劉文科，楊其長

(中國農業(yè)科學院農業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，農業(yè)部設施農業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點實驗室，北京 100081)

引言

農業(yè)是依靠動物、植物和微生物自然生長發(fā)育功能和繁育機能，來達到規(guī)?；a農產品目的的生物生產方式。俗話說，萬物生長靠太陽，太陽光是地球生物賴以生存的能量來源，是露地農業(yè)不可或缺的環(huán)境條件，光照條件的好壞直接決定著農業(yè)生產能否獲得優(yōu)質高產。近幾十年，我國的農業(yè)逐步經歷了由傳統(tǒng)農業(yè)向設施農業(yè)的轉變，正向著現代農業(yè)的方向轉變，在此轉變過程中農業(yè)生產環(huán)境要素的管控水平逐步提高，農產品生產的工廠化程度大幅增加。傳統(tǒng)農業(yè)(以種植業(yè)為例)，幾乎完全依靠自然資源進行生產，人為干預程度較小，僅能通過施肥、灌溉和耕作等農藝手段調控根際環(huán)境，地上部分環(huán)境無法調控，無法進行周年生產。在眾多環(huán)境因子中，光照作為最為重要的環(huán)境因子，其質量完全取決于太陽輻射和天氣情況，無法人為調控。設施農業(yè)階段人們可通過補光來調控植物生長發(fā)育和產量品質，初步使農業(yè)擺脫了自然條件，具備了周年生產的能力。現代農業(yè)作為現代工業(yè)、現代科學技術和科學管理方法裝備起來的農業(yè)[1]，是未來發(fā)展的必然趨勢，可實現生產全過程各因素可控管理，達到按需生產的目標。

1 現代農業(yè)照明的必要性

在20世紀80年代，隨著農業(yè)工程技術的發(fā)展，日光溫室出現，我國設施農業(yè)初步形成。溫室具有蓄熱保溫能力，設施內環(huán)境可控，初步實現周年生產，為人工光源的補光提供了條件，以達到溫光協(xié)同提高設施作物產量的目的。然而，受溫室結構、棚膜的遮擋，設施內光照較露地降低20%～50%，弱光寡照脅迫發(fā)生頻率與強度增加，嚴重影響著設施園藝的優(yōu)質高產，設施光環(huán)境調控的需求和迫切性增加。另一方面，設施人工光設施園藝產業(yè)的發(fā)展迅速，如植物組培、蔬菜栽培、種苗培育、食用菌栽培等均可在完全人工光下進行，更需要基于農業(yè)生物的光環(huán)境需求特性，通過人工光源提供適宜的光環(huán)境條件。同樣，設施畜禽養(yǎng)殖業(yè)對人工光環(huán)境調控的需要也十分迫切，人工光照不僅為動物提供視覺服務功能，也可調控動物的行為、生長發(fā)育和繁殖等非視覺功能，生產意義重大。對現代農業(yè)而言，人工光照明的需求是必需的、迫切的，這首先取決于設施農業(yè)生產的內在本質特征。設施農業(yè)是促生生產方式，就是要通過環(huán)境控制促進或延遲農業(yè)生物的生長發(fā)育與繁殖過程，按照人類的時空要求獲得所需要的動植物和食用菌產品。為了獲得較高的產量和品質，包括光照在內所有與農業(yè)生物生產相關的環(huán)境因子都有必要得到調控，而光照首當其沖。其次，光環(huán)境調控是現代農業(yè)發(fā)展的要求?，F代農業(yè)的發(fā)展目標為“高產、高效、優(yōu)質、生態(tài)、安全”，為此必須實現光照條件的按需調節(jié)，否則該目標無法實現。其次，光環(huán)境調控是現代農業(yè)發(fā)展的實際客觀需求，這主要表現在兩個方面。其一，溫室人工補光十分必要，需求迫切。連陰雨雪、霧霾、大氣污染等導致的設施弱光寡照脅迫常造成嚴重的生產危害，導致作物減產甚至絕收；而高緯度、短日照地區(qū)迫切需要進行光周期調控。為克服上述光環(huán)境問題，補光是有效途徑。其二，人工光設施栽培和設施養(yǎng)殖需求迫切。精準智能化光環(huán)境調控是人工光植物組培、植物工廠、食用菌工廠、畜禽養(yǎng)殖等領域優(yōu)質高產、能耗與生產效率的決定因素，必要性十分突出。

2 現代農業(yè)照明的應用領域

現代農業(yè)照明應用領域多樣，各領域生物形態(tài)各異，光環(huán)境需求差別較大，主要包括以下幾個領域：首先是設施園藝領域。我國設施園藝栽培面積已達380萬公頃，人工光栽培(植物組培、植物工廠、食用菌工廠)面積達2000公頃以上，產業(yè)規(guī)模逐年增加。在設施園藝領域光環(huán)境調控的模式包括以下幾個方面：(1)溫室補光。我國日光溫室和連棟溫室面積約100萬公頃，為了增加植物的光合產量，延長植物光照的光周期，必須進行人工補光。(2)食用菌工廠。食用菌是重要的蔬菜和保健品，2012年我國食用菌生產總量近3000萬噸，產值超過1500億元，占世界總產量的70%以上。目前，食用菌生產工廠化程度高，多數食用菌對光強要求不高，但光質要求苛刻，產量品質效應大，光環(huán)境調控非常重要。(3)植物工廠。植物工廠作為設施園藝的最高級發(fā)展階段，可用于蔬菜、苗木(蔬菜苗、水稻、煙草等)、中草藥等的規(guī)?；a[2]。據估算，人工光植物工廠葉菜生產效率是露地的108倍[3]，智能化人工光源及其光環(huán)境調控對其生產效率起到決定性作用。(4)植物組培。植物組培是種苗快繁、脫毒的重要手段，完全采用人工光照進行生產，對人工光源的需求極大。其次是畜禽與水產養(yǎng)殖領域。集約化養(yǎng)雞場、養(yǎng)豬場等都必須采用人工光照明。研究表明，人工照明的顏色、強度、時長及間斷控制等都會對養(yǎng)殖動物的行為習性、生理特性、生長發(fā)育等產生應激，最終影響動物的生長發(fā)育與繁殖性能。人工照明在畜禽養(yǎng)殖業(yè)具有廣闊的應用前景。此外，還包括誘魚燈與誘蟲燈應用。LED誘魚燈和LED誘蟲燈具有重要用途，具有生態(tài)高效的優(yōu)勢。

3 現代農業(yè)照明的必然趨勢

從歷史上來看，設施農業(yè)照明技術及產業(yè)發(fā)展與電光源技術的發(fā)展密切相關。白熾燈、熒光燈、高強度氣體放電燈、LED燈等電光源的出現與發(fā)展均促成了農業(yè)照明的發(fā)展與變革，同時拓展了農業(yè)照明的內涵和外延。有學者指出，第四代光源——LED在農業(yè)照明上的應用是農業(yè)照明發(fā)展的最大進步，具有里程碑式的意義[4]。這一論斷主要基于下述理由：(1)LED極大地拓展了農業(yè)照明的內涵，可按農業(yè)生物生長發(fā)育、繁殖需求調制光譜，光質、光強和光周期可綜合調控，按需用光，生物光效高；(2)LED可控性好，實現了光環(huán)境的精準、智能調控，適宜工廠化生產；(3)LED光源裝置多樣，如：燈板、燈帶、燈管和燈泡等，適于設施農業(yè)各領域的應用；(4)LED為冷光源，貼近農業(yè)生物照射，可提高空間利用率；(5)LED具有節(jié)能、環(huán)保、長壽命、體積小、重量輕等特性。因此，LED光源被認為是現代農業(yè)照明的理想光源，半導體照明必將逐步替代傳統(tǒng)光源被廣泛應用到農業(yè)生產的各個領域[5]。

4 現代農業(yè)照明存在的問題

當前，現代農業(yè)照明在科學研究、技術裝備研發(fā)和推廣應用上存在一定的問題。首先，在科學認知方面。我國在農業(yè)光生物學規(guī)律研究方面嚴重落后。原因之一：農業(yè)生物營養(yǎng)與生長發(fā)育規(guī)律具有多樣性和復雜性，農業(yè)生物對光環(huán)境的響應機理各不相同，研究方法各異，需要逐一系統(tǒng)研究，揭示其光生物學規(guī)律。植物是利用光能、CO2和水，通過葉綠素光合作用形成碳水化合物，將光能轉變?yōu)榛瘜W能；動物是通過消化酶將飼料或食物消化，將化學能轉變?yōu)樯锬?；而微生?以食用菌為例)則需通過胞外酶分解栽培基質獲取所需營養(yǎng)產生菌絲和子實體。原因之二：農業(yè)生產領域龐雜，農業(yè)生物生存形態(tài)各異，對光環(huán)境時空需求不同。農業(yè)照明涉及到的領域有：(1)設施園藝(包括溫室補光、蔬菜生產、組培育苗、種苗培育、食用菌生產等)；(2)設施養(yǎng)殖與水產(包括肉雞、蛋雞、魚、豬等)；(3)誘魚燈和誘蟲燈(包括魚、昆蟲)。原因之三：光環(huán)境的數量屬性(即光強和光周期)、質量屬性(即光質和光譜)和電光源發(fā)光特性(即占空比、頻率)多，需要逐一研究其生物學效應。其次，在科學研究與技術研發(fā)方面，傳統(tǒng)光源與LED光源研發(fā)力度不足，缺乏適用產品。半導體照明農業(yè)應用處于起步階段，中國、日本、韓國、美國、荷蘭正在加緊研發(fā)農用LED燈具。美國、日本和韓國相繼提出了半導體農業(yè)照明的科研立項，我國也在863重大專項(非視覺照明課題)、863項目(智能化植物工廠生產技術)、國家科技支撐計劃項目列資了LED光源研發(fā)的課題。最后，在成果轉化層面，缺乏企業(yè)與研究單位間溝通的全國性平臺，LED農業(yè)照明產品的研發(fā)與成果轉化上缺乏全國性交流平臺，涉農的LED制造企業(yè)的創(chuàng)新與成果轉化能力不足。當前，農業(yè)照明技術薄弱、光源裝置性價比不高、缺乏政府扶持(研究項目、產品補貼、成果轉化資金等)、電光源研發(fā)與產品化渠道不暢、照明產品推廣應用率低、LED光源應用困難等現實問題仍存在。

5 現代農業(yè)照明發(fā)展展望

現代農業(yè)照明應用前景非常廣闊，據估算其產業(yè)規(guī)模在千億元以上，在未來5～10年將有較大的發(fā)展。育苗工廠、植物工廠、食用菌工廠和畜禽養(yǎng)殖將是LED燈具研發(fā)與應用的優(yōu)先領域，效益十分可觀。從根本上來講，現代農業(yè)照明發(fā)展必須有全國性的交流平臺，以加強科研院所、高等院校與照明企業(yè)間的對接，促進農業(yè)照明技術轉移和產品裝備的更新換代與推廣應用，并逐步建立農業(yè)照明產品評價和測量標準體系，提高農業(yè)照明對現代農業(yè)發(fā)展的科技貢獻率。

[1] 農業(yè)大詞典編輯委員會.農業(yè)大詞典[M].北京：中國農業(yè)出版社，1998.

[2] 楊其長，魏靈玲，劉文科. 植物工廠系統(tǒng)與實踐[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2012.

[3] Kozai T. Plant factory in Japan-current situation and perspectives[J]. Chronica Horticulturae, 2013, 53(2): 8-11.

[4] 劉文科，楊其長，魏靈玲. LED光源及其設施園藝應用[M]. 北京：中國農業(yè)科學技術出版社，2012.

[5] 劉文科，楊其長. 2013-33科技工作大家談：現代設施園藝的最高形式——植物工廠[J].科技導報，2013，31(33)：11.