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現代農業照明追捧LED植物照明的5大關鍵問題

現代農業照明追捧LED植物照明的5大關鍵問題

地球上的絕大多數動物與植物的生長都離不開太陽光的照射,但在不同區域和不同時間,太陽光的供應是有限及有區別的,避開光照的周期,仍然有很多光照不足的情況,因而人工光源在動植物的生長中的補光應運而生。在LED技術之前,主要依靠高壓鈉燈、熒光燈等光源進行,然而這類傳統光源在光譜與能量上很不靈活,且由于動植物的多樣性,不同的物種對人工補光要求可能不同,使得人工補光的應用發展緩慢。

LED是近年來快速發展的照明技術。除了光效、壽命等方面較傳統光源具有很大優勢外,LED在光譜空間、時間、及尺度空間等的巨大靈活性,造就了LED在動植物補光上巨大的應用前景。同時,近年來LED技術不斷完善,光效等不斷提高,價格快速下降,推動了LED用于農業照明的實質性進展。但由于農業照明涉及面的復雜性,使得目前LED用于農業照明總體上是處于不斷的試驗摸索階段,有很多理論問題與實踐問題尚未解決,本文試圖在這些方面進行一些片面的闡述。

1農業照明的多學科性

  如果把植物照明與動物照明納入農業照明范圍內,則其所涉及的學科包括植物學、動物學、生物統計學、照明技術、控制技術等。前三者是生物學的領域,后兩者是照明技術的領域,學科跨度很寬,在這幾門學科中,照明技術是技術手段,而生物學領域的內容是實驗過程與結果評判。

  總體來說,生物學領域的知識是進行農業照明的最重要部分,但目前農業照明主要指的是采用LED的照明技術,而LED的高度靈活性,使得進行農業照明過程中,作為主體的農業或者生物領域的科學家,需要照明學家的高度配合,以實現各種動植物物種的最佳照明條件,同時照明學科在視覺領域的成功完善,也是農業照明值得借鑒的。因此,農業照明的學科與技術進步,需要農業及生物領域的科學家與照明領域的科學家密切配合。

2農業照明的復雜性

  作為一項與農業相關的科學與技術,農業照明繼承了農業科學的復雜性特點,如前所述,其中包括兩個方面:農業與照明。

  前者研究的物種非常多,且每一個物種,影響的條件因素也非常多。如植物生長的幾個基本要素,陽光、空氣、水,除此之外,種子、土壤、周邊環境如溫度、濕度、氣候的變化等,也影響植物的生長。而動物方面,由于是活動的,包括的因素更多,即使所有這些條件一致,各個動植物個體的生長情況也可能有差異,這就決定了進行農業照明研究時必須以生物統計學的方法進行研究。

  另外在照明方面,也存在多個變數,包括照明的光譜、強度、時間與周期、光形式(穩態還是脈沖)等。

  以上兩個方面,決定了農業照明的復雜性,盡管通過調控光的強度優化動植物的生長,可以保持其他條件相同的情況下進行,但可能存在的各種條件的相互影響將使研究問題更加復雜化。

3農業照明的試驗難度

  農業照明的復雜性決定了農業照明研究的試驗難度,體現在具體實驗上就是試驗的變數太多。盡管主要試驗光照的情況,通過研究不同的光照條件,如照射強度、光譜、照射時間、照射周期、照射方式等情況下動植物的生長情況,并期望固定其他農業條件如溫度、濕度、空氣、水分、營養成分、種子等,但是這兩類因素可能相互影響。

  因而在實際的實驗研究中,要考慮的試驗變化條件非常多,同時每個條件,出于生物統計學的考慮,也要具有一定的樣本。這就使得試驗條件多、樣本多,再加上每個試驗條件需要一定的生長時間,最后造成農業照明研究的情況是:試驗樣本非常多、試驗時間跨度很長,農業照明成為了費時、費力、費空間的研究。

  舉一個例子,如果設置3種光照條件變數,如光譜、強度、照射時間,每種變數采用10個分立值,則可知共有1 000種條件,加上生物條件如果10種,那就是10 000種情況,如果每種情況10個樣本,那就是100 000個樣本,如果每個樣本要進行2個月,那么可以想象這個試驗的難度。

  因此實際的研究,被迫采用減少試驗變數以及減少每種試驗變數的數量,筆者在閱讀相關文獻時,常發現采用的光照條件僅僅在10種以內,有可能出現所采用的試驗條件中,沒有最優的,因而不能搜尋出最佳結果。

  曾經報道過的鐵皮石斛補光試驗,在1個大棚里共6條苗床(占地一畝),安裝以及調試了153LED燈具和8盞熒光燈,644個樣本的標記。數據采集進行了7個月,已完成了3批近20萬個數據,通過分析得到最佳光照條件?,F場情況如圖1、2、3所示。

  如圖3中可見,113種不同的光環境組合環境中,僅有2種試驗條件出現最佳的鐵皮石斛生長情況,且這兩種生長情況明顯比其余生長情況優越得多。而其余111種光照條件下,生長情況比熒光燈對照組及無光照組沒有太大的區別??梢韵胂?,如果試驗10種或者20種條件,很可能沒法搜尋出最佳的光照條件。

  在LED之前,對采用傳統光源進行補光也進行了大量的研究,但由于傳統光源靈活性不夠,很難實現多種光照條件,往往只能研究簡單的幾種光照條件,如前文所說的常采用10余種。因此,LED很容易實現各種光照條件的情況下,重新詳細的研究并篩選最佳光照條件,有很大的實際意義。

4農業照明的光選擇性與光譜加權性

  農業照明普遍認為是有光譜選擇性的,這與視覺照明一樣,因而存在一個類似于視覺照明中的光譜視見函數的加權曲線,常被引用的曲線如圖4、5所示。

  人眼視見函數的研究也是經過大量的試驗后得到的,由于各人種存在的差異較小,因而目前該視見函數被普遍采用。但植物照明的加權函數目前有的理論有限,較多的采用圖5的植物葉綠素光譜吸收率,且受到很多質疑。實際上,看看各種植物的葉面光譜反射率的不同,也很容易想象到,不同的植物的光合作用加權函數很可能不同,因而有大量的研究工作需要進行。完成各種植物的光合作用光譜加權函數之后,可以參照視覺照明建立“光通量”的概念,即輻射通量到光合作用的物理量轉換,并完成相應的測試手段等。

 

 

  動物的照明與植物類似,也存在相應的研究工作有待完成。

5評價指標的多樣性

  照明學科中,視覺科學是研究光作用于人眼的科學,主要評價指標是視覺的清楚與舒適,牽著包含照度、亮度等指標,后者是眩光、頻閃等指標。進入到農業照明,關注的指標則更加復雜,包括植物的生長、某些成分的含量等,進一步細化可以是植物的葉子面積、根莖、總高、顏色等,成分方面包括糖分、葉綠素等多個指標。實際上,除此之外還有很多其他的指標,如可以通過補光實現增加植物的生長,也可以反過來抑制某些東西的生長,這就會有另一類評價指標。

  動物照明的評價指標同樣復雜多樣,如用于肉雞的生長補光照明,評價指標可以是雞的生長速度,也可以是肉質,蛋白質含量等,可以考慮雞的銷售觀感與死亡率等,甚至雞的啄羽情況等。

  評價指標上的復雜性,更增加了農業照明的研究難度。值得一提的是,由于采用多個照明條件,且不同的生長階段可能需要不同的補光情況,因而農業照明常與控制技術結合,即通過控制技術,實現整個照明的完全控制。

6結語

  隨著LED技術的進步,性能的提高與價格的進一步下降,相信LED在農業照明上會具有很大的應用前景,但需要通過科學的研究,完成照明優化條件的探索,鑒于以上分析的農業照明的難度,需要農業科學家與照明科學家的密切配合完成。

 

 

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