一、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)照明光源的需求
農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎，日常生活中的肉蛋奶、蔬菜、花卉、瓜果、食用菌等農(nóng)副產(chǎn)品的很大一部分都是在設施條件下生產(chǎn)出來的，其中農(nóng)業(yè)照明起到了極為重要的作用?？傮w上來看，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的很多領域，如設施植物生產(chǎn)、集約化養(yǎng)殖業(yè)、水產(chǎn)捕撈、病蟲害防治、食用菌生產(chǎn)及微藻繁殖等，都與人工照明有著極其密切的關系。
植物生產(chǎn)對人工照明的需求方面，俗話說“萬物生長靠太陽”，光照是地球上生物賴以生存與繁衍的基礎，作物的光合作用離不開光照，光照條件的好壞直接影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。自然界中，太陽的光照隨地理緯度、季節(jié)和天氣狀況的不同而變化，高緯度地區(qū)冬季日長變短以及其它地區(qū)冬春季節(jié)連陰、雨、雪、霧天氣等特定氣候條件下，光照強度和光照時間不足的現(xiàn)象時有發(fā)生，因此，在現(xiàn)代植物生產(chǎn)系統(tǒng)中(如溫室、大棚等)人工補光已經(jīng)成為高效生產(chǎn)的重要手段。此外，在密閉式人工光生產(chǎn)系統(tǒng)，如植物工廠、組培車間、育苗工廠等，采用完全人工光進行光合作用，因此也離不開對人工照明光源的需求。
在養(yǎng)殖生產(chǎn)對人工照明的需求方面，集約化養(yǎng)雞場、養(yǎng)豬場等都在封閉或半封閉環(huán)境下進行飼養(yǎng)，人工光源不僅能起到照明的作用，而且對畜禽生產(chǎn)性能也會產(chǎn)生重要影響。大量的研究表明，在畜禽養(yǎng)殖過程中，照明光源的顏色與波長、光照的時間與強度、光照期與黑暗期的配合等都會對畜禽的生產(chǎn)性能、生理特性、行為特性、體質(zhì)健康等產(chǎn)生顯著影響。適宜的人工照明，能夠克服了畜禽繁殖生理機能季節(jié)性限制，使其遺傳潛力能最大限度地發(fā)揮出來，增加畜禽養(yǎng)殖的經(jīng)濟效益。
在水產(chǎn)捕撈與燈光誘魚對人工照明的需求方面，自公元8世紀開始，人們利用魚對光的敏感性，就采用燈光進行集魚與捕魚。多年來，世界各地一直存在使用火或其他形式的燈光捕魚的方法，如今這些捕魚方法已經(jīng)成為許多國家現(xiàn)代漁業(yè)的一個重要特征。一些學者還對不同顏色光源的誘魚效果進行了試驗，結(jié)果表明，藍光具有更深的水體穿透性，使用以藍色為主體的人工光源可以取得更好的捕撈效果。
在人工微藻對照明的需求方面，近年來，隨著全球資源、能源及環(huán)境危機的加劇，開發(fā)利用光合自養(yǎng)生物微藻，直接將太陽能及CO2轉(zhuǎn)化成人們生產(chǎn)生活需要的醫(yī)藥、生物基化學品(如天然色素、異戊二烯等)和生物能源(如乙醇、丁醇、生物柴油等)，已經(jīng)成為世界各國關注的焦點。光照是影響微藻細胞生長及生化成分變化最重要的因子之一，對微藻的生長、繁殖、藻體顏色、細胞形態(tài)及代謝產(chǎn)物含量均有重要的影響，人工光源逐漸作為有效手段在微藻繁殖中得到廣泛應用。
此外，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，眾多領域，如病蟲害防治、食用菌生產(chǎn)等，也對人工光源具有廣泛的需求。
長期以來，在農(nóng)業(yè)照明領域使用的人工光源主要有高壓鈉燈、熒光燈、金屬鹵素燈、白熾燈等，這些光源的突出缺點是能耗大、運行成本高，能耗費用約占系統(tǒng)運行成本的40%～60%。因此，開發(fā)出高光效、低能耗的節(jié)能光源一直是農(nóng)業(yè)領域人工光照明應用的重要課題。近年來，隨著LED技術(shù)的快速發(fā)展，使低能耗、高光效光源在農(nóng)業(yè)領域的應用成為可能。與傳統(tǒng)人工光源相比，LED不僅節(jié)能效果顯著，而且還可進行光量、光質(zhì)(紅/藍光比例或紅/遠紅光比例等)的任意調(diào)整，以滿足動植物生產(chǎn)的各種生理需求，實現(xiàn)高效化生產(chǎn)。因此，LED被認為是21世紀農(nóng)業(yè)領域最有前途的人工光源，具有良好的發(fā)展前景。
二、LED農(nóng)業(yè)照明領域研究進展
1.LED植物照明研究進展
長期的研究表明，植物光合作用在可見光光譜(380～760nm)范圍內(nèi)所吸收的光能約占其生理輻射光能的60%～65%，其中主要以波長610～720nm(波峰為660nm)的紅、橙光(約占生理輻射的55%左右)以及波長400～510nm(波峰為450nm)的藍、紫光(約占生理輻射的8%左右)為吸收峰值區(qū)域。因此，開發(fā)出以這兩個波段(特別是波峰)為主體的植物人工光源將會大大提高其光能利用效率。近年來，隨著LED技術(shù)的不斷進步，為實現(xiàn)這一目標提供了可能。LED能夠發(fā)出植物生長所需要的單色光(如波峰為450nm的藍光、波峰為660nm的紅光等)，光譜域?qū)拑H為±20nm，而且紅、藍光LED組合后，還能形成與植物光合作用與形態(tài)建成基本吻合的光譜，光能利用效率達80%～90%，節(jié)能效果極為顯著。LED光源這種獨特的性能，為其在植物生產(chǎn)系統(tǒng)，如溫室大棚、植物組培、遺傳育種、植物工廠等領域人工照明的應用，提供了廣闊的發(fā)展空間。
LED用于植物栽培
多年來，國內(nèi)外學者圍繞LED植物照明應用進行了不懈的探索，Bula等(1991)利用660nm紅光LED與藍色熒光燈組合，進行了萵苣的栽培試驗，獲得成功。以色列卡納塔克邦大學設施技術(shù)發(fā)展研究中心(2001)用紅光、藍光及其組合LED對百合屬植物的幼芽分化再生進行研究，結(jié)果表明紅藍光組合LED與其它光源相比更能促進花芽分化，更適合幼芽生長，植株大小和干、鮮重都有明顯的增長。Yanagi等(1996)使用紅光LED與藍光LED來探討光質(zhì)與光量對萵苣生長與光形態(tài)建成的影響，將萵苣栽培于純藍光LED(170μmol?m-2?s-1)的環(huán)境中，證實可分化生長，雖然干物重小于純紅光或紅藍光組合下的植株，但純藍光下的植株顯得更加矮壯和健康。Kozai等(1999)使用LED脈沖光對萵苣的生長以及光合成反應的影響進行研究，結(jié)果表明，在周期為100μs以下的脈沖光條件下，萵苣生長比連續(xù)光照射條件下的促進效果提高了20%，從而證實了采用不同頻率脈沖光照射萵苣可以加速其生長的設想。Tanaka等(1994)通過對LED植物栽培的實用化研究，探討了脈沖光照射周期與占空比對植物生長的影響，結(jié)果表明，占空比達25%～50%時，可加速植物生長。Heo等(2002)研究發(fā)現(xiàn)，熒光燈+紅色LED，熒光燈+遠紅外LED復合光照處理，比單一熒光燈處理能顯著提高萬壽菊的氣孔數(shù)量。Okamoto等(1996)使用超高亮度紅光LED與藍光LED，在紅藍光比值(R/B)為2：1時，可以正常培育萵苣。美國航空航天局(NASA，1992)針對宇宙基地閉鎖式生命維持系統(tǒng)(Controlled Ecological Life Support System, CELSS)的植物生產(chǎn)特點，把LED光源列為空間植物栽培系統(tǒng)首選光源，并委托Wisconsin大學等單位開展研究，探索利用最小面積生產(chǎn)出可供一個人在太空中生活的必需食物，目前已經(jīng)研究出利用6～14m2就能提供一個人需要的面粉、豆、薯、菜、番茄、玉米等食物的生產(chǎn)模式。郭雙生等(2003)在模擬空間艙內(nèi)環(huán)境溫度控制在22℃、相對濕度70%、CO2濃度500mol?mol-1、光照周期24h(亮)/0h(暗)的條件下，利用紅、藍光LED的4種不同組合作為照明光源，在多孔管和多孔陶瓷顆粒無土栽培裝置下進行植物栽培試驗，結(jié)果表明紅藍光LED組合下的植株生長基本正常，90%紅光LED+10%藍光LED更為適宜。這一結(jié)果對太空農(nóng)業(yè)LED的應用也具有重要的參考價值。魏靈玲等(2007)利用紅色LED(660nm)+藍色LED(450nm)進行了黃瓜的育苗試驗，結(jié)果表明，LED的紅藍光比值(R/B)為7：1時，黃瓜苗的各項生理指標最優(yōu)，LED的能耗與熒光燈相比為1：2.73，節(jié)能效果顯著。到目前為止，LED已成功用于多種植物的栽培試驗，包括：萵苣、胡椒、胡瓜、小麥、菠菜、虎頭蘭、草莓、馬鈴薯、白鶴芋以及藻類等。上述研究表明，LED作為植物照明光源可以廣泛應用于設施栽培、組培培養(yǎng)、植物工廠等眾多領域，具有促進植物生長、調(diào)節(jié)植物形態(tài)以及節(jié)能環(huán)保等多方面優(yōu)勢。
2.LED養(yǎng)殖業(yè)照明研究進展
人工照明是畜禽養(yǎng)殖業(yè)尤其是集約化畜禽舍環(huán)境控制的重要手段之一，長期以來，養(yǎng)殖業(yè)領域使用的人工光源主要有白熾燈、熒光燈等，不僅能耗較大，而且也難以實現(xiàn)針對畜禽的生理需求進行光質(zhì)調(diào)控，影響畜禽生產(chǎn)效率的提高。近年來，隨著LED等單色節(jié)能光源的出現(xiàn)，國內(nèi)外學者圍繞畜禽對光色、光強與光周期等光環(huán)境指標與生長性能的關系進行了深入研究，探明了畜禽對光環(huán)境需求的相關參數(shù)。通過研究發(fā)現(xiàn)，AA肉雞生長前期采用綠光LED或藍光LED照射，生長后期采用藍光LED照射，能顯著促進肉雞的生長發(fā)育，提高生產(chǎn)性能;肉雞生長早期(0-7d)選用綠光LED照明，可不同程度地改善肉雞小腸黏膜結(jié)構(gòu)，提高小腸對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收能力，從而促進肉雞生長發(fā)育;藍、綠光LED照明可使視網(wǎng)膜面積、視網(wǎng)膜節(jié)細胞(RGCs)總數(shù)增加;從視網(wǎng)膜的中央?yún)^(qū)到周邊部，綠光組的RGCs密度梯度下降幅度和藍光組的RGCs大小梯度增大幅度最明顯。也有的學者研究發(fā)現(xiàn)，藍光可在一定程度上抑制肉雞因注射脂多糖(LPS)刺激引起的體增重下降以及應激激素和細胞因子IL-1β水平的升高，并可提高細胞免疫和體液免疫功能。采用綠光LED、藍光LED及其組合對Anak肉雞生長影響的研究結(jié)果表明，4d后綠光下雞增重最大，10d后用藍光下也有進一步促進肉雞增重的效果。我國學者通過LED光源對種雞的光色、光強與光周期優(yōu)化指標的系統(tǒng)研究，確定了調(diào)控光色、光強和光周期來改善雞的生理節(jié)律、攝食行為、生長發(fā)育、繁殖性能的技術(shù)指標體系，消減了諸如禽產(chǎn)品“污染”(如藥物殘留、激素殘留等)的負面影響，大大提高了雞的生產(chǎn)潛力。以上這些研究表明，LED在畜牧業(yè)中的實際應用是可行的，通過適當?shù)腖ED光照調(diào)節(jié)，能夠顯著促進畜禽生長，提高其免疫力，大大提高畜禽養(yǎng)殖的生產(chǎn)潛力。
三、LED農(nóng)業(yè)照明應用現(xiàn)狀
人工補光與照明是LED農(nóng)業(yè)領域最重要的應用方式，根據(jù)動植物發(fā)育的不同需求，采用不同波長的單色光組合起來形成農(nóng)用照明光源，并通過對光強、光質(zhì)和光周期的靈活調(diào)整，實現(xiàn)節(jié)能與高效生產(chǎn)，已經(jīng)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要應用方向。目前，LED在農(nóng)業(yè)上的應用已經(jīng)擴展到植物照明、畜禽養(yǎng)殖照明、食用菌生產(chǎn)、微藻繁殖、害蟲誘捕、誘魚等眾多領域，前景極為誘人。
1. LED植物照明應用現(xiàn)狀
植物照明是LED農(nóng)業(yè)應用最為廣闊的領域之一，溫室大棚、植物組培、植物工廠以及食用菌生產(chǎn)等眾多場合均可采用LED代替?zhèn)鹘y(tǒng)光源。目前，LED植物照明光源主要應用場合包括：
(1)溫室補光
光是作物生長最重要的環(huán)境因子之一，荷蘭學者認為：“1%的光照就是1%的產(chǎn)量”，可見光照在作物生產(chǎn)中的重要程度。溫室本身的光照比露地要低得多，尤其在冬春季節(jié)和連陰、雨、雪、霧等天氣條件下，光照不足的狀況會更加明顯，常常會限制溫室作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，人工補光已經(jīng)成為溫室高效生產(chǎn)的重要手段。目前，溫室的人工補光光源主要有高壓鈉燈、低壓鈉燈、金屬鹵化物燈和熒光燈等，這些光源的紅外和綠光等光譜成分較大，作物光合作用所需的紅、藍光譜成分相對較少，光能利用率低，耗能大，運行成本高。近年來，隨著LED光源的快速發(fā)展，尤其是大功率LED芯片產(chǎn)品的開發(fā)成功，為溫室補光提供了新的手段。常用的LED溫室補光光源主要有兩種，一種是垂直照射的LED點光源，燈具采用類似于高壓鈉燈的圓頭燈結(jié)構(gòu);一種是穿插于植株之間進行側(cè)面照射的LED帶光源，燈具常常采用柔性燈帶。目前，LED光源用于溫室人工補光仍處于小規(guī)模示范階段。
(2)植物工廠
植物工廠是通過計算機對設施內(nèi)植物生育過程的溫度、濕度、光照、CO2濃度和營養(yǎng)等環(huán)境條件進行高精度控制，實現(xiàn)農(nóng)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，被認為是21世紀農(nóng)業(yè)取得革命性突破的重要技術(shù)手段之一。目前，植物工廠有兩種主要型式：一種是以溫室為主體的太陽光和人工光并用型植物工廠，其光源系統(tǒng)與溫室補光完全一致;另一種是以封閉的隔熱空間為主體的人工光完全控制型植物工廠，這種植物工廠是在完全人工環(huán)境下進行植物生產(chǎn)的方式，受外界氣候影響小，可周年連續(xù)生產(chǎn)，空間利用率和單位面積產(chǎn)量高，但空調(diào)和照明耗電大、運行成本高也是限制其發(fā)展的重要瓶頸。因此，節(jié)能降耗已經(jīng)成為人工光完全控制型植物工廠的重要課題。
高效率人工光源的應用是解決植物工廠能耗問題的重要手段，目前植物工廠的人工照明光源主要有高壓鈉燈和熒光燈等，能耗高，散熱量大，空調(diào)運行成本高。LED的出現(xiàn)為解決植物工廠能耗問題提供了重要手段。1994年以來，日本開始試用LED作為植物工廠的照明光源，使用波長為660nm的紅色LED加上5%的藍色LED的組合光源進行人工植物工廠栽培生菜和水稻作物，獲得成功。1997年渡邊博之采用水冷模板LED光源在植物工廠內(nèi)種植蔬菜，栽培方式為營養(yǎng)液膜法(NFT)，作物選用生菜、芹菜等，蔬菜定植2周后即可收獲，在800m2(8m×10m×10層)的栽培面積上，每天生產(chǎn)蔬菜5900株，年產(chǎn)蔬菜150萬株。2009年2月，日本FairyAngel公司宣布，開始與LED照明廠商CCS聯(lián)手，開發(fā)出使用LED照明的蔬菜工廠“AngelFarm福井”。2009年9月，中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所成功研制出了國內(nèi)第一例智能型LED植物工廠，建筑面積為200m2，采用LED進行人工光育苗生產(chǎn)，取得了良好的運行效果。
(3)植物組培育苗
植物組織培養(yǎng)是一項可以通過規(guī)?；a(chǎn)，在短時間內(nèi)獲得大量同品質(zhì)種苗的快速繁育技術(shù)。由于組培育苗繁育速度快，不受外界氣候、地域和時間等條件的約束，目前已經(jīng)成為遺傳育種、種質(zhì)資源保護和脫毒快繁的重要手段。但傳統(tǒng)的組培光源多為熒光燈，光效低、發(fā)熱量大，能耗成本占其運行費用的40%～50%。應用新型節(jié)能光源、減少能耗一直是植物組培領域的一大熱點。20世紀90年代以來，世界各國都在積極應用LED作為組培光源。Nhut等(2000)開發(fā)出了光照強度(45、60、75μmol?m-2?s-1)可調(diào)，光質(zhì)比例為80%紅光LED+20%藍光與90%紅光LED+10%藍光LED兩種香蕉組培光源，經(jīng)過試驗，認為80%紅光LED+20%藍光LED(60μmol?m-2?s-1)的光源具有明顯的優(yōu)勢;饒瑞佶、方煒等(2004)使用超高亮度紅光與藍光LED開發(fā)出可調(diào)整光量、光質(zhì)、發(fā)光頻率與占空比的組培光源系統(tǒng)，可實現(xiàn)在不提高耗電成本條件下提高馬鈴薯組培苗的生長速率。徐志剛等(2008)針對組培的特殊需求，開發(fā)出了專門用于植物組培的“LED植物培育智能光控系統(tǒng)”。2010年，臺灣億光電子工業(yè)股份有限公司與中國農(nóng)業(yè)科學院合作，開發(fā)出了直接采用市電驅(qū)動，并與T8或T5熒光燈管無縫對接的LED燈管，以替代目前在植物組培領域廣泛使用的熒光燈。
2.LED養(yǎng)殖照明應用現(xiàn)狀
現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)普遍采用人工照明促進生產(chǎn)，尤其在規(guī)模化設施養(yǎng)殖場這種需求更加明顯。由于人工光源的顏色、強度、時長及間斷控制等都會對畜禽的行為習性、生理特性、生長發(fā)育等產(chǎn)生影響，最終會影響到畜禽的生產(chǎn)性能。因此，養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)中的照明不僅要低能耗、壽命長，而且還應具備光環(huán)境參數(shù)的可調(diào)控性能。目前，畜牧業(yè)養(yǎng)殖生產(chǎn)中的人工光源主要為白熾燈和節(jié)能熒光燈，這些光源的缺陷一方面是僅能為畜禽活動提供必需的可視光線，無法勝任對照明顏色、強度、時長及間斷控制的調(diào)控要求;另一方面，節(jié)能熒光燈還含有汞和其他一些有害物質(zhì)，遺棄后會造成嚴重的環(huán)境污染，歐盟已對節(jié)能燈中所含有害物質(zhì)提出了較嚴格的限制要求，實行誰生產(chǎn)誰負責的辦法。淘汰白熾燈和節(jié)能熒光燈已經(jīng)成為必然趨勢，這就為LED在畜牧養(yǎng)殖上的應用提供了一個非常廣闊的空間。近年來，我國學者通過紅色、藍色和白色LED光源對家禽生產(chǎn)性能影響的研究，推出了智能化養(yǎng)雞LED光源系統(tǒng)，并在養(yǎng)雞場投入使用。2010年2月，在亞特蘭大國際家禽養(yǎng)殖設備展上，ONCE公司AGRISHIFT™推出了漸變式禽類養(yǎng)殖LED燈，采用定時器來實現(xiàn)對光周期的控制，比較簡易，但缺乏對光色、光強和光周期的實時控制，仍有待于進一步改進。
目前，畜牧養(yǎng)殖業(yè)專用LED照明燈具的產(chǎn)品相對偏少，但應用潛力巨大。據(jù)有關方面統(tǒng)計，僅我國的集約化蛋雞場，就需要100W的白熾燈泡370萬只，加上其他畜禽養(yǎng)殖業(yè)的照明需求，整個畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)需要照明燈泡數(shù)量在2100萬只以上。如果用10WLED產(chǎn)品替代這些燈具的話，不僅可節(jié)約60%以上的電能，而且還可帶動照明市場60多億元的產(chǎn)值，前景廣闊。
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