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        植物照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)

        2021-12-23 17:32:22劉文科中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京100081
        農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 2021年28期
        關(guān)鍵詞:植物發(fā)展

        劉文科(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)

        植物照明是農(nóng)業(yè)照明的主要組成部分,是一種調(diào)控設(shè)施植物光環(huán)境的工程技術(shù)措施,以促進(jìn)植物的生長發(fā)育、產(chǎn)量及品質(zhì)。植物照明主要應(yīng)用于設(shè)施植物生產(chǎn)(人工光植物工廠和溫室等園藝設(shè)施中),少量用于露地栽培補(bǔ)光,克服弱光寡照逆境或?qū)嵤┕庵芷谡{(diào)控,以獲得最大植物生產(chǎn)效益。植物照明是一個(gè)跨界的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域,涉及到設(shè)施園藝工程和照明工程兩個(gè)學(xué)科,為交叉新興產(chǎn)業(yè),因此產(chǎn)業(yè)發(fā)展快慢和質(zhì)量高低依賴于學(xué)科交叉融合程度?,F(xiàn)今世界范圍內(nèi),設(shè)施園藝光環(huán)境調(diào)控已成為研究的熱點(diǎn),尤其集中在溫室補(bǔ)光和人工光植物工廠光環(huán)境調(diào)控方面。植物光質(zhì)生理規(guī)律的揭示是驅(qū)動(dòng)植物照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展的科學(xué)基礎(chǔ),植物照明的原理是最大程度利用植物光質(zhì)生理特性,設(shè)計(jì)專用LED植物燈和照明控制系統(tǒng),在時(shí)間和空間上給予植物特定的光照條件,通過光合作用和光形態(tài)建成調(diào)節(jié),挖掘植物光合和代謝潛能,實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)目標(biāo)[1-2]。

        隨著LED照明技術(shù)的進(jìn)步與興起,受荷蘭和日本設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)發(fā)展的影響,中國設(shè)施園藝多樣性和先進(jìn)性正在經(jīng)歷著跨越式發(fā)展,連棟溫室規(guī)?;l(fā)展遞增,人工光植物工廠應(yīng)用持續(xù)興起。最近10年,伴隨LED植物照明專用光源產(chǎn)業(yè)和設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)爆發(fā)式發(fā)展,形成了以珠三角、長三角和京津冀為中心的植物照明研發(fā)與產(chǎn)業(yè)基地,植物照明產(chǎn)品和應(yīng)用領(lǐng)域逐年增加,已經(jīng)成為中國LED照明產(chǎn)業(yè)盈利的新增長點(diǎn)。目前,包括上游LED芯片、中游的封裝、電源和燈具企業(yè)已有數(shù)百家,遍布全國20余個(gè)省份。近5年,隨著國際上大麻種植和使用的合法化或被許可、設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)升級(jí)和高附加值園藝產(chǎn)品需求的攀升,植物照明迎來了發(fā)展新契機(jī),植物照明研發(fā)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入了新的發(fā)展時(shí)期。根據(jù)全球調(diào)研機(jī)構(gòu)Technavio研究報(bào)告顯示,2020年全球植物生長燈市場(chǎng)達(dá)30億美元,2016~2020年全球市場(chǎng)以11.7%的增長率增長。第26屆廣州國際照明展上,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)涉及植物照明的企業(yè)多達(dá)幾十家,發(fā)展勢(shì)頭可見一斑。本文總結(jié)了植物照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展的機(jī)遇,分析了植物照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn),并展望了未來10年植物照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局。

        植物照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展機(jī)遇

        植物照明的興起和產(chǎn)業(yè)發(fā)展是國內(nèi)外設(shè)施園藝和LED照明科技發(fā)展融合的必然結(jié)果。按照具體應(yīng)用領(lǐng)域而言,在國際疫情常態(tài)化條件下,人工光植物工廠、設(shè)施園藝補(bǔ)光、大麻室內(nèi)種植、家庭園藝等設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)是撬動(dòng)植物照明發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)因素。此外,中國雄厚的LED產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)也為植物照明發(fā)展提供了工業(yè)基礎(chǔ)和產(chǎn)業(yè)背景。

        人工光植物工廠

        人工光植物工廠一般采用LED燈為唯一光源進(jìn)行蔬菜、藥用植物等規(guī)?;a(chǎn),是單位面積LED燈使用密度最大的園藝設(shè)施類型,是近些年驅(qū)動(dòng)LED植物照明發(fā)展的首要因素。國際上,中大型人工光植物工廠快速發(fā)展,生產(chǎn)高附加值和高品質(zhì)植物種類及其產(chǎn)品,如草莓、藥用植物、藥食同源植物等。國內(nèi)方面,經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)人工光植物工廠發(fā)展頗為迅速,陸續(xù)涌現(xiàn)出了多家規(guī)模較大的人工光植物工廠企業(yè),從事植物生產(chǎn)和工程復(fù)制[3]。而且,LED光源家庭植物工廠產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,已推出十余款家庭植物工廠產(chǎn)品,可生產(chǎn)各種葉菜,功能多樣[4]。此外,在海島、沙漠、太空、艦船、極地、高原等特殊極端環(huán)境條件下,人工光植物工廠在解決綠色鮮活蔬菜問題上起著不可或缺的作用,社會(huì)應(yīng)用價(jià)值不言而喻。

        設(shè)施園藝補(bǔ)光

        中國設(shè)施園藝的栽培面積高達(dá)400萬hm2以上,涵蓋了蔬菜、果樹、藥用植物、食用菌、種苗、組培苗、花卉等多個(gè)領(lǐng)域。設(shè)施園藝是環(huán)控型產(chǎn)業(yè),光環(huán)境調(diào)控是其本質(zhì)要求,對(duì)消除弱光寡照逆境,實(shí)施光周期調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)起到重要的作用[5]。設(shè)施作物反季節(jié)生產(chǎn)上市,補(bǔ)光措施需求迫切,北方設(shè)施果樹(櫻桃、葡萄、油桃、棗、藍(lán)莓、西甜瓜等),提前上市可大幅提升生產(chǎn)效益。即使在南方,露地火龍果等果蔬生產(chǎn)在陰雨天氣也需要人工補(bǔ)光,促進(jìn)開花結(jié)果,獲得更高的效益。

        國際大麻室內(nèi)種植

        北美工業(yè)大麻合法化不斷推進(jìn),推動(dòng)植物照明需求爆發(fā),未來五年全球大麻市場(chǎng)每年可能增長22%。美國大麻市場(chǎng)迅速擴(kuò)容,2019年種植面積45.3萬英畝(1.8×105hm2),比2018年增長了479%。根據(jù) New Frontier Data,2019年美國合法大麻市場(chǎng)規(guī)模為136億美元,其中娛樂大麻市場(chǎng)76億美元,醫(yī)用大麻市場(chǎng)60億美元。2019~2025美國合法大麻市場(chǎng)規(guī)模將由136億美元增至297億美元,醫(yī)用大麻市場(chǎng)將由60億美元增至131億美元。其次,工業(yè)大麻種植在全球更多國家蓬勃發(fā)展[6],大麻二酚(CBD)應(yīng)用空間廣闊。根據(jù)Canopy Growth測(cè)算,潛在的全球工業(yè)大麻市場(chǎng)規(guī)模超過3000億美元。展望未來,大麻植物工廠種植是必然趨勢(shì),LED植物照明燈具需求將大幅增加。

        國際疫情常態(tài)化因素

        國際上,因美國等諸多國家疫情短時(shí)無法得到有效控制,疫情背景下供應(yīng)鏈及食品安全憂慮顯現(xiàn)、疊加長期全球人口增長與耕地面積有限的矛盾。北美市場(chǎng)為代表的用于工業(yè)大麻種植的植物生長燈,歐洲為代表的果蔬、花卉種植的植物生長燈銷量都有較明顯的增長。近兩年,國際疫情常態(tài)化條件下,安全、營養(yǎng)農(nóng)產(chǎn)品的需求保障問題比較棘手,室內(nèi)種植成為較好的選擇。從蔬菜、苗木、香料、草莓,到花卉、牧草、(工業(yè))大麻等室內(nèi)場(chǎng)所規(guī)?;N植需求逐年增加,這必然導(dǎo)致對(duì)LED植物生長燈的國內(nèi)外需求激增,刺激植物照明市場(chǎng)。

        LED制造業(yè)高值賦能

        中國是世界最大的LED產(chǎn)業(yè)國,LED半導(dǎo)體照明上中下游產(chǎn)業(yè)鏈完善,產(chǎn)業(yè)規(guī)模大。根據(jù)CSA research發(fā)布的《2019中國半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展藍(lán)皮書》顯示,2019年中國LED半導(dǎo)體照明行業(yè)總產(chǎn)值達(dá)7548億元。LED產(chǎn)業(yè)規(guī)模發(fā)展中,下游應(yīng)用貢獻(xiàn)最大。2019年,中國LED半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)下游應(yīng)用規(guī)模達(dá)到6388億元,占比84.63%。雄厚的LED產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)也為植物照明發(fā)展提供了工業(yè)基礎(chǔ)和產(chǎn)業(yè)背景。LED植物照明已經(jīng)占據(jù)一席之地,成為新的增長點(diǎn),出口勢(shì)頭強(qiáng)勁。

        植物照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展挑戰(zhàn)

        LED企業(yè)轉(zhuǎn)型需要產(chǎn)研合作

        植物照明是需要LED燈具與植物栽培平臺(tái)有效對(duì)接才能獲得最佳的應(yīng)用效益。同時(shí),LED植物照明的技術(shù)參數(shù)制定非常關(guān)鍵,需要大量的試驗(yàn)來揭示植物光質(zhì)生理學(xué)規(guī)律。所以高效起見,植物照明企業(yè)應(yīng)與設(shè)施園藝領(lǐng)域科研院所合作,實(shí)施強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合和專業(yè)分工,把針對(duì)特定植物種類或品種的最優(yōu)光環(huán)境參數(shù)與高性價(jià)比的LED燈具設(shè)計(jì)相結(jié)合,獲得高效的LED植物照明系統(tǒng)。此外,植物照明懸掛方式很重要,優(yōu)化的懸掛方式可充分利用LED植物燈冷光源特性,兼顧照射面積,獲得最佳的光照效益。以(工業(yè))大麻室內(nèi)種植為例,(工業(yè))大麻光環(huán)境的技術(shù)參數(shù)尤其重要[7],過去(工業(yè))大麻未合法化年代(工業(yè))大麻光環(huán)境參數(shù)研究成果很少[8],值得關(guān)注。

        室內(nèi)大麻生長燈依賴于國際市場(chǎng)

        近些年,植物照明LED燈具的銷售市場(chǎng)主要包括國內(nèi)和國際市場(chǎng),主要集中于設(shè)施園藝和(工業(yè))大麻生產(chǎn)兩個(gè)領(lǐng)域。當(dāng)前,中國LED植物照明產(chǎn)品主要出口到歐美市場(chǎng),得益于北美大麻種植逐漸合法化。但是,國內(nèi)市場(chǎng)尚待開發(fā)培育,潛力不容低估。

        設(shè)施園藝細(xì)分市場(chǎng)亟待開發(fā)

        設(shè)施園藝用戶的激活與培育是保障LED植物照明產(chǎn)業(yè)長期發(fā)展的基礎(chǔ)。但是,基于設(shè)施園藝生產(chǎn)的復(fù)雜性,設(shè)施園藝LED照明系統(tǒng)的研發(fā)存在多樣性和技術(shù)難度,必須在揭示設(shè)施植物光質(zhì)生理特性前提下,才能按照栽培平臺(tái)要求設(shè)計(jì)LED燈具,才能有效實(shí)施光環(huán)境調(diào)控。溫室園藝中LED燈取代高壓鈉燈是必然趨勢(shì),設(shè)施牧草、藥用植物、果樹等新興園藝業(yè)態(tài)不斷涌現(xiàn),LED照明將成為未來設(shè)施園藝標(biāo)準(zhǔn)配置裝備,對(duì)實(shí)現(xiàn)未來智慧園藝必不可少。

        LED植物燈的性價(jià)比提升

        較高的產(chǎn)量品質(zhì)效應(yīng)和良好的視覺健康效果是LED植物照明的基本目標(biāo),也是衡量LED燈具性價(jià)比的重要原則。通過光譜調(diào)制、智能控制和植物栽培平臺(tái)的合理耦合,可以獲得較高的產(chǎn)量品質(zhì)效應(yīng)。通過光譜調(diào)制、二次光學(xué)設(shè)計(jì)和照射角度控制可以獲得良好的視覺健康。當(dāng)然,高性價(jià)比LED燈具的研制是以半導(dǎo)體芯片技術(shù)先進(jìn)性為前提的,其節(jié)能效率和光電轉(zhuǎn)換效率是后端燈具設(shè)計(jì)無法從根本上控制的。

        總結(jié)

        植物照明是近10年LED照明領(lǐng)域的研發(fā)的熱點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)增長點(diǎn)??傮w來講,LED植物照明已經(jīng)越過了技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)塑形的初級(jí)階段,產(chǎn)業(yè)已經(jīng)越過成長期,逐步走入成熟期。當(dāng)前,植物照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨著發(fā)展機(jī)遇,也存在一些挑戰(zhàn)。機(jī)遇方面,在國際疫情常態(tài)化條件下,人工光植物工廠、設(shè)施園藝補(bǔ)光、大麻室內(nèi)種植、家庭園藝等設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)將長期助力植物照明的快速發(fā)展,中國雄厚的LED產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)也為植物照明發(fā)展提供了工業(yè)基礎(chǔ)和產(chǎn)業(yè)背景。植物照明產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)包括以下幾個(gè)層面。首先,植物照明市場(chǎng)仍需要培育,細(xì)分市場(chǎng)產(chǎn)品和產(chǎn)品性價(jià)比亟待提高;其次,植物照明龍頭企業(yè)鳳毛麟角,知名產(chǎn)品屈指可數(shù);產(chǎn)業(yè)自信心、用戶可見度、產(chǎn)學(xué)研結(jié)合和細(xì)分市場(chǎng)利用有待提升;最后,國內(nèi)市場(chǎng)開發(fā)利用是重大課題,尤其是在當(dāng)前中國植物照明產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)集群、科研機(jī)構(gòu)集群和設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)集群地域分離問題嚴(yán)重,三者合力和凝聚力有待強(qiáng)化。展望未來10年,植物照明技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用規(guī)模將取得重大進(jìn)展,形成較為完整的產(chǎn)品體系和市場(chǎng)體系,重點(diǎn)將推出植物工廠用大麻生長燈[8]、牧草生長燈[9]、育苗燈、草莓燈和藥用植物生長燈等,以及溫室蔬菜、果樹專用補(bǔ)光燈等,市場(chǎng)前景十分可觀。此外,LED將有序取代HPS,國內(nèi)設(shè)施園藝生產(chǎn)植物照明燈具覆蓋率將達(dá)到60%以上,LED產(chǎn)品滲透率將達(dá)到60%以上,比當(dāng)前提高1倍。產(chǎn)業(yè)上,植物照明產(chǎn)業(yè)將出現(xiàn)10家左右龍頭企業(yè),年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到50億元以上,出口規(guī)模逐年提升,成為植物燈生產(chǎn)和使用大國甚至強(qiáng)國。

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