農業照明光源現狀與趨勢分析
文章來源:恒光電器
發布時間:2015-11-24
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地球的能量主要來自于太陽光的輻射，包括食物、能源、材料等都是通過光合作用來產生的，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化為氧氣（O2）和碳水化合物，化學方程式如式（1）所示。
這樣太陽光首先轉換成化學能量提供植物和藻類生長，間接的光合作用也是食物來源和建筑材料的主要能量。光合作用對調節地球的生命周期有重要作用，盡管光合作用已經存在了37億年，星級酒店照明燈具，但其能量利用效率卻十分低，太陽光能量的最大轉換效率據估算僅4.6%~6%，如果再考慮生物生長的效率，太陽光的光合作用的能量轉換效率僅為1%~2%。因此，已經有越來越多的人工光出現， led商業照明，并發現具有更高的能量轉換效率，然而，地球的人口不斷增加，對地球生物產量提出了更高的要求，增加糧食生產也可通過提高光合作用的效率來實現。
農業是國民經濟的基礎，日常生活中的肉蛋奶、蔬菜、花卉、瓜果、食用菌等農副產品的很大一部分都是在設施條件下生產出來的，其中農業照明起到了極為重要的作用。總體上來看，在現代農業的很多領域，如設施植物生產、集約化養殖業、水產捕撈、病蟲害防治、食用菌生產及微藻繁殖等，都與人工照明有著極其密切的關系。為優化光合作用的效率，使用特制光譜的人工光源提高植物生產力成為未來人類發展的一個重要手段。
現代農業照明光源的需求
1.1 在植物生產對人工照明的需求方面
俗話說“萬物生長靠太陽”，光照是地球上生物賴以生存與繁衍的基礎，作物的光合作用離不開光照，光照條件的好壞直接影響作物的產量和品質。自然界中，太陽的光照隨地理緯度、季節和天氣狀況的不同而變化，高緯度地區冬季日長變短以及其他地區冬春季節連陰、雨、雪、霧天氣等特定氣候條件下，光照強度和光照時間不足的現象時有發生，因此，在現代植物生產系統中（如溫室、大棚等）人工補光已經成為高效生產的重要手段。此外，在密閉式人工光生產系統，如植物工廠、組培車間、育苗工廠等，采用完全人工光進行光合作用，因此也離不開對人工照明光源的需求。
1.2 在養殖生產對人工照明的需求方面
集約化養雞場、養豬場等都在封閉或半封閉環境下進行飼養，人工光源不僅能起到照明的作用，而且對畜禽生產性能也會產生重要影響。大量研究表明，在畜禽養殖過程中，照明光源顏色與波長、光照時間與強度、光照期與黑暗期的配合等都會對畜禽的生產性能、生理特性、行為特性、體質健康等產生顯著影響。適宜的人工照明，能夠克服了畜禽繁殖生理機能季節性限制，使其遺傳潛力能最大限度地發揮出來，增加畜禽養殖的經濟效益。
1.3 在水產捕撈與燈光誘魚對人工照明的需求方面
自公元8世紀開始，人們利用魚對光的敏感性，就采用燈光進行集魚與捕魚。多年來，世界各地一直存在使用火或其他形式的燈光捕魚的方法，LED筒燈，如今這些捕魚方法已經成為許多國家現代漁業的一個重要特征。一些學者還對不同顏色光源的誘魚效果進行了試驗，結果表明，藍光具有更深的水體穿透性，使用以藍色為主體的人工光源可以取得更好的捕撈效果。
1.4 在人工微藻對照明的需求方面
近年來，隨著全球資源、能源及環境危機的加劇，開發利用光合自養生物微藻，直接將太陽能及CO2轉化成人們生產生活需要的醫藥、生物基化學品（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），行業資訊，已經成為世界各國關注的焦點。光照是影響微藻細胞生長及生化成分變化最重要的因子之一，對微藻的生長、繁殖、藻體顏色、細胞形態及代謝產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用。
光源光譜及其測量
光源不同光譜對植物生長發育的影響在一百多年以前已有研究，盡管研究已經表明不同波長的光對植物生長的作用不同，但控制這些反應的機制到現在仍然沒有完全理解。感光細胞群之間相互依存和相互作用的關系還不能很好認清，主要原因是植物對光響應傳導的機制復雜，且物種之間的差異較大，不同植物使用不同的感光細胞來捕獲光能控制主要的生理過程。像人類視覺一樣，商業照明燈具，植物可以收集環境和感光信息，采用精妙的方式設置的代謝和生理周期，圖1是綠色植物主要感光細胞質對不同波長光譜的吸收情況。
葉綠素和類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換能量。葉綠素最大靈敏度在藍色和紅色區域，分別為300~400 nm和600~700 nm。類胡蘿卜素，如葉黃素和胡蘿卜素等，主要吸收藍光，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域的660nm和遠紅外區域（700~800 nm）的730 nm處。光敏色素對生理響應的影響主要有葉片擴展、周圍感知、避蔭、莖桿伸長、種子發芽和開花誘導。光形態形成的反應通常是通過光敏色素感應光譜中紅光（R）和遠紅外光（FR）的比率（R/FR）來控制的。
吸收藍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、基因表達、花期變化，并有助于葉片生長和強烈抑制莖桿伸長，且被證明可以改變動物生物鐘的周期。向光素可以調節色素含量，定位光合器官和細胞器，以優化光收集和光抑制。
針對上述感光細胞已開展了大量研究，但還有很多感光細胞有待進一步認識。最近，一個新的葉綠素感光已經被發現，被稱為葉綠素f（chl f），該葉綠素有紅移的吸收峰706 nm，該發現表明，光合作用可以進一步延伸到紅外區。UV-B眾所周知影響植物的生長和發育（如下胚軸伸長，干重，葉面積，光合活性和開花），最近發現的一種吸收UV-B的感光蛋白質，可能有助于研究增加UV-B輻射到達地球的表面對陸生植物的潛在影響。
黃綠光（500~600 nm）對植物生長的影響仍有爭議。有研究報道黃光（580~600 nm）抑制萵苣葉綠素和生長葉綠體的形成，而也有另外的研究結論稱綠光可以提高萵苣發展和恢復藍色光激發的氣孔的開放。現有認識是綠色光能調整感光系統中紅光和藍光的生長情況，對很多植物來說，特別是食用植物，淺紅色和藍色的組合可能無法提供最終的植物生長解決方案。
農業照明光源
3.1 白熾燈
白熾燈采用燈絲發光，輻射的光譜是連續的，可用于溫室大棚的蔬菜和花卉生產，生產成本低，安裝簡便，通過調節白熾燈的懸掛高度和布燈密度可以調節補光強度（如圖2所示）。但其發光效率十分低，被植物光合作用吸收的光能約占總輻射能量的7%，壽命短而且發熱量大，因此溫室生產中正逐步淘汰白熾燈的使用。但其光譜在整個區間有較強的分布，目前還有部分對補光質量要求高、經濟價值高的花卉和蔬菜在少量采用。
隨著制造技術的發展，新型的補光白熾燈通常將燈具和光源一體化設計，體積緊湊成本降低，出射光口還采用藍光涂層來增加藍紫光的比例，可以更好地滿足植物補光的需要，其結構如圖3所示。
3.2 熒光燈
熒光燈是目前使用最為廣泛的農業照明光源，主要有直管的T5熒光燈，LED球泡燈，高功率的CFL及無極熒光燈（見圖4所示）。直管熒光燈特別是T5熒光燈的發光效率高，燈具表面溫度低，結構更緊湊，產業資訊，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20 000 h，光輸出較原來的熒光燈也提高了很多，在某些場合已經可以替代HID燈光源。
緊湊型熒光燈也是目前應用比較廣泛的農業照明光源，特別適合頻繁移動，這給農業生產帶來很大的便利，ROSH認證，其反射器經過特殊設計，發出的光就像HID燈（如圖5所示）。緊湊型熒光燈使用壽命長約10 000 h。無極熒光燈由于其發光密度較普通熒光燈高，可以適合大光通的補光場合。
熒光燈的使用十分方便，不但可以廣泛用于規模化的生產，還可以被家庭簡便使用，越來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，農業照明熒光燈對紫外和紅外的光譜要求較多（如圖7所示），設計合理的熒光粉涂層是決定農業熒光燈質量的關鍵。現在農業照明中還將熒光燈與HID燈進行混光照明，利用各自的光譜混合來得到最佳的光譜。
3.3 HID 燈
HID燈是發光強度最高的光源，比較適合大尺度的植物大棚等的照明，目前主要的農業HID有金屬鹵化物燈和高壓鈉燈。金屬鹵化物燈發出大量的藍色和紫外輻射，通常用于植物的生長階段，為營養生長和生殖生長階段提供更好的光譜，使補光產品的營養更豐富。目前陶瓷金屬鹵化物燈技術的進展，使其發光光譜在紅光和藍紫部分更加豐富，照明產品，作為農業照明光源更具光譜優勢。
高壓鈉燈也被用作整個營養生長和生殖階段進行補光的單一光源。紅色光譜的光線可能會引發植物更大的開花反應，如果高壓鈉燈用于營養生長階段，植物生長得更快，同時，它們可以與金屬鹵化物燈進行混合照明，用于生殖生長階段的全光譜照明。目前，為更好地達到HID燈農業照明的效果，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，ROSH認證，將兩種光譜混合用于植物照明的補光，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，這也使其成為節能環保光源的首選。應用于植物培養領域的LED有以下特征：波長類型豐富、正好與植物光合成和光形態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合光譜；可以集中特定波長的光均衡地照射作物；不僅可以調節作物開花與結實，而且還能控制株高和植物的營養成分；系統發熱少，占用空間小，可用于多層栽培立體組合系統，實現了低熱負荷和生產空間小型化；此外，其特強的耐用性也降低了運行成本。
由于這些顯著的特征，LED十分適合應用于可控設施環境中的植物栽培，如植物組織培養、設施園藝與工廠化育苗和航天生態生保系統等。但與普通照明相比，植物農業照明需要的光照強度更高，因此需要使用大功率的LED燈具，目前農業照明LED的大功率燈具可以達到1 000 W，這對LED的燈具設計提出了挑戰。更重要的是LED植物生長燈的光譜設計要求也比較高，相對傳統光源其發光波段更為集中，目前比較可行的是五波段合成的LED生長燈（如圖9所示）。
LED光源的特性和已有研究基礎均表明，LED作為植物照明光源具有促進植物生長、調節植物形態建成和節能環保等多方面優勢，產業資訊，可以廣泛用于植物栽培、溫室補光、植物組培、植物工廠以及航天航空等眾多領域，是未來植物照明光源的重要發展方向。LED在畜牧業中的實際應用也是可行的，通過適當的LED光照調節，能夠顯著促進畜禽生長，提高其免疫力，大大提高畜禽養殖的生產潛力。目前，LED農業照明處于起步階段，隨著研究的深入和技術的提高會有更大的發展，具體應用場景如圖10所示。
農業照明光源的挑戰與趨勢
人類目前所面臨的一個問題是食物和能源的需求連續增加，隨之而來的二氧化碳排放量增加導致的溫室效應和自然災害。據估計的食物需求發展速度，生產利率每公頃提高50%才可以避免災難的產生，因此尋找有效的生產食物的方法會影響未來幾代人的安全。
人工控制栽培環境和植物工廠是目前的主要途徑，人工照明結合其他生長條件控制（如溫度、濕度、CO2和水等）可以解決食品生產的安全性，不僅提高了產量，還能避免惡劣天氣帶來的影響。研究表明采用人工照明和其他條件的干預，可以使食品生產提高2倍以上，設計，例如在斯堪的納維亞，利用現代栽培方法和照明技術，黃瓜的年度生產力增加約50~250 kg/m。
未來的人工照明條件下，可以在完全封閉的環境中進行精確的控制，半導體器件，如發光二極管，在不久的將來是實現該目標的理想選擇。在未來的農業照明中為提高生產率和穩定性，對生產環境的控制程度會更高，更多的人工照明將被要求補償白天的損失，提高能量每單位面積的需求。發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會在農業照明中更多地被采用。
結 論
人工光源作為現代農業的重要組成部分，在集約化種植、養殖以及其他領域中發揮著越來越重要的作用，不僅能夠為農業生物的生長提供合理的光環境條件，減少農藥、激素等化學品的使用，確保食品安全，而且還是低能耗的綠色光源， led戶外照明，具有廣闊的應用前景。本文討論了農業照明對光的要求，回顧了農業照明光源的發展，并展望了農業照明光源的未來。隨著照明技術和生物學研究的進步，未來農業照明光源會有很大的發展潛力，特別是LED農業照明會有很大的提升空間。
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