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LED技术与农业照明

2016-1-13 14:47:16 2492

0 大家想到技术发展的时候不要只考虑到了现代生活和城市化进程之类的，事实上科技的发展对农业的影响也非常之大，就像我们现在能吃到反季的水果。我们知道光照对植物来说是很重要的，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。　　1、农业照明的多学科性　　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。　　2、农业照明的复杂性　　作为一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，且每一个物种，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。　　3、农业照明的试验难度　　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。举一个例子，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10 000种情况，如果每种情况10个样本，那就是100 000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。 4 农业照明的光选择性与光谱加权性　　农业照明普遍认为是有光谱选择性的，这与视觉照明一样，因而存在一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。　　5 评价指标的多样性　　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。　　 6 结语　　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。 0
2016-1-13 14:47:16　　评论淘帖0 举报相关推荐 • LED照明技术 3322 • LED智能灯具在农业照明的应用 5930 • 农业与UV LED技术的结合 4680 • 绿色照明LED灯具驱动技术 8927 • 漫话LED照明灯具技术 3119 • LED照明驱动电源电路设计技术应用 2718 • LED照明驱动电源电路设计技术应用 8960 • 《LED照明设计基础与技术应用》新书介绍 5997 • 艾迈斯欧司朗OSLON®植物照明先进技术，助力Revolution Microelectronics点亮未来农业 441 • 智能LED照明从家居走向商业和农业 4264