21世紀(jì)是生態(tài)農(nóng)業(yè)的世紀(jì)，而物理農(nóng)業(yè)是實現(xiàn)生態(tài)農(nóng)業(yè)的主要技術(shù)途徑之一，在眾多的物理技術(shù)手段中，光學(xué)技術(shù)起著至關(guān)重要的作用，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)“光的世紀(jì)”已悄然而至。尤其是電光源的應(yīng)用無處不在，農(nóng)業(yè)科研、生產(chǎn)活動與光密切相關(guān)。節(jié)能、高效光源研發(fā)是實現(xiàn)人工光設(shè)施植物生產(chǎn)發(fā)展需要解決的首要問題。迄今，在農(nóng)業(yè)照明領(lǐng)域使用的人工光源大多存在光效低、能耗大等缺點。另外，這些光源的光譜相對固定，對植物無效波長較多、產(chǎn)生的熱量大，無法近距離照射植物。因此，開發(fā)高光效節(jié)能光源是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域人工光植物栽培的重要課題。

　　隨著光電技術(shù)的發(fā)展，LED(Light Emitting Diode，發(fā)光二極管)研制成功，使得低能耗LED光源在農(nóng)業(yè)種植領(lǐng)域的應(yīng)用成為現(xiàn)實。LED是由Ⅲ～Ⅳ族化合物，如砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)、磷砷化鎵(GaAsP)等半導(dǎo)體材料制成。與其他傳統(tǒng)光源相比，LED光源不僅具有光電轉(zhuǎn)換效率高、體積小、壽命長、耗能低等優(yōu)勢，而且光譜(紅/藍光比例或紅/遠紅光比例等)易于組合與調(diào)控。隨著光電技術(shù)的不斷革新，LED應(yīng)用的性價比快速提升，為這一新型光源的普及與應(yīng)用提供了重要條件。

　　LED應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，能夠給社會和人類帶來真實的物質(zhì)財富和經(jīng)濟效益，不同于亮化照明只帶來的視覺感受，兩者具有不同的區(qū)別和意義。采用高效、綠色環(huán)保的LED光源、適宜的光照策略和智能光控方法，能夠解決不適合光環(huán)境對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的制約，促進植物生長發(fā)育，達到增產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)、抗病、無公害的目的，這對于增強農(nóng)業(yè)產(chǎn)出能力、改善民生、保障農(nóng)產(chǎn)品安全、加快我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展具有非常重要的現(xiàn)實意義，同時能夠為半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)開拓廣闊、持久和更為巨大的消費市場，促進我國LED產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。LED在農(nóng)業(yè)種植領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展勢頭迅猛，被認(rèn)為是21世紀(jì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域最有應(yīng)用前景的人工光源。

　　1 、LED植物照明技術(shù)分析及技術(shù)優(yōu)勢

　　1.1LED植物照明關(guān)鍵技術(shù)

　　近年來，隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，對植物照明的研究越來越多。由于植物生長對光環(huán)境有特定要求，因此需要嚴(yán)格把控光學(xué)參數(shù)，使其符合相應(yīng)植物的生長需求，以此選擇出合適的光源、確定光源的數(shù)量及排布，根據(jù)植物對光的合理需求為光源研制應(yīng)用提供適宜的方案。

　　LED植物照明技術(shù)發(fā)展需要重點考慮以下幾個關(guān)鍵要素：

　?。?）光譜分布

　　大量的研究表明紅光和藍光是植物生長最重要的兩種光譜。植物一般依靠葉片中的葉綠素吸收照射光，其吸收波段一般處于藍光和紅光區(qū)域，如圖1所示。吸收光在植物體內(nèi)經(jīng)光合作用轉(zhuǎn)換為有機能量，用以生長繁殖。因此，對于植物照明產(chǎn)品，首先應(yīng)考量其吸收波段的輻照度，一般為400~500nm藍光和600~700nm紅光波段的輻照度，以及需要確定所選組合植物照明的光譜組成、范圍、值波長和色溫等。

　?。?）光照度

　　植物接受光照度不同，將直接影響植物的生長發(fā)育和結(jié)構(gòu)特征。研究發(fā)現(xiàn)，光照度影響光合速率。隨著光照度增大，光合速率將不斷上升，直至光飽和點。同時，光照度影響作物的形態(tài)結(jié)構(gòu)、花芽分化和果實產(chǎn)量。光照度影響作物的生長發(fā)育，其影響程度因作物的種類和特性而不同，因植物對光照度需求的不同，可將植物分為陽生植物、陰生植物及中生植物，這些植物都需要合適的光照度才能良好生長。

　　（3）光均勻度

　　由于LED發(fā)光具有較強的方向性，且可能存在空間光色分布不均勻性，因此，在大面積種植場合，還應(yīng)考察植物受照面上輻射照度均勻性，以獲得高質(zhì)量的均勻照明環(huán)境。

　　（4）晝長（光周期）

　　光照度和特定的光譜波長顯著地影響著植物的生長發(fā)育，同時光周期也對植物的生長發(fā)育產(chǎn)生著深遠的影響。不僅影響植物的花芽分化、成花誘導(dǎo)和花性分化、植物的休眠，還影響植物的營養(yǎng)生長和生理分化。不同植物對光譜的需求不同，不同生長階段對光譜的需求也不同，設(shè)施農(nóng)業(yè)中的人工補光必須遵循植物的光生理特性，才能達到最佳的補光效果。因此，不僅需要準(zhǔn)確測量LED光源的光譜組成，還要能夠知悉照度隨時間變化的情況。

　　1、2LED植物照明技術(shù)優(yōu)勢

　　光是植物生長發(fā)育最為重要的環(huán)境因素之一，對于植物的光合作用和生長發(fā)育新陳代謝都有著直接的調(diào)節(jié)作用。目前已知的環(huán)境因素，比如相對的潮濕、溫度、光強度和光質(zhì)量都對植物的生長和發(fā)展有著密切的影響。而在這些因素中，光譜分布則直接影響植物干的生長，側(cè)分枝，葉擴展和色素的沉積等主要的生長指標(biāo)。近幾年來，LED植物照明技術(shù)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域主要源于以下幾點優(yōu)勢：

　?。?）具有光波長與植物要求吻合的優(yōu)勢

　　LED植物生長燈具一直以來都被看作是未來植物照明領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。LED的光譜域?qū)捲?±20)nm左右，波長正好與植物光合作用和形態(tài)建成的光譜范圍吻合。植物光合作用在可見光光譜380~760 nm范圍內(nèi)，所吸收的光能約占生理輻射光能的60%~65%，其中主要為波長610~720 nm的紅、橙光和波長為400~510nm的藍、紫光。LED能夠發(fā)出植物生長所需要的單色光光譜，光能有效利用率可達80%~90%，并能對不同光譜和發(fā)光強度實現(xiàn)單獨控制。表1列出了不同類型光源的燈具在各類植物照明場合的適用情況。

　?。?）具有寬幅可調(diào)性

　　目前植物工廠使用的光源大部分都是復(fù)合光譜，其光譜比等一些光環(huán)境因素難以調(diào)節(jié)，無法滿足不同植物的需求。LED作為單色光光源,可以有效調(diào)節(jié)紅藍光譜比、遠紅外光譜比等一系列的光環(huán)境因素。同時LED本身的光照強度也具有很多調(diào)節(jié)方式，如直流電源調(diào)光、脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)光、分段式開關(guān)調(diào)光等。根據(jù)不同植物的需求，可以自由調(diào)節(jié)光環(huán)境因素，形成最適宜植物生長發(fā)育的光環(huán)境。

　?。?）提高空間利用

　　對于植物工廠而言，空間利用率的大小也是決定其產(chǎn)能的一個關(guān)鍵因素。由于選擇單色大功率LED,可以有效控制光譜中紅外和遠紅外光譜分布,從而可以實現(xiàn)對植物進行近距離照射而不會發(fā)生灼傷植物的現(xiàn)象。同時由于LED光源體積小,可以自由設(shè)計照明系統(tǒng)的形狀,大幅度提高光源利用率和空間利用率,適用于多層多段緊湊式的栽培模式,在如今耕地面積不斷減小的形勢下具有積極的意義。

　　2、國內(nèi)外LED植物照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r

　　2.1全球LED植物照明發(fā)展概況

　　多年來，國內(nèi)外學(xué)者圍繞LED光源在植物照明領(lǐng)域的應(yīng)用進行了不懈的探索，取得了重要進展。首先，就紅藍光及其組合光源對植物生長發(fā)育的影響進行了研究，充分證明了紅藍光作為光源栽培植物的可行性。到目前為止，LED已成功用于植物的栽培，并在植物補光、組培、植物工廠以及太空種植領(lǐng)域取得重要進展。國際有關(guān)LED照明在植物生產(chǎn)中應(yīng)用的研究主要側(cè)重于不同光譜能量分布對植物生產(chǎn)的影響。研究主要著眼于不同光質(zhì)的LED照明對植物生長、光形態(tài)建成、光合作用、葉綠素?zé)晒馓匦?、次生代謝及產(chǎn)品品質(zhì)的影響，進而從分子生物學(xué)的角度探究植物對不同光質(zhì)反應(yīng)的分子機理。

　　全球LED植物生長燈產(chǎn)值從2013年起已開始呈現(xiàn)高速成長態(tài)勢，從不足1000萬美元規(guī)模增長至2014年的3 500萬美元左右，2017年更有望達到3億美元。LED作為植物照明光源可以廣泛應(yīng)用于設(shè)施栽培、組培培養(yǎng)、植物工廠等眾多領(lǐng)域，具有促進植物生長、調(diào)節(jié)植物形態(tài)以及節(jié)能環(huán)保等多方面優(yōu)勢。其中，植物工廠集現(xiàn)代生物技術(shù)、信息技術(shù)、人工環(huán)境控制等多種高技術(shù)于一體，不僅產(chǎn)量高于陸地栽培多倍，而且還可以在戈壁、荒漠、海島、水面甚至城市大樓里等非可耕地上進行生產(chǎn)，也被認(rèn)為是未來解決人口、資源、環(huán)境等問題的有效技術(shù)手段。目前國際上各大知名照明產(chǎn)品制造商均已涉足LED植物照明領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)和生產(chǎn)布局并各具發(fā)展優(yōu)勢。

　　2.2國內(nèi)LED植物照明產(chǎn)業(yè)狀況分析

　　我國LED植物照明起步晚，但發(fā)展迅速，在設(shè)施園藝、畜禽養(yǎng)殖、漁業(yè)植保等方面具有推廣應(yīng)用的潛力。CSA Research的數(shù)據(jù)表明，2015年我國僅植物照明產(chǎn)品產(chǎn)值為1.9億元，預(yù)計到2018年達到5億元。目前我國從事植物半導(dǎo)體照明的企業(yè)數(shù)約為150家，2014年LED植物照明產(chǎn)品出口額為1100萬美元，相對于3 000多億元的LED半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)仍是非常小的份額。

　　據(jù)估算，未來我國從事農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明的企業(yè)數(shù)在250~400家，產(chǎn)值在10億元以上。國內(nèi)進軍LED植物照明領(lǐng)域的廠商以具有一定研發(fā)實力的成長型企業(yè)為主。

　　從目前進入LED植物照明領(lǐng)域企業(yè)的情況來看，主要有以下特點：

　　首先，我國LED應(yīng)用企業(yè)數(shù)量眾多，但LED植物照明是一個新興領(lǐng)域，2005年以后我國相關(guān)機構(gòu)才開始進行該領(lǐng)域研究，因此進入LED植物照明領(lǐng)域的企業(yè)和機構(gòu)并不多，還沒有一家企業(yè)在此領(lǐng)域具備明顯的優(yōu)勢。從區(qū)域分布上來看，我國涉及植物照明產(chǎn)品企業(yè)主要集中在廣東、江浙地區(qū)和北方尤其是北京地區(qū)。

　　其次，多數(shù)企業(yè)對該領(lǐng)域的發(fā)展還處在觀察和洽談階段，并沒有在植物生長核心技術(shù)和下游銷售渠道建設(shè)等方面進行大量投入，產(chǎn)品的發(fā)展規(guī)劃不太明確。

　　再者，LED植物照明在多數(shù)相關(guān)企業(yè)中并沒有作為企業(yè)的支柱產(chǎn)品，而只是結(jié)合示范工廠聯(lián)合推廣、小規(guī)模的試制LED植物照明燈具產(chǎn)品。

　　總體來說，由于市場發(fā)展階段的原因，企業(yè)間的競爭并不是十分激烈，具有技術(shù)優(yōu)勢（包括植物栽培技術(shù)和LED核心技術(shù)）的企業(yè)，在競爭中將居于十分有利的地位。但隨著未來LED成本的降低和LED照明栽培技術(shù)的成熟，行業(yè)內(nèi)的競爭將日趨激烈。

　　3、結(jié)語

　　發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，保障糧食安全和農(nóng)產(chǎn)品有效供給是我國的長期方針政策，也是應(yīng)對人口增長、資源減少、環(huán)境污染、氣候變化等問題的重要舉措。光照是設(shè)施農(nóng)業(yè)動植物生長發(fā)育和優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)境要素，隨著LED光源的發(fā)明和推廣應(yīng)用，使得設(shè)施農(nóng)業(yè)得以徹底全面地調(diào)控光環(huán)境（光強、光質(zhì)和光周期），LED光源的特性優(yōu)勢和已有研究基礎(chǔ)均表明，LED可以廣泛應(yīng)用于植物栽培、溫室補光、植物組培、植物工廠，是植物照明光源未來重點發(fā)展方向。我國LED植物照明起步較晚，仍處于研發(fā)合作或示范推廣階段，整個市場競爭格局并不明顯，成規(guī)模有絕對市場優(yōu)勢的企業(yè)寥寥無幾，市場空白有待填補。

　　國內(nèi)LED植物照明產(chǎn)業(yè)經(jīng)過這些年的推動，盡管已經(jīng)取得了較快的發(fā)展，但仍然存在諸多問題，例如：同質(zhì)化嚴(yán)重，企業(yè)缺乏核心競爭力。產(chǎn)業(yè)鏈間缺乏配套與協(xié)作，研發(fā)力量待整合。財政支持力度不夠，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系不完善，科普知識未普及，傳統(tǒng)觀念未轉(zhuǎn)變等。

　　為解決當(dāng)前LED植物照明產(chǎn)業(yè)存在的問題，應(yīng)立足于未來LED植物照明市場發(fā)展需要，理清技術(shù)、產(chǎn)品、市場、應(yīng)用與標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系，達到有時間性和階段性地實施戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃，加快構(gòu)建產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系和促進產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展，可采取以下幾點措施和對策：

　?。?）重點培育龍頭品牌企業(yè)

　　建議國家相關(guān)部門根據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展布局，重點培育有較好研究基礎(chǔ)和較強技術(shù)實力的企業(yè)，充分發(fā)揮龍頭企業(yè)的引領(lǐng)和帶動作用。企業(yè)應(yīng)抓住機遇，結(jié)合自身實際科學(xué)規(guī)劃，制定長期發(fā)展戰(zhàn)略；加大人才投入，建立固定的研發(fā)團隊，加快自主核心技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新。

　?。?）加大對行業(yè)內(nèi)共性技術(shù)問題的研究力度

　　充分實現(xiàn)政府政策指引、科研機構(gòu)規(guī)劃引導(dǎo)、企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新與實踐、高校理論研究與支撐的有機融合，聯(lián)合國內(nèi)外致力于LED植物照明技術(shù)創(chuàng)新、應(yīng)用、標(biāo)準(zhǔn)化、檢測和研究的相關(guān)企業(yè)、科研院所和各大院校，積極整合、協(xié)調(diào)LED植物照明產(chǎn)業(yè)及社會資源，努力推動技術(shù)創(chuàng)新，組織重大技術(shù)聯(lián)合攻關(guān)。

　?。?）加大政府財政資金扶持

　　建議國家持續(xù)關(guān)注并加大力度扶持LED植物照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展，制定LED植物照明專項扶持政策，設(shè)立專項產(chǎn)業(yè)扶持基金，并聯(lián)合民間資本力量共同研究和推廣LED植物照明技術(shù)。

　　（4）加快將創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

　　共同研究和研發(fā)形成的技術(shù)沉淀與積累，在條件成熟時，在試點企業(yè)中開展數(shù)據(jù)驗證等工作，使得標(biāo)準(zhǔn)的制定更加科學(xué)、高效，適時上升為地方、行業(yè)、國家甚至國際標(biāo)準(zhǔn)。積極借鑒國外LED照明產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定，與國際接軌，盡快打通走向國際市場通道。

　?。?）加強相關(guān)科技輿論推廣宣傳

　　建議在政府的主導(dǎo)下，企業(yè)配合政府通過多種渠道途徑加強相關(guān)科技輿論推廣宣傳，例如：通過電視網(wǎng)絡(luò)等大眾媒體加大科普知識宣傳、通過召開會議講座、安全示范引導(dǎo)國人觀念改變等。