农业照明需要解决的几大核心问题

　　光亚展已经结束了，农业照明成为照明一个重心的在迅速发展，也有越来越多的人对农业照明表现出极大的兴趣。农业照明的市场潜力巨大，这是毋庸置疑的结论，中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所研究员杨其长曾指出，现代农业几乎所有领域都与人工光有密切关系！尤其在种植业（设施园艺、都市农业等）、畜禽养殖业（设施养殖）、水产业（设施养殖、诱鱼等）、种植业（露地生产，植保诱虫等）、其他（食用菌、微藻等）对人工光源需求迫切。仅就蔬菜这一项，我们可以作一个简单的设想，2014年全年中国仅蔬菜消耗总量大约为1300亿人民币，如果未来5年、10年、20年，有30%的蔬菜是通过农业照明来实现，那么这个农业照明的市场有多大可想而知。

　　但正如沙龙上，“十二五”国家科技重点专项（半导体照明专项）专家组专家杨海峰、北京世纪金沙江创业投资管理有限公司高级副总裁丁建华、中国之光网及农业照明网总经理洪兵所言，农业照明市场巨大，但基于农业照明涉及面的复杂性等原因，做大、做深并不是一件容易的事情。目前，农业照明痛点仍存，各种探索仍在进行。

　　基础层面：农业照明涉及面的复杂性

　　复旦大学电光源研究所刘木清、朱雪菘从下面五个层面阐述了这点。

　　一、农业照明的多学科性

　　如果把植物照明与动物照明纳入农业照明范围内，则其所涉及的学科包括植物学、动物学、生物统计学、照明技术、控制技术等。前三者是生物学的领域，后两者是照明技术的领域，学科跨度很宽，在这几门学科中，照明技术是技术手段，而生物学领域的内容是实验过程与结果评判。总体来说，生物学领域的知识是进行农业照明的最重要部分，但目前农业照明主要指的是采用LED的照明技术，而LED的高度灵活性，使得进行农业照明过程中，作为主体的农业或者生物领域的科学家，需要照明学家的高度配合，以实现各种动植物物种的最佳照明条件，同时照明学科在视觉领域的成功完善，也是农业照明值得借鉴的。因此，农业照明的学科与技术进步，需要农业及生物领域的科学家与照明领域的科学家密切配合。

　　二、农业照明的复杂性

　　作为1项与农业相关的科学与技术，农业照明继承了农业科学的复杂性特点，如前所述，其中包括两个方面：农业与照明。

　　前者研究的物种非常多，且每1个物种，影响的条件因素也非常多。如植物生长的几个基本要素，阳光、空气、水，除此之外，种子、土壤、周边环境如温度、湿度、气候的变化等，也影响植物的生长。而动物方面，由于是活动的，包括的因素更多，即使所有这些条件一致，各个动植物个体的生长情况也可能有差异，这就决定了进行农业照明研究时必须以生物统计学的方法进行研究。

　　另外在照明方面，也存在多个变数，包括照明的光谱、强度、时间与周期、光形式（稳态还是脉冲）等。

　　以上两个方面，决定了农业照明的复杂性，尽管通过调控光的强度优化动植物的生长，可以保持其他条件相同的情况下进行，但可能存在的各种条件的相互影响将使研究问题更加复杂化。

　　三、农业照明的试验难度

　　农业照明的复杂性决定了农业照明研究的试验难度，体现在具体实验上就是试验的变数太多。尽管主要试验光照的情况，通过研究不同的光照条件，如照射强度、光谱、照射时间、照射周期、照射方式等情况下动植物的生长情况，并期望固定其他农业条件如温度、湿度、空气、水分、营养成分、种子等。但是这两类因素可能相互影响，因而在实际的实验研究中，要考虑的试验变化条件非常多，同时每个条件，出于生物统计学的考虑，也要具有一定的样本。这就使得试验条件多、样本多，再加上每个试验条件需要一定的生长时间，最后造成农业照明研究的情况是：试验样本非常多、试验时间跨度很长，农业照明成为了费时、费力、费空间的研究。举 1个例子，如果设置 3种光照条件变数，如光谱、强度、照射时间，每种变数采用10个分立值，则可知共有1 000种条件，加上生物条件如果10种，那就是10000种情况，如果每种情况10个样本，那就是100000个样本，如果每个样本要进行2个月，那么可以想象这个试验的难度。因此实际的研究，被迫采用减少试验变数以及减少每种试验变数的数量，笔者在阅读相关文献时，常发现采用的光照条件仅仅在10种以内，有可能出现所采用的试验条件中，没有最优的，因而不能搜寻出最佳结果。

　　曾经报道过的铁皮石斛补光试验，在1个大棚里共6条苗床(占地一亩)，安装以及调试了153只LED灯具和8盏荧光灯，644个样本的标记。数据采集进行了7个月，已完成了3批近20万个数据，通过分析得到最佳光照条件。现场情况如图1、2、3所示。

　　如图 3中可见， 113种不同的光环境组合环境中，仅有2种试验条件出现最佳的铁皮石斛生长情况，且这两种生长情况明显比其余生长情况优越得多。而其余111种光照条件下，生长情况比荧光灯对照组及无光照组没有太大的区别。可以想象，如果试验10种或者20种条件，很可能没法搜寻出最佳的光照条件。

　　在LED之前，对采用传统光源进行补光也进行了大量的研究，但由于传统光源灵活性不够，很难实现多种光照条件，往往只能研究简单的几种光照条件，如前文所说的常采用10余种。因此，在LED很容易实现各种光照条件的情况下，重新详细的研究并筛选最佳光照条件，有很大的实际意义。

　　四、农业照明的光选择性与光谱加权性

　　农业照明普遍认为是有光谱选择性的，这与视觉照明一样，因而存在1个类似于视觉照明中的光谱视见函数的加权曲线，常被引用的曲线如图4、5所示。

　　人眼视见函数的研究也是经过大量的试验后得到的，由于各人种存在的差异较小，因而目前该视见函数被普遍采用。但植物照明的加权函数目前有的理论有限，较多的采用图5的植物叶绿素光谱吸收率，且受到很多质疑。实际上，看看各种植物的叶面光谱反射率的不同，也很容易想象到，不同的植物的光合作用加权函数很可能不同，因而有大量的研究工作需要进行。完成各种植物的光合作用光谱加权函数之后，可以参照视觉照明建立“光通量”的概念，即辐射通量到光合作用的物理量转换，并完成相应的测试手段等。

　　动物的照明与植物类似，也存在相应的研究工作有待完成。

　　五、评价指标的多样性

　　照明学科中，视觉科学是研究光作用于人眼的科学，主要评价指标是视觉的清楚与舒适，牵着包含照度、亮度等指标，后者是眩光、频闪等指标。进入到农业照明，关注的指标则更加复杂，包括植物的生长、某些成分的含量等，进一步细化可以是植物的叶子面积、根茎、总高、颜色等，成分方面包括糖分、叶绿素等多个指标。实际上，除此之外还有很多其他的指标，如可以通过补光实现增加植物的生长，也可以反过来抑制某些东西的生长，这就会有另一类评价指标。

　　动物照明的评价指标同样复杂多样，如用于肉鸡的生长补光照明，评价指标可以是鸡的生长速度，也可以是肉质，蛋白质含量等，可以考虑鸡的销售观感与死亡率等，甚至鸡的啄羽情况等。

　　评价指标上的复杂性，更增加了农业照明的研究难度。值得一提的是，由于采用多个照明条件，且不同的生长阶段可能需要不同的补光情况，因而农业照明常与控制技术结合，即通过控制技术，实现整个照明的完全控制。

　　半导体光源农业应用仍面临的其他瓶颈

　　除上述学科的复杂性、基础研究成最大掣肘外，技术层面的难题还表现在，光配方研究缺乏、分子机制不清楚、机理研究停留在宏观层面；LED专用灯具及节能控制技术研发缺乏；农业LED研究人才（科教单位、企业层面）极度匮乏。此外，成本价格和产业化也是LED光源在农业领域的应用与推广所面临的瓶颈。

　　杨其长表示，在成本方面，人工光LED成本已大幅下降，与荧光灯相比已具备一定优势，但一次投资偏高；补光LED成本仍较高，与高压钠灯比较缺乏竞争优势（补光7公顷温室 LED590万欧元，高压钠灯30-40万欧元）。

　　在产业方面，产业化与标准化水平低，市场规模难以拓展；专门致力于农业LED专用灯具开发的企业不多，国内芯片厂商投入人力物力研发农业照明用的红光芯片也较少。兼业较多，规模小，难以与国际巨头竞争；国家对农业LED补贴政策（如农机补贴）缺乏。因此，在现阶段，基础研究、技术突破、降低成本，加强推广以及建立可持续盈利的商业模式都非常重要。

　　虽然农业照明的发展仍面临重重困难，但中国LED植物照明之路并不是“哀鸿遍野”。十八届五中全会指出，“要大力推进农业现代化，加快转变农业发展方式，走产出高效、产品安全、资源节约、环境友好的农业现代化道路。”行业人士解读，从高产到高效，科技兴农是现代农业必由之路。除信息化之外，“十三五”规划还指出，可能涉及的现代装备、现代育种科技等都是未来重点扶持的方向。而从***前段时间参观植物工厂也可以窥探出国家对于农业照明的高度重视。

　　总之，仍重而道远，农业照明的发展有赖于农业科学家和照明人士的密切配合、有赖于政策的大力支持，也有赖于你我的坚持。相信，终有一天，中国的LED农业照明将受世界瞩目。