农业照明光源需求分析：LED光源最具优势？

　　地球的能量主要来自于太阳光的辐射，包括食物、能源、材料等都是通过光合作用来产生的，所有地球上的生命直接或间接地取决于光合作用的影响。光合作用可以将空气中的水和二氧化碳转化为氧气和碳水化合物，化学方程式如式(1)所示。

　　这样太阳光首先转换成化学能量提供植物和藻类生长，间接的光合作用也是食物来源和建筑材料的主要能量。光合作用对调节地球的生命周期有重要作用，尽管光合作用已经存在了37亿年，但其能量利用效率却十分低，太阳光能量的最大转换效率据估算仅4.6%~6%，如果再考虑生物生长的效率，太阳光的光合作用的能量转换效率仅为1%~2%。因此，已经有越来越多的人工光出现，并发现具有更高的能量转换效率，然而，地球的人口不断增加，对地球生物产量提出了更高的要求，增加粮食生产也可通过提高光合作用的效率来实现。

　　农业是国民经济的基础，日常生活中的肉蛋奶、蔬菜、花卉、瓜果、食用菌等农副产品的很大一部分都是在设施条件下生产出来的，其中农业照明起到了极为重要的作用。总体上来看，在现代农业的很多领域，如设施植物生产、集约化养殖业、水产捕捞、病虫害防治、食用菌生产及微藻繁殖等，都与人工照明有着极其密切的关系。为优化光合作用的效率，使用特制光谱的人工光源提高植物生产力成为未来人类发展的一个重要手段。

　　一、现代农业照明光源的需求

　　1.1在植物生产对人工照明的需求方面

　　俗话说“万物生长靠太阳”，光照是地球上生物赖以生存与繁衍的基础，作物的光合作用离不开光照，光照条件的好坏直接影响作物的产量和品质。自然界中，太阳的光照随地理纬度、季节和天气状况的不同而变化，高纬度地区冬季日长变短以及其他地区冬春季节连阴、雨、雪、雾天气等特定气候条件下，光照强度和光照时间不足的现象时有发生，因此，在现代植物生产系统中(如温室、大棚等)人工补光已经成为高效生产的重要手段。此外，在密闭式人工光生产系统，如植物工厂、组培车间、育苗工厂等，采用完全人工光进行光合作用，因此也离不开对人工照明光源的需求。

　　1.2在养殖生产对人工照明的需求方面

　　集约化养鸡场、养猪场等都在封闭或半封闭环境下进行饲养，人工光源不仅能起到照明的作用，而且对畜禽生产性能也会产生重要影响。大量研究表明，在畜禽养殖过程中，照明光源颜色与波长、光照时间与强度、光照期与黑暗期的配合等都会对畜禽的生产性能、生理特性、行为特性、体质健康等产生显著影响。适宜的人工照明，能够克服了畜禽繁殖生理机能季节性限制，使其遗传潜力能最大限度地发挥出来，增加畜禽养殖的经济效益。

　　1.3在水产捕捞与灯光诱鱼对人工照明的需求方面

　　自公元8世纪开始，人们利用鱼对光的敏感性，就采用灯光进行集鱼与捕鱼。多年来，世界各地一直存在使用火或其他形式的灯光捕鱼的方法，如今这些捕鱼方法已经成为许多国家现代渔业的一个重要特征。一些学者还对不同颜色光源的诱鱼效果进行了试验，结果表明，蓝光具有更深的水体穿透性，使用以蓝色为主体的人工光源可以取得更好的捕捞效果。

　　1.4在人工微藻对照明的需求方面

　　近年来，随着全球资源、能源及环境危机的加剧，开发利用光合自养生物微藻，直接将太阳能及CO2转化成人们生产生活需要的医药、生物基化学品(如天然色素、异戊二烯等)和生物能源(如乙醇、丁醇、生物柴油等)，已经成为世界各国关注的焦点。光照是影响微藻细胞生长及生化成分变化最重要的因子之一，对微藻的生长、繁殖、藻体颜色、细胞形态及代谢产物含量均有重要的影响，人工光源逐渐作为有效手段在微藻繁殖中得到广泛应用。

　　二、光源光谱及其测量

　　光源不同光谱对植物生长发育的影响在一百多年以前已有研究，尽管研究已经表明不同波长的光对植物生长的作用不同，但控制这些反应的机制到现在仍然没有完全理解。感光细胞群之间相互依存和相互作用的关系还不能很好认清，主要原因是植物对光响应传导的机制复杂，且物种之间的差异较大，不同植物使用不同的感光细胞来捕获光能控制主要的生理过程。像人类视觉一样，植物可以收集环境和感光信息，采用精妙的方式设置的代谢和生理周期，图1是绿色植物主要感光细胞质对不同波长光谱的吸收情况。

　　叶绿素和类胡萝卜素等光合色素的作用，主要是在光合作用中收集光能并转换能量。叶绿素最大灵敏度在蓝色和红色区域，分别为300~400nm和600~700nm。类胡萝卜素，如叶黄素和胡萝卜素等，主要吸收蓝光，也被称为叶绿素的辅助光接收器。

　　光敏色素包括两种可逆转换的光敏色素Pr和Pfr，它们的感光灵敏度峰值分别在红色区域的660nm和远红外区域(700~800nm)的730nm处。光敏色素对生理响应的影响主要有叶片扩展、周围感知、避荫、茎杆伸长、种子发芽和开花诱导。光形态形成的反应通常是通过光敏色素感应光谱中红光(R)和远红外光(FR)的比率(R/FR)来控制的。

　　吸收蓝光的色素包括隐花色素(如cry1、cry2)和向光素(如phot1、phot2)。隐花色素控制植物形态、基因表达、花期变化，并有助于叶片生长和强烈抑制茎杆伸长，且被证明可以改变动物生物钟的周期。向光素可以调节色素含量，定位光合器官和细胞器，以优化光收集和光抑制。

　　针对上述感光细胞已开展了大量研究，但还有很多感光细胞有待进一步认识。最近，一个新的叶绿素感光已经被发现，被称为叶绿素f(chlf)，该叶绿素有红移的吸收峰706nm，该发现表明，光合作用可以进一步延伸到红外区。UV-B众所周知影响植物的生长和发育(如下胚轴伸长，干重，叶面积，光合活性和开花)，最近发现的一种吸收UV-B的感光蛋白质，可能有助于研究增加UV-B辐射到达地球的表面对陆生植物的潜在影响。

　　黄绿光(500~600nm)对植物生长的影响仍有争议。有研究报道黄光(580~600nm)抑制莴苣叶绿素和生长叶绿体的形成，而也有另外的研究结论称绿光可以提高莴苣发展和恢复蓝色光激发的气孔的开放。现有认识是绿色光能调整感光系统中红光和蓝光的生长情况，对很多植物来说，特别是食用植物，浅红色和蓝色的组合可能无法提供最终的植物生长解决方案。