農(nóng)業(yè)照明需要解決的幾大核心問(wèn)題

　　光亞展已經(jīng)結(jié)束了，農(nóng)業(yè)照明成為照明一個(gè)重心的在迅速發(fā)展，也有越來(lái)越多的人對(duì)農(nóng)業(yè)照明表現(xiàn)出極大的興趣。農(nóng)業(yè)照明的市場(chǎng)潛力巨大，這是毋庸置疑的結(jié)論，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所研究員楊其長(zhǎng)曾指出，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)幾乎所有領(lǐng)域都與人工光有密切關(guān)系！尤其在種植業(yè)（設(shè)施園藝、都市農(nóng)業(yè)等）、畜禽養(yǎng)殖業(yè)（設(shè)施養(yǎng)殖）、水產(chǎn)業(yè)（設(shè)施養(yǎng)殖、誘魚(yú)等）、種植業(yè)（露地生產(chǎn)，植保誘蟲(chóng)等）、其他（食用菌、微藻等）對(duì)人工光源需求迫切。僅就蔬菜這一項(xiàng)，我們可以作一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)想，2014年全年中國(guó)僅蔬菜消耗總量大約為1300億人民幣，如果未來(lái)5年、10年、20年，有30%的蔬菜是通過(guò)農(nóng)業(yè)照明來(lái)實(shí)現(xiàn)，那么這個(gè)農(nóng)業(yè)照明的市場(chǎng)有多大可想而知。

　　但正如沙龍上，“十二五”國(guó)家科技重點(diǎn)專項(xiàng)（半導(dǎo)體照明專項(xiàng)）專家組專家楊海峰、北京世紀(jì)金沙江創(chuàng)業(yè)投資管理有限公司高級(jí)副總裁丁建華、中國(guó)之光網(wǎng)及農(nóng)業(yè)照明網(wǎng)總經(jīng)理洪兵所言，農(nóng)業(yè)照明市場(chǎng)巨大，但基于農(nóng)業(yè)照明涉及面的復(fù)雜性等原因，做大、做深并不是一件容易的事情。目前，農(nóng)業(yè)照明痛點(diǎn)仍存，各種探索仍在進(jìn)行。

　　基礎(chǔ)層面：農(nóng)業(yè)照明涉及面的復(fù)雜性

　　復(fù)旦大學(xué)電光源研究所劉木清、朱雪菘從下面五個(gè)層面闡述了這點(diǎn)。

　　一、農(nóng)業(yè)照明的多學(xué)科性

　　如果把植物照明與動(dòng)物照明納入農(nóng)業(yè)照明范圍內(nèi)，則其所涉及的學(xué)科包括植物學(xué)、動(dòng)物學(xué)、生物統(tǒng)計(jì)學(xué)、照明技術(shù)、控制技術(shù)等。前三者是生物學(xué)的領(lǐng)域，后兩者是照明技術(shù)的領(lǐng)域，學(xué)科跨度很寬，在這幾門(mén)學(xué)科中，照明技術(shù)是技術(shù)手段，而生物學(xué)領(lǐng)域的內(nèi)容是實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果評(píng)判?？傮w來(lái)說(shuō)，生物學(xué)領(lǐng)域的知識(shí)是進(jìn)行農(nóng)業(yè)照明的最重要部分，但目前農(nóng)業(yè)照明主要指的是采用LED的照明技術(shù)，而LED的高度靈活性，使得進(jìn)行農(nóng)業(yè)照明過(guò)程中，作為主體的農(nóng)業(yè)或者生物領(lǐng)域的科學(xué)家，需要照明學(xué)家的高度配合，以實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)植物物種的最佳照明條件，同時(shí)照明學(xué)科在視覺(jué)領(lǐng)域的成功完善，也是農(nóng)業(yè)照明值得借鑒的。因此，農(nóng)業(yè)照明的學(xué)科與技術(shù)進(jìn)步，需要農(nóng)業(yè)及生物領(lǐng)域的科學(xué)家與照明領(lǐng)域的科學(xué)家密切配合。

　　二、農(nóng)業(yè)照明的復(fù)雜性

　　作為1項(xiàng)與農(nóng)業(yè)相關(guān)的科學(xué)與技術(shù)，農(nóng)業(yè)照明繼承了農(nóng)業(yè)科學(xué)的復(fù)雜性特點(diǎn)，如前所述，其中包括兩個(gè)方面：農(nóng)業(yè)與照明。

　　前者研究的物種非常多，且每1個(gè)物種，影響的條件因素也非常多。如植物生長(zhǎng)的幾個(gè)基本要素，陽(yáng)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(zhǎng)。而動(dòng)物方面，由于是活動(dòng)的，包括的因素更多，即使所有這些條件一致，各個(gè)動(dòng)植物個(gè)體的生長(zhǎng)情況也可能有差異，這就決定了進(jìn)行農(nóng)業(yè)照明研究時(shí)必須以生物統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法進(jìn)行研究。

　　另外在照明方面，也存在多個(gè)變數(shù)，包括照明的光譜、強(qiáng)度、時(shí)間與周期、光形式（穩(wěn)態(tài)還是脈沖）等。

　　以上兩個(gè)方面，決定了農(nóng)業(yè)照明的復(fù)雜性，盡管通過(guò)調(diào)控光的強(qiáng)度優(yōu)化動(dòng)植物的生長(zhǎng)，可以保持其他條件相同的情況下進(jìn)行，但可能存在的各種條件的相互影響將使研究問(wèn)題更加復(fù)雜化。

　　三、農(nóng)業(yè)照明的試驗(yàn)難度

　　農(nóng)業(yè)照明的復(fù)雜性決定了農(nóng)業(yè)照明研究的試驗(yàn)難度，體現(xiàn)在具體實(shí)驗(yàn)上就是試驗(yàn)的變數(shù)太多。盡管主要試驗(yàn)光照的情況，通過(guò)研究不同的光照條件，如照射強(qiáng)度、光譜、照射時(shí)間、照射周期、照射方式等情況下動(dòng)植物的生長(zhǎng)情況，并期望固定其他農(nóng)業(yè)條件如溫度、濕度、空氣、水分、營(yíng)養(yǎng)成分、種子等。但是這兩類因素可能相互影響，因而在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)研究中，要考慮的試驗(yàn)變化條件非常多，同時(shí)每個(gè)條件，出于生物統(tǒng)計(jì)學(xué)的考慮，也要具有一定的樣本。這就使得試驗(yàn)條件多、樣本多，再加上每個(gè)試驗(yàn)條件需要一定的生長(zhǎng)時(shí)間，最后造成農(nóng)業(yè)照明研究的情況是：試驗(yàn)樣本非常多、試驗(yàn)時(shí)間跨度很長(zhǎng)，農(nóng)業(yè)照明成為了費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、費(fèi)空間的研究。舉 1個(gè)例子，如果設(shè)置 3種光照條件變數(shù)，如光譜、強(qiáng)度、照射時(shí)間，每種變數(shù)采用10個(gè)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(gè)樣本，那就是100000個(gè)樣本，如果每個(gè)樣本要進(jìn)行2個(gè)月，那么可以想象這個(gè)試驗(yàn)的難度。因此實(shí)際的研究，被迫采用減少試驗(yàn)變數(shù)以及減少每種試驗(yàn)變數(shù)的數(shù)量，筆者在閱讀相關(guān)文獻(xiàn)時(shí)，常發(fā)現(xiàn)采用的光照條件僅僅在10種以內(nèi)，有可能出現(xiàn)所采用的試驗(yàn)條件中，沒(méi)有最優(yōu)的，因而不能搜尋出最佳結(jié)果。

　　曾經(jīng)報(bào)道過(guò)的鐵皮石斛補(bǔ)光試驗(yàn)，在1個(gè)大棚里共6條苗床(占地一畝)，安裝以及調(diào)試了153只LED燈具和8盞熒光燈，644個(gè)樣本的標(biāo)記。數(shù)據(jù)采集進(jìn)行了7個(gè)月，已完成了3批近20萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)，通過(guò)分析得到最佳光照條件。現(xiàn)場(chǎng)情況如圖1、2、3所示。

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

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

　　四、農(nóng)業(yè)照明的光選擇性與光譜加權(quán)性

　　農(nóng)業(yè)照明普遍認(rèn)為是有光譜選擇性的，這與視覺(jué)照明一樣，因而存在1個(gè)類似于視覺(jué)照明中的光譜視見(jiàn)函數(shù)的加權(quán)曲線，常被引用的曲線如圖4、5所示。

　　人眼視見(jiàn)函數(shù)的研究也是經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)后得到的，由于各人種存在的差異較小，因而目前該視見(jiàn)函數(shù)被普遍采用。但植物照明的加權(quán)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(zhì)疑。實(shí)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(quán)函數(shù)很可能不同，因而有大量的研究工作需要進(jìn)行。完成各種植物的光合作用光譜加權(quán)函數(shù)之后，可以參照視覺(jué)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(zhuǎn)換，并完成相應(yīng)的測(cè)試手段等。

　　動(dòng)物的照明與植物類似，也存在相應(yīng)的研究工作有待完成。

　　五、評(píng)價(jià)指標(biāo)的多樣性

　　照明學(xué)科中，視覺(jué)科學(xué)是研究光作用于人眼的科學(xué)，主要評(píng)價(jià)指標(biāo)是視覺(jué)的清楚與舒適，牽著包含照度、亮度等指標(biāo)，后者是眩光、頻閃等指標(biāo)。進(jìn)入到農(nóng)業(yè)照明，關(guān)注的指標(biāo)則更加復(fù)雜，包括植物的生長(zhǎng)、某些成分的含量等，進(jìn)一步細(xì)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(gè)指標(biāo)。實(shí)際上，除此之外還有很多其他的指標(biāo)，如可以通過(guò)補(bǔ)光實(shí)現(xiàn)增加植物的生長(zhǎng)，也可以反過(guò)來(lái)抑制某些東西的生長(zhǎng)，這就會(huì)有另一類評(píng)價(jià)指標(biāo)。

　　動(dòng)物照明的評(píng)價(jià)指標(biāo)同樣復(fù)雜多樣，如用于肉雞的生長(zhǎng)補(bǔ)光照明，評(píng)價(jià)指標(biāo)可以是雞的生長(zhǎng)速度，也可以是肉質(zhì)，蛋白質(zhì)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(píng)價(jià)指標(biāo)上的復(fù)雜性，更增加了農(nóng)業(yè)照明的研究難度。值得一提的是，由于采用多個(gè)照明條件，且不同的生長(zhǎng)階段可能需要不同的補(bǔ)光情況，因而農(nóng)業(yè)照明常與控制技術(shù)結(jié)合，即通過(guò)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)照明的完全控制。

　　半導(dǎo)體光源農(nóng)業(yè)應(yīng)用仍面臨的其他瓶頸

　　除上述學(xué)科的復(fù)雜性、基礎(chǔ)研究成最大掣肘外，技術(shù)層面的難題還表現(xiàn)在，光配方研究缺乏、分子機(jī)制不清楚、機(jī)理研究停留在宏觀層面；LED專用燈具及節(jié)能控制技術(shù)研發(fā)缺乏；農(nóng)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(jià)格和產(chǎn)業(yè)化也是LED光源在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用與推廣所面臨的瓶頸。

　　楊其長(zhǎng)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(shì)，但一次投資偏高；補(bǔ)光LED成本仍較高，與高壓鈉燈比較缺乏競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)（補(bǔ)光7公頃溫室 LED590萬(wàn)歐元，高壓鈉燈30-40萬(wàn)歐元）。

　　在產(chǎn)業(yè)方面，產(chǎn)業(yè)化與標(biāo)準(zhǔn)化水平低，市場(chǎng)規(guī)模難以拓展；專門(mén)致力于農(nóng)業(yè)LED專用燈具開(kāi)發(fā)的企業(yè)不多，國(guó)內(nèi)芯片廠商投入人力物力研發(fā)農(nóng)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(guó)際巨頭競(jìng)爭(zhēng)；國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)LED補(bǔ)貼政策（如農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼）缺乏。因此，在現(xiàn)階段，基礎(chǔ)研究、技術(shù)突破、降低成本，加強(qiáng)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(nóng)業(yè)照明的發(fā)展仍面臨重重困難，但中國(guó)LED植物照明之路并不是“哀鴻遍野”。十八屆五中全會(huì)指出，“要大力推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，加快轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式，走產(chǎn)出高效、產(chǎn)品安全、資源節(jié)約、環(huán)境友好的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化道路?！毙袠I(yè)人士解讀，從高產(chǎn)到高效，科技興農(nóng)是現(xiàn)代農(nóng)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(lái)重點(diǎn)扶持的方向。而從***前段時(shí)間參觀植物工廠也可以窺探出國(guó)家對(duì)于農(nóng)業(yè)照明的高度重視。

　　總之，仍重而道遠(yuǎn)，農(nóng)業(yè)照明的發(fā)展有賴于農(nóng)業(yè)科學(xué)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(jiān)持。相信，終有一天，中國(guó)的LED農(nóng)業(yè)照明將受世界矚目。