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农业照明痛点仍存 几大核心问题待解决

导读: 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。

  在线沙龙《光亚展回顾特辑》上,不少人表现出了对农业照明的极大兴趣。农业照明的市场潜力巨大,这是毋庸置疑的结论,中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所研究员杨其长曾指出,现代农业几乎所有领域都与人工光有密切关系!尤其在种植业(设施园艺、都市农业等)、畜禽养殖业(设施养殖)、水产业(设施养殖、诱鱼等)、种植业(露地生产,植保诱虫等)、其他(食用菌、微藻等)对人工光源需求迫切。仅就蔬菜这一项,我们可以作一个简单的设想,2014年全年中国仅蔬菜消耗总量大约为1300亿人民币,如果未来5年、10年、20年,有30%的蔬菜是通过农业照明来实现,那么这个农业照明的市场有多大可想而知。

  但正如沙龙上,“十二五”国家科技重点专项(半导体照明专项)专家组专家杨海峰、北京世纪金沙江创业投资管理有限公司高级副总裁丁建华、中国之光网及农业照明网总经理洪兵所言,农业照明市场巨大,但基于农业照明涉及面的复杂性等原因,做大、做深并不是一件容易的事情。目前,农业照明痛点仍存,各种探索仍在进行。

  基础层面:农业照明涉及面的复杂性

  复旦大学电光源研究所刘木清、朱雪菘从下面五个层面阐述了这点。

  一、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。

  二、农业照明的复杂性

  作为1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1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。

  三、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 1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10000种情况,如果每种情况10个样本,那就是100000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。

  农业照明痛点仍存 几大核心问题待解决

  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。

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