智能控制在农业照明的应用研究[1]

　　1应用现状

　　1.1智能控制照明在农业应用的必要性

　　1.1.1光照是植物生长要素

　　目前人类面临食物、能源、资源、环境和人口五大问题，这些问题的解决都与植物生产有密切关系，而光照是影响植物生长发育的首要因素。因此，深入研究植物生长发育对光的需求特性、规律和光控基准，研发适宜于植物的智能控制高效LED补光系统，为植物生长提供高效的光环境，是一项有意义的创新性工作。

　　土地资源的紧缺和人口的增长性决定了植物栽培土地的稀缺性。同时，随着人们生活品质的不断提高，对绿色、安全和健康食用植物的需求越来越迫切。用于农业植物工厂化、生产精细化及设施智能化的栽培装置系统，包括智能控制光照技术的需求与日俱增。

　　此外，采用智能控制LED照明促进植物生长可满足偏远哨所、极地、地下防空洞及小岛驻防人员的蔬菜需求，以及可实现新鲜蔬菜的周年供应，节省大量的运输成本。这在现代农业领域中开辟了一条新的途径。

　　1.1.2 应用智能控制照明是现代农业模式的里程标志

　　近年来，随着大气污染日益加重，大气透明系数不断下降，致使达到地表的太阳辐射日趋减少，植物可接收的太阳光能越来越少，难以满足植物正常生长发育的需求。此外，全球天气变暖导致天气异常，植物遭遇连续阴雨雾霾天气的频度增加，农田作物稳定收成已变得不可靠。

　　所以，要提高农作物的光合作用效率，促进农作物生长，减少农作物种植过程中农药和激素的大量使用，发展高效无污染的绿色农业，则应将光环境调控技术用于蔬菜设施栽培中。它是一项节能环保、经济有效且简便易行的物理新方法，具有突出技术优势。因此，采用智能控制光照植物工厂高产栽培是农业发展的一个趋势。

　　农业生产方式经历了从露地栽培向设施栽培模式和无土栽培的重大变革，同时正向工厂化栽培模式发展。植物工厂化栽培模式是基于无土栽培的最新发展，基于智能控制照明的植物工厂化栽培模式能彻底摆脱自然条件的束缚，是现代农业发展的高级阶段。可实现按计划的周期稳定生产，是现代农业模式的里程标志。

　　1.1.3 促进现代农业向绿色环保转变

　　自然界中，太阳的光照度随地理纬度、季节和天气状况的不同而变化。温室内的光照度除与上述因素有关外，还与温室结构、管理措施及材料的透光性能等密切相关。由于温室覆盖材料、灰尘以及结构遮光等因素的影响，温室内的光照质量也要比露地差很多，一般仅为露地的30%～70%，尤其是在冬季和早春季节，太阳高度角低，日照时间短，温室内光照度往往不能满足农作物生长的需求。光照不足严重抑制温室的果蔬发育、植株生长迟缓及病害更严重导致大幅减产及品质下降。农作物主要依赖激素和农药来抵御由于光照不足引起的种种问题，导致化学品的过量使用和残留危害人类健康。采用智能控制来调节植物的补光，增加光照时数、改善室内光谱分布及促进植物生长，促进现代农业向绿色环保转变。

　　1.2 农业智能控制照明倍受各国重视

　　植物工厂通过智能控制LED照明的技术革命来改变农业生产的传统观念，提高抵御自然灾害的能力。智能控制灯具在植物栽培领域的应用与研究也越来越受到世界各国的广泛重视，在美国、日本、德国、北欧及加拿大等国家，已开发出各种各样的植物工厂，为未来农业生产开辟新的道路。

　　1.2.1 日本三菱——集装箱植物工厂

　　智能控制照明在农业中的应用主要包括植物生产、养殖业、微藻培养、食用菌培育等。2010年4月，日本三菱化学公司用大型集装箱改造成“植物工厂”，这种“植物工厂”以LED为光源进行农作物的光合作用。为适应新生的植物工厂的需求，日本昭和电工专门为“植物工厂”开发了智能控制LED照明产品，可以发射促使农作物生长的特定波长光，目前已被日本10多家植物工厂采用。

　　1.2.2 韩国经济部——栽培基地

　　2010年6月，韩国知识经济部也宣布将投入30亿韩元(约合人民币1650万元)用于IT—LED栽培核心配件和核心技术的研发，2010年底已完成芯片开发，并建造495㎡规模化智能控制LED照明的栽培基地。

　　1.2.3 中国研究所与企业同步开创

　　早在2009年，中国农业科学院的研发团队已成功研制出了国内第一例智能型植物工厂，采用智能控制LED和荧光灯为人工光源进行蔬菜种植和种苗繁育，并在长春投入运行。2010年南京农业大学农学院承担的863计划项目“半导体照明光源在植物组培中的应用研究”课题。2014年北京照明展，国内首个开辟“农业照明主题区”，迎合产业及市场发展求，特邀 LED 业者与植物工厂方案业者及农业相关部门参与。十二五规划的“智能化植物工厂生产技术研究” 项目于 2013 年的上半年在北京正式启动，植物工厂节能光源应用及光环境智能控制技术课题成为热点。智能控制技术已成功应用于植物的栽培，并在植物补光、组培、植物工厂领域取得重要进展。

　　在各国争相发展之际，以农业大国自称的中国，也顺应这一发展趋势，积极加入到智能控制农业照明这一领域，并携手国际LED大厂成立LED植物工厂研发战略联盟。目前，我国设施园艺面积已达337 hm2，其中日光温室占25%左右，成为效益最大的重要种植产业。我国农业照明用灯数量在 1-5 亿支以上，随着现代农业的发展及用灯数量的增多，在今后几年估计会增至 5-10 亿只以上。因此农业照明的需求十分迫切，农业照明及其智能调控装备产业的前景诱人。中国植物工厂的建置仍以国家政策为主导，地方政府的积极脚步也让业者嗅到补助商机。国内进军农业照明应用领域的厂家很多，主要分布在华南地区。

　　1.3 智能控制在农业照明的应用范围

　　农业是国民经济的基础，日常生活中的肉蛋奶、蔬菜、花卉、瓜果、食用菌等农副产品的很大一部分都是在设施条件下生产出来的，智能控制补光与照明是农业领域最重要的应用方式，根据动植物发育的不同需求，采用不同波长的单色光组合起来形成农用照明系统，并通过对光强、光质和光周期的调整，实现节能与高效生产，已经成为现代农业的重要应用方向。目前，智能控制在农业的应用已经扩展到植物培育、畜禽养殖、食用菌生产、微藻繁殖、害虫诱捕、诱鱼等众多领域。

　　1.3.1 植物培育

　　植物整个生长过程中，涉及到光合作用、光周期调节、光生态形成等几个方面,植物对光的吸收不是全波段的,而是根据生长周期具有选择性。光调节植物整个生长发育，以便更好地适应外界环境。这种依赖光控制细胞的分化、结构和功能的改变，最终会继承组织和器官的建成，就成为光形态建成光控制发育的过程。光在光形态发生中起的是信号作用，与在光合作用中起能源作用不同。

　　研究表明，植物光合作用在可见光光谱(380～760nm)范围内所吸收的光能约占其生理辐射光能的60%～65%，其中主要以波长610～720nm(波峰为660nm)的红光、橙光(约占生理辐射的55%左右)以及波长400～510nm(波峰为450nm)的蓝光、紫光(约占生理辐射的8%左右)为吸收峰值区域。因此，开发出以这两个波段(特别是波峰)为主体的植物人工光源将会大大提高其光能利用效率。

　　智能控制照明系统能够发出植物生长所需要的单色光(如波峰为450nm的蓝光、波峰为660nm的红光等)，光谱域宽仅为±20nm，而且红光和蓝光LED组合后，还能形成与植物光合作用与形态建成基本吻合的光谱，光能利用率达80%～90%，其节能效果极为显著。智能照明可控的独特性能为其在植物生产系统如温室大棚、植物组培、遗传育种及植物工厂等领域提供了广阔的应用空间。

　　1.3.2 畜禽养殖

　　通过对红色、蓝色和白色LED光源对家禽生产性能影响的研究，推出智能化养鸡LED照明系统，并在养鸡场投入使用。ONCE公司推出渐变式禽类养殖智能控制照明产品，采用定时系统来实现对光周期的控制。现代养殖业普遍采用人工智能照明促进生产，尤其在规模化设施养殖场这种需求更加明显。由于人工智能控制照明的色温、光强、时长及间断控制等都会对畜禽的行为习性、生理特性、生长发育等产生影响，最终会促进畜禽的生产性能。因此，养殖业生产中的照明不仅要低能耗和长寿命，而且还应具备光环境参数的可控性。

　　1.3.3 微藻繁殖

　　随着全球资源、能源及环境危机的加剧，开发利用光合自养生物微藻，直接将太阳能及CO2转化成人们生活需要的医药、生物基化学品(如天然色素、异戊二烯等)和生物能源(如乙醇、丁醇、生物柴油等)，已经成为世界各国关注的焦点。光照是影响微藻细胞生长及生化成分变化最重要的因子之一，对微藻的生长、繁殖、藻体颜色、细胞形态及代谢产物含量均有重要的影响，智能控制光源逐渐在微藻繁殖中得到广泛的应用。

　　1.3.4 水产诱捕

　　世界各地一直存在使用火或其他形式的灯光捕鱼的方法，如今这些捕鱼方法已经成为许多国家现代渔业的一个重要特征。一些研究人员还对不同颜色光源的诱鱼效果进行了试验，结果表明，蓝光具有更深的水体穿透性，使用以蓝色为主体的人工光源可以取得更好的诱捕效果。