植物照明用戶的應用現狀

　　徐虹

　　桑奈特(廈門)光電科技有限公司總裁&首席技術官

　　《2018阿拉丁照明產業(yè)調研白皮書》

　　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)應用，種植業(yè)以及種植方式的升級改變而發(fā)展，同時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。

　　中國是世界上設施農業(yè)種植面積最大的國家之一，也是種植品種最豐富的國家。設施農業(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品在不同地域以不同方式針對不同作物的應用。

　　植物照明的應用需求主要來自于下述三個因數的驅動:

　　1. 土地成本的上升，驅動設施農業(yè)從平面種植向垂直種植方向發(fā)展，需要對中下層的作物進行補光以確保光合作用所必須的光能。

　　2. 溫室效應導致的太陽輻射的衰減，以及大氣污染(霧霾)和氣候變化(陰雨)所產生的弱光寡照效應，需要人工補光以確保作物的產量和質量

　　3. 城鎮(zhèn)化、以及食品安全等驅動都市農業(yè)全人工光植物工廠的發(fā)展和推廣應用。

　　一、中國設施農業(yè)的現狀與植物照明需求

　　根據2017年12月國家統(tǒng)計局發(fā)布的《第三次全國農業(yè)普查主要數據公報(第二號)》數據顯示，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歷了一個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)厚度對太陽輻射變化的影響，多數大城市和工業(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)化及其產生的氣溶膠(霧霾)污染對太陽輻射的下降起著重要作用。

　　數據來源:中國氣象科學研究院

　　近50年來中國的地面太陽輻射都出現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，在小范圍內同樣會表現出不同的變化趨勢。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階段，各個地區(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，國家對大氣污染的整治力度不斷加強，區(qū)域性的氣溶膠(霧霾)導致的弱光寡照導致大面積減產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生物學的研究進展，以及國家863智能化植物工廠生產技術研究項目的結題并獲得國家科技進步二等獎，國內外行業(yè)基金、風投、以及與國際垂直農業(yè)、植物工廠項目的融合引進、上游芯片、中游封裝、下游燈具產品和系統(tǒng)解決方案供應商的參與，成本不斷下降，效能不斷提高，為產業(yè)化應用打下良好的基礎。

　　二、植物照明應用現狀

　　1 塑料大棚

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

　　2 日光溫室

　　在占有量達32.7%的日光溫室中，采用直管熒光燈和LED燈具進行育苗的比例持續(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，采用人工光進行植物光照進行補光的比例仍舊較低，即使采用人工光補光，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金鹵燈和高壓鈉燈已經具有較長時間的使用經驗，盡管能耗較高，預熱時間較長，配電要求高，但是產出(結果)比較有預期。并且，日光溫室和連棟溫室的設計高度較高，采用金鹵燈和高壓鈉燈在避免灼傷植物冠面的同 時，也為溫室提供了約6-8%的熱能，對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驗剛剛開始，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據支持，也延緩了LED植物照明系統(tǒng)在日光和連棟溫室中的應用。目前仍舊以小規(guī)模的示范應用為主以便取得相關的實驗性作物生產數據。其中上海合鳴的LED植物照明頂部補光燈已經有較大規(guī)模的實驗應用。

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

　　在日光溫室中LED植物照明的應用比較多的是以株間補光燈具為主，由于LED相對于金鹵燈和高壓鈉燈屬于冷光源，可以比較靠近植物冠面，產生較小的溫度影響，因此在茄果類作物生產中LED植物照明開始試驗性應用。但是，植物照明系統(tǒng)生產廠家由于對農業(yè)生產的不了解，在產品設計中一味以系統(tǒng)光效(μmol/J)-節(jié)能為目標，導致植物光照的區(qū)域和珠間均勻性較差，作物產量和質量的改善的預期較低。廈門通秴科技有限公司的高均勻度珠間補光燈具在北美取得有效大規(guī)模作物生產數據后，已經開始在國內推廣使用。

　　3 大田應用

　　相對于設施農業(yè)的植物照明的滲透和應用進展緩慢，而戶外的經濟價值較高的長日照作物- 火龍果的LED植物照明系統(tǒng)-光周期調控的應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植物工廠。全人工光植物工廠在國內的發(fā)展非常迅猛，以至于任何的數量統(tǒng)計都不完整或者全面。

　　集中式多層全人工光植物工廠的投資主體并不是傳統(tǒng)的農業(yè)公司，而更多的是從事半導體以及消費電子產品的公司，例如中科三安、富士康、松下蘇州、京東，當然也有中糧、綠脈、星菜、喜翠等新型現代農業(yè)公司，此外，直接引進國外技術的Aerofarm china, 以及日本的 MIRAI全人工植物工廠系統(tǒng)也開始進入中國。中小型的集中式植物工廠甚至由半導體燈具生產商，太陽能支架系統(tǒng)生產商投資進入，發(fā)展非常快速以及多樣化。此外，大學以及農業(yè)科研院所的用于工程研究的全人工光植物工廠的建設也方興未艾。

　　中科三安湖頭植物工廠(首期10000m2已經投產運營，二期10000m2也進入試生產)

　　照片轉自“安溪商人” 京東-三菱化學植物工廠

　　照片轉自“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

　　照片轉自“中國之光網”蘇州松下植物工廠

　　照片轉自“蘇州工業(yè)園區(qū)”中糧植物工廠

　　照片轉自“中國之光網”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綠脈植物工廠

　　照片轉自“中國農村信息網”日本 MIRAI植物工廠

　　照片轉自“中國之光網”北京航空航天大學月宮一號二號完成365天全封閉實驗項目

　　照片轉自“月宮一號”微信公眾號 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)易達全人工光育苗植物工廠

　　照片來源:中環(huán)易達微信公眾號

　　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

　　在分布式可移動的植物工廠，仍是以海運集裝箱(新箱或二手箱改建)為標準載體，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計和工廠的自動化生產，具有安裝時間短，配置靈活(種植箱和設備控制箱分離)，高種植密度和較高的智能化水平取得先機，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植物工廠在運營和銷售。

　　分布式全人工光植物工廠已經開始向餐廳以及超市甚至家庭滲透，向實現蔬菜食品生產和消費的零距離方向邁進。

　　上海某高端餐廳全人工光植物工廠，照片轉自新浪微博

　　客集家庭教育，休閑，種植的全人工光蔬菜生產系統(tǒng)中實創(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)，種植品種數量不斷擴展，種植面積單位能耗在80-150W/m2, 差異較大，各種實驗性的光配方，包括不同的紅藍配比，加入不同比例綠光的“全光譜”、以及藍紫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用，其上市的產品主要還是以綠葉蔬菜為止，售價一般都在大棚蔬菜的市售價格的8-10倍，有的甚至達二十倍，但是由于環(huán)控設備 (超凈環(huán)境、潔凈環(huán)境)的初期投資巨大，運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)，普通消費者的價格敏感度較高，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)贏利的可靠的數據支持。