　光亞展已經結束了，農業(yè)照明成為照明一個重心的在迅速發(fā)展，也有越來越多的人對農業(yè)照明表現(xiàn)出極大的興趣。農業(yè)照明的市場潛力巨大，這是毋庸置疑的結論，中國農業(yè)科學院農業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所研究員楊其長曾指出，現(xiàn)代農業(yè)幾乎所有領域都與人工光有密切關系！尤其在種植業(yè)（設施園藝、都市農業(yè)等）、畜禽養(yǎng)殖業(yè)（設施養(yǎng)殖）、水產業(yè)（設施養(yǎng)殖、誘魚等）、種植業(yè)（露地生產，植保誘蟲等）、其他（食用菌、微藻等）對人工光源需求迫切。僅就蔬菜這一項，我們可以作一個簡單的設想，2014年全年中國僅蔬菜消耗總量大約為1300億人民幣，如果未來5年、10年、20年，有30%的蔬菜是通過農業(yè)照明來實現(xiàn)，那么這個農業(yè)照明的市場有多大可想而知。

　　但正如沙龍上，“十二五”國家科技重點專項（半導體照明專項）專家組專家楊海峰、北京世紀金沙江創(chuàng)業(yè)投資管理有限公司高級副總裁丁建華、中國之光網(wǎng)及農業(yè)照明網(wǎng)總經理洪兵所言，農業(yè)照明市場巨大，但基于農業(yè)照明涉及面的復雜性等原因，做大、做深并不是一件容易的事情。目前，農業(yè)照明痛點仍存，各種探索仍在進行。

　　基礎層面：農業(yè)照明涉及面的復雜性

　　復旦大學電光源研究所劉木清、朱雪菘從下面五個層面闡述了這點。

　　一、農業(yè)照明的多學科性

　　如果把植物照明與動物照明納入農業(yè)照明范圍內，則其所涉及的學科包括植物學、動物學、生物統(tǒng)計學、照明技術、控制技術等。前三者是生物學的領域，后兩者是照明技術的領域，學科跨度很寬，在這幾門學科中，照明技術是技術手段，而生物學領域的內容是實驗過程與結果評判?？傮w來說，生物學領域的知識是進行農業(yè)照明的最重要部分，但目前農業(yè)照明主要指的是采用LED的照明技術，而LED的高度靈活性，使得進行農業(yè)照明過程中，作為主體的農業(yè)或者生物領域的科學家，需要照明學家的高度配合，以實現(xiàn)各種動植物物種的最佳照明條件，同時照明學科在視覺領域的成功完善，也是農業(yè)照明值得借鑒的。因此，農業(yè)照明的學科與技術進步，需要農業(yè)及生物領域的科學家與照明領域的科學家密切配合。

　　二、農業(yè)照明的復雜性

　　作為1項與農業(yè)相關的科學與技術，農業(yè)照明繼承了農業(yè)科學的復雜性特點，如前所述，其中包括兩個方面：農業(yè)與照明。

　　前者研究的物種非常多，且每1個物種，影響的條件因素也非常多。如植物生長的幾個基本要素，陽光、空氣、水，除此之外，種子、土壤、周邊環(huán)境如溫度、濕度、氣候的變化等，也影響植物的生長。而動物方面，由于是活動的，包括的因素更多，即使所有這些條件一致，各個動植物個體的生長情況也可能有差異，這就決定了進行農業(yè)照明研究時必須以生物統(tǒng)計學的方法進行研究。

　　另外在照明方面，也存在多個變數(shù)，包括照明的光譜、強度、時間與周期、光形式（穩(wěn)態(tài)還是脈沖）等。

　　以上兩個方面，決定了農業(yè)照明的復雜性，盡管通過調控光的強度優(yōu)化動植物的生長，可以保持其他條件相同的情況下進行，但可能存在的各種條件的相互影響將使研究問題更加復雜化。

　　三、農業(yè)照明的試驗難度

　　農業(yè)照明的復雜性決定了農業(yè)照明研究的試驗難度，體現(xiàn)在具體實驗上就是試驗的變數(shù)太多。盡管主要試驗光照的情況，通過研究不同的光照條件，如照射強度、光譜、照射時間、照射周期、照射方式等情況下動植物的生長情況，并期望固定其他農業(yè)條件如溫度、濕度、空氣、水分、營養(yǎng)成分、種子等。但是這兩類因素可能相互影響，因而在實際的實驗研究中，要考慮的試驗變化條件非常多，同時每個條件，出于生物統(tǒng)計學的考慮，也要具有一定的樣本。這就使得試驗條件多、樣本多，再加上每個試驗條件需要一定的生長時間，最后造成農業(yè)照明研究的情況是：試驗樣本非常多、試驗時間跨度很長，農業(yè)照明成為了費時、費力、費空間的研究。舉 1個例子，如果設置 3種光照條件變數(shù)，如光譜、強度、照射時間，每種變數(shù)采用10個分立值，則可知共有1 000種條件，加上生物條件如果10種，那就是10000種情況，如果每種情況10個樣本，那就是100000個樣本，如果每個樣本要進行2個月，那么可以想象這個試驗的難度。因此實際的研究，被迫采用減少試驗變數(shù)以及減少每種試驗變數(shù)的數(shù)量，筆者在閱讀相關文獻時，常發(fā)現(xiàn)采用的光照條件僅僅在10種以內，有可能出現(xiàn)所采用的試驗條件中，沒有最優(yōu)的，因而不能搜尋出最佳結果。

　　曾經報道過的鐵皮石斛補光試驗，在1個大棚里共6條苗床(占地一畝)，安裝以及調試了153只LED燈具和8盞熒光燈，644個樣本的標記。數(shù)據(jù)采集進行了7個月，已完成了3批近20萬個數(shù)據(jù)，通過分析得到最佳光照條件?，F(xiàn)場情況如圖1、2、3所示。

　　如圖 3中可見， 113種不同的光環(huán)境組合環(huán)境中，僅有2種試驗條件出現(xiàn)最佳的鐵皮石斛生長情況，且這兩種生長情況明顯比其余生長情況優(yōu)越得多。而其余111種光照條件下，生長情況比熒光燈對照組及無光照組沒有太大的區(qū)別。可以想象，如果試驗10種或者20種條件，很可能沒法搜尋出最佳的光照條件。

　　在LED之前，對采用傳統(tǒng)光源進行補光也進行了大量的研究，但由于傳統(tǒng)光源靈活性不夠，很難實現(xiàn)多種光照條件，往往只能研究簡單的幾種光照條件，如前文所說的常采用10余種。因此，在LED很容易實現(xiàn)各種光照條件的情況下，重新詳細的研究并篩選最佳光照條件，有很大的實際意義。

　　四、農業(yè)照明的光選擇性與光譜加權性

　　農業(yè)照明普遍認為是有光譜選擇性的，這與視覺照明一樣，因而存在1個類似于視覺照明中的光譜視見函數(shù)的加權曲線，常被引用的曲線如圖4、5所示。

　　人眼視見函數(shù)的研究也是經過大量的試驗后得到的，由于各人種存在的差異較小，因而目前該視見函數(shù)被普遍采用。但植物照明的加權函數(shù)目前有的理論有限，較多的采用圖5的植物葉綠素光譜吸收率，且受到很多質疑。實際上，看看各種植物的葉面光譜反射率的不同，也很容易想象到，不同的植物的光合作用加權函數(shù)很可能不同，因而有大量的研究工作需要進行。完成各種植物的光合作用光譜加權函數(shù)之后，可以參照視覺照明建立“光通量”的概念，即輻射通量到光合作用的物理量轉換，并完成相應的測試手段等。

　　動物的照明與植物類似，也存在相應的研究工作有待完成。

　　五、評價指標的多樣性

　　照明學科中，視覺科學是研究光作用于人眼的科學，主要評價指標是視覺的清楚與舒適，牽著包含照度、亮度等指標，后者是眩光、頻閃等指標。進入到農業(yè)照明，關注的指標則更加復雜，包括植物的生長、某些成分的含量等，進一步細化可以是植物的葉子面積、根莖、總高、顏色等，成分方面包括糖分、葉綠素等多個指標。實際上，除此之外還有很多其他的指標，如可以通過補光實現(xiàn)增加植物的生長，也可以反過來抑制某些東西的生長，這就會有另一類評價指標。

　　動物照明的評價指標同樣復雜多樣，如用于肉雞的生長補光照明，評價指標可以是雞的生長速度，也可以是肉質，蛋白質含量等，可以考慮雞的銷售觀感與死亡率等，甚至雞的啄羽情況等。

　　評價指標上的復雜性，更增加了農業(yè)照明的研究難度。值得一提的是，由于采用多個照明條件，且不同的生長階段可能需要不同的補光情況，因而農業(yè)照明常與控制技術結合，即通過控制技術，實現(xiàn)整個照明的完全控制。

　　半導體光源農業(yè)應用仍面臨的其他瓶頸

　　除上述學科的復雜性、基礎研究成最大掣肘外，技術層面的難題還表現(xiàn)在，光配方研究缺乏、分子機制不清楚、機理研究停留在宏觀層面；LED專用燈具及節(jié)能控制技術研發(fā)缺乏；農業(yè)LED研究人才（科教單位、企業(yè)層面）極度匱乏。此外，成本價格和產業(yè)化也是LED光源在農業(yè)領域的應用與推廣所面臨的瓶頸。

　　楊其長表示，在成本方面，人工光LED成本已大幅下降，與熒光燈相比已具備一定優(yōu)勢，但一次投資偏高；補光LED成本仍較高，與高壓鈉燈比較缺乏競爭優(yōu)勢（補光7公頃溫室 LED590萬歐元，高壓鈉燈30-40萬歐元）。

　　在產業(yè)方面，產業(yè)化與標準化水平低，市場規(guī)模難以拓展；專門致力于農業(yè)LED專用燈具開發(fā)的企業(yè)不多，國內芯片廠商投入人力物力研發(fā)農業(yè)照明用的紅光芯片也較少。兼業(yè)較多，規(guī)模小，難以與國際巨頭競爭；國家對農業(yè)LED補貼政策（如農機補貼）缺乏。因此，在現(xiàn)階段，基礎研究、技術突破、降低成本，加強推廣以及建立可持續(xù)盈利的商業(yè)模式都非常重要。

　　雖然農業(yè)照明的發(fā)展仍面臨重重困難，但中國LED植物照明之路并不是“哀鴻遍野”。十八屆五中全會指出，“要大力推進農業(yè)現(xiàn)代化，加快轉變農業(yè)發(fā)展方式，走產出高效、產品安全、資源節(jié)約、環(huán)境友好的農業(yè)現(xiàn)代化道路?！毙袠I(yè)人士解讀，從高產到高效，科技興農是現(xiàn)代農業(yè)必由之路。除信息化之外，“十三五”規(guī)劃還指出，可能涉及的現(xiàn)代裝備、現(xiàn)代育種科技等都是未來重點扶持的方向。而從***前段時間參觀植物工廠也可以窺探出國家對于農業(yè)照明的高度重視。

　　總之，仍重而道遠，農業(yè)照明的發(fā)展有賴于農業(yè)科學家和照明人士的密切配合、有賴于政策的大力支持，也有賴于你我的堅持。相信，終有一天，中國的LED農業(yè)照明將受世界矚目。