農(nóng)業(yè)照明光源現(xiàn)狀與趨勢(shì)分析
文章來(lái)源:恒光電器
發(fā)布時(shí)間:2015-11-24
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地球的能量主要來(lái)自于太陽(yáng)光的輻射,，包括食物、能源,、材料等都是通過(guò)光合作用來(lái)產(chǎn)生的,，LED射燈，所有地球上的生命直接或間接地取決于光合作用的影響,。光合作用可以將空氣中的水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣（O2）和碳水化合物,，化學(xué)方程式如式（1）所示。
這樣太陽(yáng)光首先轉(zhuǎn)換成化學(xué)能量提供植物和藻類(lèi)生長(zhǎng),，間接的光合作用也是食物來(lái)源和建筑材料的主要能量,。光合作用對(duì)調(diào)節(jié)地球的生命周期有重要作用，盡管光合作用已經(jīng)存在了37億年,，星級(jí)酒店照明燈具,，但其能量利用效率卻十分低，太陽(yáng)光能量的最大轉(zhuǎn)換效率據(jù)估算僅4.6%~6%,，如果再考慮生物生長(zhǎng)的效率,，太陽(yáng)光的光合作用的能量轉(zhuǎn)換效率僅為1%~2%。因此,，已經(jīng)有越來(lái)越多的人工光出現(xiàn),， led商業(yè)照明，并發(fā)現(xiàn)具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率,，然而,，地球的人口不斷增加，對(duì)地球生物產(chǎn)量提出了更高的要求,，增加糧食生產(chǎn)也可通過(guò)提高光合作用的效率來(lái)實(shí)現(xiàn),。
農(nóng)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，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(shè)施條件下生產(chǎn)出來(lái)的,，其中農(nóng)業(yè)照明起到了極為重要的作用�,？傮w上來(lái)看,，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的很多領(lǐng)域，如設(shè)施植物生產(chǎn),、集約化養(yǎng)殖業(yè),、水產(chǎn)捕撈、病蟲(chóng)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(guān)系。為優(yōu)化光合作用的效率,，使用特制光譜的人工光源提高植物生產(chǎn)力成為未來(lái)人類(lèi)發(fā)展的一個(gè)重要手段,。
現(xiàn)代農(nóng)業(yè)照明光源的需求
1.1 在植物生產(chǎn)對(duì)人工照明的需求方面
俗話說(shuō)“萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)”,，光照是地球上生物賴以生存與繁衍的基礎(chǔ)，作物的光合作用離不開(kāi)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(yáng)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(zhǎng)變短以及其他地區(qū)冬春季節(jié)連陰、雨,、雪,、霧天氣等特定氣候條件下，光照強(qiáng)度和光照時(shí)間不足的現(xiàn)象時(shí)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(bǔ)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(chē)間,、育苗工廠等，采用完全人工光進(jìn)行光合作用,，因此也離不開(kāi)對(duì)人工照明光源的需求,。
1.2 在養(yǎng)殖生產(chǎn)對(duì)人工照明的需求方面
集約化養(yǎng)雞場(chǎng)、養(yǎng)豬場(chǎng)等都在封閉或半封閉環(huán)境下進(jìn)行飼養(yǎng),，人工光源不僅能起到照明的作用,，而且對(duì)畜禽生產(chǎn)性能也會(huì)產(chǎn)生重要影響。大量研究表明,，在畜禽養(yǎng)殖過(guò)程中,，照明光源顏色與波長(zhǎng)、光照時(shí)間與強(qiáng)度,、光照期與黑暗期的配合等都會(huì)對(duì)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(jī)能季節(jié)性限制,，使其遺傳潛力能最大限度地發(fā)揮出來(lái),，增加畜禽養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)效益。
1.3 在水產(chǎn)捕撈與燈光誘魚(yú)對(duì)人工照明的需求方面
自公元8世紀(jì)開(kāi)始，人們利用魚(yú)對(duì)光的敏感性,，就采用燈光進(jìn)行集魚(yú)與捕魚(yú),。多年來(lái)，世界各地一直存在使用火或其他形式的燈光捕魚(yú)的方法,，LED筒燈,，如今這些捕魚(yú)方法已經(jīng)成為許多國(guó)家現(xiàn)代漁業(yè)的一個(gè)重要特征。一些學(xué)者還對(duì)不同顏色光源的誘魚(yú)效果進(jìn)行了試驗(yàn),，結(jié)果表明，藍(lán)光具有更深的水體穿透性,，使用以藍(lán)色為主體的人工光源可以取得更好的捕撈效果,。
1.4 在人工微藻對(duì)照明的需求方面
近年來(lái)，隨著全球資源,、能源及環(huán)境危機(jī)的加劇,，開(kāi)發(fā)利用光合自養(yǎng)生物微藻，直接將太陽(yáng)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(xué)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）,，行業(yè)資訊，已經(jīng)成為世界各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn),。光照是影響微藻細(xì)胞生長(zhǎng)及生化成分變化最重要的因子之一,，對(duì)微藻的生長(zhǎng)、繁殖,、藻體顏色,、細(xì)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(yīng)用,。
光源光譜及其測(cè)量
光源不同光譜對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響在一百多年以前已有研究,，盡管研究已經(jīng)表明不同波長(zhǎng)的光對(duì)植物生長(zhǎng)的作用不同，但控制這些反應(yīng)的機(jī)制到現(xiàn)在仍然沒(méi)有完全理解,。感光細(xì)胞群之間相互依存和相互作用的關(guān)系還不能很好認(rèn)清,，主要原因是植物對(duì)光響應(yīng)傳導(dǎo)的機(jī)制復(fù)雜，且物種之間的差異較大,，不同植物使用不同的感光細(xì)胞來(lái)捕獲光能控制主要的生理過(guò)程,。像人類(lèi)視覺(jué)一樣，商業(yè)照明燈具,，植物可以收集環(huán)境和感光信息,，采用精妙的方式設(shè)置的代謝和生理周期，圖1是綠色植物主要感光細(xì)胞質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)光譜的吸收情況。
葉綠素和類(lèi)胡蘿卜素等光合色素的作用,，主要是在光合作用中收集光能并轉(zhuǎn)換能量,。葉綠素最大靈敏度在藍(lán)色和紅色區(qū)域，分別為300~400 nm和600~700 nm,。類(lèi)胡蘿卜素,，如葉黃素和胡蘿卜素等，主要吸收藍(lán)光,，也被稱為葉綠素的輔助光接收器,。
光敏色素包括兩種可逆轉(zhuǎn)換的光敏色素Pr和Pfr，它們的感光靈敏度峰值分別在紅色區(qū)域的660nm和遠(yuǎn)紅外區(qū)域（700~800 nm）的730 nm處,。光敏色素對(duì)生理響應(yīng)的影響主要有葉片擴(kuò)展,、周?chē)兄⒈苁a,、莖桿伸長(zhǎng),、種子發(fā)芽和開(kāi)花誘導(dǎo)。光形態(tài)形成的反應(yīng)通常是通過(guò)光敏色素感應(yīng)光譜中紅光（R）和遠(yuǎn)紅外光（FR）的比率（R/FR）來(lái)控制的,。
吸收藍(lán)光的色素包括隱花色素（ 如cry 1 ,、cry2）和向光素（如phot1、phot2）,。隱花色素控制植物形態(tài),、基因表達(dá)、花期變化,，并有助于葉片生長(zhǎng)和強(qiáng)烈抑制莖桿伸長(zhǎng),，且被證明可以改變動(dòng)物生物鐘的周期。向光素可以調(diào)節(jié)色素含量,，定位光合器官和細(xì)胞器,，以優(yōu)化光收集和光抑制。
針對(duì)上述感光細(xì)胞已開(kāi)展了大量研究,，但還有很多感光細(xì)胞有待進(jìn)一步認(rèn)識(shí),。最近，一個(gè)新的葉綠素感光已經(jīng)被發(fā)現(xiàn),，被稱為葉綠素f（chl f）,，該葉綠素有紅移的吸收峰706 nm，該發(fā)現(xiàn)表明,，光合作用可以進(jìn)一步延伸到紅外區(qū),。UV-B眾所周知影響植物的生長(zhǎng)和發(fā)育（如下胚軸伸長(zhǎng)，干重,，葉面積,，光合活性和開(kāi)花），最近發(fā)現(xiàn)的一種吸收UV-B的感光蛋白質(zhì)，可能有助于研究增加UV-B輻射到達(dá)地球的表面對(duì)陸生植物的潛在影響,。
黃綠光（500~600 nm）對(duì)植物生長(zhǎng)的影響仍有爭(zhēng)議,。有研究報(bào)道黃光（580~600 nm）抑制萵苣葉綠素和生長(zhǎng)葉綠體的形成，而也有另外的研究結(jié)論稱綠光可以提高萵苣發(fā)展和恢復(fù)藍(lán)色光激發(fā)的氣孔的開(kāi)放�,，F(xiàn)有認(rèn)識(shí)是綠色光能調(diào)整感光系統(tǒng)中紅光和藍(lán)光的生長(zhǎng)情況,，對(duì)很多植物來(lái)說(shuō)，特別是食用植物,，淺紅色和藍(lán)色的組合可能無(wú)法提供最終的植物生長(zhǎng)解決方案,。
農(nóng)業(yè)照明光源
3.1 白熾燈
白熾燈采用燈絲發(fā)光，輻射的光譜是連續(xù)的,，可用于溫室大棚的蔬菜和花卉生產(chǎn),，生產(chǎn)成本低，安裝簡(jiǎn)便,，通過(guò)調(diào)節(jié)白熾燈的懸掛高度和布燈密度可以調(diào)節(jié)補(bǔ)光強(qiáng)度（如圖2所示）。但其發(fā)光效率十分低,，被植物光合作用吸收的光能約占總輻射能量的7%,，壽命短而且發(fā)熱量大，因此溫室生產(chǎn)中正逐步淘汰白熾燈的使用,。但其光譜在整個(gè)區(qū)間有較強(qiáng)的分布,，目前還有部分對(duì)補(bǔ)光質(zhì)量要求高、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高的花卉和蔬菜在少量采用,。
隨著制造技術(shù)的發(fā)展,，新型的補(bǔ)光白熾燈通常將燈具和光源一體化設(shè)計(jì)，體積緊湊成本降低,，出射光口還采用藍(lán)光涂層來(lái)增加藍(lán)紫光的比例,，可以更好地滿足植物補(bǔ)光的需要，其結(jié)構(gòu)如圖3所示,。
3.2 熒光燈
熒光燈是目前使用最為廣泛的農(nóng)業(yè)照明光源,，主要有直管的T5熒光燈，LED球泡燈,，高功率的CFL及無(wú)極熒光燈（見(jiàn)圖4所示）,。直管熒光燈特別是T5熒光燈的發(fā)光效率高，燈具表面溫度低,，結(jié)構(gòu)更緊湊,，產(chǎn)業(yè)資訊，使用十分方便,，特別適合植物工廠垂直多層布置的使用,。T5熒光燈的平均使用壽命可達(dá)20 000 h，光輸出較原來(lái)的熒光燈也提高了很多，在某些場(chǎng)合已經(jīng)可以替代HID燈光源,。
緊湊型熒光燈也是目前應(yīng)用比較廣泛的農(nóng)業(yè)照明光源,，特別適合頻繁移動(dòng)，這給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)很大的便利,，ROSH認(rèn)證,，其反射器經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，發(fā)出的光就像HID燈（如圖5所示）,。緊湊型熒光燈使用壽命長(zhǎng)約10 000 h,。無(wú)極熒光燈由于其發(fā)光密度較普通熒光燈高，可以適合大光通的補(bǔ)光場(chǎng)合,。
熒光燈的使用十分方便,，不但可以廣泛用于規(guī)模化的生產(chǎn),，還可以被家庭簡(jiǎn)便使用,，越來(lái)越多地被采用于家庭的花卉或蔬菜架（如圖6所示）。與照明使用的熒光燈不同,，農(nóng)業(yè)照明熒光燈對(duì)紫外和紅外的光譜要求較多（如圖7所示）,，設(shè)計(jì)合理的熒光粉涂層是決定農(nóng)業(yè)熒光燈質(zhì)量的關(guān)鍵。現(xiàn)在農(nóng)業(yè)照明中還將熒光燈與HID燈進(jìn)行混光照明,，利用各自的光譜混合來(lái)得到最佳的光譜,。
3.3 HID 燈
HID燈是發(fā)光強(qiáng)度最高的光源，比較適合大尺度的植物大棚等的照明,，目前主要的農(nóng)業(yè)HID有金屬鹵化物燈和高壓鈉燈,。金屬鹵化物燈發(fā)出大量的藍(lán)色和紫外輻射，通常用于植物的生長(zhǎng)階段,，為營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)階段提供更好的光譜,，使補(bǔ)光產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)更豐富。目前陶瓷金屬鹵化物燈技術(shù)的進(jìn)展,，使其發(fā)光光譜在紅光和藍(lán)紫部分更加豐富,，照明產(chǎn)品，作為農(nóng)業(yè)照明光源更具光譜優(yōu)勢(shì),。
高壓鈉燈也被用作整個(gè)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖階段進(jìn)行補(bǔ)光的單一光源,。紅色光譜的光線可能會(huì)引發(fā)植物更大的開(kāi)花反應(yīng)，如果高壓鈉燈用于營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段,，植物生長(zhǎng)得更快,，同時(shí)，它們可以與金屬鹵化物燈進(jìn)行混合照明,，用于生殖生長(zhǎng)階段的全光譜照明,。目前,，為更好地達(dá)到HID燈農(nóng)業(yè)照明的效果，將金屬鹵化物燈電弧管和高壓鈉燈電弧管一起封裝在同一泡殼內(nèi),，ROSH認(rèn)證,，將兩種光譜混合用于植物照明的補(bǔ)光，如圖8所示,。
3.4 LED
LED作為第4代新型照明光源,，具有許多不同于其他電光源的特點(diǎn)，這也使其成為節(jié)能環(huán)保光源的首選,。應(yīng)用于植物培養(yǎng)領(lǐng)域的LED有以下特征：波長(zhǎng)類(lèi)型豐富,、正好與植物光合成和光形態(tài)建成的光譜范圍吻合；頻譜波寬度半寬窄,，LED燈管,，可按照需要組合獲得純正單色光與復(fù)合光譜；可以集中特定波長(zhǎng)的光均衡地照射作物,；不僅可以調(diào)節(jié)作物開(kāi)花與結(jié)實(shí),，而且還能控制株高和植物的營(yíng)養(yǎng)成分；系統(tǒng)發(fā)熱少,，占用空間小,，可用于多層栽培立體組合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了低熱負(fù)荷和生產(chǎn)空間小型化,；此外，其特強(qiáng)的耐用性也降低了運(yùn)行成本,。
由于這些顯著的特征,，LED十分適合應(yīng)用于可控設(shè)施環(huán)境中的植物栽培，如植物組織培養(yǎng),、設(shè)施園藝與工廠化育苗和航天生態(tài)生保系統(tǒng)等,。但與普通照明相比，植物農(nóng)業(yè)照明需要的光照強(qiáng)度更高,，因此需要使用大功率的LED燈具,，目前農(nóng)業(yè)照明LED的大功率燈具可以達(dá)到1 000 W，這對(duì)LED的燈具設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn),。更重要的是LED植物生長(zhǎng)燈的光譜設(shè)計(jì)要求也比較高,，相對(duì)傳統(tǒng)光源其發(fā)光波段更為集中，目前比較可行的是五波段合成的LED生長(zhǎng)燈（如圖9所示）,。
LED光源的特性和已有研究基礎(chǔ)均表明,，LED作為植物照明光源具有促進(jìn)植物生長(zhǎng)、調(diào)節(jié)植物形態(tài)建成和節(jié)能環(huán)保等多方面優(yōu)勢(shì),，產(chǎn)業(yè)資訊,，可以廣泛用于植物栽培,、溫室補(bǔ)光、植物組培,、植物工廠以及航天航空等眾多領(lǐng)域,，是未來(lái)植物照明光源的重要發(fā)展方向。LED在畜牧業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用也是可行的,，通過(guò)適當(dāng)?shù)腖ED光照調(diào)節(jié),，能夠顯著促進(jìn)畜禽生長(zhǎng)，提高其免疫力,，大大提高畜禽養(yǎng)殖的生產(chǎn)潛力,。目前，LED農(nóng)業(yè)照明處于起步階段,，隨著研究的深入和技術(shù)的提高會(huì)有更大的發(fā)展,，具體應(yīng)用場(chǎng)景如圖10所示。
農(nóng)業(yè)照明光源的挑戰(zhàn)與趨勢(shì)
人類(lèi)目前所面臨的一個(gè)問(wèn)題是食物和能源的需求連續(xù)增加,，隨之而來(lái)的二氧化碳排放量增加導(dǎo)致的溫室效應(yīng)和自然災(zāi)害,。據(jù)估計(jì)的食物需求發(fā)展速度，生產(chǎn)利率每公頃提高50%才可以避免災(zāi)難的產(chǎn)生,，因此尋找有效的生產(chǎn)食物的方法會(huì)影響未來(lái)幾代人的安全,。
人工控制栽培環(huán)境和植物工廠是目前的主要途徑，人工照明結(jié)合其他生長(zhǎng)條件控制（如溫度,、濕度,、CO2和水等）可以解決食品生產(chǎn)的安全性，不僅提高了產(chǎn)量,，還能避免惡劣天氣帶來(lái)的影響,。研究表明采用人工照明和其他條件的干預(yù)，可以使食品生產(chǎn)提高2倍以上,，設(shè)計(jì),，例如在斯堪的納維亞，利用現(xiàn)代栽培方法和照明技術(shù),，黃瓜的年度生產(chǎn)力增加約50~250 kg/m,。
未來(lái)的人工照明條件下，可以在完全封閉的環(huán)境中進(jìn)行精確的控制,，半導(dǎo)體器件,，如發(fā)光二極管，在不久的將來(lái)是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的理想選擇,。在未來(lái)的農(nóng)業(yè)照明中為提高生產(chǎn)率和穩(wěn)定性,，對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的控制程度會(huì)更高，更多的人工照明將被要求補(bǔ)償白天的損失,，提高能量每單位面積的需求,。發(fā)光二極管由于其體積小,，可控性好、效率高和安裝距離接近植物等特點(diǎn)會(huì)在農(nóng)業(yè)照明中更多地被采用,。
結(jié) 論
人工光源作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分,，在集約化種植、養(yǎng)殖以及其他領(lǐng)域中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用,，不僅能夠?yàn)檗r(nóng)業(yè)生物的生長(zhǎng)提供合理的光環(huán)境條件,，減少農(nóng)藥、激素等化學(xué)品的使用,，確保食品安全,，而且還是低能耗的綠色光源， led戶外照明,，具有廣闊的應(yīng)用前景,。本文討論了農(nóng)業(yè)照明對(duì)光的要求，回顧了農(nóng)業(yè)照明光源的發(fā)展,，并展望了農(nóng)業(yè)照明光源的未來(lái),。隨著照明技術(shù)和生物學(xué)研究的進(jìn)步，未來(lái)農(nóng)業(yè)照明光源會(huì)有很大的發(fā)展?jié)摿�,，特別是LED農(nóng)業(yè)照明會(huì)有很大的提升空間,。
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