农业照明光源需求分析：LED光源最具优势？

　　三、农业照明光源

　　3.1白炽灯

　　白炽灯采用灯丝发光，辐射的光谱是连续的，可用于温室大棚的蔬菜和花卉生产，生产成本低，安装简便，通过调节白炽灯的悬挂高度和布灯密度可以调节补光强度(如图2所示)。但其发光效率十分低，被植物光合作用吸收的光能约占总辐射能量的7%，寿命短而且发热量大，因此温室生产中正逐步淘汰白炽灯的使用。但其光谱在整个区间有较强的分布，目前还有部分对补光质量要求高、经济价值高的花卉和蔬菜在少量采用。

　　随着制造技术的发展，新型的补光白炽灯通常将灯具和光源一体化设计，体积紧凑成本降低，出射光口还采用蓝光涂层来增加蓝紫光的比例，可以更好地满足植物补光的需要，其结构如图3所示。

　　3.2荧光灯

　　荧光灯是目前使用最为广泛的农业照明光源，主要有直管的T5荧光灯，高功率的CFL及无极荧光灯(见图4所示)。直管荧光灯特别是T5荧光灯的发光效率高，灯具表面温度低，结构更紧凑，使用十分方便，特别适合植物工厂垂直多层布置的使用。T5荧光灯的平均使用寿命可达20000h，光输出较原来的荧光灯也提高了很多，在某些场合已经可以替代HID灯光源。

　　紧凑型荧光灯也是目前应用比较广泛的农业照明光源，特别适合频繁移动，这给农业生产带来很大的便利，其反射器经过特殊设计，发出的光就像HID灯(如图5所示)。紧凑型荧光灯使用寿命长约10000h。无极荧光灯由于其发光密度较普通荧光灯高，可以适合大光通的补光场合。

　　荧光灯的使用十分方便，不但可以广泛用于规模化的生产，还可以被家庭简便使用，越来越多地被采用于家庭的花卉或蔬菜架(如图6所示)。与照明使用的荧光灯不同，农业照明荧光灯对紫外和红外的光谱要求较多(如图7所示)，设计合理的荧光粉涂层是决定农业荧光灯质量的关键。现在农业照明中还将荧光灯与HID灯进行混光照明，利用各自的光谱混合来得到最佳的光谱。

　　3.3HID灯

　　HID灯是发光强度最高的光源，比较适合大尺度的植物大棚等的照明，目前主要的农业HID有金属卤化物灯和高压钠灯。金属卤化物灯发出大量的蓝色和紫外辐射，通常用于植物的生长阶段，为营养生长和生殖生长阶段提供更好的光谱，使补光产品的营养更丰富。目前陶瓷金属卤化物灯技术的进展，使其发光光谱在红光和蓝紫部分更加丰富，作为农业照明光源更具光谱优势。

　　高压钠灯也被用作整个营养生长和生殖阶段进行补光的单一光源。红色光谱的光线可能会引发植物更大的开花反应，如果高压钠灯用于营养生长阶段，植物生长得更快，同时，它们可以与金属卤化物灯进行混合照明，用于生殖生长阶段的全光谱照明。目前，为更好地达到HID灯农业照明的效果，将金属卤化物灯电弧管和高压钠灯电弧管一起封装在同一泡壳内，将两种光谱混合用于植物照明的补光，如图8所示。

　　3.4LED

　　LED作为第4代新型照明光源，具有许多不同于其他电光源的特点，这也使其成为节能环保光源的首选。应用于植物培养领域的LED有以下特征：波长类型丰富、正好与植物光合成和光形态建成的光谱范围吻合;频谱波宽度半宽窄，可按照需要组合获得纯正单色光与复合光谱;可以集中特定波长的光均衡地照射作物;不仅可以调节作物开花与结实，而且还能控制株高和植物的营养成分;系统发热少，占用空间小，可用于多层栽培立体组合系统，实现了低热负荷和生产空间小型化;此外，其特强的耐用性也降低了运行成本。

　　由于这些显著的特征，LED十分适合应用于可控设施环境中的植物栽培，如植物组织培养、设施园艺与工厂化育苗和航天生态生保系统等。但与普通照明相比，植物农业照明需要的光照强度更高，因此需要使用大功率的LED灯具，目前农业照明LED的大功率灯具可以达到1000W，这对LED的灯具设计提出了挑战。更重要的是LED植物生长灯的光谱设计要求也比较高，相对传统光源其发光波段更为集中，目前比较可行的是五波段合成的LED生长灯(如图9所示)。

　　LED光源的特性和已有研究基础均表明，LED作为植物照明光源具有促进植物生长、调节植物形态建成和节能环保等多方面优势，可以广泛用于植物栽培、温室补光、植物组培、植物工厂以及航天航空等众多领域，是未来植物照明光源的重要发展方向。LED在畜牧业中的实际应用也是可行的，通过适当的LED光照调节，能够显著促进畜禽生长，提高其免疫力，大大提高畜禽养殖的生产潜力。目前，LED农业照明处于起步阶段，随着研究的深入和技术的提高会有更大的发展，具体应用场景如图10所示。

　　四、农业照明光源的挑战与趋势

　　人类目前所面临的一个问题是食物和能源的需求连续增加，随之而来的二氧化碳排放量增加导致的温室效应和自然灾害。据估计的食物需求发展速度，生产利率每公顷提高50%才可以避免灾难的产生，因此寻找有效的生产食物的方法会影响未来几代人的安全。

　　人工控制栽培环境和植物工厂是目前的主要途径，人工照明结合其他生长条件控制(如温度、湿度、CO2和水等)可以解决食品生产的安全性，不仅提高了产量，还能避免恶劣天气带来的影响。研究表明采用人工照明和其他条件的干预，可以使食品生产提高2倍以上，例如在斯堪的纳维亚，利用现代栽培方法和照明技术，黄瓜的年度生产力增加约50~250kg/m2。

　　未来的人工照明条件下，可以在完全封闭的环境中进行精确的控制，半导体器件，如发光二极管，在不久的将来是实现该目标的理想选择。在未来的农业照明中为提高生产率和稳定性，对生产环境的控制程度会更高，更多的人工照明将被要求补偿白天的损失，提高能量每单位面积的需求。发光二极管由于其体积小，可控性好、效率高和安装距离接近植物等特点会在农业照明中更多地被采用。

　　结论

　　人工光源作为现代农业的重要组成部分，在集约化种植、养殖以及其他领域中发挥着越来越重要的作用，不仅能够为农业生物的生长提供合理的光环境条件，减少农药、激素等化学品的使用，确保食品安全，而且还是低能耗的绿色光源，具有广阔的应用前景。本文讨论了农业照明对光的要求，回顾了农业照明光源的发展，并展望了农业照明光源的未来。随着照明技术和生物学研究的进步，未来农业照明光源会有很大的发展潜力，特别是LED农业照明会有很大的提升空间。

编辑：bober