设施园艺半导体照明及其研发中的科技问题

刘文科，杨其长

(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，农业部设施农业节能与废弃物处理重点实验室，北京 100081)

随着世界人口增加，农产品需求持续增加，而农业资源不断减少，环境污染日益严重，气候变化及其灾害逐年增多，农田生态系统的生产力及其稳定性大幅下降，粮食和食物产出难以保证，食物数量安全与质量安全问题日益凸显。设施园艺是环境可控农业，生产稳定性高，在保障“食物安全”和农产品有效供给方面发挥着不可或缺的作用，已成为现代农业主体。设施园艺可通过环境控制促进或延迟农业生物的生长发育与繁殖过程，按照人类的时空要求获得所需要的植物和食用菌产品。我国设施园艺栽培面积高居世界首位，已近400万公顷，产值超万亿元。

设施园艺要实现可持续发展迫切需要综合性、全面智能化环境控制技术的支撑，以克服环境逆境，创造适宜的生产条件。光照是设施园艺生产重要的环境因子，为了获得较高的产量和高品质农产品，生产过程中园艺设施内包括光照在内所有与农业生物生产相关的环境因子都有必要实现人工或智能调控。设施园艺生产系统内环境因子控制越多越精准，越是符合园艺生物需求，就更有利于设施园艺生产潜力的发挥。纵观设施园艺环境控制技术发展历程，光照是继温度、湿度、CO2浓度、气流等环境因子之后，园艺设施中最后一个实现智能控制的重要环境因素。其主要原因是在发光二极管(LED)这种固态半导体电光源出现之前，传统电光源均无法实时调控其光强和光质成分，无法实施智能控制。现今，基于LED光源良好的可控性和光电优势，采用LED补光或人工光环境调控可以很好地克服不适光照条件对园艺生物生产的制约，对保障设施园艺优质、高产和稳产至关重要。

1 设施园艺生产对人工照明的客观需求

光环境调控为物理性调控，生态安全，环境负效应少。设施园艺作为环境可控的农业生产方式，发展光环境调控技术是其内在要求，更是客观需求，主要表现在两个方面。其一，温室人工补光十分必要，需求迫切。补光方式包含两类，一是通过可见光调控(PAR)，强化光周期和光合作用；二是通过UV和FR调控形态和品质。温室人工补光必要性主要基于以下几点：(1)弱光寡照胁迫。夏季连阴雨天、冬季连阴雪天等导致的设施弱光寡照胁迫常造成的严重的生产危害，导致作物减产甚至绝收。(2)雾霾天气。2012年以来，我国雾霾天气的发生频率、持续时间及影响地域范围呈逐年增加的趋势，雾霾发生时段长达7个月(10月至次年4月)。雾霾天气条件下光照强度下降20%～90%，严重影响作物的光合作用，开花结果，并易孳生病虫害，造成作物减产甚至绝收。而且，冬春季雾霾频发期与设施园艺生产关键期重合，加剧了危害程度[1]，对菜农收益影响巨大。(3)高纬度地区光周期调控。在高纬度短日照地区迫切需要进行延长光周期的调控，增加光照时数。(4)长日照植物生产需求。在日照时间不足地区生产长日照植物需要增加光照时数，促进其完成生长周期。总之，为克服上述设施园艺生产的光环境问题，进行人工智能补光是直接有效的途径[2]。其二，完全人工光设施生产光环境调控。精准智能化光环境调控是人工光植物组培、植物工厂、食用菌工厂和育苗工厂等领域优质高产、能耗与生产效率的决定性因素，必要性十分突出。通过光环境调控，可改善作物形态，增加产量，并按照人类需求定向增加有益化学物质的含量，降低无益物质的积累，提高农产品的能值和营养保健价值，实现真正意义的优质生产[3-5]。

2 农业半导体照明的定义和内涵

传统照明是视觉应用，是通过人工光或自然光组成的照明系统(照明装置)将具有特定光度、色度要求的光，按科学设计的分布特性，传递到目标客体，供人类感知，获取信息[6]。农业照明是包含视觉和非视觉功能的照明应用方式，传统农业照明是指按照农业生产各领域的生产目标要求，利用光电光源人为创造适宜光环境或弥补自然光照的不足，调控农业生物的生长发育和繁殖的一种农艺措施。LED的出现推动农业照明进入了新的发展阶段，称之为农业半导体照明，属于现代农业照明的范畴的新型照明方式。农业半导体照明是指采用半导体电光源及其智能化管控装备，按照农业生物的光环境需求规律和农业生产各领域的生产目标要求，人为创造适宜光环境或弥补自然光照的不足，调控农业生物的生长发育和繁殖，以实现优质、高产、高效、稳产生产目标的一种农艺措施。农业半导体照明的特征：(1)农业半导体照明的电光源是第四代半导体固态光源-发光二极管等现代电光源；(2)电光源光谱可精准调控，光强、光质和光周期可进行实时的管控[7]；(3)能够满足现代农业生产各个领域光环境调控的需求，实现高产、高效、优质、稳产的目标；(4)农业半导体照明既包含视觉照明范畴，也包含了非视觉范畴。其中，植物和食用菌照明属于前者，畜禽养殖照明属于视觉范畴；(5)农业半导体照明可彻底突破自然光照明的昼夜和年际光周期规律，按照需求完全控制光照条件；(6)光环境调控需要与其它环境要素控制协同进行，综合协同调控。设施园艺半导体照明是设施园艺工程学科的新兴研究分支，是农业半导体照明的最重要组成部分，是半导体照明非视觉应用的重要领域，我国设施园艺需要大力研发半导体照明技术装备，加快应用进程与产业化发展。

3 设施园艺半导体照明应用领域及其复杂性

设施园艺半导体照明研究的生产系统主要是设施园艺生产系统，生物种类涵盖蔬菜、花卉、种苗、食用菌、药用植物等，其应用领域多样，各领域生物形态多样，光环境需求差别迥异。总结而言，设施园艺光环境调控的应用领域如下：(1)温室补光。为了增加植物的光合产量，提高光照强度，延长植物光照的光周期，必须进行人工补光。(2)食用菌工厂。目前，食用菌生产工厂化程度高，多数食用菌对光强要求不高，但光质的要求苛刻，产量品质效应大，光环境调控非常重要，应用潜力巨大。(3)植物工厂。植物工厂作为设施园艺的最高级发展阶段，可用于蔬菜、苗木(蔬菜苗、水稻、烟草等)、中草药等的规模化生产[2]。智能化人工光源及其光环境调控对其生产效率起到决定性作用。(4)植物组培。植物组培是种苗快繁、脱毒的重要手段，完全采用人工光照进行生产，对人工光源的需求极大，电光源升级换代十分迫切。

设施园艺半导体照明应用领域十分复杂，需要开展系统、多层面、多尺度的研究工作。原因之一，农业生物营养与生长发育规律具有多样性和复杂性，农业生物对光环境的响应机理各不相同，研究方法各异，需要逐一系统研究，揭示其光生物学规律。譬如，植物是利用光能、CO2和水，通过叶绿素光合作用形成碳水化合物，将光能转变为化学能；而微生物(以食用菌为例)则需通过胞外酶分解栽培基质获取所需营养产生菌丝和子实体。农业生物的营养方式根本不同，光环境需求规律迥异。原因之二，农业生产领域庞杂，农业生物种类多样及其赋存形态各异，对光环境时空需求不同。原因之三，光环境的数量属性(光强和光周期)、质量属性(光质和光谱)和电光源发光特性(占空比、频率)多，需要逐一研究其生物学效应。上述三方面因素叠加显现了植物光生物学研究的复杂性和系统性。最后，设施系统种类多，光环境特征及变化规律迥异，需要有针对性进行光环境调控。

4 设施园艺半导体照明亟待解决的科学问题

农业生物光生物学规律研究是农业半导体照明的基础。作为新兴研究领域，国际上起步晚，设施园艺半导体照明研发中尚存许多科学问题亟待解决[8-10]。总结而言，科学问题之一是光质生物学。这里的光质是指对生物有作用的光质类型，包括可见光、UV和远红光等。(1)光质的生物学功能。主要研究内容包括弄清单一光质及复合光质对植物和食用菌生长发育和产量品质影响的生理代谢、分子生物学及蛋白组学机理；(2)生物种类及品种间光质适应性和利用差异性机理；(3)光质与环境其它因子互作的生物学机制；(4)设施生物光质数量属性有效阈值和基准值(如补偿点、饱和点与光胁迫阈值)。科学问题之二是逆境光质生物学。主要研究明确单色及复合光弱光、强光及连续光照下光合机构和代谢系统运转效率的响应机理及其农学意义等。

5 设施园艺半导体照明亟待解决的技术问题

综合分析设施园艺半导体照明技术研发现状，亟待解决的技术问题包括三个方面：(1)建立设施园艺各生产领域特定生物生长发育、优质高产所需的光照配方；(2)依据光照配方，制定农业生物光环境控制策略；(3)研发LED光源装置、灯具及计算机智能控制系统。

5.1 光照配方与光环境控制策略

光照配方是指以优质高产为目标，按照特定植物种类及品种生长发育各阶段所需的光质种类及其数量属性的参数集合。设施园艺各生产领域特定生物所适宜的光照配方是不同的，具有特殊性，需要逐一研究揭示。光环境控制策略是指以优质高产为目标，以设施园艺各生产系统所栽培特定植物种类及品种生长发育各阶段光照配方为基础通过计算机直接控制和切换光环境参数的时空管理方法策略。建立设施园艺光环境控制策略是非常必要的。比如，温室补光策略需要综合考虑自然光日变化参数、环境参数、作物光合生理参数、生长发育阶段和灯具属性，实施经济有效地补光方法，满足光强、光质和光周期需求，节能高效。光环境控制策略具有明显的时空特征，采用分段管理是设施园艺生产的优化选择，具有重要实践意义。譬如，园艺作物发芽期、苗期、营养生长期和生殖生长期光环境需求不同，组培植物的增殖阶段和生根阶段光环境需求不同，食用菌菌丝生长阶段和子实体生长阶段光环境需求不同。因此，基于LED半导体照明技术，设施园艺光环境的管理需要建立动态实时的控制策略，才能将光能、生物资源生产效率发挥到最高水平，避免盲目性无效光照造成的能源浪费。

5.2 LED光源及灯具开发

专用LED光源及灯具研发是设施园艺半导体照明的核心，最为迫切。LED光源及灯具研发需要遵循以下几个原则。(1)高光能利用率原则。制定合理光谱组分，最大程度增加LED光源的发光效率，减少光源与被照射生物距离，减少光损失，提高光能利用效率；(2)低成本原则。成本是决定设施园艺半导体照明产业化发展的重要因素，需深挖降低成本技术；(3)生态安全原则。在满足设施园艺作物光合生理需求基础上，适宜改进纯红蓝光谱组成，增加微量或少量绿光成份，增加视觉健康；(4)优先开发设施园艺高附加值农产品专用LED光源及灯具，有利于灯具销售，培育龙头企业。目前，市场上已经有的灯具类型包括灯泡、灯管、面板灯、筒灯、灯带、灯栅等。LED灯具设计关注的指标和性能包括光照的均匀性、光质组配的合理性、散热的可靠性、LED芯片功率的适宜性、发光面设计的有效性和感官舒适性。

5.3 智能控制系统

随着计算机技术、网络技术、通信技术、自动控制技术、总线技术、信号检测技术和微电子技术的迅速发展和相互渗透，半导体照明已进入了智能化控制的时代。农业照明更是如此，简单的开关控制已不能完成光环境复合调控的需求。实现照明控制系统智能化的主要目的有两个：一是可以提高照明系统的控制和管理水平，减少照明系统的维护与运行成本；二是可以节约能源，提高光效。一般而言，照明控制系统由传感器、控制电路、控制软件、控制PLC或计算机组成。农业半导体照明智能控制系统主要功能包括两个方面。其一，控制LED灯具的光质、光强和光周期；其二，控制灯具的空间位置和移动速率。

6 结语

设施园艺半导体照明相关科学技术问题的解决最终目标是为研发与产业化服务，为设施园艺生产实践服务。设施园艺半导体照明的目标：(1)节能，提高农业生物的光能利用效率；(2)优质高产，获得更高的生产效率和生物量，提高能源物质或健康有益物质；(3)稳产，削减光环境逆境；(4)视觉健康，不危害生产人员的视觉健康。当前，设施园艺半导体照明方兴未艾、发展如火如荼，但基于设施园艺生产的复杂性，设施园艺半导体照明在科学规律与技术研发方面尚有很长的路要走。但有理由相信，未来5～10年我国设施园艺半导体照明科学技术研发与应用将取得长足进步，也将极大地推进设施园艺半导体照明产业和学科发展。

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[2] 刘文科，杨其长. 雾霾天气与设施园艺补光[J]. 科技导报，2014，32(10)：12.

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