為進(jìn)一步鼓勵(lì)和發(fā)展LED植物照明，本網(wǎng)聯(lián)系了中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所劉文科教授特分享了一些論文，希望對(duì)投身LED植物照明領(lǐng)域的人士有所幫助。今天分享一篇發(fā)表劉文科與楊其長(zhǎng)在照明工程學(xué)報(bào)的文章《設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明及其研發(fā)中的科技問(wèn)題》，全文如下：
摘 要: 為推進(jìn)設(shè)施園藝照明研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，需解決的科學(xué)問(wèn)題包括: ( 1) 光質(zhì)生物學(xué) 弄清單一光質(zhì)及復(fù)合光質(zhì)對(duì)植物和食用菌生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)影響的生理代謝 分子生物學(xué)及蛋白組學(xué)機(jī)理; 生物種類及品種間光質(zhì)適應(yīng)性和利用差異性機(jī)理; 光質(zhì)與環(huán)境其它因子互作的生物學(xué)機(jī)制; 設(shè)施生物光質(zhì)數(shù)量屬性有效閾值和基準(zhǔn)值( 如補(bǔ)償點(diǎn) 飽和點(diǎn)與光脅迫閾值) 等; ( 2) 逆境光質(zhì)生物學(xué) 明確單色及復(fù)合弱光 強(qiáng)光及連續(xù)光照下光合機(jī)構(gòu) 代謝系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)效率的響應(yīng)機(jī)理及其農(nóng)學(xué)意義等 需解決的技術(shù)問(wèn)題包括: ( 1) 建立設(shè)施園藝各生產(chǎn)領(lǐng)域特定生物生長(zhǎng)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(jì)算機(jī)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(yán)重，氣候變化及其災(zāi)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(wèn)題日益凸顯 設(shè)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(shè)施園藝可通過(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，按照人類的時(shí)空要求獲得所需要的植物和食用菌產(chǎn)品 我國(guó)設(shè)施園藝栽培面積高居世界首位，已近400 萬(wàn)公頃，產(chǎn)值超萬(wàn)億元。
設(shè)施園藝要實(shí)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(shù)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(shè)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(guò)程中園藝設(shè)施內(nèi)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)境因子都有必要實(shí)現(xiàn)人工或智能調(diào)控。設(shè)施園藝生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境因子控制越多越精準(zhǔn)，越是符合園藝生物需求，就更有利于設(shè)施園藝生產(chǎn)潛力的發(fā)揮。縱觀設(shè)施園藝環(huán)境控制技術(shù)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(shè)施中最后一個(gè)實(shí)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(dǎo)體電光源出現(xiàn)之前，傳統(tǒng)電光源作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)均無(wú)法實(shí)時(shí)調(diào)控其光強(qiáng)和光質(zhì)成分，無(wú)法實(shí)施智能控制。現(xiàn)今，基于LED光源良好的可控性和光電優(yōu)勢(shì)，采用LED補(bǔ)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(duì)園藝生物生產(chǎn)的制約，對(duì)保障設(shè)施園藝優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)至關(guān)重要。
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設(shè)施園藝生產(chǎn)對(duì)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(fù)效應(yīng)少。設(shè)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(shè)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(shù)是其內(nèi)在要求，更是客觀需求，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。補(bǔ)光方式包含兩類，一是通過(guò)可見光調(diào)控（PAR），強(qiáng)化光周期和光合作用；二是通過(guò)UV和FR調(diào)控形態(tài)和品質(zhì)。溫室人工補(bǔ)光必要性主要基于以下幾點(diǎn)。
（1）弱光寡照脅迫。夏季連陰雨天、冬季連陰雪天等導(dǎo)致的設(shè)施弱光寡照脅迫常造成的嚴(yán)重的生產(chǎn)危害，導(dǎo)致作物減產(chǎn)甚至絕收。
（2）霧霾天氣。2012年以來(lái)，我國(guó)霧霾天氣的發(fā)生頻率、持續(xù)時(shí)間及影響地域范圍呈逐年增加的趨勢(shì)，霧霾發(fā)生時(shí)段長(zhǎng)達(dá)7個(gè)月（10月至次年4月）。霧霾天氣條件下光照強(qiáng)度下降20%-90%，嚴(yán)重影響作物的光合作用，開花結(jié)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(shè)施園藝生產(chǎn)關(guān)鍵期重合，加劇了危害程度，對(duì)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(jìn)行延長(zhǎng)光周期的調(diào)控，增加光照時(shí)數(shù)。
（4）長(zhǎng)日照植物生產(chǎn)需求。在日照時(shí)間不足地區(qū)生產(chǎn)長(zhǎng)日照植物需要增加光照時(shí)數(shù)，促進(jìn)其完成生長(zhǎng)周期。總之，為克服上述設(shè)施園藝生產(chǎn)的光環(huán)境問(wèn)題，進(jìn)行人工智能補(bǔ)光是直接有效的途徑。其二，完全人工光設(shè)施生產(chǎn)光環(huán)境調(diào)控。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、食用菌工廠和育苗工廠等領(lǐng)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(guò)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(xué)物質(zhì)的含量，降低無(wú)益物質(zhì)的積累，提高農(nóng)產(chǎn)品的能值和營(yíng)養(yǎng)保健價(jià)值，實(shí)現(xiàn)真正意義的優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)。
農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明的定義和內(nèi)涵
傳統(tǒng)照明是視覺應(yīng)用，是通過(guò)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(xué)設(shè)計(jì)的分布特性，傳遞到目標(biāo)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(yīng)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(lǐng)域的生產(chǎn)目標(biāo)要求，利用光電光源人為創(chuàng)造適宜光環(huán)境或彌補(bǔ)自然光照的不足，調(diào)控農(nóng)業(yè)生物的生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖的一種農(nóng)藝措施。LED的出現(xiàn)推動(dòng)農(nóng)業(yè)照明進(jìn)入了新的發(fā)展階段，稱之為農(nóng)業(yè)半導(dǎo)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(dǎo)體照明是指采用半導(dǎo)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(lǐng)域的生產(chǎn)目標(biāo)要求，人為創(chuàng)造適宜光環(huán)境或彌補(bǔ)自然光照的不足，調(diào)控農(nóng)業(yè)生物的生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效、穩(wěn)產(chǎn)生產(chǎn)目標(biāo)的一種農(nóng)藝措施。農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明的特征：
（1）農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明的電光源是第四代半導(dǎo)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(zhǔn)調(diào)控，光強(qiáng)、光質(zhì)和光周期可進(jìn)行實(shí)時(shí)的管控；（3）能夠滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各個(gè)領(lǐng)域光環(huán)境調(diào)控的需求，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)產(chǎn)的目標(biāo)；（4）農(nóng)業(yè)半導(dǎo)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(dǎo)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(jìn)行，綜合協(xié)同調(diào)控。設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明是設(shè)施園藝工程學(xué)科的新興研究分支，是農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明的最重要組成部分，是半導(dǎo)體照明非視覺應(yīng)用的重要領(lǐng)域，我國(guó)設(shè)施園藝需要大力研發(fā)半導(dǎo)體照明技術(shù)裝備，加快應(yīng)用進(jìn)程與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
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設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明應(yīng)用領(lǐng)域及其復(fù)雜性
設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明研究的生產(chǎn)系統(tǒng)主要是設(shè)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(yīng)用領(lǐng)域多樣，各領(lǐng)域生物形態(tài)多樣，光環(huán)境需求差別迥異。總結(jié)而言，設(shè)施園藝光環(huán)境調(diào)控的應(yīng)用領(lǐng)域如下：
（1）溫室補(bǔ)光。為了增加植物的光合產(chǎn)量，提高光照強(qiáng)度，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。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)的要求苛刻，產(chǎn)量品質(zhì)效應(yīng)大，光環(huán)境調(diào)控非常重要，應(yīng)用潛力巨大。
（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)模化生產(chǎn)。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，電光源升級(jí)換代十分迫切。
設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明應(yīng)用領(lǐng)域十分復(fù)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(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。譬如，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；而微生物（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。三種農(nóng)業(yè)生物的營(yíng)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(lǐng)域龐雜，農(nóng)業(yè)生物種類多樣及其賦存形態(tài)各異，對(duì)光環(huán)境時(shí)空需求不同。原因之三，光環(huán)境的數(shù)量屬性（光強(qiáng)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(xué)效應(yīng)。上述三方面因素疊加顯現(xiàn)了植物光生物學(xué)研究了的復(fù)雜性和系統(tǒng)性。最后，設(shè)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(duì)性進(jìn)行光環(huán)境調(diào)控。
設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明亟待解決的科學(xué)問(wèn)題
農(nóng)業(yè)生物光生物學(xué)規(guī)律研究是農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明的基礎(chǔ)。作為新興研究領(lǐng)域，國(guó)際上起步晚，設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明研發(fā)中尚存許多科學(xué)問(wèn)題亟待解決。總結(jié)而言，科學(xué)問(wèn)題之一是光質(zhì)生物學(xué)。這里的光質(zhì)是指對(duì)生物有作用的光質(zhì)類型，包括可見光、UV和遠(yuǎn)紅光等。（1）光質(zhì)的生物學(xué)功能。主要研究?jī)?nèi)容包括弄清單一光質(zhì)及復(fù)合光質(zhì)對(duì)植物和食用菌生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)影響的生理代謝、分子生物學(xué)及蛋白組學(xué)機(jī)理；（2）生物種類及品種間光質(zhì)適應(yīng)性和利用差異性機(jī)理；（3）光質(zhì)與環(huán)境其它因子互作的生物學(xué)機(jī)制；（4）設(shè)施生物光質(zhì)數(shù)量屬性有效閾值和基準(zhǔn)值（如補(bǔ)償點(diǎn)、飽和點(diǎn)與光脅迫閾值）。科學(xué)問(wèn)題之二是逆境光質(zhì)生物學(xué)。主要研究明確單色及復(fù)合光弱光、強(qiáng)光及連續(xù)光照下光合機(jī)構(gòu)和代謝系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)效率的響應(yīng)機(jī)理及其農(nóng)學(xué)意義等。
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設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明亟待解決的技術(shù)問(wèn)題
綜合分析設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀，亟待解決的技術(shù)問(wèn)題包括三個(gè)方面：
（1）建立設(shè)施園藝各生產(chǎn)領(lǐng)域特定生物生長(zhǎng)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(jì)算機(jī)智能控制系統(tǒng)。
5.1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(biāo)，按照特定植物種類及品種生長(zhǎng)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(shè)施園藝各生產(chǎn)領(lǐng)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(biāo)，以設(shè)施園藝各生產(chǎn)系統(tǒng)所栽培特定植物種類及品種生長(zhǎng)發(fā)育各階段光照配方為基礎(chǔ)通過(guò)計(jì)算機(jī)直接控制和切換光環(huán)境參數(shù)的時(shí)空管理方法策略。建立設(shè)施園藝光環(huán)境控制策略是非常必要的。比如，溫室補(bǔ)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(zhǎng)發(fā)育階段和燈具屬性，實(shí)施經(jīng)濟(jì)有效地補(bǔ)光方法，滿足光強(qiáng)、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(shí)空特征，采用分段管理是設(shè)施園藝生產(chǎn)的優(yōu)化選擇，具有重要實(shí)踐意義。譬如，園藝作物發(fā)芽期、苗期、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期和生殖生長(zhǎng)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(zhǎng)階段和子實(shí)體生長(zhǎng)階段光環(huán)境需求不同。因此，基于LED半導(dǎo)體照明技術(shù)，設(shè)施園藝光環(huán)境的管理需要建立動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)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(wú)效光照造成的能源浪費(fèi)。
5.2 LED光源及燈具開發(fā)
專用LED光源及燈具研發(fā)是設(shè)施園藝半導(dǎo)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(gè)原則。
（1）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(shè)施園藝半導(dǎo)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(shù)；（3）生態(tài)安全原則。在滿足設(shè)施園藝作物光合生理需求基礎(chǔ)上，適宜改進(jìn)純紅藍(lán)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(shè)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(chǎng)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(shè)計(jì)關(guān)注的指標(biāo)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(shè)計(jì)的有效性和感官舒適性。
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5.3智能控制系統(tǒng)
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、總線技術(shù)、信號(hào)檢測(cè)技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和相互滲透，半導(dǎo)體照明已進(jìn)入了智能化控制的時(shí)代。農(nóng)業(yè)照明更是如此，簡(jiǎn)單的開關(guān)控制已不能完成光環(huán)境復(fù)合調(diào)控的需求。實(shí)現(xiàn)照明控制系統(tǒng)智能化的主要目的有兩個(gè)：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(hù)與運(yùn)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(jì)算機(jī)組成。農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明智能控制系統(tǒng)主要功能包括兩個(gè)方面。其一，控制LED燈具的光質(zhì)、光強(qiáng)和光周期；其二，控制燈具的空間位置和移動(dòng)速率。
結(jié)語(yǔ)
設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明相關(guān)科學(xué)技術(shù)問(wèn)題的解決最終目標(biāo)是為研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化服務(wù)，為設(shè)施園藝生產(chǎn)實(shí)踐服務(wù)。設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明的目標(biāo)：
（1）節(jié)能，提高農(nóng)業(yè)生物的光能利用效率；
（2）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；
（4）視覺健康，不危害生產(chǎn)人員的視覺健康。
當(dāng)前，設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明方興未艾、發(fā)展如火如荼，但基于設(shè)施園藝生產(chǎn)的復(fù)雜性，設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明在科學(xué)規(guī)律與技術(shù)研發(fā)方面尚有很長(zhǎng)的路要走。但有理由相信，未來(lái)5-10年我國(guó)設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明科學(xué)技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用將取得長(zhǎng)足進(jìn)步，也將極大地推進(jìn)設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)和學(xué)科發(fā)展。
