近年來，隨著紅光、藍(lán)光以及遠(yuǎn)紅外大功率單色LED技術(shù)的快速發(fā)展，LED在農(nóng)業(yè)照明領(lǐng)域的應(yīng)用引起了廣泛的關(guān)注。就農(nóng)業(yè)照明的多學(xué)科性、復(fù)雜性、試驗難度、光選擇性與光譜加權(quán)性以及評價指標(biāo)的多樣性等核心問題進行了初步探討，并以鐵皮石斛補光等實驗作為實例進行了充分的討論。農(nóng)業(yè)照明有著廣闊的應(yīng)用前景，有必要憑借農(nóng)業(yè)科學(xué)的研究進一步探索照明優(yōu)化條件。
引言
地球上的絕大多數(shù)動物與植物的生長都離不開太陽光的照射，但在不同區(qū)域和不同時間，太陽光的供應(yīng)是有限及有區(qū)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(yīng)運而生。在LED技術(shù)之前，主要依靠高壓鈉燈、熒光燈等光源進行，然而這類傳統(tǒng)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(yīng)用發(fā)展緩慢。
LED是近年來快速發(fā)展的照明技術(shù)。除了光效、壽命等方面較傳統(tǒng)光源具有很大優(yōu)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(yīng)用前景。同時，近年來LED技術(shù)不斷完善，光效等不斷提高，價格快速下降，推動了LED用于農(nóng)業(yè)照明的實質(zhì)性進展。但由于農(nóng)業(yè)照明涉及面的復(fù)雜性，使得目前LED用于農(nóng)業(yè)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。
一、農(nóng)業(yè)照明的多學(xué)科性
如果把植物照明與動物照明納入農(nóng)業(yè)照明范圍內(nèi)，則其所涉及的學(xué)科包括植物學(xué)、動物學(xué)、生物統(tǒng)計學(xué)、照明技術(shù)、控制技術(shù)等。前三者是生物學(xué)的領(lǐng)域，后兩者是照明技術(shù)的領(lǐng)域，學(xué)科跨度很寬，在這幾門學(xué)科中，照明技術(shù)是技術(shù)手段，而生物學(xué)領(lǐng)域的內(nèi)容是實驗過程與結(jié)果評判。總體來說，生物學(xué)領(lǐng)域的知識是進行農(nóng)業(yè)照明的最重要部分，但目前農(nóng)業(yè)照明主要指的是采用LED的照明技術(shù)，而LED的高度靈活性，使得進行農(nóng)業(yè)照明過程中，作為主體的農(nóng)業(yè)或者生物領(lǐng)域的科學(xué)家，需要照明學(xué)家的高度配合，以實現(xiàn)各種動植物物種的最佳照明條件，同時照明學(xué)科在視覺領(lǐng)域的成功完善，也是農(nóng)業(yè)照明值得借鑒的。因此，農(nóng)業(yè)照明的學(xué)科與技術(shù)進步，需要農(nóng)業(yè)及生物領(lǐng)域的科學(xué)家與照明領(lǐng)域的科學(xué)家密切配合。
二、農(nóng)業(yè)照明的復(fù)雜性
作為1項與農(nóng)業(yè)相關(guān)的科學(xué)與技術(shù)，農(nóng)業(yè)照明繼承了農(nóng)業(yè)科學(xué)的復(fù)雜性特點，如前所述，其中包括兩個方面：農(nóng)業(yè)與照明。
前者研究的物種非常多，且每1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(huán)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(nóng)業(yè)照明研究時必須以生物統(tǒng)計學(xué)的方法進行研究。
另外在照明方面，也存在多個變數(shù)，包括照明的光譜、強度、時間與周期、光形式(穩(wěn)態(tài)還是脈沖)等。
以上兩個方面，決定了農(nóng)業(yè)照明的復(fù)雜性，盡管通過調(diào)控光的強度優(yōu)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(fù)雜化。
三、農(nóng)業(yè)照明的試驗難度
農(nóng)業(yè)照明的復(fù)雜性決定了農(nóng)業(yè)照明研究的試驗難度，體現(xiàn)在具體實驗上就是試驗的變數(shù)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(nóng)業(yè)條件如溫度、濕度、空氣、水分、營養(yǎng)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(tǒng)計學(xué)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(nóng)業(yè)照明研究的情況是：試驗樣本非常多、試驗時間跨度很長，農(nóng)業(yè)照明成為了費時、費力、費空間的研究。舉 1個例子，如果設(shè)置 3種光照條件變數(shù)，如光譜、強度、照射時間，每種變數(shù)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10000種情況，如果每種情況10個樣本，那就是100000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(shù)以及減少每種試驗變數(shù)的數(shù)量，筆者在閱讀相關(guān)文獻時，常發(fā)現(xiàn)采用的光照條件僅僅在10種以內(nèi)，有可能出現(xiàn)所采用的試驗條件中，沒有最優(yōu)的，因而不能搜尋出最佳結(jié)果。
曾經(jīng)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(diào)試了153只LED燈具和8盞熒光燈，644個樣本的標(biāo)記。數(shù)據(jù)采集進行了7個月，已完成了3批近20萬個數(shù)據(jù)，通過分析得到最佳光照條件?，F(xiàn)場情況如圖1、2、3所示。
如圖 3中可見， 113種不同的光環(huán)境組合環(huán)境中，僅有2種試驗條件出現(xiàn)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(yōu)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(qū)別。可以想象，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(tǒng)光源進行補光也進行了大量的研究，但由于傳統(tǒng)光源靈活性不夠，很難實現(xiàn)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，在LED很容易實現(xiàn)各種光照條件的情況下，重新詳細(xì)的研究并篩選最佳光照條件，有很大的實際意義。
四、農(nóng)業(yè)照明的光選擇性與光譜加權(quán)性
農(nóng)業(yè)照明普遍認(rèn)為是有光譜選擇性的，這與視覺照明一樣，因而存在1個類似于視覺照明中的光譜視見函數(shù)的加權(quán)曲線，常被引用的曲線如圖4、5所示。
人眼視見函數(shù)的研究也是經(jīng)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(shù)被普遍采用。但植物照明的加權(quán)函數(shù)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(zhì)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(quán)函數(shù)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(quán)函數(shù)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(zhuǎn)換，并完成相應(yīng)的測試手段等。
動物的照明與植物類似，也存在相應(yīng)的研究工作有待完成。
五、評價指標(biāo)的多樣性
照明學(xué)科中，視覺科學(xué)是研究光作用于人眼的科學(xué)，主要評價指標(biāo)是視覺的清楚與舒適，牽著包含照度、亮度等指標(biāo)，后者是眩光、頻閃等指標(biāo)。進入到農(nóng)業(yè)照明，關(guān)注的指標(biāo)則更加復(fù)雜，包括植物的生長、某些成分的含量等，進一步細(xì)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(biāo)。實際上，除此之外還有很多其他的指標(biāo)，如可以通過補光實現(xiàn)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(biāo)。
動物照明的評價指標(biāo)同樣復(fù)雜多樣，如用于肉雞的生長補光照明，評價指標(biāo)可以是雞的生長速度，也可以是肉質(zhì)，蛋白質(zhì)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(biāo)上的復(fù)雜性，更增加了農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)照明常與控制技術(shù)結(jié)合，即通過控制技術(shù)，實現(xiàn)整個照明的完全控制。
六、結(jié)語
隨著LED技術(shù)的進步，性能的提高與價格的進一步下降，相信LED在農(nóng)業(yè)照明上會具有很大的應(yīng)用前景，但需要通過科學(xué)的研究，完成照明優(yōu)化條件的探索，鑒于以上分析的農(nóng)業(yè)照明的難度，需要農(nóng)業(yè)科學(xué)家與照明科學(xué)家的密切配合完成。
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