為進一步鼓勵和發(fā)展LED植物照明，小編聯(lián)系了中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所劉文科教授特分享了一些論文，希望對投身LED植物照明領域的人士有所幫助。今天分享一篇發(fā)表劉文科與楊其長在照明工程學報的文章《設施園藝半導體照明及其研發(fā)中的科技問題》，全文如下：

　　為推進設施園藝照明研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，需解決的科學問題包括： ( 1) 光質(zhì)生物學 弄清單一光質(zhì)及復合光質(zhì)對植物和食用菌生長發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)影響的生理代謝 分子生物學及蛋白組學機理； 生物種類及品種間光質(zhì)適應性和利用差異性機理; 光質(zhì)與環(huán)境其它因子互作的生物學機制；設施生物光質(zhì)數(shù)量屬性有效閾值和基準值( 如補償點 飽和點與光脅迫閾值) 等； ( 2) 逆境光質(zhì)生物學 明確單色及復合弱光 強光及連續(xù)光照下光合機構 代謝系統(tǒng)運轉(zhuǎn)效率的響應機理及其農(nóng)學意義等 需解決的技術問題包括： ( 1) 建立設施園藝各生產(chǎn)領域特定生物生長發(fā)育 優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)所需的光照配方； ( 2) 制定農(nóng)業(yè)生物光環(huán)境控制策略； ( 3) 研發(fā) LED 光源裝置 燈具及計算機智能控制系統(tǒng)。

　　隨著世界人口增加，農(nóng)產(chǎn)品需求持續(xù)增加，而農(nóng)業(yè)資源不斷減少，環(huán)境污染日益嚴重，氣候變化及其災害逐年增多，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力及其穩(wěn)定性大幅下降，糧食和食物產(chǎn)出難以保證，食物數(shù)量安全與質(zhì)量安全問題日益凸顯 設施園藝是環(huán)境可控農(nóng)業(yè)，生產(chǎn)穩(wěn)定性高，在保障 食物安全 和農(nóng)產(chǎn)品有效供給方面發(fā)揮著不可或缺的作用，已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)主體設施園藝可通過環(huán)境控制促進或延遲農(nóng)業(yè)生物的生長發(fā)育與繁殖過程，按照人類的時空要求獲得所需要的植物和食用菌產(chǎn)品 我國設施園藝栽培面積高居世界首位，已近400 萬公頃，產(chǎn)值超萬億元。

　　設施園藝要實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展迫切需要綜合性、全面智能化環(huán)境控制技術的支撐，以克服環(huán)境逆境，創(chuàng)造適宜的生產(chǎn)條件。光照是設施園藝生產(chǎn)重要的環(huán)境因子，為了獲得較高的產(chǎn)量和高品質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品，生產(chǎn)過程中園藝設施內(nèi)包括光照在內(nèi)所有與農(nóng)業(yè)生物生產(chǎn)相關的環(huán)境因子都有必要實現(xiàn)人工或智能調(diào)控。設施園藝生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境因子控制越多越精準，越是符合園藝生物需求，就更有利于設施園藝生產(chǎn)潛力的發(fā)揮?？v觀設施園藝環(huán)境控制技術發(fā)展歷程，光照是繼溫度、濕度、CO2濃度、氣流等環(huán)境因子之后，園藝設施中最后一個實現(xiàn)智能控制的重要環(huán)境因素。其主要原因是在發(fā)光二極管（Light-emitting diode, LED）這種固態(tài)半導體電光源出現(xiàn)之前，傳統(tǒng)電光源作為執(zhí)行機構均無法實時調(diào)控其光強和光質(zhì)成分，無法實施智能控制?，F(xiàn)今，基于LED光源良好的可控性和光電優(yōu)勢，采用LED補光或人工光環(huán)境調(diào)控可以很好地克服不適光照條件對園藝生物生產(chǎn)的制約，對保障設施園藝優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)至關重要。

　　設施園藝生產(chǎn)對人工照明的客觀需求

　　光環(huán)境調(diào)控為物理性調(diào)控，生態(tài)安全，環(huán)境負效應少。設施園藝光環(huán)境調(diào)控已經(jīng)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的內(nèi)在要求與客觀需求，以保障現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、穩(wěn)產(chǎn)。設施園藝作為環(huán)境可控的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，發(fā)展光環(huán)境調(diào)控技術是其內(nèi)在要求，更是客觀需求，主要表現(xiàn)在兩個方面。其一，溫室人工補光十分必要，需求迫切。補光方式包含兩類，一是通過可見光調(diào)控（PAR），強化光周期和光合作用；二是通過UV和FR調(diào)控形態(tài)和品質(zhì)。溫室人工補光必要性主要基于以下幾點。

　?。?）弱光寡照脅迫。夏季連陰雨天、冬季連陰雪天等導致的設施弱光寡照脅迫常造成的嚴重的生產(chǎn)危害，導致作物減產(chǎn)甚至絕收。

　?。?）霧霾天氣。2012年以來，我國霧霾天氣的發(fā)生頻率、持續(xù)時間及影響地域范圍呈逐年增加的趨勢，霧霾發(fā)生時段長達7個月（10月至次年4月）。霧霾天氣條件下光照強度下降20%-90%，嚴重影響作物的光合作用，開花結果，并易孳生病蟲害，造成作物減產(chǎn)甚至絕收。而且，冬春季霧霾頻發(fā)期與設施園藝生產(chǎn)關鍵期重合，加劇了危害程度，對菜農(nóng)收益影響巨大。

　　（3）高緯度地區(qū)光周期調(diào)控。在高緯度短日照地區(qū)迫切需要進行延長光周期的調(diào)控，增加光照時數(shù)。

　?。?）長日照植物生產(chǎn)需求。在日照時間不足地區(qū)生產(chǎn)長日照植物需要增加光照時數(shù)，促進其完成生長周期。總之，為克服上述設施園藝生產(chǎn)的光環(huán)境問題，進行人工智能補光是直接有效的途徑。其二，完全人工光設施生產(chǎn)光環(huán)境調(diào)控。精準智能化光環(huán)境調(diào)控是人工光植物組培、植物工廠、食用菌工廠和育苗工廠等領域優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、能耗與生產(chǎn)效率的決定性因素，必要性十分突出。通過光環(huán)境調(diào)控，可改善作物形態(tài)，增加產(chǎn)量，并按照人類需求定向增加有益化學物質(zhì)的含量，降低無益物質(zhì)的積累，提高農(nóng)產(chǎn)品的能值和營養(yǎng)保健價值，實現(xiàn)真正意義的優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)。

　　農(nóng)業(yè)半導體照明的定義和內(nèi)涵

　　傳統(tǒng)照明是視覺應用，是通過人工光或自然光組成的照明系統(tǒng)（照明裝置）將具有特定光度、色度要求的光，按科學設計的分布特性，傳遞到目標客體，供人類感知，獲取信息。農(nóng)業(yè)照明是包含視覺和非視覺功能的照明應用方式，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)照明是指按照農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各領域的生產(chǎn)目標要求，利用光電光源人為創(chuàng)造適宜光環(huán)境或彌補自然光照的不足，調(diào)控農(nóng)業(yè)生物的生長發(fā)育和繁殖的一種農(nóng)藝措施。LED的出現(xiàn)推動農(nóng)業(yè)照明進入了新的發(fā)展階段，稱之為農(nóng)業(yè)半導體照明，屬于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)照明的范疇的新型照明方式。農(nóng)業(yè)半導體照明是指采用半導體電光源及其智能化管控裝備，按照農(nóng)業(yè)生物的光環(huán)境需求規(guī)律和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各領域的生產(chǎn)目標要求，人為創(chuàng)造適宜光環(huán)境或彌補自然光照的不足，調(diào)控農(nóng)業(yè)生物的生長發(fā)育和繁殖，以實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效、穩(wěn)產(chǎn)生產(chǎn)目標的一種農(nóng)藝措施。農(nóng)業(yè)半導體照明的特征：

　?。?）農(nóng)業(yè)半導體照明的電光源是第四代半導體固態(tài)光源-發(fā)光二極管等現(xiàn)代電光源；（2）電光源光譜可精準調(diào)控，光強、光質(zhì)和光周期可進行實時的管控；（3）能夠滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各個領域光環(huán)境調(diào)控的需求，實現(xiàn)高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)產(chǎn)的目標；（4）農(nóng)業(yè)半導體照明既包含視覺照明范疇，也包含了非視覺范疇。其中，植物和食用菌照明屬于前者，畜禽養(yǎng)殖照明屬于視覺范疇；（5）農(nóng)業(yè)半導體照明可徹底突破自然光照明的晝夜和年際光周期規(guī)律，按照需求完全控制光照條件；（6）光環(huán)境調(diào)控需要與其它環(huán)境要素控制協(xié)同進行，綜合協(xié)同調(diào)控。設施園藝半導體照明是設施園藝工程學科的新興研究分支，是農(nóng)業(yè)半導體照明的最重要組成部分，是半導體照明非視覺應用的重要領域，我國設施園藝需要大力研發(fā)半導體照明技術裝備，加快應用進程與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

　　設施園藝半導體照明應用領域及其復雜性

　　設施園藝半導體照明研究的生產(chǎn)系統(tǒng)主要是設施園藝生產(chǎn)系統(tǒng)，生物種類涵蓋蔬菜、花卉、種苗、食用菌、藥用植物等等，其應用領域多樣，各領域生物形態(tài)多樣，光環(huán)境需求差別迥異?？偨Y而言，設施園藝光環(huán)境調(diào)控的應用領域如下：

　?。?）溫室補光。為了增加植物的光合產(chǎn)量，提高光照強度，延長植物光照的光周期，必須進行人工補光。

　?。?）食用菌工廠。目前，食用菌生產(chǎn)工廠化程度高，多數(shù)食用菌對光強要求不高，但光質(zhì)的要求苛刻，產(chǎn)量品質(zhì)效應大，光環(huán)境調(diào)控非常重要，應用潛力巨大。

　?。?）植物工廠。植物工廠作為設施園藝的最高級發(fā)展階段，可用于蔬菜、苗木（蔬菜苗、水稻、煙草等）、中草藥等的規(guī)?；a(chǎn)。智能化人工光源及其光環(huán)境調(diào)控對其生產(chǎn)效率起到?jīng)Q定性作用。

　?。?）植物組培。植物組培是種苗快繁、脫毒的重要手段，完全采用人工光照進行生產(chǎn)，對人工光源的需求極大，電光源升級換代十分迫切。

　　設施園藝半導體照明應用領域十分復雜，需要開展系統(tǒng)、多層面、多尺度的研究工作。原因之一，農(nóng)業(yè)生物營養(yǎng)與生長發(fā)育規(guī)律具有多樣性和復雜性，農(nóng)業(yè)生物對光環(huán)境的響應機理各不相同，研究方法各異，需要逐一系統(tǒng)研究，揭示其光生物學規(guī)律。譬如，植物是利用光能、CO2和水，通過葉綠素光合作用形成碳水化合物，將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W能；而微生物（以食用菌為例）則需通過胞外酶分解栽培基質(zhì)獲取所需營養(yǎng)產(chǎn)生菌絲和子實體。三種農(nóng)業(yè)生物的營養(yǎng)方式根本不同，光環(huán)境需求規(guī)律迥異。原因之二，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域龐雜，農(nóng)業(yè)生物種類多樣及其賦存形態(tài)各異，對光環(huán)境時空需求不同。原因之三，光環(huán)境的數(shù)量屬性（光強和光周期）、質(zhì)量屬性（光質(zhì)和光譜）和電光源發(fā)光特性（占空比、頻率）多，需要逐一研究其生物學效應。上述三方面因素疊加顯現(xiàn)了植物光生物學研究了的復雜性和系統(tǒng)性。最后，設施系統(tǒng)種類多，光環(huán)境特征及變化規(guī)律迥異，需要有針對性進行光環(huán)境調(diào)控。

　　設施園藝半導體照明亟待解決的科學問題

　　農(nóng)業(yè)生物光生物學規(guī)律研究是農(nóng)業(yè)半導體照明的基礎。作為新興研究領域，國際上起步晚，設施園藝半導體照明研發(fā)中尚存許多科學問題亟待解決。總結而言，科學問題之一是光質(zhì)生物學。這里的光質(zhì)是指對生物有作用的光質(zhì)類型，包括可見光、UV和遠紅光等。（1）光質(zhì)的生物學功能。主要研究內(nèi)容包括弄清單一光質(zhì)及復合光質(zhì)對植物和食用菌生長發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)影響的生理代謝、分子生物學及蛋白組學機理；（2）生物種類及品種間光質(zhì)適應性和利用差異性機理；（3）光質(zhì)與環(huán)境其它因子互作的生物學機制；（4）設施生物光質(zhì)數(shù)量屬性有效閾值和基準值（如補償點、飽和點與光脅迫閾值）?？茖W問題之二是逆境光質(zhì)生物學。主要研究明確單色及復合光弱光、強光及連續(xù)光照下光合機構和代謝系統(tǒng)運轉(zhuǎn)效率的響應機理及其農(nóng)學意義等。

　　設施園藝半導體照明亟待解決的技術問題

　　綜合分析設施園藝半導體照明技術研發(fā)現(xiàn)狀，亟待解決的技術問題包括三個方面：

　?。?）建立設施園藝各生產(chǎn)領域特定生物生長發(fā)育、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)所需的光照配方；（2）依據(jù)光照配方，制定農(nóng)業(yè)生物光環(huán)境控制策略；（3）研發(fā)LED光源裝置、燈具及計算機智能控制系統(tǒng)。

　　1.光照配方與光環(huán)境控制策略

　　光照配方是指以優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)為目標，按照特定植物種類及品種生長發(fā)育各階段所需的光質(zhì)種類及其數(shù)量屬性的參數(shù)集合。設施園藝各生產(chǎn)領域特定生物所適宜的光照配方是不同的，具有特殊性，需要逐一研究揭示。光環(huán)境控制策略是指以優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)為目標，以設施園藝各生產(chǎn)系統(tǒng)所栽培特定植物種類及品種生長發(fā)育各階段光照配方為基礎通過計算機直接控制和切換光環(huán)境參數(shù)的時空管理方法策略。建立設施園藝光環(huán)境控制策略是非常必要的。比如，溫室補光策略需要綜合考慮自然光日變化參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、作物光合生理參數(shù)、生長發(fā)育階段和燈具屬性，實施經(jīng)濟有效地補光方法，滿足光強、光質(zhì)和光周期需求，節(jié)能高效。光環(huán)境控制策略具有明顯的時空特征，采用分段管理是設施園藝生產(chǎn)的優(yōu)化選擇，具有重要實踐意義。譬如，園藝作物發(fā)芽期、苗期、營養(yǎng)生長期和生殖生長期光環(huán)境需求不同，組培植物的增殖階段和生根階段光環(huán)境需求不同，食用菌菌絲生長階段和子實體生長階段光環(huán)境需求不同。因此，基于LED半導體照明技術，設施園藝光環(huán)境的管理需要建立動態(tài)實時的控制策略，才能將光能、生物資源生產(chǎn)效率發(fā)揮到最高水平，避免盲目性無效光照造成的能源浪費。

　　2.LED光源及燈具開發(fā)

　　專用LED光源及燈具研發(fā)是設施園藝半導體照明的核心，最為迫切。LED光源及燈具研發(fā)需要遵循以下幾個原則。

　?。?）高光能利用率原則。制定合理光譜組分，最大程度增加LED光源的發(fā)光效率，減少光源與被照射生物距離，減少光損失，提高光能利用效率；（2）低成本原則。成本是決定設施園藝半導體照明產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要因素，需深挖降低成本技術；（3）生態(tài)安全原則。在滿足設施園藝作物光合生理需求基礎上，適宜改進純紅藍光譜組成，增加微量或少量綠光成為，增加視覺健康；（4）優(yōu)先開發(fā)設施園藝高附加值農(nóng)產(chǎn)品專用LED光源及燈具，有利于燈具銷售，培育龍頭企業(yè)。目前，市場上已經(jīng)有的燈具類型包括燈泡、燈管、面板燈、筒燈、燈帶、燈柵等。LED燈具設計關注的指標和性能包括光照的均勻性、光質(zhì)組配的合理性、散熱的可靠性、LED芯片功率的適宜性、發(fā)光面設計的有效性和感官舒適性。

　　3.智能控制系統(tǒng)

　　隨著計算機技術、網(wǎng)絡技術、通信技術、自動控制技術、總線技術、信號檢測技術和微電子技術的迅速發(fā)展和相互滲透，半導體照明已進入了智能化控制的時代。農(nóng)業(yè)照明更是如此，簡單的開關控制已不能完成光環(huán)境復合調(diào)控的需求。實現(xiàn)照明控制系統(tǒng)智能化的主要目的有兩個：一是可以提高照明系統(tǒng)的控制和管理水平，減少照明系統(tǒng)的維護與運行成本；二是可以節(jié)約能源，提高光效。一般而言，照明控制系統(tǒng)由傳感器、控制電路、控制軟件、控制PLC或計算機組成。農(nóng)業(yè)半導體照明智能控制系統(tǒng)主要功能包括兩個方面。其一，控制LED燈具的光質(zhì)、光強和光周期；其二，控制燈具的空間位置和移動速率。

　　結語

　　設施園藝半導體照明相關科學技術問題的解決最終目標是為研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化服務，為設施園藝生產(chǎn)實踐服務。設施園藝半導體照明的目標：

　?。?）節(jié)能，提高農(nóng)業(yè)生物的光能利用效率；

　?。?）優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，獲得更高的生產(chǎn)效率和生物量，提高能源物質(zhì)或健康有益物質(zhì)；（3）穩(wěn)產(chǎn)，削減光環(huán)境逆境；

　?。?）視覺健康，不危害生產(chǎn)人員的視覺健康。

　　當前，設施園藝半導體照明方興未艾、發(fā)展如火如荼，但基于設施園藝生產(chǎn)的復雜性，設施園藝半導體照明在科學規(guī)律與技術研發(fā)方面尚有很長的路要走。但有理由相信，未來5-10年我國設施園藝半導體照明科學技術研發(fā)與應用將取得長足進步，也將極大地推進設施園藝半導體照明產(chǎn)業(yè)和學科發(fā)展。