半导体光源现代农业应用进展

p文 ／ 杨其长“万物生长靠太阳”， 在现代农业生产中， 除太阳的自然光外， 人工光源也正在得到广泛应用， 设施种植业、集约化养殖业、食用菌和微藻繁殖等， 以及海洋捕捞的灯光诱鱼、作物害虫防治的灯光诱虫等都与人工光照密切相关。 随着现代农业的快速发展，农业照明光源正发挥着越来越重要的作用。现代农业对人工照明光源的需求照明的作用 ， 而且照明的颜色 、强度、 时长及光是植物生长发育的重要环境因子， 自然 间断控制等都会对对畜禽生产性能产生重要影界中由于纬度、 季节 、 气候、 污染等原因， 太 响。 适宜的人工照明 ， 能够克服畜禽繁殖生理阳光照不足的现象时有发生， 人工补光已经成 机能季节性限制 ，最大限度地发挥其遗传潜能。为设施（ 如温室 、大棚等）植物生产的重要手段。 光照是水产动物代谢系统重要影响因子 ， 通此外， 在密闭式人工光生产系统， 如植物工厂、过光强、 光质和光周期直接或间接地影响水产动组培车间、 育苗工厂等，更是离不开人工光源。 物的摄食、 生长和存活等， 人工照明已经成为设集约化养鸡场、养猪场等都是在封闭或 施水产重要的技术手段。此外， 鱼对光具有敏感半封闭坏境下进行饲养， 人工光源不仅能起到性与趋光习性， 多年来世界各地一直存在使用火６ ４高科技与产业化 ■ 月刊产业应用或灯光捕鱼的习惯，目前采用人工光源进行海洋铁皮石斛、 菠菜、 虎头兰、 马铃薯、 白鹤芋、 黄瓜、诱捕作业已经成为现代渔业的一个重要方式。番茄等数＋种作物的光配方， 创制了专用 ＬＥＤ光照是多数食用菌子实体原基产生和子实植物光源，并实现在植物生产系统， 如温室大棚、体生长发育必要的环境要素，食用菌种类及生植物组培、植物工厂等领域的广泛应用。长阶段不同 ，其对光照条件需求各异，光环境早期养殖业使用的人工光源白识灯、 荧光灯要素的按需调节对食用菌生长发育极为关键。等， 不仅能耗大，而且难以实现对畜禽生理需求微藻钿胞生长及生化成分变化也与光照密切相的光质调控。近年来随着 ＬＥＤ 的应用， 国内外关，人工光源对微藻的生长 、繁殖、 藻体颜色、 学者围绕畜禽对光色、 光强与光周期等光环境要细胞形态及代谢产物含量影响显著 ，正在成为素与生长性能的关系进行了深入研究，探明畜禽微藻繁殖的重要手段。对光环境需求的相关参数，确定了调控光色、 光长期以来，在农业照明领域使用的人工光强和光周期来改善畜禽生理节律、摄食行为、 生源主要有高压钠灯、荧光灯、 金属卤素灯、 白长发育 、 繁殖性能的技术体系。 通过ＬＥＤ 光照炽灯等， 这些光源的突出缺点是能耗大、 运行调节 ， 能够显著促进畜禽生长， 提高其免疫力。成本高、 光质难以调控。 ｌｅｄ不仅节能，而且食用菌对光环境因子尤其是光质、光强还可进行光强、 光质的任意调整， 可满足动植反应非常敏感， 红光有利于平菇菌丝体的生物高效生产的各种需求 ， 被认为是现代农业最长 ， 蓝光有利于菇盖变大、变厚、颜色变深有前途的人工照明光源。等 ， ＬＥＤ 波长单一、 光强与光质可调的优势为食用菌光环境精准调控提供了有效手段。 光ＬＥＤ现代农业应用进展 照作为影响微藻细胞生长及生化分子变化重要植物光合作用在可见光光谱（ ３８０７６０）的环境因子 ， 光质对蛋白核小球藻的生物量积范围内所吸收的光能约占其生理辐射光能的累 、 叶绿素含量、 细胞内蛋白质含量有明显的６０ ％￣６５ ％ ， 其中主要以波长 ６１０￣７２０ 纳米影响 ， 对微藻次生代谢产物积累也具有重要影（ 波峰为６６０纳米 ） 的红、 橙光 （ 约占生理辐射响 ， ＬＥＤ 为微藻不同生长阶段次生代谢产物积的５５％左右 ） 以及波长４００￣５１０纳米 （波峰为累可变光质提供了重要支撑。４５０ 纳米 ）的蓝、紫光（ 约占生理辐射的８％左右 ）作为一种物理手段 ， ＬＥＤ 不仅可以增加为吸收峰值区域。 ＬＥＤ能够发出植物生长所需水产养殖生长效率，而且还可以促进鱼类生要的单色光 ， 而且红、 蓝光ＬＥＤ 组合后， 还能长、 控制鱼类性腺发育。 ＬＥＤ 的单色可调控特形成与植物光合作用与形态建成基本吻合的光性为水产高效生产提供有效的技术支撑。集鱼谱， 光能利用效率达 ８０％￣９０％ ， 节能效果显著。灯经历了从煤油灯、 白ｉｔ只灯、 金错灯、 金 灯多年来， 国内外学者围绕ＬＥＤ植物照明应到ＬＥＤ灯的更新换代 ， 尤其是ＬＥＤ透光率高、用进行不懈的探索， 探明了红光、 蓝光及与其他指向性强，光线可通过海水直达海洋深层 ， 正光谱组合对植物的影响 ， 先后形成了莴苣、 草莓、 成为海洋捕捞的有效辅助手段。２０ １ ７年１ 月号总第２４８期６５昆虫对光的选择不仅仅体现在光照强度 ，还代传统光源可以大大减少农业系统能耗。 温室表现为对光质的选择，不同种类的害虫与益虫对补光可实现节能５０％８０％ ，植物工厂、 植物波长的要求不尽一致。ＬＥＤ可以根据害虫与益组培可以降低能耗约 ５０％， 节能效果极为显着。虫对不同波长及其该波长下光谱能量对不同发育ＬＥＤ是现代农业最有前途的人工光源 ， 对阶段及生理状态的趋光行为进行设计 ，可以大幅提高资源利用率， 减少环境污染 ， 都具有十分增加害虫的杀灭率，为生态植保提供术支撑。重要的意义。ＬＥＤ农业照明潜力分析限制ＬＥＤ农业照明应用的因素分析ＬＥＤ光源农业应用刚刚起步， 但发展潜力成本偏高。 成本是产品能否取得市场竞争巨大，其独特的光源特征、 显著的节能效果以优势的关键因素 ， 对于ＬＥＤ农业照明光源来说，及新型光源的替代需求， 为 ＬＥＤ 光源在现代价格偏高也是限制其大规模普及的重要原因。农业应用提供了广阔的市场空间。一个功率２８ 瓦的荧光灯成本为 ２０ 元左右 ，而与民用市场相比， ＬＥＤ农业照明光源相对一个功率 ４０瓦的ＬＥＤ灯管售价高达１ ５０ 元以滞后， 但潜在的巨大市场极为惊人。 目前我国上。虽然ＬＥＤ价格不断下降， 但与传统光源温室大棚面积达６０００ 多万亩、植物工厂 １ ００相比仍然偏高 ， 很大程度上限制了ＬＥＤ农业万平方米以上、植物组培 ２０００ 多万平方米，照明光源的应用与推广。ＬＥＤ灯具需求３５亿只以上 ；设施畜禽与水产技术成熟度还有待提高。农业领域的特殊养殖灯具需求在 ４０００万只以上 ； 微藻繁育、 食性决定了不是所有的 ＬＥＤ光源都能不加选择用菌 、 植保诱虫等光源需求 １０亿只以上 ；加上地直接使用 ，必须针对动植物的需求进行光源其他农业需求 ，现代农业对ＬＥＤ 的市场需求总配方及特定光源研究。 但长期研发经费的不足 ，规模４０００４５００亿元以上。严重滞后于现实对ＬＥＤ 农用照明技术的需求 ，ＬＥＤ农业照明光源综合优势独具特色。 包迫切需要国家加大支持力度 ， 完善农用 ＬＥＤ括 １） 生物能效高。植物光合作用主要利用红技术体系。橙光与蓝紫光这两段光谱， ＬＥＤ可以控制其辐产业化与标准化程度仍较低。 农用 ＬＥＤ射光谱在植物需要的波段， 还可以根据植物需求光源目前仍处于试验研究阶段 ， 还没有形成完精确调整红蓝光（ Ｒ／Ｂ ） 比例，使辐射能完全为善的标准化技术体系 ， 光源的研发与应用仅限植物所吸收，提高光源的生物能效 ； ２ ） 显著提于科教单位，缺乏能够将研究成果转化的专业高植物栽培密度。 ＬＥＤ属于冷光源， 其辐射热性生产企业 ， 也未能形成相应的产业集群。效应远远小于传统光源 ， 因此可实现对植物的近缺乏有效的政策扶持。 作为一种新型节能距离照射， 在植物工厂或植物组培系统可使栽培光源 ，ＬＥＤ的发展需要政府的政策扶持 ， 然而层间距大大缩短，显著提高空间利用效率。相比较而言， ＬＥＤ 农业照明领域还未得到足够ＬＥＤ农业照明光源节能效果显著。 ＬＥＤ替的重视， 缺乏有效的科技支撑和政策支持， 推６６高科技与产业化． 月刊产业应用ｊＨＩ广应用受到一定的限制。制定出一系列相应的标准，使一大批农用 ＬＥＤ＆ｆ（ ｉ 船原的制造企业参与新产品开发 ， 从而推动行 ＶＩ＾ＲＢｓ展战略与政策建议 业的快速发展。｜｜加快低成本农用 ＬＥＤ光源的研发。 成本是推动农用 ＬＥＤ示范工程建设。 建议国家Ｍ制约ＬＥＤ光源农业应用的瓶颈， 降低成本是其在国内建立若干 ＬＥＤ 农用光源示范工程，形能够大面积应用推广的关键。 ＬＥＤ 灯珠设计可成农业与生物领域不同应用方向 ， 如温室补光、选用一些价格低廉的通用型产品 ， 也以采用芯组培育苗、 植物工厂、 中药种植以及禽类养殖片加荧光粉激发等技术降低成本 ， 外观设计上等ＬＥＤ 示范的产业化基地，并通过政府主导、注重实用即可， 从而使制造成本大幅度降低。企业主体、 市场配置“三力合一” 的试验示范，加大农用 ＬＥＤ 研发投入。 由于农业生物扩大农用 ＬＥＤ光源的示范推广力度。的特殊性要求 ， 必须针对动植物的特定需求加大农用 ＬＥＤ 的政策扶持。 ＬＥＤ 农业应研制出相应的 ＬＥＤ 照明光源。 建议国家加大用成本相对偏高 ， 为进一步加快推广应用力ＬＥＤ 农用光源的研发和经费支持力度， 全方位度， 建议国家加大对农用 ＬＥＤ 的政策扶持力提升ＬＥＤ 农业应用的自主创新能力。度 ， 包括增加科研立项、农用 ＬＥＤ 产品补贴等，加快农用 ＬＥＤ 光源标准化构建。 标准化确保生产单位在购置 ＬＥＤ 农用灯时能够直接是实现产业快速发展的关键， 目前 ＬＥＤ光源享受到 ３０％￣ ５０％政策性支农财政补贴 ， 以便在植物工厂、 组培育苗、 畜禽养殖、 食用菌 、更好地促进农用 ＬＥＤ产业的健康发展。 Ｆｆｔ温室补光及其它领域的应用已基本成熟， 可以作者单位 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所２０ １ ７年１ 月号总第２４ ８期６７/p