智能控制在农业照明的应用研究[2]

　　1.4 局限智能控制农业照明发展因素

　　1.4.1 成本偏高

　　成本是产品具有市场竞争力的关键因素，决定产品能否得到用户认可，能否占据一定市场份额。对于智能控制LED照明产品来说，价格高是限制其发展的主要因素之一。与高压钠灯相比，一只200W的高压钠灯成本为200～300元，而一台100W的LED灯的成本则需要1000～1500元。虽然LED的价格在以每年20%～30%的速度直线下降，但与传统光源相比仍然存在价格差距，这在很大程度上限制了智能控制LED照明在农业领域的应用与推广。近年来，国内部分地区新投入了LED封装线，目前正处于建设期内，预计两年后，这些产能的释放，将会大大降低LED价格，高成本问题有望得到化解。

　　1.4.2 技术不成熟

　　虽然智能控制照明技术已经广泛应用于照明、显示屏、背光及交通讯号等众多领域并取得成功。但在我国农业照明领域的应用才刚刚起步，仍缺乏有效的技术支持，这主要是因国家在智能控制农业照明领域应用研究方面的投入严重不足，相关的基础研究以及关键技术开发缺乏有效的经费支持，农业用智能控制LED照明技术指标体系构建及其相应的软硬件开发缺乏有效的理论依据与技术支撑。

　　1.4.3 产业化与标准化程度低

　　农业用智能控制LED照明目前仍处于试验及研究阶段，还没有形成成熟的专业化产品，开发和试用仅仅限于科研院所，缺乏能够将研究成果转化为生产力的专业性智能控制照明企业，其生产的专业化和智能化程度仍然较低，不利于农业智能照明的健康、合理及有序发展。

　　2 技术研究

　　2.1 研究内容

　　2.1.1 温室补光

　　温室是农业设施中功能最为完善的类型，可进行冬季生产，因此世界各国都很重视温室的建造和发展。然而温室栽培时，由于受覆盖物透光率的影响(如普通玻璃的透光率为90%～92%，塑料薄膜的透光率只有85%～90%，温室内的自然光照条件要比露地差。在冬季和早春，日照时间短，温室光照度较弱。光照不足会影响农作物光合作用使其生长受抑，从而导致产量及品质下降。为保证温室的农作物茁壮成长，需要给植物进行人工补光。

　　目前，温室的人工补光主要有高压钠灯、低压钠灯、金属卤化物灯和荧光灯等光源，这些光源的红外和绿光等光谱成分较大，农作物光合作用所需的红光及蓝光谱成分相对较少，其光能利用率低、耗能及运行成本较高。近年来，随着智能控制及LED光源技术的快速发展，为温室补光提供了新的技术应用。常用的LED温室补光光源主要有两种，一种是垂直照射的LED点光源，灯具采用类似于高压钠灯的圆头结构。另一种是穿插于植株之间进行侧面照射的柔性LED灯带。智能控制LED光源用于温室人工补光仍处于小规模示范阶段。

　　2.1.2 植物工厂

　　植物工厂通过采用科学及标准化技术措施的智能控制，运用机械化及自动化手段，使植物在最佳模式下进行培育。一种是以温室为主体，以太阳光和人工光并用型植物工厂。另一种是完全封闭的，以人工光源为主体的植物工厂。两者相比，闭锁式植物工厂在光环境控制方面具有明显优势。LED具有较高的光电转换效率、节能、结构紧凑和寿命长等优势以及能调控发光强度和光质，被认为是植物工厂应用较理想的光源。

　　1994年以来，日本开始采用LED作为植物工厂的照明光源，使用波长为660nm的红色LED加上5%的蓝色LED通过智能控制组合光源进行人工植物工厂栽培生菜和水稻作物的应用获得成功。2009年9月，中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所成功研制出了国内第一例智能型LED植物工厂，采用LED智能控制照明进行人工光育苗生产，并取得了良好的运行效果。

　　2.1.3 植物组培育苗

　　植物组织培养即植物无菌培养技术，是根据植物细胞具有全能性的理论，利用植物体离体的器官或细胞以及原生质体，在无菌、光照及温度适宜的人工培养条件下，通过诱导出愈伤组织、不定芽及不定根最后形成完整植株的技术。组培室所用的人工光源一般为多层架安装荧光灯，由于荧光灯的发热量较高离植物不能太近以免造成灼伤，这样不仅增加了电能损耗，还增加了组培室内的相应热量，促使研究人员以高效率的LED冷光源代替原来的荧光灯。

　　育苗是果蔬生产的重要环节，由于幼苗的形态建成是一个不可逆转的过程，培育成的幼苗健壮程度将直接影响植株的生长发育，并与农作物的产量和品质密切相关。通过利用光调控技术来培育壮苗是一项即节能环保、经济有效且简便易行的新方法，光环境调控对黄瓜、番茄、甜椒、油菜等幼苗的生长发育产生显著影响。此外，瓜类的性别表现易受环境因素和化学调控等因子的影响，由于瓜类的性别分化发生在苗期，所以育苗期间可以通过对光周期的控制来人为调控瓜类的性别表现。智能控制LED照明在应用于蔬菜育苗期的光环境调控中具有无可比拟的优越性，必将在蔬菜工厂化育苗中发挥重要作用。

　　2.1.4 光照调节畜禽生长

　　随着可控LED单色光源的出现，研究人员围绕畜禽对色度、光强及光周期等光环境指标与生长性的关系进行了深入研究，探明畜禽对光环境需求的相关参数。发现AA肉鸡生长前期采用绿光LED或蓝光LED照射，生长后期采用蓝光LED照射，能显著促进肉鸡的生长发育，提高生产性能，肉鸡生长早期(0-7d)选用绿光LED照明，可不同程度地改善肉鸡小肠黏膜结构，提高小肠对营养物质的吸收能力，从而促进肉鸡生长发育。

　　通过智能控制LED照明系统对种鸡适应的色度、光强与光周期优化指标的系统研究，确定了调控色度、光强和光周期来改善鸡的生理节律、摄食行为、生长发育及繁殖性能的技术指标体系，消减了诸如禽产品“污染”(如药物残留、激素残留等)的负面影响，能够显著促进畜禽生长及提高免疫力，大大提升了畜禽的生产潜力。

　　2.2 特点突出

　　2.2.1 光照优质

　　光是植物生长发育的重要因子之一，地球上植物所需要的光照主要来自于太阳，太阳光是由无线电波、红外线、可见光、紫外光、X射线及极短的宇宙射线等组成一个连续的光谱。植物利用太阳光主要是进行光合作用，而光合作用吸收光谱在可见光光谱 380～760 nm范围内,其中主要以波长在610～720 nm的红橙波段光、以及波长400～510nm的蓝紫波段光为吸收峰值区域。由于连续阴雨气候因素影响植物生长发育乃致绝收。设施及农业种植改变不受天气影响而成为发展的方向，智能控制LED照明的研究及发展解决了这一问题。

　　2.2.2 补光可控

　　传统光源产生较高热量，LED将电能高效地转变为有效的光辐射。同时温室人工补光主要有三个要素：光质、光强、光周期。其中光强即光照度的要求，以主要作物光补偿点为依据，番茄、黄瓜、辣椒的光补偿点分别为3000lx、2000lx和1500lx，光饱和点为70000lx、55000lx和30000lx，因此，温室补光光照度一般要求在作物冠层达到1000lx～3000lx。二是农作物的光合作用主要利用400nm～510nm的蓝紫光、600nm～700nm的红橙光，温室补光一般根据作物不同，对R/B(红/蓝)有特定要求。其次是对光周期的要求，自然界昼夜交替、周而复始的现象形成了光周期，农作物在漫长的进化过程中适应了这种明暗变化。但是，在冬至前后或连阴天时，光照时间往往不能满足农作物生长发育需求，需要通过人工补光来增加光照时间。近年来，温室人工补光已经成为设施农业生产的重要手段，各种智能控制照明也得到了快速发展及应用。

　　2.2.3 系统智能

　　特定波长的光可以影响植物的开花时间、品质和花期持续时间。特定波长的光能够提高植物的花芽数和开花数量;某些波长的光能够降低成花反应，调控了花梗长度和花期，有利于可控切花生产和上市时间。由此可见，通过智能调控系统对植物的开花和随后的生长周期进行调控。

　　该系统包括LED光源、生长控制软件、信号调节器和数据收集软件的植物生长调控系统。可以通过生长控制软件控制LED照明，将传感器测出来的生长环境信息通过数据收集软件汇集到数据库能实现不同光质的自动控制。

　　2.3 明显优势

　　2.3.1 生物能效高

　　植物光合作用主要是利用波长为610~720nm(波峰为660nm)的红橙光，吸收的光能约占其生理辐射的55%左右;其次是波长为400~510nm(波峰为450nm)的蓝紫光，吸收的光能约占其生理辐射的8%左右。而传统光源的辐射光谱中除了红蓝光之外，往往还存在着大量的绿光及红外光成分，这些光谱成分对植物光合作用的效益不大。另一方面，传统光源的辐射光谱对植物需求而言往往不平衡，譬如荧光灯就存在着蓝光成分过多降低了植物对传统光源辐射能量的利用率。相比之下，利用LED作为光源，则可以控制其辐射光谱全部为红蓝光波段，而且可以根据植物的不同需求精确调整其红蓝光质比，使其辐射能量可完全被植物吸收，大大提高了其生物能效。

　　2.3.2 提高植物栽培密度

　　由于智能控制的LED产品结构紧凑，比传统光源体积大大减小。另一方面，由于传统光源会辐射大量的热量到植物表面，因此在使用其作为植物补光时，其必须保持与植物有一定的间距，而LED属于冷光源，其辐射光谱对植物的热效应远远小于传统光源，即使近距离照射也不会造成植物灼伤，因此可实现对植物的近距离照射，这样，在植物工厂或组培中，就可以大大缩短栽培层架之间的距离，提高空间利用率，大大提高植物的单位空间栽培密度。

　　2.3.3 节能效果显著

　　在采用荧光灯组培生产中，照明能耗占运行能耗的30%~40%，而在荧光灯植物工厂这一份额更是高达82%。采用智能控制LED照明替代传统的照明光源可以大大减少农业生产的照明能耗。如荷兰在温室中利用智能控制LED照明实验表明，与传统的高压钠灯和金属卤素灯等相比，LED节能量达50%~80%。在植物工厂里，使用传统光源每平方米需要配备0.5千瓦的光源，而LED仅需0.27千瓦，可使耗电量下降约一半。

　　3 市场分析与前景预测

　　3.1 “利基型”市场

　　在业内人士看来，近二年智能控制LED照明技术发展这两年已经更为成熟，而且也开始逐步导入农业领域的应用。利用LED光源与环境控制特性的植物工厂，成为近年来各大厂商迫切想要切入的“利基型”市场。在这样的市场中，企业选定一个很小的产品或服务领域，集中力量进入并成为领先者，同时建立各种壁垒，有望形成竞争优势。

　　智能控制LED照明在农业领域的市场潜力巨大。事实上，LED照明与现代农业的结合可以带来多重利好，它可以让农作物、植物或花卉的收成期缩短，加上适当的环境控制可以预防虫害，并且免于使用农药或减少农药使用，为食品安全把关，也提高农产品的附加价值。LED光源相比传统光源具有明显优势。

　　过去LED照明成本居高不下，农业照明因而多采用荧光灯管或高压钠灯，随着智能控制及LED技术成熟度的不断提高和应用规模的扩大，再考虑到政府在研发和销售方面扶持和补贴的逐步加码，其成本会越来越趋近于传统光源。每流明约合新台币0.38元，仅为2010年1.8元的五分之一， Philips、Osram、Mitsubishi和Panasonic等国际品牌纷纷投入智能控制农业照明创新应用。随着LED 价格下滑与技术提升，促使农业智能控制照明应用出现新一波进展。目前中国从事农业智能控制照明的厂家并不多，而且由于LED光源相比传统光源具有的明显优势，在国内仍然是非常具有前瞻性的技术，应用推广的增长空间巨大，是符合未来产业走向的投资。

　　3.2 前景广阔

　　在日韩早已应用成熟的智能控制农业照明近日在中国开始受到关注。智能控制植物灯的销售市场都集中在日本、韩国、中美、欧洲等从事农业人员较少的国家和地区。但随着农业智能控制照明渗透率的提升，中国市场也将进入爆发期。据调查，全球农业智能控制照明产值在2013年起开始呈现高速成长，产值虽仅千万美元规模，但预估2014年将逾3500万美元，2017年更可望挑战3亿美元。

　　而我国年产大于1000万株种苗的组培企业就有300多家，小型组培车间和实验室有5000余家，植物组培的总面积在2000万平方米以上，年产值200亿元左右。LED智能控制照明在组培领域应用的研究起步较早，技术较为成熟，随着智能控制照明成本的进一步降低，全面普及智能控制照明逐渐成为可能。

　　国内庞大的农业照明需求是智能控制发展的外部动力。以温室补光为例，补光设施是现代玻璃温室的基本必备组成，中国有玻璃温室0.35万公顷，而整个世界的玻璃温室总面积则达到了4.9万公顷，若考虑到世界上总面积达到283万公顷的塑料温室大棚，则温室补光的市场需求将更庞大。电光源也是组培育苗的必需品和易耗品，所以，智能控制照明及组培专用LED光源具有广阔的市场。同时，我国是全球工厂化植物组培育苗的生产基地和出口基地，也是全球最大的组培育苗市场。国外市场的潜力也是不容小觑的，商业化的植物工厂主要分布于日本，其总数达到了50家，其中35家是完全采用人工光照明，随着植物工厂技术的日益成熟，植物工厂应用也必将是智能控制照明应用的一个重要市场。

　　除了光合作用照明之外，智能控制照明在农业领域其它方面也存在很大的应用空间，如对于农业害虫的物理防治来说，可以采用特定波长的LED光源，引诱并灭杀害虫，减少农药施用量，做到安全绿色生产。对于动物养殖来说，可以根据不同的养殖目的，采用特定波长的LED实施光照促进动物生产率，减少饲料添加剂及激素的使用，实现高效绿色生产。对于海洋捕捞来说，可以应用特定波长的LED光源，进行海产品的诱导，提高捕捞量。对于微生物来说，可以采用促进有益微生物繁殖增殖的特定波长的LED实施光照，实现高效率、密集产量的微生物反应过程。

　　相比起来，传统的光源很难或者不能胜任这些特殊应用的要求，因此充分开拓智能控制LED照明在这些领域的应用，也将给智能控制照明的农业领域应用带来相当大的市场需求。

　　4 产业推广战略

　　4.1 加大研发力度

　　农业专用的660nm、730nm波长的LED芯片的技术主要由国外公司控制，不利于我国LED智能控制照明在农业应用领域的研发和推广进程，国家应加大对农业专用LED芯片及灯具的研发和生产。农业照明灯具外观上的要求并不严格，可减少在此方面的设计及投入。此外，由于农业照明环境及其对照明质量需求的特殊性，须结合农业照明特殊的环境以及内在光学指标要求进行研发，如温室的高温高湿环境， LED光源必须密封良好，防水防腐蚀。

　　智能控制LED照明在农业领域的研究还处于起步阶段，缺乏系统完善的研究，技术水平相对较低，必须加大研究的力度及加大研发资金投入，提高行业的自主创新能力，全方位提升企业和行业整体竞争力。

　　4.2 加快标准构建

　　标准化是产品能够健康有序发展的关键因素，对于农业智能控制照明也是如此，只有标准化的约束，才能促使LED农业照明更好更快地发展。但是标准化体系的建立，应从LED光源的研发与实际应用方面进行更多的调查研究，从而制定出有利于行业发展的农业智能控制照明标准。因此，国家应重视加强农用智能控制照明标准化体系的构建，形成一批标准化技术产品，推进农用智能控制照明产业的快速发展。

　　4.3 扶持企业发展

　　农业用智能控制照明技术还比较落后，不仅需要科研院所和企事业单位的共同努力，而且还需要国家的相关利好政策的扶持。我国各级政府对农业用智能控制照明产业的关注度还甚少，在一定程度上不利于农业用智能控制照明技术的发展。可考虑培育一批有核心竞争力的科研院所和龙头骨干企业，形成一批具有国际先进水平的特色优势产品，创建有持续创新能力的重点技术创新中心，以产业链的关键技术突破为目标，抢占产业链高端环节，争取重点领域的跨越式发展，实现做大做强、做专做精的战略目标。

　　4.4 开展规模性示范

　　由于农业投入的特殊性，靠企业本身来完成智能控制照明生产的投入困难重重。建议重点建设应用示范推广工程：集中规划建设若干个蔬菜、花卉、组培、中药以及禽类养殖等农业龙头企业的智能控制照明应用示范基地，形成政府主导、企业主体及市场配置“三力合一”。通过示范工程的建设，提高农业产业基地的创新意识，打造农用智能控制照明的大规模应用平台和展示平台，以示范应用促进农用智能控制照明应用的发展。

　　4.5 制定补贴政策

　　由于农业用智能控制照明产品价格相对较高，但是却具有节能高效的生产潜力，为了使其能够更好地发挥节能高效的作用，在一定程度上需要政策性补贴，包括科研项目经费支持、重大装备购买资金补贴、产品应用补贴等。建议将农用智能控制照明纳入国家农业装备购置补贴目录，确保农业生产单位在购置智能控制时能够享受到国家政策性支农财政补贴。这将有助于建立农业智能控制照明的节能高效生产模式，实现传统照明产业的升级改造，促进农业智能控制照明产业的健康发展。

编辑：Cedar