LED灯在农业中的应用

我国是农业大国，农业的地位不言而喻。当前农业技术发展的同时，农业发展面临的挑战也在不断增加，比如气候变化对农业生产的影响日益加大等，高技术、低耗、高效的现代化农业成为农业发展的重要方向，在我国农业发展中具有重要的战略地位，备受重视。2010年国务院一号文件《中共中央国务院关于加大统筹城乡发展力度进一步夯实农业农村发展基础的若干意见》也明确表明，要积极支持农业发展方式的转变，提高农业科技创新和推广能力等。

应该看到，随着现代化农业的不断发展，农业照明的需求和能耗在不断扩大，对传统农业照明灯具技术也提出了新的挑战。LED作为新一代光源，除了环保节能的特点外，相较于目前农业领域常用荧光灯或高压钠灯等人工光源，具有光量可调整、光质可调整、冷却负荷低与允许提高单位面积栽培量等优点，对封闭有环控的农业生产环境，如植物组织培养室等是一种非常适合的人工光源。同时在养殖，微藻培养等方面也拥有巨大的应用潜力。 可以预见，LED的应用将会给农业带来一场全新的“革命”，比如植物工厂被认为是设施农业高级发展阶段，集现代生物技术、信息技术、人工环境控制等多种高技术于一体，不仅产量高于露地栽培多倍，而且还可以在非可耕地上如戈壁、荒漠、海岛、水面甚至城市大楼里进行生产，也被认为是未来解决人口、资源、环境等问题有效技术手段。 无论是从促进现代化农业发展的角度，还是实现节能环保的角度，LED应用于农业都具有非常重要的意义，而农业的地位及发展需求也为LED提供了发展机遇。 目前，国内农业照明中已开始采用LED，比如陕西杨凌农业示范区建立太阳能光伏LED植物工厂等。除了一些应用外，LED在农业领域应用的相关技术研发也日渐受到关注。2010年12月“植物工厂创新成果发布会”在中国农业科学院举办，中国农业科学院所属高科技企业——北京中环易达设施园艺科技有限公司推出了家庭版植物工厂以及家庭园艺系列产品，并分别与荷兰飞利浦照明、日本三菱化学、松下（中国）电工、台湾亿光、扬子电器、欧琳集团等数十家国际知名企业签署战略合作协议，就LED植物照明光源、工业控制、空调环境控制、营养液制剂等领域的技术创新、市场开发等达成一致，签订了战略联盟。发布会的召开不仅标志着国内首例家庭版植物工厂正式诞生，也预示着植物工厂研发的战略联盟正式形成。 另外，随着LED技术的发展，美国、日本、韩国等国纷纷将LED农业照明应用作为重要的发展方向，积极布局。国内外的众多厂商也纷纷进军农业照明，LED在农业照明领域的竞争正在悄然进行。 国内外LED农业应用的发展现状 据了解，LED在农业照明中的应用主要包括植物生产、养殖业、微藻培养、食用菌生产等，日本、韩国、美国等国均提出了相关的项目

日本三菱化学公司用大型集装箱改造成“植物工厂”，这种“植物工厂”以LED为光源进行作物的光合作用。为适应新生的植物工厂的需求，日本昭和电工专门为“植物工厂”开发了LED产品，可以发射促使农作物生长的特定波长的红光，目前已被日本全国10多家植物工厂采用，2010年的销售额预计可达10亿日元。 韩国知识经济部宣布将投入30亿韩元（约合人民币1650万元）用于IT—LED栽培核心配件和核心技术的研发，计划到2010年底完成芯片开发，并建造495㎡规模化LED栽培基地。该IT-LED栽培系统的核心组成之一为LED植物人工光源。韩国知识经济部相关人士表示：“LED可以为植物提供光合作用以及其生长所需的特定波长光源，并通过控制营养成分的摄取来控制植物的生长速度。今年（2010年）栽培基地将试验栽培人参和草莓，然后进行商业化推广，预计从2011年开始将大面积种植。”

美国农业部资助Purdue 大学488万美元用于一项为期4年的研究项目，以评估并提高LED在温室中的应用。 尽管LED在农业照明领域的应用尚处于初级阶段，但看好其应用前景各国也纷纷布局。专利方面，据中国农业科学院设施农业研究中心主任杨其长介绍，目前国内外可查到的LED农业照明领域的专利近100项，其中在韩国和中国申请的数量最多，其次为日本和美国。总体来看，目前LED农业领域的创新主要在应用创新和技术集成，应用方向集中在植物生长灯、畜禽场照明灯、诱鱼灯、选择性害虫诱捕灯等。（数据来源：中国农业科学院设施农业研究中心） 国内农业研究方面，杨其长介绍，早在1998年，以中国农业科学院和南京农业大学为代表的国内科研机构，就已经开始了LED农业应用相关领域的研究。在2003年，中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所就开始从事LED在植物种苗工厂的应用研究，2006年设计与建造了国内第一套密闭式LED人工光植物工厂，并开发出了相应的LED光环境调控软件和光环境控制装置，先后进行了LED在蔬菜育苗、植物组培、蔬菜种植以及药用植物栽培等方面的试验研究，发表论文14篇，获国家授权专利8件。2009年4月，中国农业科学院的研发团队成功研制出了国内第一例智能型植物工厂，采用LED和荧光灯为人工光源，进行蔬菜种植和种苗繁育，并在长春投入运行。“十一五”期间，国家科技部在863计划中创新性地安排了LED在农业中应用的研究工作，资助了近100万的研究经费，由南京农业大学承担了这一项目的研究，于2009年结题，共研发了3个品种的LED植物灯、1个“LED植物培育智能光控系统”、1个“LED生物智能光照培养箱”，获得了2项国家发明专利授权。在畜禽养殖应用上，我国学者已研究了红色、蓝色和白色等LED光源对鸡等家禽生产性能的影响，各种LED光源的光强及光周期控制也得到了一些关注，杭州推出了智能化养鸡LED光源系统，已经在养鸡场进行应用。 LED农业照明灯具产品的开发与推广 人工补光和照明是LED农业领域最重要的应用方式，根据动植物发育的不同需求，采用不同波长的单色光组合起来作为人工光源，并具有光照强度、照射频率以及不同时间间隔灵活可调的特性,已经在生产中得到一定的推广应用。LED光源的产品可根据生产需要和应用场合的不同，设计出不同的类型，据了解，目前应用较广的有LED圆头灯、LED光源板、LED灯管、LED柔性灯带等。 目前，市场上已经有大量的LED植物照明产品，但在畜牧养殖业中，LED照明灯具产品相对偏少。2010年2月,在亚特兰大国际禽内养殖设备展上，ONCE公司AGRISHIFTTM推出渐变式禽类养殖LED灯，该LED采用定时器来实现光周期的控制，比较简易，但不太符合不同禽类及不同生长阶段对光色、光强和光周期的需要,目前畜牧养殖业的LED专用产品有待进一步开发。 据了解，国内的农业照明灯具用途与产品类型和国外基本相同，主要包括LED植物生长灯（LED圆头灯、LED光源板、LED灯管、LED柔性灯带）、LED农业害虫诱捕灯、LED诱鱼灯、LED畜禽场照明灯等。 业内人士表示，与家居照明灯具比较而言，目前国内的LED农用照明灯具存在着产品杂乱，生产设计不规范，缺乏统一的产品标准和质量管理等问题。以目前应用市场最大的植物照明灯具为例，尽管都根据植物的需求选择了以红光和蓝光为主的LED灯珠配置，但是在光质调节、光照强度设计方面缺乏科学统一的规范，更缺乏针对植物照明特殊的高温、高湿环境所进行的防水、防电及耐腐蚀设计，从而造成了一些植物生长灯产品存在安全隐患，使用寿命也不长。 LED核心厂商纷纷进军农业照明应用领域 随着LED应用逐渐向生物、医疗、健康等领域发展，LED在植物生长领域应用的巨大市场潜力已逐步得到重视，国际上一些公司开始涉足LED植物照明领域。其中比较典型的有飞利浦、三菱化学、首尔半导体、台湾亿光、昭和电工、日本锅清等一些知名企业。业内人士表示，这些厂家的共同特点是资金和技术实力强大。其中一部分是自身具有芯片生产、封装领域知识产权并同时具有植物照明领域核心自主知识产权的合作者，正计划向LED植物照明光源方向发展的公司；另一部分是具有良好的品牌、客户市场和销售渠道的传统植物生长光源厂家，并且在LED领域也具有强大实力，有潜力向LED植物照明光源方向发展的公司。 其中，飞利浦公司近年来加大了在中国的研发力度，建立了相应的研发机构，并且在中国积极开展调研工作，为后续的研发和推广工作积累基础。 欧司朗则在2010年与丹麦的Fionia LightingA/S以及合作经销商艾睿电子（Arrow）共同完成一项先导型计划，将红光LED照明产品用进园艺照明系统，也证实了LED在园艺应用方面具有巨大的节能潜力。 另外，日本三菱树脂公司2010年4月宣布将研发与销售在暖房内共用太阳光照和LED(发光二极管)照明结合的蔬菜生产设备，并力争最快在2011年实现成果转化，出售给大型农场。 中国大陆方面，据了解，进军农业照明应用领域的厂家很多，但绝大部分为小企业和私营企业，主要分布在深圳市和我国华南地区，但大都没有形成销售规模，尚处初级阶段。 在农业应用上，我国政府一方面通过对科研项目的支持加快LED在农业应用领域的应用步伐，如“十一五”期间，通过863计划设立了1项课题，“十二五”期间亦将有数个LED农业科研项目的立项支持。一些地方政府也通过建立农业科技示范园等形式，鼓励引入节能高效的LED农业照明应用项目在园区使用。 对于当前国内LED在农业方面的应用，杨其长认为，总体上来看，目前国家对LED农业应用方面的政策支持及研发投入相对偏少，在一定程度上影响了LED在农业领域的推广应用。LED光源在农业领域的研究还属起步阶段，缺乏系统完善的研究，相应的技术水平也较低，必须加大研究开发的力度，增加研发资金投入，加强示范应用与宣传，提高行业的自主创新能力，全方位提升企业整体素质和行业整体竞争力。 根据国务院一号文件精神，创建现代农业示范区将是提高农业科技创新和推广能力的重要途径。有业内人士表示，增加LED在农业生态示范区，比如在山东寿光蔬菜基地、陕西杨凌农业示范区等的应用，应该是促进LED在农业应用中发展的重要途径。