现代农业照明现状与发展展望

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)

引言

农业是依靠动物、植物和微生物自然生长发育功能和繁育机能，来达到规模化生产农产品目的的生物生产方式。俗话说，万物生长靠太阳，太阳光是地球生物赖以生存的能量来源，是露地农业不可或缺的环境条件，光照条件的好坏直接决定着农业生产能否获得优质高产。近几十年，我国的农业逐步经历了由传统农业向设施农业的转变，正向着现代农业的方向转变，在此转变过程中农业生产环境要素的管控水平逐步提高，农产品生产的工厂化程度大幅增加。传统农业(以种植业为例)，几乎完全依靠自然资源进行生产，人为干预程度较小，仅能通过施肥、灌溉和耕作等农艺手段调控根际环境，地上部分环境无法调控，无法进行周年生产。在众多环境因子中，光照作为最为重要的环境因子，其质量完全取决于太阳辐射和天气情况，无法人为调控。设施农业阶段人们可通过补光来调控植物生长发育和产量品质，初步使农业摆脱了自然条件，具备了周年生产的能力。现代农业作为现代工业、现代科学技术和科学管理方法装备起来的农业[1]，是未来发展的必然趋势，可实现生产全过程各因素可控管理，达到按需生产的目标。

1 现代农业照明的必要性

在20世纪80年代，随着农业工程技术的发展，日光温室出现，我国设施农业初步形成。温室具有蓄热保温能力，设施内环境可控，初步实现周年生产，为人工光源的补光提供了条件，以达到温光协同提高设施作物产量的目的。然而，受温室结构、棚膜的遮挡，设施内光照较露地降低20%～50%，弱光寡照胁迫发生频率与强度增加，严重影响着设施园艺的优质高产，设施光环境调控的需求和迫切性增加。另一方面，设施人工光设施园艺产业的发展迅速，如植物组培、蔬菜栽培、种苗培育、食用菌栽培等均可在完全人工光下进行，更需要基于农业生物的光环境需求特性，通过人工光源提供适宜的光环境条件。同样，设施畜禽养殖业对人工光环境调控的需要也十分迫切，人工光照不仅为动物提供视觉服务功能，也可调控动物的行为、生长发育和繁殖等非视觉功能，生产意义重大。对现代农业而言，人工光照明的需求是必需的、迫切的，这首先取决于设施农业生产的内在本质特征。设施农业是促生生产方式，就是要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动植物和食用菌产品。为了获得较高的产量和品质，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得到调控，而光照首当其冲。其次，光环境调控是现代农业发展的要求。现代农业的发展目标为“高产、高效、优质、生态、安全”，为此必须实现光照条件的按需调节，否则该目标无法实现。其次，光环境调控是现代农业发展的实际客观需求，这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。连阴雨雪、雾霾、大气污染等导致的设施弱光寡照胁迫常造成严重的生产危害，导致作物减产甚至绝收；而高纬度、短日照地区迫切需要进行光周期调控。为克服上述光环境问题，补光是有效途径。其二，人工光设施栽培和设施养殖需求迫切。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、畜禽养殖等领域优质高产、能耗与生产效率的决定因素，必要性十分突出。

2 现代农业照明的应用领域

现代农业照明应用领域多样，各领域生物形态各异，光环境需求差别较大，主要包括以下几个领域：首先是设施园艺领域。我国设施园艺栽培面积已达380万公顷，人工光栽培(植物组培、植物工厂、食用菌工厂)面积达2000公顷以上，产业规模逐年增加。在设施园艺领域光环境调控的模式包括以下几个方面：(1)温室补光。我国日光温室和连栋温室面积约100万公顷，为了增加植物的光合产量，延长植物光照的光周期，必须进行人工补光。(2)食用菌工厂。食用菌是重要的蔬菜和保健品，2012年我国食用菌生产总量近3000万吨，产值超过1500亿元，占世界总产量的70%以上。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，但光质要求苛刻，产量品质效应大，光环境调控非常重要。(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]。据估算，人工光植物工厂叶菜生产效率是露地的108倍[3]，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。其次是畜禽与水产养殖领域。集约化养鸡场、养猪场等都必须采用人工光照明。研究表明，人工照明的颜色、强度、时长及间断控制等都会对养殖动物的行为习性、生理特性、生长发育等产生应激，最终影响动物的生长发育与繁殖性能。人工照明在畜禽养殖业具有广阔的应用前景。此外，还包括诱鱼灯与诱虫灯应用。LED诱鱼灯和LED诱虫灯具有重要用途，具有生态高效的优势。

3 现代农业照明的必然趋势

从历史上来看，设施农业照明技术及产业发展与电光源技术的发展密切相关。白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯、LED灯等电光源的出现与发展均促成了农业照明的发展与变革，同时拓展了农业照明的内涵和外延。有学者指出，第四代光源——LED在农业照明上的应用是农业照明发展的最大进步，具有里程碑式的意义[4]。这一论断主要基于下述理由：(1)LED极大地拓展了农业照明的内涵，可按农业生物生长发育、繁殖需求调制光谱，光质、光强和光周期可综合调控，按需用光，生物光效高；(2)LED可控性好，实现了光环境的精准、智能调控，适宜工厂化生产；(3)LED光源装置多样，如：灯板、灯带、灯管和灯泡等，适于设施农业各领域的应用；(4)LED为冷光源，贴近农业生物照射，可提高空间利用率；(5)LED具有节能、环保、长寿命、体积小、重量轻等特性。因此，LED光源被认为是现代农业照明的理想光源，半导体照明必将逐步替代传统光源被广泛应用到农业生产的各个领域[5]。

4 现代农业照明存在的问题

当前，现代农业照明在科学研究、技术装备研发和推广应用上存在一定的问题。首先，在科学认知方面。我国在农业光生物学规律研究方面严重落后。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。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；动物是通过消化酶将饲料或食物消化，将化学能转变为生物能；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。原因之二：农业生产领域庞杂，农业生物生存形态各异，对光环境时空需求不同。农业照明涉及到的领域有：(1)设施园艺(包括温室补光、蔬菜生产、组培育苗、种苗培育、食用菌生产等)；(2)设施养殖与水产(包括肉鸡、蛋鸡、鱼、猪等)；(3)诱鱼灯和诱虫灯(包括鱼、昆虫)。原因之三：光环境的数量属性(即光强和光周期)、质量属性(即光质和光谱)和电光源发光特性(即占空比、频率)多，需要逐一研究其生物学效应。其次，在科学研究与技术研发方面，传统光源与LED光源研发力度不足，缺乏适用产品。半导体照明农业应用处于起步阶段，中国、日本、韩国、美国、荷兰正在加紧研发农用LED灯具。美国、日本和韩国相继提出了半导体农业照明的科研立项，我国也在863重大专项(非视觉照明课题)、863项目(智能化植物工厂生产技术)、国家科技支撑计划项目列资了LED光源研发的课题。最后，在成果转化层面，缺乏企业与研究单位间沟通的全国性平台，LED农业照明产品的研发与成果转化上缺乏全国性交流平台，涉农的LED制造企业的创新与成果转化能力不足。当前，农业照明技术薄弱、光源装置性价比不高、缺乏政府扶持(研究项目、产品补贴、成果转化资金等)、电光源研发与产品化渠道不畅、照明产品推广应用率低、LED光源应用困难等现实问题仍存在。

5 现代农业照明发展展望

现代农业照明应用前景非常广阔，据估算其产业规模在千亿元以上，在未来5～10年将有较大的发展。育苗工厂、植物工厂、食用菌工厂和畜禽养殖将是LED灯具研发与应用的优先领域，效益十分可观。从根本上来讲，现代农业照明发展必须有全国性的交流平台，以加强科研院所、高等院校与照明企业间的对接，促进农业照明技术转移和产品装备的更新换代与推广应用，并逐步建立农业照明产品评价和测量标准体系，提高农业照明对现代农业发展的科技贡献率。

[1] 农业大词典编辑委员会.农业大词典[M].北京：中国农业出版社，1998.

[2] 杨其长，魏灵玲，刘文科. 植物工厂系统与实践[M]. 北京：化学工业出版社，2012.

[3] Kozai T. Plant factory in Japan-current situation and perspectives[J]. Chronica Horticulturae, 2013, 53(2): 8-11.

[4] 刘文科，杨其长，魏灵玲. LED光源及其设施园艺应用[M]. 北京：中国农业科学技术出版社，2012.

[5] 刘文科，杨其长. 2013-33科技工作大家谈：现代设施园艺的最高形式——植物工厂[J].科技导报，2013，31(33)：11.