智能補光 應對霧霾

文|劉文科 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所

智能補光 應對霧霾

文|劉文科 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所

LED光源可作為補光光源滿足設施園藝作物光合有效輻射的光譜組合配置需求，最大程度地增加生物光效，實現設施園藝生產的大幅節能，可以成為設施園藝節能高效生產的最佳光源。

隨著中國人口的不斷增長，農產品需求持續增加，農業資源不斷減少，環境污染日益嚴重，氣候變化及其災害逐年增多，露地農田生產不確定性增加，產出無法保障，食物安全問題日益凸顯。特別是近年多發的連續霧霾天氣，不僅給人體健康造成危害，還會對農作物的生長產生影響。

2013年以來，從東北到西北，從華北到中部等地區，都出現了大范圍的連續霧霾天氣，單次影響面積接近200萬平方公里。我國（特別是北京市）發生了多次霧霾天氣，發生頻率之高、范圍之大、周期之長為歷年之最。霧霾可導致大氣透明度大幅下降，顯著降低溫室設施內光環境強度和光周期，改變了光譜，嚴重影響了設施園藝生產。據測定，霧霾削減光照強度的影響因其發生強度不同而異，通常霧霾天氣可降低光照強度10%～90%，導致設施蔬菜光照不足，光合作用受阻，而發生葉片黃化、植株萎蔫、生長緩慢、落花落果、茄果類作物果實著色不均，轉色困難等現象，造成嚴重減產，經濟損失嚴重。更為嚴重的是，霧霾天氣極易誘發蔬菜病蟲害的暴發和流行，嚴重影響大棚蔬菜產量、品質和種植效益。冬春季節是霧霾天氣的多發、高發時段，同時也恰是設施蔬菜生產的關鍵期和效益決定期，霧霾已經成為影響設施園藝生產的重要因素，霧霾天氣頻發嚴重制約了設施園藝生產的經濟效益。

荷蘭的溫室多會采用智能補光技術。

自然界中，太陽光照隨地理緯度、季節、天氣狀況的不同而產光照強度的日變化和光周期變化，并受設施條件（覆蓋材料及其潔凈度等）的影響。實踐中，受冬春季節連陰天、雨、雪、霧天氣等惡劣天氣，以及大氣污染和浮塵等因素的影響，設施內弱光寡照、光周期不足等逆境條件頻繁發生，嚴重影響了設施園藝作物的生長發育和優質高產。

設施園藝：用科技創新應對霧霾

無論霧霾對農作物生長造成的影響程度如何，通過技術創新減少霧霾對設施園藝危害都是一項十分必要和緊迫的課題。

設施農業作為環境因子可控，可周年生產的高效農業生產模式，越來越受到人們的關注，在園藝作物和食用菌集約化生產，解決國家食物安全，尤其是在保證城鄉居民“菜籃子”安全方面起著不可或缺的作用，已成為現代農業的支柱產業。近20年，我國的設施農業發展迅速，到2013年底設施栽培面積已近400萬公項，其中玻璃溫室與日光溫室面積近100萬公頃；人工光栽培面積也有2000公頃左右，產值達到6000多億元。設施園藝生產是以生物光反應作用為基礎的生產過程，光作為環境信號和光合作用的能量的來源，其多寡和質量高低直接關系到的植物生長發育和產量品質形成，創造適宜的光環境對設施園藝優質、高產、高效、生態、安全生產至關重要。

智能補光：驅散霧霾對作物的影響

人工補光是解決因霧霾造成設施光環境脅迫問題的有效措施和唯一方法。科學補光的原則是根據天氣條件，按照設施植物的光生物學需求，設置人工光環境及管理策略，進行動態智能化管理，使設施內的光照條件適宜作物生長，保證穩產、高產。近年來，農業照明光源發展迅速，農業補光日益引起了人們的重視。一方面，傳統電光源（如高壓鈉燈、金屬鹵化物燈、鹵鎢燈和熒光燈）的發光效率、節能性能、生物光效逐步提高，應用性價比逐年提高，為在設施園藝照明推廣應用奠定了良好的基礎，仍有廣闊的應用前景；另一方面新型光源，如第四代電光源-發光二極管（Lightemittingdiode,LED），在理論和技術上已經達到了實踐應用階段，具有傳統光源無法比擬的應用優勢，應用前景廣闊。目前，傳統光源存在光強和光譜能量分布固定，無法按照自然光照變化進行人為調控，僅能控制光強和光周期，光合有效輻射比例小，無效熱輻射較多，光效低，耗能高，制約了在未來現代農業中的應用。故此，為響應國家節能減排的號召，必須基于植物光合作用的光譜需求特性，開發新型設施園藝補光技術與裝備，實現光環境的智能化調控，提高燈具的生物效能和生產效率，科學補光。

智能補光技術的特點和內涵

LED被譽為是設施園藝補光的最理想光源，可用于霧霾天氣條件下的智能補光，實現光強、光質和光周期的動態智能控制。在霧霾發生時，運用設施園藝人工智能補光技術，智能補光控制系統會根據傳感器檢測結果，實時控制LED補光燈具進行開閉和補光強度的控制，保證在霧霾發生時設施作物能夠獲得適宜的光照條件，促進作物生長發育，保障產量。設施園藝智能補光技術將能保障霧霾頻發的氣象條件下設施園藝穩產高產。LED光源在農業中應用具有傳統光源無法比擬的光電優勢，主要表現在以下幾個方面：首先，LED可按植物生長發育需求調制光譜，按需用光，生物光效高；第二，LED為冷光源，貼近植物照射，可提高空間利用率；第三，LED為直流電可控性好，可精準調控光強、光質和光周期等，適宜工廠化生產；第四，節能、環保、長壽命、體積小、重量輕；第五，LED光源裝置多樣（燈板、燈帶、燈管和燈泡），適合設施園藝各個領域應用。

眾多研究數據表明，LED紅蘭光條件下植物可完成其生活史，正常結實，產生種子。基于此，LED紅蘭光可替代傳統光源的連續光譜進行設施園藝補光，促進植物生長發育；同時，LED近距離照射可調節植物葉片和果實的代謝過程，可定向調控營養物質的合成與分配，對園藝產品營養品質提升有所裨益。通常，具有LED光源可作為補光光源滿足設施園藝作物光合有效輻射的光譜組合配置需求，最大程度地增加生物光效，實現設施園藝生產的大幅節能，可以成為設施園藝節能高效生產的最佳光源。基于LED的固態照明的應用是過去幾十年來設施園藝照明的最大進步之一，其廣泛應用具有里程碑式的意義。

我國需要大力發展設施園藝智能補光技術

我國政府高度重視現代農業的健康發展。2013年和2014年的中央一號文件均強調發展現代農業，保障糧食安全的重要性。在今后數年內，我國北方霧霾將呈嚴重爆發的趨勢，特別是發生在冬春兩季的霧霾天氣已經對我國脆弱的設施園藝生產造成了嚴重危害。為了保證冬春季城鄉居民“菜籃子”需求，穩定農產品供給能力，必須大力發展和推廣設施園藝智能補光技術。

實現設施園藝智能補光必須解決好以下幾個方面的問題：首先，需要制定科學的設施園藝補光策略。根據不同省份，不同地區霧霾天氣和弱光寡照天氣發生規律，制定合理的補光強度閾值；其次，設施園藝補光需要大力發展LED補光燈具及智能補光控制系統。補光系統所發出的光譜應以紅藍組合光質為核心，并需開發出適合玻璃溫室、日光溫室和塑料大棚專用的LED補光燈具和控制系統，最大程度滿足植物生長發育需求同時實現節能減排；最后，需要加大宣傳力度，呼吁國家對設施園藝補光燈具研發與應用進行補貼，讓農戶意識到補光的必要性，促進設施園藝補光產業的發展。