智能补光 应对雾霾

文|刘文科 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所

智能补光 应对雾霾

文|刘文科 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所

LED光源可作为补光光源满足设施园艺作物光合有效辐射的光谱组合配置需求，最大程度地增加生物光效，实现设施园艺生产的大幅节能，可以成为设施园艺节能高效生产的最佳光源。

随着中国人口的不断增长，农产品需求持续增加，农业资源不断减少，环境污染日益严重，气候变化及其灾害逐年增多，露地农田生产不确定性增加，产出无法保障，食物安全问题日益凸显。特别是近年多发的连续雾霾天气，不仅给人体健康造成危害，还会对农作物的生长产生影响。

2013年以来，从东北到西北，从华北到中部等地区，都出现了大范围的连续雾霾天气，单次影响面积接近200万平方公里。我国（特别是北京市）发生了多次雾霾天气，发生频率之高、范围之大、周期之长为历年之最。雾霾可导致大气透明度大幅下降，显著降低温室设施内光环境强度和光周期，改变了光谱，严重影响了设施园艺生产。据测定，雾霾削减光照强度的影响因其发生强度不同而异，通常雾霾天气可降低光照强度10%～90%，导致设施蔬菜光照不足，光合作用受阻，而发生叶片黄化、植株萎蔫、生长缓慢、落花落果、茄果类作物果实着色不均，转色困难等现象，造成严重减产，经济损失严重。更为严重的是，雾霾天气极易诱发蔬菜病虫害的暴发和流行，严重影响大棚蔬菜产量、品质和种植效益。冬春季节是雾霾天气的多发、高发时段，同时也恰是设施蔬菜生产的关键期和效益决定期，雾霾已经成为影响设施园艺生产的重要因素，雾霾天气频发严重制约了设施园艺生产的经济效益。

荷兰的温室多会采用智能补光技术。

自然界中，太阳光照随地理纬度、季节、天气状况的不同而产光照强度的日变化和光周期变化，并受设施条件（覆盖材料及其洁净度等）的影响。实践中，受冬春季节连阴天、雨、雪、雾天气等恶劣天气，以及大气污染和浮尘等因素的影响，设施内弱光寡照、光周期不足等逆境条件频繁发生，严重影响了设施园艺作物的生长发育和优质高产。

设施园艺：用科技创新应对雾霾

无论雾霾对农作物生长造成的影响程度如何，通过技术创新减少雾霾对设施园艺危害都是一项十分必要和紧迫的课题。

设施农业作为环境因子可控，可周年生产的高效农业生产模式，越来越受到人们的关注，在园艺作物和食用菌集约化生产，解决国家食物安全，尤其是在保证城乡居民“菜篮子”安全方面起着不可或缺的作用，已成为现代农业的支柱产业。近20年，我国的设施农业发展迅速，到2013年底设施栽培面积已近400万公项，其中玻璃温室与日光温室面积近100万公顷；人工光栽培面积也有2000公顷左右，产值达到6000多亿元。设施园艺生产是以生物光反应作用为基础的生产过程，光作为环境信号和光合作用的能量的来源，其多寡和质量高低直接关系到的植物生长发育和产量品质形成，创造适宜的光环境对设施园艺优质、高产、高效、生态、安全生产至关重要。

智能补光：驱散雾霾对作物的影响

人工补光是解决因雾霾造成设施光环境胁迫问题的有效措施和唯一方法。科学补光的原则是根据天气条件，按照设施植物的光生物学需求，设置人工光环境及管理策略，进行动态智能化管理，使设施内的光照条件适宜作物生长，保证稳产、高产。近年来，农业照明光源发展迅速，农业补光日益引起了人们的重视。一方面，传统电光源（如高压钠灯、金属卤化物灯、卤钨灯和荧光灯）的发光效率、节能性能、生物光效逐步提高，应用性价比逐年提高，为在设施园艺照明推广应用奠定了良好的基础，仍有广阔的应用前景；另一方面新型光源，如第四代电光源-发光二极管（Lightemittingdiode,LED），在理论和技术上已经达到了实践应用阶段，具有传统光源无法比拟的应用优势，应用前景广阔。目前，传统光源存在光强和光谱能量分布固定，无法按照自然光照变化进行人为调控，仅能控制光强和光周期，光合有效辐射比例小，无效热辐射较多，光效低，耗能高，制约了在未来现代农业中的应用。故此，为响应国家节能减排的号召，必须基于植物光合作用的光谱需求特性，开发新型设施园艺补光技术与装备，实现光环境的智能化调控，提高灯具的生物效能和生产效率，科学补光。

智能补光技术的特点和内涵

LED被誉为是设施园艺补光的最理想光源，可用于雾霾天气条件下的智能补光，实现光强、光质和光周期的动态智能控制。在雾霾发生时，运用设施园艺人工智能补光技术，智能补光控制系统会根据传感器检测结果，实时控制LED补光灯具进行开闭和补光强度的控制，保证在雾霾发生时设施作物能够获得适宜的光照条件，促进作物生长发育，保障产量。设施园艺智能补光技术将能保障雾霾频发的气象条件下设施园艺稳产高产。LED光源在农业中应用具有传统光源无法比拟的光电优势，主要表现在以下几个方面：首先，LED可按植物生长发育需求调制光谱，按需用光，生物光效高；第二，LED为冷光源，贴近植物照射，可提高空间利用率；第三，LED为直流电可控性好，可精准调控光强、光质和光周期等，适宜工厂化生产；第四，节能、环保、长寿命、体积小、重量轻；第五，LED光源装置多样（灯板、灯带、灯管和灯泡），适合设施园艺各个领域应用。

众多研究数据表明，LED红兰光条件下植物可完成其生活史，正常结实，产生种子。基于此，LED红兰光可替代传统光源的连续光谱进行设施园艺补光，促进植物生长发育；同时，LED近距离照射可调节植物叶片和果实的代谢过程，可定向调控营养物质的合成与分配，对园艺产品营养品质提升有所裨益。通常，具有LED光源可作为补光光源满足设施园艺作物光合有效辐射的光谱组合配置需求，最大程度地增加生物光效，实现设施园艺生产的大幅节能，可以成为设施园艺节能高效生产的最佳光源。基于LED的固态照明的应用是过去几十年来设施园艺照明的最大进步之一，其广泛应用具有里程碑式的意义。

我国需要大力发展设施园艺智能补光技术

我国政府高度重视现代农业的健康发展。2013年和2014年的中央一号文件均强调发展现代农业，保障粮食安全的重要性。在今后数年内，我国北方雾霾将呈严重爆发的趋势，特别是发生在冬春两季的雾霾天气已经对我国脆弱的设施园艺生产造成了严重危害。为了保证冬春季城乡居民“菜篮子”需求，稳定农产品供给能力，必须大力发展和推广设施园艺智能补光技术。

实现设施园艺智能补光必须解决好以下几个方面的问题：首先，需要制定科学的设施园艺补光策略。根据不同省份，不同地区雾霾天气和弱光寡照天气发生规律，制定合理的补光强度阈值；其次，设施园艺补光需要大力发展LED补光灯具及智能补光控制系统。补光系统所发出的光谱应以红蓝组合光质为核心，并需开发出适合玻璃温室、日光温室和塑料大棚专用的LED补光灯具和控制系统，最大程度满足植物生长发育需求同时实现节能减排；最后，需要加大宣传力度，呼吁国家对设施园艺补光灯具研发与应用进行补贴，让农户意识到补光的必要性，促进设施园艺补光产业的发展。