LED如何在植物領(lǐng)域大展拳腳

光是植物生長(zhǎng)發(fā)育的基本環(huán)境因素。光照不僅通過(guò)光合作用供應(yīng)植物生長(zhǎng)所需的能量，還是植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要調(diào)控因子。通過(guò)人工光補(bǔ)充或全人工光照射植物，可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)，提高產(chǎn)量，改善產(chǎn)品形態(tài)、色澤，提升功能成分等，還可以減少病蟲害的發(fā)生。下面將和大家一起分享植物照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)。

人工光源技術(shù)在植物照明領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，LED以其光效高、發(fā)熱低、體積小、壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在植物照明領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)明顯，植物照明燈也將逐漸以LED照明燈具為主。

一、LED植物照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.植物照明封裝

在植物照明封裝領(lǐng)域，封裝器件種類繁多而無(wú)統(tǒng)一測(cè)量評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)體系，國(guó)外大廠主要在大功率、COB和模組方向，兼顧植物照明白光系列，結(jié)合植物生長(zhǎng)特性和人性化照明環(huán)境，較國(guó)內(nèi)產(chǎn)品在可靠性、光效、不同植物不同生長(zhǎng)周期光合輻照特性研究等方面有較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，包括了各式不同尺寸的高功率、中功率及低功率產(chǎn)品，以滿足各種植物在不同生長(zhǎng)環(huán)境的需求，期望達(dá)到植物成長(zhǎng)最大化及節(jié)能的目標(biāo)。

芯片外延片大量的核心專利仍掌握在日本日亞、美國(guó)科銳等早期領(lǐng)跑企業(yè)手中，國(guó)內(nèi)芯片廠商仍缺乏具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的專利產(chǎn)品。同時(shí)很多公司在植物照明封裝芯片領(lǐng)域也在開(kāi)發(fā)新的技術(shù)，如歐司朗薄膜芯片技術(shù)令芯片緊密地封裝在一起，創(chuàng)造出大面積照明表面，基于該技術(shù)的波長(zhǎng)為660nm的高效LED燈具系統(tǒng)可降低栽培區(qū)內(nèi)40%的能耗。

2.植物照明光譜與器件

植物照明的光譜比較復(fù)雜，多樣化，不同植物不同的生長(zhǎng)周期甚至在不同的生長(zhǎng)環(huán)境下，所需的光譜都存在較大的差異。為了滿足這些差異化的需求，目前業(yè)界內(nèi)有以下幾種方案：①多種單色光組合方案，以對(duì)植物光合作用最有效的峰值為450nm、660nm的光譜和對(duì)植物開(kāi)花誘導(dǎo)的730nm波段這三段光譜為主，再加525nm的綠光以及低于380nm的紫外波段，這幾種光譜依照植物的不同需求而組合出最適宜的光譜。②全光譜方案，實(shí)現(xiàn)植物需求光譜全覆蓋，以首爾半導(dǎo)體、三星為代表的SUNLIKE，此類光譜未必是最高效的，但適用于所有植物，而且成本較單色光組合方案低很多。③以全光譜白光為主，加上660nm的紅光組合方案，來(lái)提高光譜的有效性。這種方案比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

植物照明單色光（主要波長(zhǎng)為450nm、660nm、730nm）封裝器件，國(guó)內(nèi)外多家公司均涵蓋，而國(guó)內(nèi)產(chǎn)品種類較為繁雜，規(guī)格較多，國(guó)外廠家產(chǎn)品較為標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)在光合光子通量、光效等上國(guó)內(nèi)與國(guó)外封裝大廠仍存在較大差距。植物照明單色光封裝器件除了主要波段為450nm、660nm、730nm的產(chǎn)品，很多廠家也在開(kāi)發(fā)其他波段的新產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品完整的光合有效輻射（photo-synthetically active radiation，PAR）波長(zhǎng)涵蓋（450-730nm）。

單色光LED植物生長(zhǎng)燈并非適用于任何植物的生長(zhǎng)，全光譜LED的優(yōu)勢(shì)因此而凸顯，全光譜首先要達(dá)到可見(jiàn)光全光譜（400-700nm）全覆蓋，另外要提高藍(lán)綠光（470-510nm）、深紅光（660-700nm）兩波段的表現(xiàn)。用普通藍(lán)光LED或者紫外LED芯片搭配熒光粉做到“全”光譜，其光合效率各有高低。植物照明白光LED封裝器件大部分廠家采用Blue chip+熒光粉實(shí)現(xiàn)全光譜。植物照明封裝器件除了單色光和藍(lán)光或紫外芯片加熒光粉實(shí)現(xiàn)白光的封裝模式外，還有一種使用兩種或者兩種以上波長(zhǎng)芯片復(fù)合封裝的模式，比如紅十藍(lán)/紫外、RGB、RGBW。這種封裝模式在調(diào)光方面有很大優(yōu)勢(shì)。

在窄波長(zhǎng)LED產(chǎn)品方面，大部分封裝供應(yīng)商能夠?yàn)榭蛻籼峁?65-740nm波段的各種波長(zhǎng)產(chǎn)品。在熒光粉轉(zhuǎn)換的植物照明光譜方面，絕大多數(shù)封裝廠家都有多種光譜供客戶選擇。相比2016年，2017年其銷售增長(zhǎng)率取得了較大幅度的增長(zhǎng)，其中660nm LED光源的增長(zhǎng)率集中在20%-50%，而熒光粉轉(zhuǎn)換植物L(fēng)ED光源的銷售增長(zhǎng)率達(dá)到50%-200%，即熒光粉轉(zhuǎn)換植物L(fēng)ED光源的銷售增長(zhǎng)更快。

所有封裝公司都可以提供0.2-0.9 W和1-3 W的通用型封裝產(chǎn)品，這些光源讓燈具廠商在燈具設(shè)計(jì)時(shí)有很好的靈活性。此外部分廠商還提供更高功率集成封裝產(chǎn)品。目前大部分廠商的出貨超過(guò)80%都是0.2-0.9 W或1-3 W。其中，國(guó)際領(lǐng)先封裝企業(yè)出貨集中在1-3 W，而中小型封裝企業(yè)的出貨集中在0.2-0.9 W。

3.植物照明應(yīng)用的領(lǐng)域

從應(yīng)用的領(lǐng)域看，植物照明燈具主要應(yīng)用在溫室補(bǔ)光、全人工光植物工廠、植物組織培養(yǎng)、大田補(bǔ)光、家庭蔬菜及花卉種植以及實(shí)驗(yàn)室研究。

①在日光溫室和連棟溫室中，采用人工光進(jìn)行補(bǔ)光的比例仍舊較低，而且以金鹵燈和高壓鈉燈為主，LED植物照明系統(tǒng)的滲透率較低，但是增長(zhǎng)速度隨著成本的下降開(kāi)始加速，主要原因是使用者對(duì)金鹵燈和高壓鈉燈已經(jīng)具有較長(zhǎng)時(shí)間的使用經(jīng)驗(yàn)，而且采用金鹵燈和高壓鈉燈在避免灼傷植物的同時(shí)，也為溫室提供了約6%一8%的熱能。而LED植物照明系統(tǒng)沒(méi)有提供具體、有效的使用說(shuō)明和數(shù)據(jù)支持，延緩了其在日光和連棟溫室中的應(yīng)用。目前仍舊以小規(guī)模的示范應(yīng)用為主。由于LED屬于冷光源，可以比較靠近植物冠面，產(chǎn)生較小的溫度影響，在日光和連棟溫室中LED植物照明的應(yīng)用比較多的是株間補(bǔ)光燈具。

②大田應(yīng)用。設(shè)施農(nóng)業(yè)的植物照明的滲透和應(yīng)用進(jìn)展相對(duì)緩慢，而戶外的經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的長(zhǎng)日照作物（如火龍果）的LED植物照明系統(tǒng)（光周期調(diào)控）的應(yīng)用取得了高速發(fā)展。

③植物工廠。植物照明系統(tǒng)目前應(yīng)用最快速也最廣泛的是全人工光植物工廠，按類別分為集中式多層以及分布式可移動(dòng)的植物工廠。全人工光植物工廠在國(guó)內(nèi)的發(fā)展非常迅猛。集中式多層全人工光植物工廠的投資主體并不是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)公司，而更多的是從事半導(dǎo)體以及消費(fèi)電子產(chǎn)品的公司，例如中科三安、富士康、松下蘇州、京東，也有中糧、喜翠等新型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)公司。在分布式可移動(dòng)的植物工廠，仍是以海運(yùn)集裝箱（新箱或二手箱改建）為標(biāo)準(zhǔn)載體。全人工植物工廠植物照明系統(tǒng)大多采用線性或者平板陣列照明燈具系統(tǒng)，種植品種數(shù)量不斷擴(kuò)展，各種實(shí)驗(yàn)性的光配方的LED光源開(kāi)始廣泛并大量應(yīng)用，其上市的產(chǎn)品主要還是以綠葉蔬菜為止。

④家居植物種植。LED可應(yīng)用于家用植物臺(tái)燈、家庭植物種植架、家用蔬菜生長(zhǎng)機(jī)等方面。

⑤藥用植物培育。藥用植物的栽培如金線蓮、鐵皮石解等，這些市場(chǎng)的產(chǎn)品具有更高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，是目前植物照明應(yīng)用較多的一個(gè)產(chǎn)業(yè)。另外，北美和歐洲部分地區(qū)大麻種殖的合法化促進(jìn)了LED植物照明在大麻種殖領(lǐng)域的應(yīng)用。

⑥花期燈。作為花卉園藝產(chǎn)業(yè)中調(diào)整花卉開(kāi)花時(shí)間的必備工具，最早應(yīng)用的花期燈具為白熾燈，隨后的節(jié)能熒光燈，隨著LED的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展更多的LED類型花期燈具已經(jīng)逐步取代傳統(tǒng)燈具。

⑦植物組織培養(yǎng)。傳統(tǒng)組織培養(yǎng)光源主要是白色熒光燈，其光效低、發(fā)熱量大。LED由于低功耗、低發(fā)熱和長(zhǎng)壽命等顯著特征，更適用于高效、可控和緊湊空間的植物組織培養(yǎng)。目前白光LED燈管正在逐步替代白色熒光燈。

4.植物照明企業(yè)的區(qū)域分布情況

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)從事植物照明的企業(yè)已經(jīng)超過(guò)300家，珠三角地區(qū)的植物照明企業(yè)占比超過(guò)50%，已處于主要位置；長(zhǎng)三角地區(qū)的植物照明企業(yè)占比約為30%，依舊是重要的植物照明產(chǎn)品生產(chǎn)地區(qū)。傳統(tǒng)類型植物燈企業(yè)主要分布在長(zhǎng)三角、珠三角和環(huán)渤海地區(qū)，其中長(zhǎng)三角地區(qū)占53%，珠三角和環(huán)渤海地區(qū)分別占24%和22%；LED植物照明生產(chǎn)企業(yè)主要分布區(qū)域?yàn)橹槿堑貐^(qū)（62%）、長(zhǎng)三角地區(qū)（20%）和環(huán)渤海地區(qū)（12%）。

二、LED植物照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

1.專業(yè)化

LED植物照明由于其具有光譜和光量可調(diào)，及整體發(fā)熱小的發(fā)光特點(diǎn)，具有良好的防水性能，適合應(yīng)用于各種場(chǎng)景的植物照明。同時(shí)由于自然環(huán)境的變化及人們對(duì)食物品質(zhì)的追求，促進(jìn)了設(shè)施農(nóng)業(yè)和植物工廠的蓬勃發(fā)展，也使LED植物照明行業(yè)進(jìn)人快速發(fā)展期，未來(lái)LED植物照明將會(huì)在提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、提高食品安全、改善蔬果品質(zhì)方面發(fā)揮重要作用。植物照明用的LED光源會(huì)隨著產(chǎn)業(yè)的逐步專業(yè)化進(jìn)一步發(fā)展，向更加具有針對(duì)性的方向前進(jìn)。

2.高效化

光效與能效提升是大幅減少植物照明運(yùn)行費(fèi)用的關(guān)鍵，采用LED替代傳統(tǒng)燈具并根據(jù)植物從苗期到收獲期的光配方需求進(jìn)行光環(huán)境的動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)節(jié)，是未來(lái)精致農(nóng)業(yè)的必然趨勢(shì)。在提高產(chǎn)量方面，可以根據(jù)植物的發(fā)育特征，分階段、分區(qū)域結(jié)合光配方進(jìn)行培育，以提高各階段的生產(chǎn)效率和產(chǎn)量；在提高品質(zhì)方面，可以通過(guò)營(yíng)養(yǎng)調(diào)控和光調(diào)控等手段，提高營(yíng)養(yǎng)成分含量以及其他保健功能成分含量。

據(jù)估算，目前全國(guó)蔬菜育苗需求量6800億株，而工廠化育苗的生產(chǎn)能力不足10%。育苗產(chǎn)業(yè)對(duì)環(huán)境要求較高，生產(chǎn)季節(jié)多為冬春季，自然光照弱，需要人工補(bǔ)光，植物照明投人產(chǎn)出比較高，對(duì)投人的接受度高；果菜類（番茄、黃瓜、甜瓜等）需要嫁接，在高濕度條件下特定的光譜補(bǔ)光促進(jìn)嫁接苗愈合，LED具備獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。溫室蔬菜種植補(bǔ)光，可彌補(bǔ)自然光照不足，提高植物光合效能，促進(jìn)開(kāi)花結(jié)果，提升產(chǎn)量，而且可以提高產(chǎn)品品質(zhì)。LED植物照明在蔬菜育苗和溫室生產(chǎn)中的應(yīng)用前景廣泛。

3.智能化

植物照明對(duì)光質(zhì)光量可實(shí)時(shí)調(diào)控這種復(fù)雜的需求強(qiáng)烈，隨著智能控制技術(shù)的提高、物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，多種單色光譜加智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)控、光控、根據(jù)植物的生長(zhǎng)狀態(tài)適時(shí)調(diào)整的光質(zhì)光量輸出，勢(shì)必成為植物照明技術(shù)未來(lái)發(fā)展的主趨勢(shì)。