LED照明背后：农业照明5大问题探索思考

 

 

　　地球上的绝大多数动物与植物的生长都离不开太阳光的照射，但在不同区域和不同时间，太阳光的供应是有限及有区别的，避开光照的周期，仍然有很多光照不足的情况，因而人工光源在动植物的生长中的补光应运而生。在LED技术之前，主要依靠高压钠灯、荧光灯等光源进行，然而这类传统光源在光谱与能量上很不灵活，且由于动植物的多样性，不同的物种对人工补光要求可能不同，使得人工补光的应用发展缓慢。

 

　　LED是近年来快速发展的照明技术。除了光效、寿命等方面较传统光源具有很大优势外，LED在光谱空间、时间、及尺度空间等的巨大灵活性，造就了 LED在动植物补光上巨大的应用前景。同时，近年来LED技术不断完善，光效等不断提高，价格快速下降，推动了LED用于农业照明的实质性进展。但由于农业照明涉及面的复杂性，使得目前LED用于农业照明总体上是处于不断的试验摸索阶段，有很多理论问题与实践问题尚未解决，本文试图在这些方面进行一些片面的阐述。

 

 

　　如果把植物照明与动物照明纳入农业照明范围内，则其所涉及的学科包括植物学、动物学、生物统计学、照明技术、控制技术等。前三者是生物学的领域，后两者是照明技术的领域，学科跨度很宽，在这几门学科中，照明技术是技术手段，而生物学领域的内容是实验过程与结果评判。总体来说，生物学领域的知识是进行农业照明的最重要部分，但目前农业照明主要指的是采用LED的照明技术，而LED的高度灵活性，使得进行农业照明过程中，作为主体的农业或者生物领域的科学家，需要照明学家的高度配合，以实现各种动植物物种的最佳照明条件，同时照明学科在视觉领域的成功完善，也是农业照明值得借鉴的。因此，农业照明的学科与技术进步，需要农业及生物领域的科学家与照明领域的科学家密切配合。

 

 

　　作为1项与农业相关的科学与技术，农业照明继承了农业科学的复杂性特点，如前所述，其中包括两个方面：农业与照明。

 

　　前者研究的物种非常多，且每1个物种，影响的条件因素也非常多。如植物生长的几个基本要素，阳光、空气、水，除此之外，种子、土壤、周边环境如温度、湿度、气候的变化等，也影响植物的生长。而动物方面，由于是活动的，包括的因素更多，即使所有这些条件一致，各个动植物个体的生长情况也可能有差异，这就决定了进行农业照明研究时必须以生物统计学的方法进行研究。

 

　　另外在照明方面，也存在多个变数，包括照明的光谱、强度、时间与周期、光形式（稳态还是脉冲）等。

 

　　以上两个方面，决定了农业照明的复杂性，尽管通过调控光的强度优化动植物的生长，可以保持其他条件相同的情况下进行，但可能存在的各种条件的相互影响将使研究问题更加复杂化。

 

 

　　农业照明的复杂性决定了农业照明研究的试验难度，体现在具体实验上就是试验的变数太多。尽管主要试验光照的情况，通过研究不同的光照条件，如照射强度、光谱、照射时间、照射周期、照射方式等情况下动植物的生长情况，并期望固定其他农业条件如温度、湿度、空气、水分、营养成分、种子等。但是这两类因素可能相互影响，因而在实际的实验研究中，要考虑的试验变化条件非常多，同时每个条件，出于生物统计学的考虑，也要具有一定的样本。这就使得试验条件多、样本多，再加上每个试验条件需要一定的生长时间，最后造成农业照明研究的情况是：试验样本非常多、试验时间跨度很长，农业照明成为了费时、费力、费空间的研究。举 1个例子，如果设置 3种光照条件变数，如光谱、强度、照射时间，每种变数采用10个分立值，则可知共有1 000种条件，加上生物条件如果10种，那就是10000种情况，如果每种情况10个样本，那就是100000个样本，如果每个样本要进行2个月，那么可以想象这个试验的难度。因此实际的研究，被迫采用减少试验变数以及减少每种试验变数的数量，笔者在阅读相关文献时，常发现采用的光照条件仅仅在10种以内，有可能出现所采用的试验条件中，没有最优的，因而不能搜寻出最佳结果。

 

　　曾经报道过的铁皮石斛补光试验，在1个大棚里共6条苗床(占地一亩)，安装以及调试了153只LED灯具和8盏荧光灯，644个样本的标记。数据采集进行了7个月，已完成了3批近20万个数据，通过分析得到最佳光照条件。现场情况如图1、2、3所示。

 

　　如图 3中可见， 113种不同的光环境组合环境中，仅有2种试验条件出现最佳的铁皮石斛生长情况，且这两种生长情况明显比其余生长情况优越得多。而其余111种光照条件下，生长情况比荧光灯对照组及无光照组没有太大的区别。可以想象，如果试验10种或者20种条件，很可能没法搜寻出最佳的光照条件。

 

　　在LED之前，对采用传统光源进行补光也进行了大量的研究，但由于传统光源灵活性不够，很难实现多种光照条件，往往只能研究简单的几种光照条件，如前文所说的常采用10余种。因此，在LED很容易实现各种光照条件的情况下，重新详细的研究并筛选最佳光照条件，有很大的实际意义。

 

 

　　农业照明普遍认为是有光谱选择性的，这与视觉照明一样，因而存在1个类似于视觉照明中的光谱视见函数的加权曲线，常被引用的曲线如图4、5所示。

 

　　人眼视见函数的研究也是经过大量的试验后得到的，由于各人种存在的差异较小，因而目前该视见函数被普遍采用。但植物照明的加权函数目前有的理论有限，较多的采用图5的植物叶绿素光谱吸收率，且受到很多质疑。实际上，看看各种植物的叶面光谱反射率的不同，也很容易想象到，不同的植物的光合作用加权函数很可能不同，因而有大量的研究工作需要进行。完成各种植物的光合作用光谱加权函数之后，可以参照视觉照明建立“光通量”的概念，即辐射通量到光合作用的物理量转换，并完成相应的测试手段等。

 

　　动物的照明与植物类似，也存在相应的研究工作有待完成。

 

 

　　照明学科中，视觉科学是研究光作用于人眼的科学，主要评价指标是视觉的清楚与舒适，牵着包含照度、亮度等指标，后者是眩光、频闪等指标。进入到农业照明，关注的指标则更加复杂，包括植物的生长、某些成分的含量等，进一步细化可以是植物的叶子面积、根茎、总高、颜色等，成分方面包括糖分、叶绿素等多个指标。实际上，除此之外还有很多其他的指标，如可以通过补光实现增加植物的生长，也可以反过来抑制某些东西的生长，这就会有另一类评价指标。

 

　　动物照明的评价指标同样复杂多样，如用于肉鸡的生长补光照明，评价指标可以是鸡的生长速度，也可以是肉质，蛋白质含量等，可以考虑鸡的销售观感与死亡率等，甚至鸡的啄羽情况等。

 

　　评价指标上的复杂性，更增加了农业照明的研究难度。值得一提的是，由于采用多个照明条件，且不同的生长阶段可能需要不同的补光情况，因而农业照明常与控制技术结合，即通过控制技术，实现整个照明的完全控制。

 

 

　　随着LED技术的进步，性能的提高与价格的进一步下降，相信LED在农业照明上会具有很大的应用前景，但需要通过科学的研究，完成照明优化条件的探索，鉴于以上分析的农业照明的难度，需要农业科学家与照明科学家的密切配合完成。