劉文科，楊其長(zhǎng)

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

引言

農(nóng)業(yè)是依靠動(dòng)物、植物和微生物自然生長(zhǎng)發(fā)育功能和繁育機(jī)能，來(lái)達(dá)到規(guī)模化生產(chǎn)農(nóng)產(chǎn)品目的的生物生產(chǎn)方式。俗話說(shuō)，萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)，太陽(yáng)光是地球生物賴以生存的能量來(lái)源，是露地農(nóng)業(yè)不可或缺的環(huán)境條件，光照條件的好壞直接決定著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能否獲得優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。近幾十年，我國(guó)的農(nóng)業(yè)逐步經(jīng)歷了由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向設(shè)施農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變，正向著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的方向轉(zhuǎn)變，在此轉(zhuǎn)變過(guò)程中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境要素的管控水平逐步提高，農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的工廠化程度大幅增加。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)(以種植業(yè)為例)，幾乎完全依靠自然資源進(jìn)行生產(chǎn)，人為干預(yù)程度較小，僅能通過(guò)施肥、灌溉和耕作等農(nóng)藝手段調(diào)控根際環(huán)境，地上部分環(huán)境無(wú)法調(diào)控，無(wú)法進(jìn)行周年生產(chǎn)。在眾多環(huán)境因子中，光照作為最為重要的環(huán)境因子，其質(zhì)量完全取決于太陽(yáng)輻射和天氣情況，無(wú)法人為調(diào)控。設(shè)施農(nóng)業(yè)階段人們可通過(guò)補(bǔ)光來(lái)調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)，初步使農(nóng)業(yè)擺脫了自然條件，具備了周年生產(chǎn)的能力?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)作為現(xiàn)代工業(yè)、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和科學(xué)管理方法裝備起來(lái)的農(nóng)業(yè)[1]，是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過(guò)程各因素可控管理，達(dá)到按需生產(chǎn)的目標(biāo)。

1 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)照明的必要性

在20世紀(jì)80年代，隨著農(nóng)業(yè)工程技術(shù)的發(fā)展，日光溫室出現(xiàn)，我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)初步形成。溫室具有蓄熱保溫能力，設(shè)施內(nèi)環(huán)境可控，初步實(shí)現(xiàn)周年生產(chǎn)，為人工光源的補(bǔ)光提供了條件，以達(dá)到溫光協(xié)同提高設(shè)施作物產(chǎn)量的目的。然而，受溫室結(jié)構(gòu)、棚膜的遮擋，設(shè)施內(nèi)光照較露地降低20%～50%，弱光寡照脅迫發(fā)生頻率與強(qiáng)度增加，嚴(yán)重影響著設(shè)施園藝的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，設(shè)施光環(huán)境調(diào)控的需求和迫切性增加。另一方面，設(shè)施人工光設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)的發(fā)展迅速，如植物組培、蔬菜栽培、種苗培育、食用菌栽培等均可在完全人工光下進(jìn)行，更需要基于農(nóng)業(yè)生物的光環(huán)境需求特性，通過(guò)人工光源提供適宜的光環(huán)境條件。同樣，設(shè)施畜禽養(yǎng)殖業(yè)對(duì)人工光環(huán)境調(diào)控的需要也十分迫切，人工光照不僅為動(dòng)物提供視覺(jué)服務(wù)功能，也可調(diào)控動(dòng)物的行為、生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖等非視覺(jué)功能，生產(chǎn)意義重大。對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)而言，人工光照明的需求是必需的、迫切的，這首先取決于設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的內(nèi)在本質(zhì)特征。設(shè)施農(nóng)業(yè)是促生生產(chǎn)方式，就是要通過(guò)環(huán)境控制促進(jìn)或延遲農(nóng)業(yè)生物的生長(zhǎng)發(fā)育與繁殖過(guò)程，按照人類(lèi)的時(shí)空要求獲得所需要的動(dòng)植物和食用菌產(chǎn)品。為了獲得較高的產(chǎn)量和品質(zhì)，包括光照在內(nèi)所有與農(nóng)業(yè)生物生產(chǎn)相關(guān)的環(huán)境因子都有必要得到調(diào)控，而光照首當(dāng)其沖。其次，光環(huán)境調(diào)控是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的要求?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展目標(biāo)為“高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)、生態(tài)、安全”，為此必須實(shí)現(xiàn)光照條件的按需調(diào)節(jié)，否則該目標(biāo)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。其次，光環(huán)境調(diào)控是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的實(shí)際客觀需求，這主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面。其一，溫室人工補(bǔ)光十分必要，需求迫切。連陰雨雪、霧霾、大氣污染等導(dǎo)致的設(shè)施弱光寡照脅迫常造成嚴(yán)重的生產(chǎn)危害，導(dǎo)致作物減產(chǎn)甚至絕收；而高緯度、短日照地區(qū)迫切需要進(jìn)行光周期調(diào)控。為克服上述光環(huán)境問(wèn)題，補(bǔ)光是有效途徑。其二，人工光設(shè)施栽培和設(shè)施養(yǎng)殖需求迫切。精準(zhǔn)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、畜禽養(yǎng)殖等領(lǐng)域優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、能耗與生產(chǎn)效率的決定因素，必要性十分突出。

2 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)照明的應(yīng)用領(lǐng)域

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)照明應(yīng)用領(lǐng)域多樣，各領(lǐng)域生物形態(tài)各異，光環(huán)境需求差別較大，主要包括以下幾個(gè)領(lǐng)域：首先是設(shè)施園藝領(lǐng)域。我國(guó)設(shè)施園藝栽培面積已達(dá)380萬(wàn)公頃，人工光栽培(植物組培、植物工廠、食用菌工廠)面積達(dá)2000公頃以上，產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐年增加。在設(shè)施園藝領(lǐng)域光環(huán)境調(diào)控的模式包括以下幾個(gè)方面：(1)溫室補(bǔ)光。我國(guó)日光溫室和連棟溫室面積約100萬(wàn)公頃，為了增加植物的光合產(chǎn)量，延長(zhǎng)植物光照的光周期，必須進(jìn)行人工補(bǔ)光。(2)食用菌工廠。食用菌是重要的蔬菜和保健品，2012年我國(guó)食用菌生產(chǎn)總量近3000萬(wàn)噸，產(chǎn)值超過(guò)1500億元，占世界總產(chǎn)量的70%以上。目前，食用菌生產(chǎn)工廠化程度高，多數(shù)食用菌對(duì)光強(qiáng)要求不高，但光質(zhì)要求苛刻，產(chǎn)量品質(zhì)效應(yīng)大，光環(huán)境調(diào)控非常重要。(3)植物工廠。植物工廠作為設(shè)施園藝的最高級(jí)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)[2]。據(jù)估算，人工光植物工廠葉菜生產(chǎn)效率是露地的108倍[3]，智能化人工光源及其光環(huán)境調(diào)控對(duì)其生產(chǎn)效率起到?jīng)Q定性作用。(4)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(jìn)行生產(chǎn)，對(duì)人工光源的需求極大。其次是畜禽與水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域。集約化養(yǎng)雞場(chǎng)、養(yǎng)豬場(chǎng)等都必須采用人工光照明。研究表明，人工照明的顏色、強(qiáng)度、時(shí)長(zhǎng)及間斷控制等都會(huì)對(duì)養(yǎng)殖動(dòng)物的行為習(xí)性、生理特性、生長(zhǎng)發(fā)育等產(chǎn)生應(yīng)激，最終影響動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育與繁殖性能。人工照明在畜禽養(yǎng)殖業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。此外，還包括誘魚(yú)燈與誘蟲(chóng)燈應(yīng)用。LED誘魚(yú)燈和LED誘蟲(chóng)燈具有重要用途，具有生態(tài)高效的優(yōu)勢(shì)。

3 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)照明的必然趨勢(shì)

從歷史上來(lái)看，設(shè)施農(nóng)業(yè)照明技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展與電光源技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。白熾燈、熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈、LED燈等電光源的出現(xiàn)與發(fā)展均促成了農(nóng)業(yè)照明的發(fā)展與變革，同時(shí)拓展了農(nóng)業(yè)照明的內(nèi)涵和外延。有學(xué)者指出，第四代光源——LED在農(nóng)業(yè)照明上的應(yīng)用是農(nóng)業(yè)照明發(fā)展的最大進(jìn)步，具有里程碑式的意義[4]。這一論斷主要基于下述理由：(1)LED極大地拓展了農(nóng)業(yè)照明的內(nèi)涵，可按農(nóng)業(yè)生物生長(zhǎng)發(fā)育、繁殖需求調(diào)制光譜，光質(zhì)、光強(qiáng)和光周期可綜合調(diào)控，按需用光，生物光效高；(2)LED可控性好，實(shí)現(xiàn)了光環(huán)境的精準(zhǔn)、智能調(diào)控，適宜工廠化生產(chǎn)；(3)LED光源裝置多樣，如：燈板、燈帶、燈管和燈泡等，適于設(shè)施農(nóng)業(yè)各領(lǐng)域的應(yīng)用；(4)LED為冷光源，貼近農(nóng)業(yè)生物照射，可提高空間利用率；(5)LED具有節(jié)能、環(huán)保、長(zhǎng)壽命、體積小、重量輕等特性。因此，LED光源被認(rèn)為是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)照明的理想光源，半導(dǎo)體照明必將逐步替代傳統(tǒng)光源被廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域[5]。

4 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)照明存在的問(wèn)題

當(dāng)前，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)照明在科學(xué)研究、技術(shù)裝備研發(fā)和推廣應(yīng)用上存在一定的問(wèn)題。首先，在科學(xué)認(rèn)知方面。我國(guó)在農(nóng)業(yè)光生物學(xué)規(guī)律研究方面嚴(yán)重落后。原因之一：農(nóng)業(yè)生物營(yíng)養(yǎng)與生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律具有多樣性和復(fù)雜性，農(nóng)業(yè)生物對(duì)光環(huán)境的響應(yīng)機(jī)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(xué)規(guī)律。植物是利用光能、CO2和水，通過(guò)葉綠素光合作用形成碳水化合物，將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能；動(dòng)物是通過(guò)消化酶將飼料或食物消化，將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)樯锬?；而微生?以食用菌為例)則需通過(guò)胞外酶分解栽培基質(zhì)獲取所需營(yíng)養(yǎng)產(chǎn)生菌絲和子實(shí)體。原因之二：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域龐雜，農(nóng)業(yè)生物生存形態(tài)各異，對(duì)光環(huán)境時(shí)空需求不同。農(nóng)業(yè)照明涉及到的領(lǐng)域有：(1)設(shè)施園藝(包括溫室補(bǔ)光、蔬菜生產(chǎn)、組培育苗、種苗培育、食用菌生產(chǎn)等)；(2)設(shè)施養(yǎng)殖與水產(chǎn)(包括肉雞、蛋雞、魚(yú)、豬等)；(3)誘魚(yú)燈和誘蟲(chóng)燈(包括魚(yú)、昆蟲(chóng))。原因之三：光環(huán)境的數(shù)量屬性(即光強(qiáng)和光周期)、質(zhì)量屬性(即光質(zhì)和光譜)和電光源發(fā)光特性(即占空比、頻率)多，需要逐一研究其生物學(xué)效應(yīng)。其次，在科學(xué)研究與技術(shù)研發(fā)方面，傳統(tǒng)光源與LED光源研發(fā)力度不足，缺乏適用產(chǎn)品。半導(dǎo)體照明農(nóng)業(yè)應(yīng)用處于起步階段，中國(guó)、日本、韓國(guó)、美國(guó)、荷蘭正在加緊研發(fā)農(nóng)用LED燈具。美國(guó)、日本和韓國(guó)相繼提出了半導(dǎo)體農(nóng)業(yè)照明的科研立項(xiàng)，我國(guó)也在863重大專(zhuān)項(xiàng)(非視覺(jué)照明課題)、863項(xiàng)目(智能化植物工廠生產(chǎn)技術(shù))、國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目列資了LED光源研發(fā)的課題。最后，在成果轉(zhuǎn)化層面，缺乏企業(yè)與研究單位間溝通的全國(guó)性平臺(tái)，LED農(nóng)業(yè)照明產(chǎn)品的研發(fā)與成果轉(zhuǎn)化上缺乏全國(guó)性交流平臺(tái)，涉農(nóng)的LED制造企業(yè)的創(chuàng)新與成果轉(zhuǎn)化能力不足。當(dāng)前，農(nóng)業(yè)照明技術(shù)薄弱、光源裝置性價(jià)比不高、缺乏政府扶持(研究項(xiàng)目、產(chǎn)品補(bǔ)貼、成果轉(zhuǎn)化資金等)、電光源研發(fā)與產(chǎn)品化渠道不暢、照明產(chǎn)品推廣應(yīng)用率低、LED光源應(yīng)用困難等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題仍存在。

5 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)照明發(fā)展展望

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)照明應(yīng)用前景非常廣闊，據(jù)估算其產(chǎn)業(yè)規(guī)模在千億元以上，在未來(lái)5～10年將有較大的發(fā)展。育苗工廠、植物工廠、食用菌工廠和畜禽養(yǎng)殖將是LED燈具研發(fā)與應(yīng)用的優(yōu)先領(lǐng)域，效益十分可觀。從根本上來(lái)講，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)照明發(fā)展必須有全國(guó)性的交流平臺(tái)，以加強(qiáng)科研院所、高等院校與照明企業(yè)間的對(duì)接，促進(jìn)農(nóng)業(yè)照明技術(shù)轉(zhuǎn)移和產(chǎn)品裝備的更新?lián)Q代與推廣應(yīng)用，并逐步建立農(nóng)業(yè)照明產(chǎn)品評(píng)價(jià)和測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)體系，提高農(nóng)業(yè)照明對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的科技貢獻(xiàn)率。

[1] 農(nóng)業(yè)大詞典編輯委員會(huì).農(nóng)業(yè)大詞典[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，1998.

[2] 楊其長(zhǎng)，魏靈玲，劉文科. 植物工廠系統(tǒng)與實(shí)踐[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[3] Kozai T. Plant factory in Japan-current situation and perspectives[J]. Chronica Horticulturae, 2013, 53(2): 8-11.

[4] 劉文科，楊其長(zhǎng)，魏靈玲. LED光源及其設(shè)施園藝應(yīng)用[M]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2012.

[5] 劉文科，楊其長(zhǎng). 2013-33科技工作大家談：現(xiàn)代設(shè)施園藝的最高形式——植物工廠[J].科技導(dǎo)報(bào)，2013，31(33)：11.