摘要：基于LED光源的農(nóng)業(yè)照明在歐美國家得到了大力發(fā)展，各國政府都在積極推廣LED農(nóng)業(yè)照明，中國在農(nóng)業(yè)照明領(lǐng)域的LED技術(shù)興起于最近幾年。實踐證明，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)作物不同的生理時段調(diào)節(jié)光照波長，縮短了農(nóng)作物的生長周期、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，并對LED光源在農(nóng)業(yè)照明領(lǐng)域的市場潛在需求進(jìn)行分析和統(tǒng)計，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：S123；TM923.34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439—8114（2012）19—4385—03

隨著LED技術(shù)的發(fā)展，美國、日本、韓國等紛紛將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)作物生長的特定波長的紅光，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，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的農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)。美國農(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”在中國農(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）電工、臺灣億光、揚子電器、歐琳集團(tuán)等數(shù)十家國際知名企業(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、營養(yǎng)液制劑等領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新、市場開發(fā)等達(dá)成一致。

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

近年來隨著農(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越重要，新型節(jié)能高效給光措施更成為研究的熱點，新型發(fā)光材料的成功研制為這一問題的解決提供了契機。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、壽命長等諸多優(yōu)點，在農(nóng)業(yè)照明領(lǐng)域優(yōu)勢很明顯。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，植物生長需要太陽光，而LED農(nóng)業(yè)照明光源就是利用太陽光的原理，用燈光代替太陽光成為植物生長發(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別波段的光，其他波段的光都被浪費，不節(jié)能。再者由于白熾燈泡、日光燈管、鈉燈等耗電量較大，同時產(chǎn)生很多的熱輻射，不能對植物近距離照射，對植物生長光激勵效率不高，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中有所應(yīng)用外，并沒有在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上得到廣泛應(yīng)用。

光環(huán)境是植物生長發(fā)育不可缺少的重要物理環(huán)境因素之一，通過光質(zhì)調(diào)節(jié)，控制植株形態(tài)建成是設(shè)施栽培領(lǐng)域的一項重要技術(shù)。光線光譜對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莖生葉[2]。應(yīng)用測試結(jié)果表明，LED農(nóng)業(yè)照明光源的波長非常適合植物的生長、開花、結(jié)果[3]。一般室內(nèi)植物花卉會隨著時間延長長勢越來越差，主要原因就是缺少光的照射，通過適合植物所需光譜的LED燈照射，不僅可以促進(jìn)其生長，而且還可以延長花期，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作為補充光照，在一天的任何時間都可以增強光照，可以延長有效照明時間。②無論在黃昏還是夜晚，可以有效延長和科學(xué)控制植物所需要的光照。③在溫室或植物實驗室可完全替代自然光促進(jìn)植物生長。對于絕大多數(shù)種植者來說，LED植物燈是代替日照的最佳光源。因為它的光譜完全根據(jù)植物生長所需的光譜設(shè)計，并具有高亮度和超長使用壽命等特性。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間。

在溫室里具有全光譜的光照對植物生長來說至關(guān)重要。早期所使用的植物照明光源非全光譜光源，無法全面提供植物生長需要的光照?，F(xiàn)在最新推出的植物生長高光通鈉燈具有全光譜特性，可提供植物生長所需的全部光照，能夠極大地縮短植物生長所需要的時間。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間短或陰雨天時用于溫室補光，由于高壓鈉燈的發(fā)光效率高、使用壽命長，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hm2，而中國約為0.35萬hm2，按照每15 m2一支鈉燈計算，中國需要230萬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，而整個世界的需求達(dá)到了3 200萬支，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光用高壓鈉燈運行1 h，將會消耗電1 300萬kWh。計算全世界283萬hm2的農(nóng)業(yè)溫室LED照明補光需求的話，其數(shù)字將會再翻幾十倍之多。

目前密閉式植物生長系統(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86 cm，直徑16 mm，功率為28 W，價格為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)燈管長度設(shè)置組培架，每層面積為90 cm×50 cm，共3層，一個10 m2組培室可擺放10個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，截至2007年底，植物組培的總面積在2 000萬m2以上，而在這基礎(chǔ)上每年產(chǎn)量大于千萬株的組培公司，中國就有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個光照日，植物組培16 h/d光照時間，全國2 000萬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，10萬套、25棟雞舍的大型集約化養(yǎng)雞場，共需1 875支100 W燈泡，2007年底全國禽蛋產(chǎn)量2 946萬t，并且每年以10%的速度在增長；按10萬套年產(chǎn)1 500 t計，共需370萬支燈泡，以10 W LED光源替代100 W白熾燈可形成約11億元的市場。參照肉仔雞計算，其他禽類養(yǎng)殖業(yè)需要照明，整個禽類養(yǎng)殖照明市場達(dá)60億元。

植物工廠特別是人工光植物工廠對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)用的一個重要市場[5]。

綜上所述，中國現(xiàn)有農(nóng)業(yè)照明市場需求量大，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大，但隨之而來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)照明巨大的市場機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)用提供了絕好的機遇[6]。

3 LED光源在農(nóng)業(yè)照明領(lǐng)域前景廣闊

中國是農(nóng)業(yè)大國，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，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，在中國農(nóng)業(yè)發(fā)展中具有重要的戰(zhàn)略地位，備受重視。

國內(nèi)龐大的農(nóng)業(yè)照明需求是LED光源發(fā)展的外部動力。LED組培專用光源具有廣闊持久的市場。同時，中國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市場，國內(nèi)外市場的潛力都不容小覷[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，政府將會出臺更多更優(yōu)惠的政策和措施來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)境和廣闊的市場需求下，農(nóng)業(yè)照明領(lǐng)域的LED光源市場將會得到大力拓展。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，LED農(nóng)業(yè)照明光源必將大大加快中國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的前進(jìn)步伐。

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