LED光源高能效的窄帶發射使照明技術在生命科學應用中具有重要的價值。在本文中，KEN MARRIN介紹如何在家禽飼養應用中采用固態照明，以降低電費和提高產量。

 

　　專家預計，到2030年，全球對食品的需求量將翻一番。為了滿足這一需求，糧食生產者正在采用新技術，以較低的成本增加產量，同時減少對環境的壓力。這些生產技術大多集中于加強傳統投入，比如水、空氣、營養物質和空間等。但是，光卻是一個很大程度上未開發的生產投入。

 

　　通過使用LED照明，利用家禽、豬、奶牛、魚類或甲殼類動物獨特的光譜需求，農民可以減少壓力和家禽死亡率，調節晝夜節律，大幅增加蛋、肉和其他蛋白質來源的產量，同時顯著降低能源使用和其他投入成本。

 

　　固態照明（SSL）的利基應用包括農業專用的照明，這樣的應用可產生巨大的收入潛力。飛利浦和歐司朗等主要大廠已經開發了用于農業和園藝業的光譜可調式LED燈，此外還有一些小型企業，如once Innovations和NextGen Illumination等生產出了專用于家禽市場的LED燈。

 

　　許多畜牧養殖戶仍然在其畜棚中使用60W、80W和100W的白熾燈。這些燈非常適合人類環境，但是白熾燈與陽光不一樣，對人類來說最好的光線并不一定適合其他動物。日光的光譜與白熾燈的光譜明顯不同。日光是所有顏色的組合。

　　圖1． 日光光譜（a）與日落光譜（b）

 

　　圖1a顯示中午的日光中每種顏色的數量。在這一天的這個時候，藍色和綠色比紅色更亮。圖1b顯示一天結束時日光中的顏色數量。此時，紅色比綠色和藍色更亮。

 

　　白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈、LED的比較

 

　　現代的畜棚照明系統試圖模仿太陽的光譜，試圖提供一個連續的光譜，包含所有的顏色，中間無間隙。白熾燈（圖2a）有效地模擬了日落時的日光，產生一個連續的光譜，紅色多，綠色少，藍色只有一點點。但是，這個光譜并不能模擬午間的陽光。一些制造商試圖在燈泡上涂層來改變光譜，但是這種方法不能產生連續的光譜。此外，白熾燈泡的效率也非常低，經常燒壞，并且需要達到防濕級別的燈具。當然，白熾燈很快也要被禁止生產了。

　　圖2． 白熾燈光譜（a）與節能燈光譜（b）

 

　　緊湊型熒光燈（CFL）具有良好的效率并產生白光，但是，其光輸出是針對人類視覺而設計的。通過產生和結合紅色、綠色和藍色的窄帶來實現白光。因此，紅色、藍色和綠色峰值之間的光譜存在很大差距，并且在太陽光中存在的許多紅色、藍色和綠色波長會失去（圖2b）。藍光特別弱，大部分更深的紅色都失去了。總的來說，緊湊型熒光燈在模仿自然光方面做得非常糟糕，也很難清潔（卷曲形狀），含有少量有毒的汞，需要一個防潮的外殼，也不能很好地調色。

 

　　高壓鈉燈（HPS）具有出色的效率和高光輸出，在紅色和黃色中色譜最強，從而賦予燈泡獨特的橙黃色或琥珀色。但是，與節能燈一樣，許多色譜缺失，尤其是綠色和藍色。此外，高壓鈉燈也很難變暗，預熱緩慢，需要鎮流器操作，具有較高的前期成本，并且可能含有鈉和／或汞。

 

　　LED是農業照明方案中最高效和環保的產品，通過將藍色LED與紅色和綠色熒光粉結合，產生白光。光譜接近連續式的（圖3），藍色特別強，但也有充足的綠色和紅色。雖然不完全是日光，但從人類的角度來看，LED光譜提供了近似的日光，沒有像其他技術那樣有光譜間隙。此外，它們也具有最長的使用壽命（長達10年，全天候運行），堅固耐用，不易受到震動的影響，并允許色移和顏色控制。LED具有較高的前期成本，但這些成本通過節能可以回收，從而使總體擁有成本降至最低。

 

　　圖3． 標準的白光LED光譜

 

　　LED在家禽養殖中的應用

 

　　LED最大的優勢是能提供可定制的可調頻譜。動物的光譜靈敏度不同于人類，光譜要求也是如此。通過優化畜棚中的光譜、輻射和調制，農戶可以為家畜創造一個良好的照明環境，讓家畜心情愉悅，從而促進其生長，同時最大限度地減少能源和飼料的支出。

 

　　家禽是四色的。與人類一樣，家禽對綠色在550nm處有峰值靈敏度。但是它們對紅色、藍色和紫外線（UV）的敏感度也高。但是人類和家禽之間最顯著的區別可能是家禽在視覺上有感受紫外線的能力（在385nm出現峰值）。

 

　　每種顏色對家禽的生理都有明顯的影響。例如，可以通過綠光增強骨骼肌衛星細胞的增殖，在早期時增加生長速度。藍光通過提高血漿雄激素在較晚的年齡增加生長。窄帶藍光減少運動，還降低了自相殘殺率。綠色和藍色光可共同促進肌纖維的生長。總體而言，藍光已被證明可以將飼料轉化率提高4％，從而將每磅成本降低3％，并將整體活重增加5％。

 

　　紅光在飼養期開始時可以增加雞的生長速度，增加雞的運動量，從而最大限度地減少腿部疾病。紅光還可以減少每個產蛋量的飼料消耗量，而產出的蛋在尺寸、，重量、蛋殼厚度、蛋黃和白蛋白重量方面沒有差異。總體而言，紅燈已被證明可以延長高峰期的產量，每只母雞的產蛋量可提高38個蛋，而食用量可能會減少20％。

 

　　標準和補貼

 

　　盡管LED有很多優勢，但是前期投入成本高昂。部分原因是由于農業照明行業缺乏性能標準，使得購買農業照明LED的消費者很難像白熾燈和緊湊型熒光燈那樣獲得節能補貼。

 

　　值得欣喜的是，標準正在制定中，將會設定關鍵性能標準，如耐久性、性能、可靠性和安全性，目前有多家公司表示有興趣加入標準制定。