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  • 论农业照明的5大关键问题

       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。
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