人類目前所面臨的食物、能源、資源、環(huán)境和人口等問題的解決都與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)，而光照是影響植物生長發(fā)育的首要因素，因此，深入研究農(nóng)業(yè)照明對光的需求特性、規(guī)律和光控基準，創(chuàng)新性地開發(fā)適宜于農(nóng)業(yè)照明的智能控制補光系統(tǒng)，為農(nóng)業(yè)照明提供高效的光照環(huán)境是1項重要工作。隨著大氣污染日益加重，大氣透明系數(shù)不斷下降，植物可接收的太陽光能越來越少，直接影響其生長發(fā)育。將補光調(diào)控技術(shù)用于農(nóng)業(yè)栽培，可提高作物光合作用效率，促進生長并減少農(nóng)藥使用，利于發(fā)展高效無污染的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)、觀光農(nóng)業(yè)、無土栽培和精準農(nóng)業(yè)等現(xiàn)代生產(chǎn)經(jīng)營模式，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)模式的里程標志。
1、特點及優(yōu)勢
1.1 補光特點
植物利用太陽光進行光合作用，吸收的可見光光譜在380～760 nm，其中吸收峰值區(qū)域為波長610～720 nm紅橙光和400～510 nm的藍紫光。而連續(xù)的陰雨天氣影響植物生長發(fā)育乃致絕收，智能控制補光的研究及發(fā)展將解決這一問題，發(fā)展不受天氣影響的農(nóng)業(yè)種植技術(shù)將成為新的方向。
影響溫室補光的主要因素有光質(zhì)、光強和光周期等，農(nóng)作物光合作用以冠層光強補償達到1 000～3 000 lx為宜，各種農(nóng)作物對紅藍光（R/B）有特定要求，另外對自然界晝夜交替、周而復(fù)始的現(xiàn)象形成了光周期的要求，農(nóng)作物在漫長的進化過程中適應(yīng)了這種明暗變化。但是，在冬至前后或連陰天時，自然光照無法滿足農(nóng)作物生長發(fā)育需求，則需要通過人工補光來增加光照時間，近年來，溫室補光已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要手段。
1.2 高效智能系統(tǒng)
由控制前端(智能手機、平板電腦或控制平臺)、傳感器（Sensor）、現(xiàn)場總線（Fieldbus）和LED燈組成的植物生長調(diào)控系統(tǒng)如圖1所示。智能手機、平板電腦（嵌入Android 或iOS 操作系統(tǒng)）通過Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)連接控制平臺對終端進行控制。終端內(nèi)置專用通信模塊通過ZigBee連接多達100個LED燈組網(wǎng)（可設(shè)任意組，燈之間的最大距離15 m）或單點訪問，也可對傳感器、增氧、澆灌及卷簾等裝置進行系統(tǒng)控制。系統(tǒng)利用傳感器監(jiān)測環(huán)境溫度、濕度和營養(yǎng)液pH值等數(shù)據(jù)，通過軟件匯集到數(shù)據(jù)庫，并指令施肥灌溉系統(tǒng)對植物進行定時、定量及分區(qū)分段的精準施肥灌溉，同時利用傳感器進行系統(tǒng)監(jiān)控。根據(jù)植物生長需求對LED燈的定時、開關(guān)、調(diào)光和調(diào)色等進行遠程集中管理，并通過光配方（Light recipes， LR）對植物的生長和開花周期進行調(diào)控。
針對不同應(yīng)用方案及場所，LED補光照明產(chǎn)品可選品種較多。燈泡、面板燈、投光燈、燈帶和燈條等是植物工廠的典型LED應(yīng)用產(chǎn)品，結(jié)合應(yīng)用智能控制系統(tǒng)使農(nóng)業(yè)照明系統(tǒng)更高效節(jié)能。
1.3 提高密度與節(jié)能
LED燈屬于冷光源，其輻射光譜對植物的熱效應(yīng)小，可實現(xiàn)對植物的近距離補光且避免灼傷。在植物工廠或組培中，可縮短栽培層架之間的距離，提高空間利用率及植物單位空間的栽培密度。溫室中的智能控制補光實驗表明，使用傳統(tǒng)光源（高壓鈉燈和金鹵燈）每平方米需要配備0.5 kW的光源，而LED僅需0.27 kW，其節(jié)能量超過50 %。
另外，有效利用自然光照、光環(huán)境智能控制、提升空間管理和移動反射利用等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)照明的技術(shù)創(chuàng)新，將有效提高光能利用效率，滿足批量生產(chǎn)或提前庫存的市場需求。
2、農(nóng)業(yè)照明應(yīng)用
通過引進新技術(shù)種植蔬菜、水果、花卉及育苗組培，拓展到生態(tài)餐廳、農(nóng)業(yè)觀光等一系列精準農(nóng)業(yè)模式，采用用以智能控制為基礎(chǔ)，由信息技術(shù)支持的整套智能農(nóng)事操作技術(shù)與管理系統(tǒng)，是當今農(nóng)業(yè)發(fā)展的風向標。
2.1 畜禽養(yǎng)殖
通過研究紅光、藍光和白光對家禽生產(chǎn)性能的影響，推出系統(tǒng)控制光周期的智能養(yǎng)雞照明產(chǎn)品，實現(xiàn)漸變式禽類養(yǎng)殖控制，并在養(yǎng)雞場投入使用。智能系統(tǒng)按特定指標控制色溫、光強及照明時長，觀察其對畜禽的行為習性、生理特性和生長發(fā)育產(chǎn)生影響，并有效促進畜禽的生產(chǎn)性能，因此，養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)中的照明不僅要求低能耗和長壽命，而且還應(yīng)具備LR的可控性。圖2所示為補光在畜禽養(yǎng)殖業(yè)的應(yīng)用。
研究發(fā)現(xiàn)，在肉雞（AA肉雞）生長前期采用綠光或藍光照射，生長后期采用藍光照射，能顯著促進其生長發(fā)育并提高生產(chǎn)性能。若再前期選用綠光照明，可不同程度地改善肉雞小腸黏膜結(jié)構(gòu)，提高小腸吸收營養(yǎng)物質(zhì)的能力。此項研究成果可用于改善畜禽的生理節(jié)律、攝食行為、生長發(fā)育及繁殖性能的技術(shù)指標體系，促進畜禽生長及生產(chǎn)潛力，并提高畜禽免疫力。
2.2 微藻繁殖
隨著全球資源、能源及環(huán)境危機加劇，如何開發(fā)利用光合自養(yǎng)生物微藻，直接將太陽能及二氧化碳（CO2）轉(zhuǎn)化為人們生活需要的醫(yī)藥、生物基化學品和生物能源，成為世界各國關(guān)注的焦點。研究發(fā)現(xiàn)光照是影響微藻細胞生長及生化成分變化最重要因子之一，智能補光對微藻類的生長、繁殖、藻體顏色、細胞形態(tài)和代謝產(chǎn)物含量有著重要的影響。圖3為微藻繁殖補光的典型應(yīng)用。
2.3 水產(chǎn)誘捕
使用火或燈光誘捕已成為現(xiàn)代漁業(yè)的1個重要特征，研究人員利用不同顏色光對誘捕效果進行試驗，結(jié)果表明藍光具有深水體穿透性，使用以藍色為主體的人工光源可獲得更好的誘捕效果，圖4為燈光誘捕的應(yīng)用。
2.4 溫室補光
目前用于溫室人工補光的光源有鈉燈、金鹵燈和熒光燈等，其紅外和綠光光譜成分較多，而農(nóng)作物光合作用所需的紅藍光成分相對較少，使其光能利用率低下且運行成本較高。LED燈因其結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)換效率高、節(jié)能和壽命長，被認為是植物工廠最理想的光源。利用LED點光源及定向照射的特點，將其設(shè)計成燈帶穿插于植株間進行側(cè)面照射，并通過LR可控與智能控制技術(shù)及自動化手段的結(jié)合應(yīng)用，在戶外溫室利用太陽光和人工光互補，提高光利用率并滿足農(nóng)作物生長需求，使植物在的最佳模式下生長。圖5為LED補光在溫室的典型應(yīng)用。
另外，根據(jù)植物細胞具有全能性的理論，利用植物離體的器官或細胞原生質(zhì)體，在無菌、光照及溫度適宜的人工培養(yǎng)條件下進行植物組織培養(yǎng)（即離體培養(yǎng)），通過誘導(dǎo)出愈傷組織、不定芽及不定根最后形成完整植株。試驗表明，應(yīng)用智能控制系統(tǒng)對黃瓜、番茄、甜椒和油菜等幼苗的生長發(fā)育有顯著影響。
3、市場前景預(yù)測
2012年日本Mitsubishi公司就開始銷售LED照明植物工廠系統(tǒng)，俄羅斯圣彼得堡市Mir Upakovki公司購買了其首套設(shè)備。2014年P(guān)hilips攜手美國芝加哥農(nóng)業(yè)企業(yè)Green Sense Farms（GSF）建立了全球最大室內(nèi)LED補光應(yīng)用農(nóng)場，針對不同植物品種建立LR數(shù)據(jù)庫，通過LR的應(yīng)用完善了數(shù)據(jù)庫，使農(nóng)場植物在1年中會有20～25次采收。另外，SHARP在迪拜建設(shè)并運行的草莓植物工廠實驗樓，引進先進電子技術(shù)，使用包括LED補光控制技術(shù)以及基于等離子簇技術(shù)的空氣管理技術(shù)等，針對草莓在沙漠等地方的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進行研究，試驗成功后考慮將業(yè)務(wù)拓展至中東及其它地區(qū)。
我國也在積極策劃建成1座新型植物工廠，并打造成為具有代表性的全國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)示范基地。建設(shè)無土栽培、墻式栽培、多層水培、空中栽培和魚菜共生等一系列具有特色的園區(qū)，集觀光游覽、技術(shù)展示、科普教育于一體的現(xiàn)代高科技農(nóng)業(yè)精品主題植物生產(chǎn)教育基地。無論從促進現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展角度，還是節(jié)能環(huán)保的角度，大力推廣LED及其智能控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)照明領(lǐng)域的應(yīng)用都具有重要意義，而農(nóng)業(yè)地位以及其發(fā)展需求也為LED照明業(yè)提供了發(fā)展機遇。
4、結(jié)語
農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境急劇惡化、土壤污染嚴重及耕地大量減少，農(nóng)業(yè)用水受季節(jié)影響明顯等需要有相應(yīng)的系統(tǒng)方案來解決。我國智能控制農(nóng)業(yè)照明技術(shù)水平較發(fā)達國家低，須增加資金投入，加強研究力度，以提升企業(yè)及行業(yè)整體競爭力，并形成相應(yīng)的標準化體系機制，將農(nóng)業(yè)用智能控制照明納入國家農(nóng)業(yè)裝備購置補貼目錄，確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)單位在購置智能控制照明產(chǎn)品時能夠享受到國家政策性支農(nóng)財政補貼，同時實現(xiàn)傳統(tǒng)照明產(chǎn)業(yè)的升級改造，促進智能控制農(nóng)業(yè)照明的健康發(fā)展。
