摘要：基于LED光源的農(nóng)業(yè)照明在歐美國(guó)家得到了大力發(fā)展，各國(guó)政府都在積極推廣LED農(nóng)業(yè)照明，中國(guó)在農(nóng)業(yè)照明領(lǐng)域的LED技術(shù)興起于最近幾年。實(shí)踐證明，LED光源可以完全替代自然照明和傳統(tǒng)人工照明，并根據(jù)農(nóng)作物不同的生理時(shí)段調(diào)節(jié)光照波長(zhǎng)，縮短了農(nóng)作物的生長(zhǎng)周期、增加產(chǎn)量、減少病害、提高了農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。研究了LED光源在農(nóng)業(yè)照明領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，并對(duì)LED光源在農(nóng)業(yè)照明領(lǐng)域的市場(chǎng)潛在需求進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明LED光源在農(nóng)業(yè)照明領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，市場(chǎng)潛力巨大。

關(guān)鍵詞：LED光源；農(nóng)業(yè)照明；需求分析

中圖分類號(hào)：S123；TM923.34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439—8114（2012）19—4385—03

隨著LED技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)、日本、韓國(guó)等紛紛將LED農(nóng)業(yè)照明應(yīng)用作為重要的發(fā)展方向，國(guó)內(nèi)外的眾多廠商也紛紛進(jìn)軍農(nóng)業(yè)照明領(lǐng)域。LED光源在農(nóng)業(yè)照明中的應(yīng)用主要包括植物生產(chǎn)、養(yǎng)殖業(yè)、微藻培養(yǎng)、食用菌生產(chǎn)等，在歐美國(guó)家應(yīng)用非常廣泛，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。2010年4月，日本的三菱化學(xué)公司采用廢舊大型集裝箱，將其改造成植物工廠輔以現(xiàn)代信息管理技術(shù)和LED為光源進(jìn)行作物的光合作用。為適應(yīng)新生的植物工廠的需求，日本昭和電工專門為“植物工廠”開發(fā)了LED產(chǎn)品，可以發(fā)射促使農(nóng)作物生長(zhǎng)的特定波長(zhǎng)的紅光，目前已被日本10多家植物工廠采用，2010年的銷售額達(dá)10億日元[1]。歐洲尤其是北歐地區(qū)的LED農(nóng)業(yè)照明也發(fā)展迅速，北歐地區(qū)由于地理位置原因，長(zhǎng)期處于半極晝和半極夜?fàn)顟B(tài)，氣溫和光照均不利于農(nóng)作物的生長(zhǎng)，采用了溫室加LED照明技術(shù)后，農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量大幅度提高，并最大限度地滿足了本國(guó)的農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)。美國(guó)農(nóng)業(yè)部則撥出巨額資金資助Purdue大學(xué)進(jìn)行LED照明技術(shù)的研究，用于改善不良自然環(huán)境下的農(nóng)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r。

目前，國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)照明中已開始采用LED，如陜西楊凌農(nóng)業(yè)示范區(qū)建立太陽(yáng)能光伏LED植物工廠等。除了一些應(yīng)用外，LED在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)研發(fā)也逐漸受到關(guān)注。2010年12月“植物工廠創(chuàng)新成果發(fā)布會(huì)”在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院舉行，北京中環(huán)易達(dá)設(shè)施園藝科技有限公司推出了家庭版植物工廠以及家庭園藝系列產(chǎn)品，并分別與荷蘭飛利浦照明、日本三菱化學(xué)、松下（中國(guó)）電工、臺(tái)灣億光、揚(yáng)子電器、歐琳集團(tuán)等數(shù)十家國(guó)際知名企業(yè)簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，就LED植物照明光源、工業(yè)控制、空調(diào)環(huán)境控制、營(yíng)養(yǎng)液制劑等領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新、市場(chǎng)開發(fā)等達(dá)成一致。

1 LED光源在農(nóng)業(yè)照明領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)分析

近年來(lái)隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中溫室大棚的大面積推廣，人工氣候室的研究進(jìn)展以及農(nóng)業(yè)科技化水平的提高，進(jìn)行溫室合理給光以及降低給光成本的研究已顯得越來(lái)越重要，新型節(jié)能高效給光措施更成為研究的熱點(diǎn)，新型發(fā)光材料的成功研制為這一問(wèn)題的解決提供了契機(jī)。新型高效節(jié)能LED植物燈正是最佳選擇。LED燈具有光效高、發(fā)熱低、體積小、壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)照明領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)很明顯。主要表現(xiàn)為生物能效高、可大大提高植物栽培密度、LED農(nóng)業(yè)照明應(yīng)用產(chǎn)生的節(jié)能效果顯著等。

LED農(nóng)業(yè)照明光源是一種特殊的照明工具，植物生長(zhǎng)需要太陽(yáng)光，而LED農(nóng)業(yè)照明光源就是利用太陽(yáng)光的原理，用燈光代替太陽(yáng)光成為植物生長(zhǎng)發(fā)育環(huán)境的一種光源。目前傳統(tǒng)的人工照明光源與LED照明光源相比存在著欠缺：首先人工照明光源光譜基本為線狀譜線，與植物光合吸收光譜匹配不理想。能夠被植物吸收的只是個(gè)別波段的光，其他波段的光都被浪費(fèi)，不節(jié)能。再者由于白熾燈泡、日光燈管、鈉燈等耗電量較大，同時(shí)產(chǎn)生很多的熱輻射，不能對(duì)植物近距離照射，對(duì)植物生長(zhǎng)光激勵(lì)效率不高，大大增加了人工光照成本，因而除在一些高附加值的花卉種植和人工氣候室試驗(yàn)中有所應(yīng)用外，并沒(méi)有在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上得到廣泛應(yīng)用。

光環(huán)境是植物生長(zhǎng)發(fā)育不可缺少的重要物理環(huán)境因素之一，通過(guò)光質(zhì)調(diào)節(jié)，控制植株形態(tài)建成是設(shè)施栽培領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)。光線光譜對(duì)植物光合作用有直接影響的主要是紅光和藍(lán)光，紅光主要集中在630～660 nm，其作用是幫助植物開花結(jié)果，藍(lán)光主要集中在450～470 nm，其作用是幫助植物長(zhǎng)莖生葉[2]。應(yīng)用測(cè)試結(jié)果表明，LED農(nóng)業(yè)照明光源的波長(zhǎng)非常適合植物的生長(zhǎng)、開花、結(jié)果[3]。一般室內(nèi)植物花卉會(huì)隨著時(shí)間延長(zhǎng)長(zhǎng)勢(shì)越來(lái)越差，主要原因就是缺少光的照射，通過(guò)適合植物所需光譜的LED燈照射，不僅可以促進(jìn)其生長(zhǎng)，而且還可以延長(zhǎng)花期，提高花的品質(zhì)。而把這種高效光源系統(tǒng)應(yīng)用到植物大棚、溫室等設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及育種上，可以產(chǎn)生以下作用：①作為補(bǔ)充光照，在一天的任何時(shí)間都可以增強(qiáng)光照，可以延長(zhǎng)有效照明時(shí)間。②無(wú)論在黃昏還是夜晚，可以有效延長(zhǎng)和科學(xué)控制植物所需要的光照。③在溫室或植物實(shí)驗(yàn)室可完全替代自然光促進(jìn)植物生長(zhǎng)。對(duì)于絕大多數(shù)種植者來(lái)說(shuō)，LED植物燈是代替日照的最佳光源。因?yàn)樗墓庾V完全根據(jù)植物生長(zhǎng)所需的光譜設(shè)計(jì)，并具有高亮度和超長(zhǎng)使用壽命等特性。④徹底解決育苗階段看天吃飯的情況，可根據(jù)苗株交貨期合理安排時(shí)間。

在溫室里具有全光譜的光照對(duì)植物生長(zhǎng)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。早期所使用的植物照明光源非全光譜光源，無(wú)法全面提供植物生長(zhǎng)需要的光照?，F(xiàn)在最新推出的植物生長(zhǎng)高光通鈉燈具有全光譜特性，可提供植物生長(zhǎng)所需的全部光照，能夠極大地縮短植物生長(zhǎng)所需要的時(shí)間。因而它的出現(xiàn)是植物照明領(lǐng)域的技術(shù)革命，現(xiàn)已成為此行業(yè)光源的最佳選擇，廣泛應(yīng)用于水溶液培養(yǎng)、播種、育種、花卉栽培等領(lǐng)域。

2 LED光源在農(nóng)業(yè)照明領(lǐng)域的市場(chǎng)需求分析

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的照明燈具以高壓鈉燈、熒光燈和白熾燈為主。其中高壓鈉燈和白熾燈主要在冬春光照時(shí)間短或陰雨天時(shí)用于溫室補(bǔ)光，由于高壓鈉燈的發(fā)光效率高、使用壽命長(zhǎng)，故使用面積較廣。以一套溫室使用的飛利浦高壓鈉燈燈具（包括燈管、整流器以及反光燈罩）為例，功率為400 W，價(jià)格為300～400元，發(fā)光效率可達(dá)120 lm/W，光通量達(dá)47 000 lm，平均使用壽命為24 000 h。目前，世界玻璃溫室面積約4.9萬(wàn)hm2，而中國(guó)約為0.35萬(wàn)hm2，按照每15 m2一支鈉燈計(jì)算，中國(guó)需要230萬(wàn)支高壓鈉燈才可以基本滿足生產(chǎn)需要，如此，光源裝置就需要一次性投入7～9億元，而整個(gè)世界的需求達(dá)到了3 200萬(wàn)支，一次性需求投入達(dá)到了近百億元。若世界上所有這些溫室補(bǔ)光用高壓鈉燈運(yùn)行1 h，將會(huì)消耗電1 300萬(wàn)kWh。計(jì)算全世界283萬(wàn)hm2的農(nóng)業(yè)溫室LED照明補(bǔ)光需求的話，其數(shù)字將會(huì)再翻幾十倍之多。

目前密閉式植物生長(zhǎng)系統(tǒng)（如植物組培、植物工廠、食用菌工廠等）中普遍使用熒光燈作為人工照明光源，其中以組培生產(chǎn)中的使用最為普遍。以使用飛利浦T5三基色熒光燈燈管的普通10 m2組培室為例，每根燈管長(zhǎng)86 cm，直徑16 mm，功率為28 W，價(jià)格為18～20元，發(fā)光效率可達(dá)到100 lm/W，光通量2 900 lm，使用壽命24 000 h。在組培室中常根據(jù)燈管長(zhǎng)度設(shè)置組培架，每層面積為90 cm×50 cm，共3層，一個(gè)10 m2組培室可擺放10個(gè)3層栽培架，每層5根燈管，共需150根燈光。據(jù)農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計(jì)，截至2007年底，植物組培的總面積在2 000萬(wàn)m2以上，而在這基礎(chǔ)上每年產(chǎn)量大于千萬(wàn)株的組培公司，中國(guó)就有300家之多，植物組培的年產(chǎn)值已突破了200億元大關(guān)。按一年300個(gè)光照日，植物組培16 h/d光照時(shí)間，全國(guó)2 000萬(wàn)m2的植物組培面積，則需要至少3億根熒光燈，需要投入50～60億元人民幣，照明每年耗電總量至少需400億kW·h[4]。

現(xiàn)代畜牧業(yè)普遍采用人工照明促進(jìn)生產(chǎn)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，10萬(wàn)套、25棟雞舍的大型集約化養(yǎng)雞場(chǎng)，共需1 875支100 W燈泡，2007年底全國(guó)禽蛋產(chǎn)量2 946萬(wàn)t，并且每年以10%的速度在增長(zhǎng)；按10萬(wàn)套年產(chǎn)1 500 t計(jì)，共需370萬(wàn)支燈泡，以10 W LED光源替代100 W白熾燈可形成約11億元的市場(chǎng)。參照肉仔雞計(jì)算，其他禽類養(yǎng)殖業(yè)需要照明，整個(gè)禽類養(yǎng)殖照明市場(chǎng)達(dá)60億元。

植物工廠特別是人工光植物工廠對(duì)LED光源也有巨大的需求。目前，商業(yè)化的植物工廠主要分布于日本，其總數(shù)達(dá)到了50家，其中35家完全采用人工光照明，隨著植物工廠技術(shù)的日益成熟，植物工廠將是LED光源應(yīng)用的一個(gè)重要市場(chǎng)[5]。

綜上所述，中國(guó)現(xiàn)有農(nóng)業(yè)照明市場(chǎng)需求量大，并且隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)照明的需求還在不斷擴(kuò)大，但隨之而來(lái)的是耗電量的大幅增加。隨著節(jié)能理念的不斷深入，農(nóng)業(yè)照明巨大的市場(chǎng)機(jī)遇與能源消耗向傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)照明燈具技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，更為新型農(nóng)業(yè)照明燈具的開發(fā)與應(yīng)用提供了絕好的機(jī)遇[6]。

3 LED光源在農(nóng)業(yè)照明領(lǐng)域前景廣闊

中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)的地位不言而喻。當(dāng)前農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)也在不斷增加，比如氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響日益加大等，高技術(shù)、低耗、高效的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向，在中國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展中具有重要的戰(zhàn)略地位，備受重視。

國(guó)內(nèi)龐大的農(nóng)業(yè)照明需求是LED光源發(fā)展的外部動(dòng)力。LED組培專用光源具有廣闊持久的市場(chǎng)。同時(shí)，中國(guó)是全球工廠化植物組培育苗的生產(chǎn)基地和出口基地，也是目前全球最大的組培苗消費(fèi)市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的潛力都不容小覷[7]。LED光源農(nóng)業(yè)照明的發(fā)展前景非常廣闊，而國(guó)家目前又提出了戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)扶持政策，并且已確立2012年是新興產(chǎn)業(yè)繼續(xù)扶持年，政府將會(huì)出臺(tái)更多更優(yōu)惠的政策和措施來(lái)支持低能耗高附加值、綠色節(jié)能環(huán)保的行業(yè)發(fā)展，在良好的政策環(huán)境和廣闊的市場(chǎng)需求下，農(nóng)業(yè)照明領(lǐng)域的LED光源市場(chǎng)將會(huì)得到大力拓展。隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)照明領(lǐng)域LED光源技術(shù)的日趨成熟，中國(guó)必將成為世界最大的LED農(nóng)業(yè)照明應(yīng)用和生產(chǎn)大國(guó)，LED農(nóng)業(yè)照明光源必將大大加快中國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的前進(jìn)步伐。

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