一、現代農業照明光源的需求

    農業是國民經濟的基礎，日常生活中的肉蛋奶、蔬菜、花卉、瓜果、食用菌等農副產品的很大一部分都是在設施條件下生產出來的，其中農業照明起到了極為重要的作用。總體上來看，在現代農業的很多領域，如設施植物生產、集約化養殖業、水產捕撈、病蟲害防治、食用菌生產及微藻繁殖等，都與人工照明有著極其密切的關系。

    植物生產對人工照明的需求方面，俗話說“萬物生長靠太陽”，光照是地球上生物賴以生存與繁衍的基礎，作物的光合作用離不開光照，光照條件的好壞直接影響作物的產量和品質。自然界中，太陽的光照隨地理緯度、季節和天氣狀況的不同而變化，高緯度地區冬季日長變短以及其它地區冬春季節連陰、雨、雪、霧天氣等特定氣候條件下，光照強度和光照時間不足的現象時有發生，因此，在現代植物生產系統中(如溫室、大棚等)人工補光已經成為高效生產的重要手段。此外，在密閉式人工光生產系統，如植物工廠、組培車間、育苗工廠等，采用完全人工光進行光合作用，因此也離不開對人工照明光源的需求。

    在養殖生產對人工照明的需求方面，集約化養雞場、養豬場等都在封閉或半封閉環境下進行飼養，人工光源不僅能起到照明的作用，而且對畜禽生產性能也會產生重要影響。大量的研究表明，在畜禽養殖過程中，照明光源的顏色與波長、光照的時間與強度、光照期與黑暗期的配合等都會對畜禽的生產性能、生理特性、行為特性、體質健康等產生顯著影響。適宜的人工照明，能夠克服了畜禽繁殖生理機能季節性限制，使其遺傳潛力能最大限度地發揮出來，增加畜禽養殖的經濟效益。

    在水產捕撈與燈光誘魚對人工照明的需求方面，自公元8世紀開始，人們利用魚對光的敏感性，就采用燈光進行集魚與捕魚。多年來，世界各地一直存在使用火或其他形式的燈光捕魚的方法，如今這些捕魚方法已經成為許多國家現代漁業的一個重要特征。一些學者還對不同顏色光源的誘魚效果進行了試驗，結果表明，藍光具有更深的水體穿透性，使用以藍色為主體的人工光源可以取得更好的捕撈效果。

    在人工微藻對照明的需求方面，近年來，隨著全球資源、能源及環境危機的加劇，開發利用光合自養生物微藻，直接將太陽能及CO2轉化成人們生產生活需要的醫藥、生物基化學品(如天然色素、異戊二烯等)和生物能源(如乙醇、丁醇、生物柴油等)，已經成為世界各國關注的焦點。光照是影響微藻細胞生長及生化成分變化最重要的因子之一，對微藻的生長、繁殖、藻體顏色、細胞形態及代謝產物含量均有重要的影響，人工光源逐漸作為有效手段在微藻繁殖中得到廣泛應用。

    此外，在現代農業生產過程中，眾多領域，如病蟲害防治、食用菌生產等，也對人工光源具有廣泛的需求。

    長期以來，在農業照明領域使用的人工光源主要有高壓鈉燈、熒光燈、金屬鹵素燈、白熾燈等，這些光源的突出缺點是能耗大、運行成本高，能耗費用約占系統運行成本的40%～60%。因此，開發出高光效、低能耗的節能光源一直是農業領域人工光照明應用的重要課題。近年來，隨著LED技術的快速發展，使低能耗、高光效光源在農業領域的應用成為可能。與傳統人工光源相比，LED不僅節能效果顯著，而且還可進行光量、光質(紅/藍光比例或紅/遠紅光比例等)的任意調整，以滿足動植物生產的各種生理需求，實現高效化生產。因此，LED被認為是21世紀農業領域最有前途的人工光源，具有良好的發展前景。

    二、LED農業照明領域研究進展

    1.LED植物照明研究進展

    長期的研究表明，植物光合作用在可見光光譜(380～760nm)范圍內所吸收的光能約占其生理輻射光能的60%～65%，其中主要以波長610～720nm(波峰為660nm)的紅、橙光(約占生理輻射的55%左右)以及波長400～510nm(波峰為450nm)的藍、紫光(約占生理輻射的8%左右)為吸收峰值區域。因此，開發出以這兩個波段(特別是波峰)為主體的植物人工光源將會大大提高其光能利用效率。近年來，隨著LED技術的不斷進步，為實現這一目標提供了可能。LED能夠發出植物生長所需要的單色光(如波峰為450nm的藍光、波峰為660nm的紅光等)，光譜域寬僅為±20nm，而且紅、藍光LED組合后，還能形成與植物光合作用與形態建成基本吻合的光譜，光能利用效率達80%～90%，節能效果極為顯著。LED光源這種獨特的性能，為其在植物生產系統，如溫室大棚、植物組培、遺傳育種、植物工廠等領域人工照明的應用，提供了廣闊的發展空間。

    LED用于植物栽培

    多年來，國內外學者圍繞LED植物照明應用進行了不懈的探索，Bula等(1991)利用660nm紅光LED與藍色熒光燈組合，進行了萵苣的栽培試驗，獲得成功。以色列卡納塔克邦大學設施技術發展研究中心(2001)用紅光、藍光及其組合LED對百合屬植物的幼芽分化再生進行研究，結果表明紅藍光組合LED與其它光源相比更能促進花芽分化，更適合幼芽生長，植株大小和干、鮮重都有明顯的增長。Yanagi等(1996)使用紅光LED與藍光LED來探討光質與光量對萵苣生長與光形態建成的影響，將萵苣栽培于純藍光LED(170μmol?m-2?s-1)的環境中，證實可分化生長，雖然干物重小于純紅光或紅藍光組合下的植株，但純藍光下的植株顯得更加矮壯和健康。Kozai等(1999)使用LED脈沖光對萵苣的生長以及光合成反應的影響進行研究，結果表明，在周期為100μs以下的脈沖光條件下，萵苣生長比連續光照射條件下的促進效果提高了20%，從而證實了采用不同頻率脈沖光照射萵苣可以加速其生長的設想。Tanaka等(1994)通過對LED植物栽培的實用化研究，探討了脈沖光照射周期與占空比對植物生長的影響，結果表明，占空比達25%～50%時，可加速植物生長。Heo等(2002)研究發現，熒光燈+紅色LED，熒光燈+遠紅外LED復合光照處理，比單一熒光燈處理能顯著提高萬壽菊的氣孔數量。Okamoto等(1996)使用超高亮度紅光LED與藍光LED，在紅藍光比值(R/B)為2：1時，可以正常培育萵苣。美國航空航天局(NASA，1992)針對宇宙基地閉鎖式生命維持系統(Controlled Ecological Life Support System, CELSS)的植物生產特點，把LED光源列為空間植物栽培系統首選光源，并委托Wisconsin大學等單位開展研究，探索利用最小面積生產出可供一個人在太空中生活的必需食物，目前已經研究出利用6～14m2就能提供一個人需要的面粉、豆、薯、菜、番茄、玉米等食物的生產模式。郭雙生等(2003)在模擬空間艙內環境溫度控制在22℃、相對濕度70%、CO2濃度500mol?mol-1、光照周期24h(亮)/0h(暗)的條件下，利用紅、藍光LED的4種不同組合作為照明光源，在多孔管和多孔陶瓷顆粒無土栽培裝置下進行植物栽培試驗，結果表明紅藍光LED組合下的植株生長基本正常，90%紅光LED+10%藍光LED更為適宜。這一結果對太空農業LED的應用也具有重要的參考價值。魏靈玲等(2007)利用紅色LED(660nm)+藍色LED(450nm)進行了黃瓜的育苗試驗，結果表明，LED的紅藍光比值(R/B)為7：1時，黃瓜苗的各項生理指標最優，LED的能耗與熒光燈相比為1：2.73，節能效果顯著。到目前為止，LED已成功用于多種植物的栽培試驗，包括：萵苣、胡椒、胡瓜、小麥、菠菜、虎頭蘭、草莓、馬鈴薯、白鶴芋以及藻類等。上述研究表明，LED作為植物照明光源可以廣泛應用于設施栽培、組培培養、植物工廠等眾多領域，具有促進植物生長、調節植物形態以及節能環保等多方面優勢。

    2.LED養殖業照明研究進展

    人工照明是畜禽養殖業尤其是集約化畜禽舍環境控制的重要手段之一，長期以來，養殖業領域使用的人工光源主要有白熾燈、熒光燈等，不僅能耗較大，而且也難以實現針對畜禽的生理需求進行光質調控，影響畜禽生產效率的提高。近年來，隨著LED等單色節能光源的出現，國內外學者圍繞畜禽對光色、光強與光周期等光環境指標與生長性能的關系進行了深入研究，探明了畜禽對光環境需求的相關參數。通過研究發現，AA肉雞生長前期采用綠光LED或藍光LED照射，生長后期采用藍光LED照射，能顯著促進肉雞的生長發育，提高生產性能;肉雞生長早期(0-7d)選用綠光LED照明，可不同程度地改善肉雞小腸黏膜結構，提高小腸對營養物質的吸收能力，從而促進肉雞生長發育;藍、綠光LED照明可使視網膜面積、視網膜節細胞(RGCs)總數增加;從視網膜的中央區到周邊部，綠光組的RGCs密度梯度下降幅度和藍光組的RGCs大小梯度增大幅度最明顯。也有的學者研究發現，藍光可在一定程度上抑制肉雞因注射脂多糖(LPS)刺激引起的體增重下降以及應激激素和細胞因子IL-1β水平的升高，并可提高細胞免疫和體液免疫功能。采用綠光LED、藍光LED及其組合對Anak肉雞生長影響的研究結果表明，4d后綠光下雞增重最大，10d后用藍光下也有進一步促進肉雞增重的效果。我國學者通過LED光源對種雞的光色、光強與光周期優化指標的系統研究，確定了調控光色、光強和光周期來改善雞的生理節律、攝食行為、生長發育、繁殖性能的技術指標體系，消減了諸如禽產品“污染”(如藥物殘留、激素殘留等)的負面影響，大大提高了雞的生產潛力。以上這些研究表明，LED在畜牧業中的實際應用是可行的，通過適當的LED光照調節，能夠顯著促進畜禽生長，提高其免疫力，大大提高畜禽養殖的生產潛力。

    三、LED農業照明應用現狀

    人工補光與照明是LED農業領域最重要的應用方式，根據動植物發育的不同需求，采用不同波長的單色光組合起來形成農用照明光源，并通過對光強、光質和光周期的靈活調整，實現節能與高效生產，已經成為現代農業的重要應用方向。目前，LED在農業上的應用已經擴展到植物照明、畜禽養殖照明、食用菌生產、微藻繁殖、害蟲誘捕、誘魚等眾多領域，前景極為誘人。

    1. LED植物照明應用現狀

    植物照明是LED農業應用最為廣闊的領域之一，溫室大棚、植物組培、植物工廠以及食用菌生產等眾多場合均可采用LED代替傳統光源。目前，LED植物照明光源主要應用場合包括：

    (1)溫室補光

    光是作物生長最重要的環境因子之一，荷蘭學者認為：“1%的光照就是1%的產量”，可見光照在作物生產中的重要程度。溫室本身的光照比露地要低得多，尤其在冬春季節和連陰、雨、雪、霧等天氣條件下，光照不足的狀況會更加明顯，常常會限制溫室作物的產量和品質，人工補光已經成為溫室高效生產的重要手段。目前，溫室的人工補光光源主要有高壓鈉燈、低壓鈉燈、金屬鹵化物燈和熒光燈等，這些光源的紅外和綠光等光譜成分較大，作物光合作用所需的紅、藍光譜成分相對較少，光能利用率低，耗能大，運行成本高。近年來，隨著LED光源的快速發展，尤其是大功率LED芯片產品的開發成功，為溫室補光提供了新的手段。常用的LED溫室補光光源主要有兩種，一種是垂直照射的LED點光源，燈具采用類似于高壓鈉燈的圓頭燈結構;一種是穿插于植株之間進行側面照射的LED帶光源，燈具常常采用柔性燈帶。目前，LED光源用于溫室人工補光仍處于小規模示范階段。

    (2)植物工廠

    植物工廠是通過計算機對設施內植物生育過程的溫度、濕度、光照、CO2濃度和營養等環境條件進行高精度控制，實現農作物周年連續生產的高效農業系統，被認為是21世紀農業取得革命性突破的重要技術手段之一。目前，植物工廠有兩種主要型式：一種是以溫室為主體的太陽光和人工光并用型植物工廠，其光源系統與溫室補光完全一致;另一種是以封閉的隔熱空間為主體的人工光完全控制型植物工廠，這種植物工廠是在完全人工環境下進行植物生產的方式，受外界氣候影響小，可周年連續生產，空間利用率和單位面積產量高，但空調和照明耗電大、運行成本高也是限制其發展的重要瓶頸。因此，節能降耗已經成為人工光完全控制型植物工廠的重要課題。

    高效率人工光源的應用是解決植物工廠能耗問題的重要手段，目前植物工廠的人工照明光源主要有高壓鈉燈和熒光燈等，能耗高，散熱量大，空調運行成本高。LED的出現為解決植物工廠能耗問題提供了重要手段。1994年以來，日本開始試用LED作為植物工廠的照明光源，使用波長為660nm的紅色LED加上5%的藍色LED的組合光源進行人工植物工廠栽培生菜和水稻作物，獲得成功。1997年渡邊博之采用水冷模板LED光源在植物工廠內種植蔬菜，栽培方式為營養液膜法(NFT)，作物選用生菜、芹菜等，蔬菜定植2周后即可收獲，在800m2(8m×10m×10層)的栽培面積上，每天生產蔬菜5900株，年產蔬菜150萬株。2009年2月，日本FairyAngel公司宣布，開始與LED照明廠商CCS聯手，開發出使用LED照明的蔬菜工廠“AngelFarm福井”。2009年9月，中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所成功研制出了國內第一例智能型LED植物工廠，建筑面積為200m2，采用LED進行人工光育苗生產，取得了良好的運行效果。

    (3)植物組培育苗

    植物組織培養是一項可以通過規模化生產，在短時間內獲得大量同品質種苗的快速繁育技術。由于組培育苗繁育速度快，不受外界氣候、地域和時間等條件的約束，目前已經成為遺傳育種、種質資源保護和脫毒快繁的重要手段。但傳統的組培光源多為熒光燈，光效低、發熱量大，能耗成本占其運行費用的40%～50%。應用新型節能光源、減少能耗一直是植物組培領域的一大熱點。20世紀90年代以來，世界各國都在積極應用LED作為組培光源。Nhut等(2000)開發出了光照強度(45、60、75μmol?m-2?s-1)可調，光質比例為80%紅光LED+20%藍光與90%紅光LED+10%藍光LED兩種香蕉組培光源，經過試驗，認為80%紅光LED+20%藍光LED(60μmol?m-2?s-1)的光源具有明顯的優勢;饒瑞佶、方煒等(2004)使用超高亮度紅光與藍光LED開發出可調整光量、光質、發光頻率與占空比的組培光源系統，可實現在不提高耗電成本條件下提高馬鈴薯組培苗的生長速率。徐志剛等(2008)針對組培的特殊需求，開發出了專門用于植物組培的“LED植物培育智能光控系統”。2010年，臺灣億光電子工業股份有限公司與中國農業科學院合作，開發出了直接采用市電驅動，并與T8或T5熒光燈管無縫對接的LED燈管，以替代目前在植物組培領域廣泛使用的熒光燈。

    2.LED養殖照明應用現狀

    現代養殖業普遍采用人工照明促進生產，尤其在規模化設施養殖場這種需求更加明顯。由于人工光源的顏色、強度、時長及間斷控制等都會對畜禽的行為習性、生理特性、生長發育等產生影響，最終會影響到畜禽的生產性能。因此，養殖業生產中的照明不僅要低能耗、壽命長，而且還應具備光環境參數的可調控性能。目前，畜牧業養殖生產中的人工光源主要為白熾燈和節能熒光燈，這些光源的缺陷一方面是僅能為畜禽活動提供必需的可視光線，無法勝任對照明顏色、強度、時長及間斷控制的調控要求;另一方面，節能熒光燈還含有汞和其他一些有害物質，遺棄后會造成嚴重的環境污染，歐盟已對節能燈中所含有害物質提出了較嚴格的限制要求，實行誰生產誰負責的辦法。淘汰白熾燈和節能熒光燈已經成為必然趨勢，這就為LED在畜牧養殖上的應用提供了一個非常廣闊的空間。近年來，我國學者通過紅色、藍色和白色LED光源對家禽生產性能影響的研究，推出了智能化養雞LED光源系統，并在養雞場投入使用。2010年2月，在亞特蘭大國際家禽養殖設備展上，ONCE公司AGRISHIFT™推出了漸變式禽類養殖LED燈，采用定時器來實現對光周期的控制，比較簡易，但缺乏對光色、光強和光周期的實時控制，仍有待于進一步改進。

    目前，畜牧養殖業專用LED照明燈具的產品相對偏少，但應用潛力巨大。據有關方面統計，僅我國的集約化蛋雞場，就需要100W的白熾燈泡370萬只，加上其他畜禽養殖業的照明需求，整個畜禽養殖產業需要照明燈泡數量在2100萬只以上。如果用10WLED產品替代這些燈具的話，不僅可節約60%以上的電能，而且還可帶動照明市場60多億元的產值，前景廣闊。<