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设施园艺半导体照明相关的科学技术问题

2016-04-21 14:08
吃瓜天狼
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  农业半导体照明的定义和内涵

  传统照明是视觉应用,是通过人工光或自然光组成的照明系统(照明装置)将具有特定光度、色度要求的光,按科学设计的分布特性,传递到目标客体,供人类感知,获取信息。农业照明是包含视觉和非视觉功能的照明应用方式,传统农业照明是指按照农业生产各领域的生产目标要求,利用光电光源人为创造适宜光环境或弥补自然光照的不足,调控农业生物的生长发育和繁殖的一种农艺措施。LED的出现推动农业照明进入了新的发展阶段,称之为农业半导体照明,属于现代农业照明的范畴的新型照明方式。农业半导体照明是指采用半导体电光源及其智能化管控装备,按照农业生物的光环境需求规律和农业生产各领域的生产目标要求,人为创造适宜光环境或弥补自然光照的不足,调控农业生物的生长发育和繁殖,以实现优质、高产、高效、稳产生产目标的一种农艺措施。农业半导体照明的特征:

  (1)农业半导体照明的电光源是第四代半导体固态光源-发光二极管等现代电光源;(2)电光源光谱可精准调控,光强、光质和光周期可进行实时的管控;(3)能够满足现代农业生产各个领域光环境调控的需求,实现高产、高效、优质、稳产的目标;(4)农业半导体照明既包含视觉照明范畴,也包含了非视觉范畴。其中,植物和食用菌照明属于前者,畜禽养殖照明属于视觉范畴;(5)农业半导体照明可彻底突破自然光照明的昼夜和年际光周期规律,按照需求完全控制光照条件;(6)光环境调控需要与其它环境要素控制协同进行,综合协同调控。设施园艺半导体照明是设施园艺工程学科的新兴研究分支,是农业半导体照明的最重要组成部分,是半导体照明非视觉应用的重要领域,我国设施园艺需要大力研发半导体照明技术装备,加快应用进程与产业化发展。

  设施园艺半导体照明应用领域及其复杂性

  设施园艺半导体照明研究的生产系统主要是设施园艺生产系统,生物种类涵盖蔬菜、花卉、种苗、食用菌、药用植物等等,其应用领域多样,各领域生物形态多样,光环境需求差别迥异。总结而言,设施园艺光环境调控的应用领域如下:

  (1)温室补光。为了增加植物的光合产量,提高光照强度,延长植物光照的光周期,必须进行人工补光。

  (2)食用菌工厂。目前,食用菌生产工厂化程度高,多数食用菌对光强要求不高,但光质的要求苛刻,产量品质效应大,光环境调控非常重要,应用潜力巨大。

  (3)植物工厂。植物工厂作为设施园艺的最高级发展阶段,可用于蔬菜、苗木(蔬菜苗、水稻、烟草等)、中草药等的规模化生产。智能化人工光源及其光环境调控对其生产效率起到决定性作用。

  (4)植物组培。植物组培是种苗快繁、脱毒的重要手段,完全采用人工光照进行生产,对人工光源的需求极大,电光源升级换代十分迫切。

  设施园艺半导体照明应用领域十分复杂,需要开展系统、多层面、多尺度的研究工作。原因之一,农业生物营养与生长发育规律具有多样性和复杂性,农业生物对光环境的响应机理各不相同,研究方法各异,需要逐一系统研究,揭示其光生物学规律。譬如,植物是利用光能、CO2和水,通过叶绿素光合作用形成碳水化合物,将光能转变为化学能;而微生物(以食用菌为例)则需通过胞外酶分解栽培基质获取所需营养产生菌丝和子实体。三种农业生物的营养方式根本不同,光环境需求规律迥异。原因之二,农业生产领域庞杂,农业生物种类多样及其赋存形态各异,对光环境时空需求不同。原因之三,光环境的数量属性(光强和光周期)、质量属性(光质和光谱)和电光源发光特性(占空比、频率)多,需要逐一研究其生物学效应。上述三方面因素叠加显现了植物光生物学研究了的复杂性和系统性。最后,设施系统种类多,光环境特征及变化规律迥异,需要有针对性进行光环境调控。

  设施园艺半导体照明亟待解决的科学问题

  农业生物光生物学规律研究是农业半导体照明的基础。作为新兴研究领域,国际上起步晚,设施园艺半导体照明研发中尚存许多科学问题亟待解决。总结而言,科学问题之一是光质生物学。这里的光质是指对生物有作用的光质类型,包括可见光、UV和远红光等。(1)光质的生物学功能。主要研究内容包括弄清单一光质及复合光质对植物和食用菌生长发育和产量品质影响的生理代谢、分子生物学及蛋白组学机理;(2)生物种类及品种间光质适应性和利用差异性机理;(3)光质与环境其它因子互作的生物学机制;(4)设施生物光质数量属性有效阈值和基准值(如补偿点、饱和点与光胁迫阈值)。科学问题之二是逆境光质生物学。主要研究明确单色及复合光弱光、强光及连续光照下光合机构和代谢系统运转效率的响应机理及其农学意义等。

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