為進一步鼓勵和發展LED植物照明，本網聯系了中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所劉文科教授特分享了一些論文，希望對投身LED植物照明領域的人士有所幫助。今天分享一篇發表劉文科與楊其長在照明工程學報的文章《設施園藝半導體照明及其研發中的科技問題》，全文如下：
摘 要: 為推進設施園藝照明研發及產業化發展，需解決的科學問題包括: ( 1) 光質生物學 弄清單一光質及復合光質對植物和食用菌生長發育和產量品質影響的生理代謝 分子生物學及蛋白組學機理; 生物種類及品種間光質適應性和利用差異性機理; 光質與環境其它因子互作的生物學機制; 設施生物光質數量屬性有效閾值和基準值( 如補償點 飽和點與光脅迫閾值) 等; ( 2) 逆境光質生物學 明確單色及復合弱光 強光及連續光照下光合機構 代謝系統運轉效率的響應機理及其農學意義等 需解決的技術問題包括: ( 1) 建立設施園藝各生產領域特定生物生長發育 優質高產所需的光照配方; ( 2) 制定農業生物光環境控制策略; ( 3) 研發 LED 光源裝置 燈具及計算機智能控制系統。
隨著世界人口增加，農產品需求持續增加，而農業資源不斷減少，環境污染日益嚴重，氣候變化及其災害逐年增多，農田生態系統的生產力及其穩定性大幅下降，糧食和食物產出難以保證，食物數量安全與質量安全問題日益凸顯 設施園藝是環境可控農業，生產穩定性高，在保障 食物安全 和農產品有效供給方面發揮著不可或缺的作用，已成為現代農業主體設施園藝可通過環境控制促進或延遲農業生物的生長發育與繁殖過程，按照人類的時空要求獲得所需要的植物和食用菌產品 我國設施園藝栽培面積高居世界首位，已近400 萬公頃，產值超萬億元。
設施園藝要實現可持續發展迫切需要綜合性、全面智能化環境控制技術的支撐，以克服環境逆境，創造適宜的生產條件。光照是設施園藝生產重要的環境因子，為了獲得較高的產量和高品質農產品，生產過程中園藝設施內包括光照在內所有與農業生物生產相關的環境因子都有必要實現人工或智能調控。設施園藝生產系統內環境因子控制越多越精準，越是符合園藝生物需求，就更有利于設施園藝生產潛力的發揮。縱觀設施園藝環境控制技術發展歷程，光照是繼溫度、濕度、CO2濃度、氣流等環境因子之后，園藝設施中最后一個實現智能控制的重要環境因素。其主要原因是在發光二極管（Light-emitting diode, LED）這種固態半導體電光源出現之前，傳統電光源作為執行機構均無法實時調控其光強和光質成分，無法實施智能控制。現今，基于LED光源良好的可控性和光電優勢，采用LED補光或人工光環境調控可以很好地克服不適光照條件對園藝生物生產的制約，對保障設施園藝優質、高產和穩產至關重要。
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設施園藝生產對人工照明的客觀需求
光環境調控為物理性調控，生態安全，環境負效應少。設施園藝光環境調控已經成為現代農業發展的內在要求與客觀需求，以保障現代農業高產、優質、高效、穩產。設施園藝作為環境可控的農業生產方式，發展光環境調控技術是其內在要求，更是客觀需求，主要表現在兩個方面。其一，溫室人工補光十分必要，需求迫切。補光方式包含兩類，一是通過可見光調控（PAR），強化光周期和光合作用；二是通過UV和FR調控形態和品質。溫室人工補光必要性主要基于以下幾點。
（1）弱光寡照脅迫。夏季連陰雨天、冬季連陰雪天等導致的設施弱光寡照脅迫常造成的嚴重的生產危害，導致作物減產甚至絕收。
（2）霧霾天氣。2012年以來，我國霧霾天氣的發生頻率、持續時間及影響地域范圍呈逐年增加的趨勢，霧霾發生時段長達7個月（10月至次年4月）。霧霾天氣條件下光照強度下降20%-90%，嚴重影響作物的光合作用，開花結果，并易孳生病蟲害，造成作物減產甚至絕收。而且，冬春季霧霾頻發期與設施園藝生產關鍵期重合，加劇了危害程度，對菜農收益影響巨大。
（3）高緯度地區光周期調控。在高緯度短日照地區迫切需要進行延長光周期的調控，增加光照時數。
（4）長日照植物生產需求。在日照時間不足地區生產長日照植物需要增加光照時數，促進其完成生長周期。總之，為克服上述設施園藝生產的光環境問題，進行人工智能補光是直接有效的途徑。其二，完全人工光設施生產光環境調控。精準智能化光環境調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域優質高產、能耗與生產效率的決定性因素，必要性十分突出。通過光環境調控，可改善作物形態，增加產量，并按照人類需求定向增加有益化學物質的含量，降低無益物質的積累，提高農產品的能值和營養保健價值，實現真正意義的優質生產。
農業半導體照明的定義和內涵
傳統照明是視覺應用，是通過人工光或自然光組成的照明系統（照明裝置）將具有特定光度、色度要求的光，按科學設計的分布特性，傳遞到目標客體，供人類感知，獲取信息。農業照明是包含視覺和非視覺功能的照明應用方式，傳統農業照明是指按照農業生產各領域的生產目標要求，利用光電光源人為創造適宜光環境或彌補自然光照的不足，調控農業生物的生長發育和繁殖的一種農藝措施。LED的出現推動農業照明進入了新的發展階段，稱之為農業半導體照明，屬于現代農業照明的范疇的新型照明方式。農業半導體照明是指采用半導體電光源及其智能化管控裝備，按照農業生物的光環境需求規律和農業生產各領域的生產目標要求，人為創造適宜光環境或彌補自然光照的不足，調控農業生物的生長發育和繁殖，以實現優質、高產、高效、穩產生產目標的一種農藝措施。農業半導體照明的特征：
（1）農業半導體照明的電光源是第四代半導體固態光源-發光二極管等現代電光源；（2）電光源光譜可精準調控，光強、光質和光周期可進行實時的管控；（3）能夠滿足現代農業生產各個領域光環境調控的需求，實現高產、高效、優質、穩產的目標；（4）農業半導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，畜禽養殖照明屬于視覺范疇；（5）農業半導體照明可徹底突破自然光照明的晝夜和年際光周期規律，按照需求完全控制光照條件；（6）光環境調控需要與其它環境要素控制協同進行，綜合協同調控。設施園藝半導體照明是設施園藝工程學科的新興研究分支，是農業半導體照明的最重要組成部分，是半導體照明非視覺應用的重要領域，我國設施園藝需要大力研發半導體照明技術裝備，加快應用進程與產業化發展。
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設施園藝半導體照明應用領域及其復雜性
設施園藝半導體照明研究的生產系統主要是設施園藝生產系統，生物種類涵蓋蔬菜、花卉、種苗、食用菌、藥用植物等等，其應用領域多樣，各領域生物形態多樣，光環境需求差別迥異。總結而言，設施園藝光環境調控的應用領域如下：
（1）溫室補光。為了增加植物的光合產量，提高光照強度，延長植物光照的光周期，必須進行人工補光。
（2）食用菌工廠。目前，食用菌生產工廠化程度高，多數食用菌對光強要求不高，但光質的要求苛刻，產量品質效應大，光環境調控非常重要，應用潛力巨大。
（3）植物工廠。植物工廠作為設施園藝的最高級發展階段，可用于蔬菜、苗木（蔬菜苗、水稻、煙草等）、中草藥等的規模化生產。智能化人工光源及其光環境調控對其生產效率起到決定性作用。
（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行生產，對人工光源的需求極大，電光源升級換代十分迫切。
設施園藝半導體照明應用領域十分復雜，需要開展系統、多層面、多尺度的研究工作。原因之一，農業生物營養與生長發育規律具有多樣性和復雜性，農業生物對光環境的響應機理各不相同，研究方法各異，需要逐一系統研究，揭示其光生物學規律。譬如，植物是利用光能、CO2和水，通過葉綠素光合作用形成碳水化合物，將光能轉變為化學能；而微生物（以食用菌為例）則需通過胞外酶分解栽培基質獲取所需營養產生菌絲和子實體。三種農業生物的營養方式根本不同，光環境需求規律迥異。原因之二，農業生產領域龐雜，農業生物種類多樣及其賦存形態各異，對光環境時空需求不同。原因之三，光環境的數量屬性（光強和光周期）、質量屬性（光質和光譜）和電光源發光特性（占空比、頻率）多，需要逐一研究其生物學效應。上述三方面因素疊加顯現了植物光生物學研究了的復雜性和系統性。最后，設施系統種類多，光環境特征及變化規律迥異，需要有針對性進行光環境調控。
設施園藝半導體照明亟待解決的科學問題
農業生物光生物學規律研究是農業半導體照明的基礎。作為新興研究領域，國際上起步晚，設施園藝半導體照明研發中尚存許多科學問題亟待解決。總結而言，科學問題之一是光質生物學。這里的光質是指對生物有作用的光質類型，包括可見光、UV和遠紅光等。（1）光質的生物學功能。主要研究內容包括弄清單一光質及復合光質對植物和食用菌生長發育和產量品質影響的生理代謝、分子生物學及蛋白組學機理；（2）生物種類及品種間光質適應性和利用差異性機理；（3）光質與環境其它因子互作的生物學機制；（4）設施生物光質數量屬性有效閾值和基準值（如補償點、飽和點與光脅迫閾值）。科學問題之二是逆境光質生物學。主要研究明確單色及復合光弱光、強光及連續光照下光合機構和代謝系統運轉效率的響應機理及其農學意義等。
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設施園藝半導體照明亟待解決的技術問題
綜合分析設施園藝半導體照明技術研發現狀，亟待解決的技術問題包括三個方面：
（1）建立設施園藝各生產領域特定生物生長發育、優質高產所需的光照配方；（2）依據光照配方，制定農業生物光環境控制策略；（3）研發LED光源裝置、燈具及計算機智能控制系統。
5.1光照配方與光環境控制策略
光照配方是指以優質高產為目標，按照特定植物種類及品種生長發育各階段所需的光質種類及其數量屬性的參數集合。設施園藝各生產領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。光環境控制策略是指以優質高產為目標，以設施園藝各生產系統所栽培特定植物種類及品種生長發育各階段光照配方為基礎通過計算機直接控制和切換光環境參數的時空管理方法策略。建立設施園藝光環境控制策略是非常必要的。比如，溫室補光策略需要綜合考慮自然光日變化參數、環境參數、作物光合生理參數、生長發育階段和燈具屬性，實施經濟有效地補光方法，滿足光強、光質和光周期需求，節能高效。光環境控制策略具有明顯的時空特征，采用分段管理是設施園藝生產的優化選擇，具有重要實踐意義。譬如，園藝作物發芽期、苗期、營養生長期和生殖生長期光環境需求不同，組培植物的增殖階段和生根階段光環境需求不同，食用菌菌絲生長階段和子實體生長階段光環境需求不同。因此，基于LED半導體照明技術，設施園藝光環境的管理需要建立動態實時的控制策略，才能將光能、生物資源生產效率發揮到最高水平，避免盲目性無效光照造成的能源浪費。
5.2 LED光源及燈具開發
專用LED光源及燈具研發是設施園藝半導體照明的核心，最為迫切。LED光源及燈具研發需要遵循以下幾個原則。
（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。成本是決定設施園藝半導體照明產業化發展的重要因素，需深挖降低成本技術；（3）生態安全原則。在滿足設施園藝作物光合生理需求基礎上，適宜改進純紅藍光譜組成，增加微量或少量綠光成為，增加視覺健康；（4）優先開發設施園藝高附加值農產品專用LED光源及燈具，有利于燈具銷售，培育龍頭企業。目前，市場上已經有的燈具類型包括燈泡、燈管、面板燈、筒燈、燈帶、燈柵等。LED燈具設計關注的指標和性能包括光照的均勻性、光質組配的合理性、散熱的可靠性、LED芯片功率的適宜性、發光面設計的有效性和感官舒適性。
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5.3智能控制系統
隨著計算機技術、網絡技術、通信技術、自動控制技術、總線技術、信號檢測技術和微電子技術的迅速發展和相互滲透，半導體照明已進入了智能化控制的時代。農業照明更是如此，簡單的開關控制已不能完成光環境復合調控的需求。實現照明控制系統智能化的主要目的有兩個：一是可以提高照明系統的控制和管理水平，減少照明系統的維護與運行成本；二是可以節約能源，提高光效。一般而言，照明控制系統由傳感器、控制電路、控制軟件、控制PLC或計算機組成。農業半導體照明智能控制系統主要功能包括兩個方面。其一，控制LED燈具的光質、光強和光周期；其二，控制燈具的空間位置和移動速率。
結語
設施園藝半導體照明相關科學技術問題的解決最終目標是為研發與產業化服務，為設施園藝生產實踐服務。設施園藝半導體照明的目標：
（1）節能，提高農業生物的光能利用效率；
（2）優質高產，獲得更高的生產效率和生物量，提高能源物質或健康有益物質；（3）穩產，削減光環境逆境；
（4）視覺健康，不危害生產人員的視覺健康。
當前，設施園藝半導體照明方興未艾、發展如火如荼，但基于設施園藝生產的復雜性，設施園藝半導體照明在科學規律與技術研發方面尚有很長的路要走。但有理由相信，未來5-10年我國設施園藝半導體照明科學技術研發與應用將取得長足進步，也將極大地推進設施園藝半導體照明產業和學科發展。
