植物照明用戶的應(yīng)用現(xiàn)狀

　　徐虹

　　桑奈特(廈門)光電科技有限公司總裁&首席技術(shù)官

　　《2018阿拉丁照明產(chǎn)業(yè)調(diào)研白皮書》

　　植物照明 顧問

　　中國的人工光植物照明的發(fā)展伴隨著人工光源的開發(fā)應(yīng)用，種植業(yè)以及種植方式的升級(jí)改變而發(fā)展，同時(shí)也受到近五十年來大氣，氣候變化以及種植環(huán)境的變化而改變。

　　中國是世界上設(shè)施農(nóng)業(yè)種植面積最大的國家之一，也是種植品種最豐富的國家。設(shè)施農(nóng)業(yè)的規(guī)模和方式的跨度也非常大，從最簡易低矮的竹子塑料棚到超過10平方米的連棟文洛型玻璃溫室都有植物照明產(chǎn)品在不同地域以不同方式針對(duì)不同作物的應(yīng)用。

　　植物照明的應(yīng)用需求主要來自于下述三個(gè)因數(shù)的驅(qū)動(dòng):

　　1. 土地成本的上升，驅(qū)動(dòng)設(shè)施農(nóng)業(yè)從平面種植向垂直種植方向發(fā)展，需要對(duì)中下層的作物進(jìn)行補(bǔ)光以確保光合作用所必須的光能。

　　2. 溫室效應(yīng)導(dǎo)致的太陽輻射的衰減，以及大氣污染(霧霾)和氣候變化(陰雨)所產(chǎn)生的弱光寡照效應(yīng)，需要人工補(bǔ)光以確保作物的產(chǎn)量和質(zhì)量

　　3. 城鎮(zhèn)化、以及食品安全等驅(qū)動(dòng)都市農(nóng)業(yè)全人工光植物工廠的發(fā)展和推廣應(yīng)用。

　　一、中國設(shè)施農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀與植物照明需求

　　根據(jù)2017年12月國家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的《第三次全國農(nóng)業(yè)普查主要數(shù)據(jù)公報(bào)(第二號(hào))》數(shù)據(jù)顯示，2016年末，全國溫室占地面積334千公頃，大棚占地面積981 公頃。

　　我國已有溫室中，連棟溫室約4.6萬公頃，占溫室總面積的2.2%，日光溫室約 70萬公頃，占溫室總面積的32.7%，其余為簡易塑料大棚。

　　中國幅員遼闊，與全球大部分地區(qū)類似，中國的地面太陽輻射都經(jīng)歷了一個(gè)從減少到增多的過程，即所謂的地球由“變暗”到“變亮”;中國各個(gè)地區(qū)發(fā)生相同的變化過程，大致以1990年為界，之前以減少趨勢為主，之后逐漸增加，不同地區(qū)太陽輻射變化幅度有所差異;分析了城市類型和氣溶膠(霧霾)厚度對(duì)太陽輻射變化的影響，多數(shù)大城市和工業(yè)城市的太陽輻射下降幅度大于中小型非工業(yè)城市，氣溶膠 (霧霾)光學(xué)厚度的分布與太陽輻射下降趨勢呈相似分布特征，說明城市工業(yè)化及其產(chǎn)生的氣溶膠(霧霾)污染對(duì)太陽輻射的下降起著重要作用。

　　數(shù)據(jù)來源:中國氣象科學(xué)研究院

　　近50年來中國的地面太陽輻射都出現(xiàn)了先減少后增多趨勢，與地球的先“變暗”后“變亮”過程相一致。太陽輻射的變化不只發(fā)生在大區(qū)域內(nèi)，在小范圍內(nèi)同樣會(huì)表現(xiàn)出不同的變化趨勢。中國從1961—2010年地面太陽輻射總輻射變化整體上呈下降趨勢，各分區(qū)的總輻射以減少為主，減少幅度略有不同，華東地區(qū)下降幅度大于其他地區(qū)。從20世紀(jì)60年代開始呈減少趨勢至70年代初期變得非常顯著，這一趨勢一直持續(xù)到1991年，其后一直表現(xiàn)為增長趨勢。近50年來中國地面總輻射的變化大體上可以分為兩個(gè)階段，各個(gè)地區(qū)從1961到1990年前后地面太陽總輻射量和直接輻射均以下降趨勢為主，1990年至今地面太陽輻射量逐漸上升，與全球變化趨勢相符。

　　近年來，國家對(duì)大氣污染的整治力度不斷加強(qiáng)，區(qū)域性的氣溶膠(霧霾)導(dǎo)致的弱光寡照導(dǎo)致大面積減產(chǎn)的可能性正在逐步降低。

　　全人工光植物工廠的發(fā)展趨勢近年來隨著光質(zhì)生物學(xué)的研究進(jìn)展，以及國家863智能化植物工廠生產(chǎn)技術(shù)研究項(xiàng)目的結(jié)題并獲得國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，國內(nèi)外行業(yè)基金、風(fēng)投、以及與國際垂直農(nóng)業(yè)、植物工廠項(xiàng)目的融合引進(jìn)、上游芯片、中游封裝、下游燈具產(chǎn)品和系統(tǒng)解決方案供應(yīng)商的參與，成本不斷下降，效能不斷提高，為產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。

　　二、植物照明應(yīng)用現(xiàn)狀

　　1 塑料大棚

　　植物照明在溫室中的應(yīng)用比率(滲透率)仍舊非常的，而且以傳統(tǒng)光源為主，其中占比高達(dá)62%的塑料大棚，一般都沒有采用任何的補(bǔ)光手段，即使為數(shù)較少的塑料大棚采用了補(bǔ)光技術(shù)，仍舊以節(jié)能燈和白熾燈為主的光源，能耗較高，壽命較短，補(bǔ)光增產(chǎn)和光周期調(diào)控效果并不明顯。

　　2 日光溫室

　　在占有量達(dá)32.7%的日光溫室中，采用直管熒光燈和LED燈具進(jìn)行育苗的比例持續(xù)上升，一般的日光溫室和連棟溫室都配置有育苗區(qū)(室)完成育苗-練苗后直接定植和移植。

　　即使是在日光溫室和連棟溫室中，采用人工光進(jìn)行植物光照進(jìn)行補(bǔ)光的比例仍舊較低，即使采用人工光補(bǔ)光，也仍舊以金鹵燈和高壓鈉燈為主，LED植物照明系統(tǒng)的滲透率仍舊較低，但是增長速度隨著成本的下降開始加速，主要原因是使用者對(duì)金鹵燈和高壓鈉燈已經(jīng)具有較長時(shí)間的使用經(jīng)驗(yàn)，盡管能耗較高，預(yù)熱時(shí)間較長，配電要求高，但是產(chǎn)出(結(jié)果)比較有預(yù)期。并且，日光溫室和連棟溫室的設(shè)計(jì)高度較高，采用金鹵燈和高壓鈉燈在避免灼傷植物冠面的同 時(shí)，也為溫室提供了約6-8%的熱能，對(duì)東北和西北的冬季作物提供了必要的熱能。

　　而LED植物照明系統(tǒng)在日光溫室和連棟溫室中的實(shí)驗(yàn)剛剛開始，各種不同光配方的和形態(tài)的植物照明燈具傾瀉而下，且沒有提供具體的有效的使用說明和數(shù)據(jù)支持，也延緩了LED植物照明系統(tǒng)在日光和連棟溫室中的應(yīng)用。目前仍舊以小規(guī)模的示范應(yīng)用為主以便取得相關(guān)的實(shí)驗(yàn)性作物生產(chǎn)數(shù)據(jù)。其中上海合鳴的LED植物照明頂部補(bǔ)光燈已經(jīng)有較大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用。

　　即使是在日光溫室和連棟溫室從平面向垂直種植升級(jí)，通過多層種植以提高單位面積產(chǎn)量從而降低土地成本的過程中，仍舊以采用機(jī)械移動(dòng)種植架或采用梯形種植架以取得充分的光照，人工光補(bǔ)光的應(yīng)用比率仍舊較低。

　　在日光溫室中LED植物照明的應(yīng)用比較多的是以株間補(bǔ)光燈具為主，由于LED相對(duì)于金鹵燈和高壓鈉燈屬于冷光源，可以比較靠近植物冠面，產(chǎn)生較小的溫度影響，因此在茄果類作物生產(chǎn)中LED植物照明開始試驗(yàn)性應(yīng)用。但是，植物照明系統(tǒng)生產(chǎn)廠家由于對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不了解，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中一味以系統(tǒng)光效(μmol/J)-節(jié)能為目標(biāo)，導(dǎo)致植物光照的區(qū)域和珠間均勻性較差，作物產(chǎn)量和質(zhì)量的改善的預(yù)期較低。廈門通秴科技有限公司的高均勻度珠間補(bǔ)光燈具在北美取得有效大規(guī)模作物生產(chǎn)數(shù)據(jù)后，已經(jīng)開始在國內(nèi)推廣使用。

　　3 大田應(yīng)用

　　相對(duì)于設(shè)施農(nóng)業(yè)的植物照明的滲透和應(yīng)用進(jìn)展緩慢，而戶外的經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的長日照作物- 火龍果的LED植物照明系統(tǒng)-光周期調(diào)控的應(yīng)用的取得意外的高速發(fā)展。

　　4 植物工廠

　　植物照明系統(tǒng)目前應(yīng)用最快速也最廣泛的是全人工光植物工廠，按類別分為集中式多層以及分布式可移動(dòng)植物工廠。全人工光植物工廠在國內(nèi)的發(fā)展非常迅猛，以至于任何的數(shù)量統(tǒng)計(jì)都不完整或者全面。

　　集中式多層全人工光植物工廠的投資主體并不是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)公司，而更多的是從事半導(dǎo)體以及消費(fèi)電子產(chǎn)品的公司，例如中科三安、富士康、松下蘇州、京東，當(dāng)然也有中糧、綠脈、星菜、喜翠等新型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)公司，此外，直接引進(jìn)國外技術(shù)的Aerofarm china, 以及日本的 MIRAI全人工植物工廠系統(tǒng)也開始進(jìn)入中國。中小型的集中式植物工廠甚至由半導(dǎo)體燈具生產(chǎn)商，太陽能支架系統(tǒng)生產(chǎn)商投資進(jìn)入，發(fā)展非?？焖僖约岸鄻踊４送?，大學(xué)以及農(nóng)業(yè)科研院所的用于工程研究的全人工光植物工廠的建設(shè)也方興未艾。

　　中科三安湖頭植物工廠(首期10000m2已經(jīng)投產(chǎn)運(yùn)營，二期10000m2也進(jìn)入試生產(chǎn))

　　照片轉(zhuǎn)自“安溪商人” 京東-三菱化學(xué)植物工廠

　　照片轉(zhuǎn)自“照明電器信息中心”富士康(深圳龍華)5000平方米14層種植層架的植物工廠

　　照片轉(zhuǎn)自“中國之光網(wǎng)”蘇州松下植物工廠

　　照片轉(zhuǎn)自“蘇州工業(yè)園區(qū)”中糧植物工廠

　　照片轉(zhuǎn)自“中國之光網(wǎng)”華星環(huán)球-喜翠植物工廠

　　照片來源-華星環(huán)球植物工廠微信公眾號(hào)綠脈植物工廠

　　照片轉(zhuǎn)自“中國農(nóng)村信息網(wǎng)”日本 MIRAI植物工廠

　　照片轉(zhuǎn)自“中國之光網(wǎng)”北京航空航天大學(xué)月宮一號(hào)二號(hào)完成365天全封閉實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

　　照片轉(zhuǎn)自“月宮一號(hào)”微信公眾號(hào) 植物照明系統(tǒng)由廈門通秴科技提供，此外在組織培養(yǎng)和育苗植物工廠的傳統(tǒng)熒光燈具的替代方面也有廣闊的前景

　　中環(huán)易達(dá)全人工光育苗植物工廠

　　照片來源:中環(huán)易達(dá)微信公眾號(hào)

　　上海離草科技的無糖組培植物工廠

　　照片來源:上海離草科技官網(wǎng)

　　在分布式可移動(dòng)的植物工廠，仍是以海運(yùn)集裝箱(新箱或二手箱改建)為標(biāo)準(zhǔn)載體，其中廈門桑奈特、廈門通秴與中集合作的模組化集裝箱植物工廠由于其模組化的設(shè)計(jì)和工廠的自動(dòng)化生產(chǎn)，具有安裝時(shí)間短，配置靈活(種植箱和設(shè)備控制箱分離)，高種植密度和較高的智能化水平取得先機(jī)，此外，包括中科三安、ifarm、綠脈、水木九天等也有不同類型的分布式可移動(dòng)植物工廠在運(yùn)營和銷售。

　　分布式全人工光植物工廠已經(jīng)開始向餐廳以及超市甚至家庭滲透，向?qū)崿F(xiàn)蔬菜食品生產(chǎn)和消費(fèi)的零距離方向邁進(jìn)。

　　上海某高端餐廳全人工光植物工廠，照片轉(zhuǎn)自新浪微博

　　客集家庭教育，休閑，種植的全人工光蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)中實(shí)創(chuàng)–Plantbox

　　上述全人工植物工廠植物照明系統(tǒng)大多采用線性或者平板陣列照明燈具系統(tǒng)，種植品種數(shù)量不斷擴(kuò)展，種植面積單位能耗在80-150W/m2, 差異較大，各種實(shí)驗(yàn)性的光配方，包括不同的紅藍(lán)配比，加入不同比例綠光的“全光譜”、以及藍(lán)紫LED芯片觸發(fā)三基色熒光粉的類太陽光譜(包含UVA波段)的LED光源開始廣泛并大量應(yīng)用，其上市的產(chǎn)品主要還是以綠葉蔬菜為止，售價(jià)一般都在大棚蔬菜的市售價(jià)格的8-10倍，有的甚至達(dá)二十倍，但是由于環(huán)控設(shè)備 (超凈環(huán)境、潔凈環(huán)境)的初期投資巨大，運(yùn)營成本的單位面積能耗(溫、光、水、氣、肥)持續(xù)下降仍面臨較大的挑戰(zhàn)，普通消費(fèi)者的價(jià)格敏感度較高，而追求高度食品安全和新鮮口感的高端客戶則受眾受限，因此尚未見到可持續(xù)贏利的可靠的數(shù)據(jù)支持。