智能補光 應(yīng)對霧霾

文|劉文科 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所

智能補光 應(yīng)對霧霾

文|劉文科 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所

LED光源可作為補光光源滿足設(shè)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(xiàn)設(shè)施園藝生產(chǎn)的大幅節(jié)能，可以成為設(shè)施園藝節(jié)能高效生產(chǎn)的最佳光源。

隨著中國人口的不斷增長，農(nóng)產(chǎn)品需求持續(xù)增加，農(nóng)業(yè)資源不斷減少，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，氣候變化及其災(zāi)害逐年增多，露地農(nóng)田生產(chǎn)不確定性增加，產(chǎn)出無法保障，食物安全問題日益凸顯。特別是近年多發(fā)的連續(xù)霧霾天氣，不僅給人體健康造成危害，還會對農(nóng)作物的生長產(chǎn)生影響。

2013年以來，從東北到西北，從華北到中部等地區(qū)，都出現(xiàn)了大范圍的連續(xù)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(fā)生了多次霧霾天氣，發(fā)生頻率之高、范圍之大、周期之長為歷年之最。霧霾可導(dǎo)致大氣透明度大幅下降，顯著降低溫室設(shè)施內(nèi)光環(huán)境強度和光周期，改變了光譜，嚴(yán)重影響了設(shè)施園藝生產(chǎn)。據(jù)測定，霧霾削減光照強度的影響因其發(fā)生強度不同而異，通常霧霾天氣可降低光照強度10%～90%，導(dǎo)致設(shè)施蔬菜光照不足，光合作用受阻，而發(fā)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(zhuǎn)色困難等現(xiàn)象，造成嚴(yán)重減產(chǎn)，經(jīng)濟損失嚴(yán)重。更為嚴(yán)重的是，霧霾天氣極易誘發(fā)蔬菜病蟲害的暴發(fā)和流行，嚴(yán)重影響大棚蔬菜產(chǎn)量、品質(zhì)和種植效益。冬春季節(jié)是霧霾天氣的多發(fā)、高發(fā)時段，同時也恰是設(shè)施蔬菜生產(chǎn)的關(guān)鍵期和效益決定期，霧霾已經(jīng)成為影響設(shè)施園藝生產(chǎn)的重要因素，霧霾天氣頻發(fā)嚴(yán)重制約了設(shè)施園藝生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。

荷蘭的溫室多會采用智能補光技術(shù)。

自然界中，太陽光照隨地理緯度、季節(jié)、天氣狀況的不同而產(chǎn)光照強度的日變化和光周期變化，并受設(shè)施條件（覆蓋材料及其潔凈度等）的影響。實踐中，受冬春季節(jié)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(shè)施內(nèi)弱光寡照、光周期不足等逆境條件頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響了設(shè)施園藝作物的生長發(fā)育和優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。

設(shè)施園藝：用科技創(chuàng)新應(yīng)對霧霾

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

設(shè)施農(nóng)業(yè)作為環(huán)境因子可控，可周年生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，越來越受到人們的關(guān)注，在園藝作物和食用菌集約化生產(chǎn)，解決國家食物安全，尤其是在保證城鄉(xiāng)居民“菜籃子”安全方面起著不可或缺的作用，已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)。近20年，我國的設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，到2013年底設(shè)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(chǎn)值達(dá)到6000多億元。設(shè)施園藝生產(chǎn)是以生物光反應(yīng)作用為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程，光作為環(huán)境信號和光合作用的能量的來源，其多寡和質(zhì)量高低直接關(guān)系到的植物生長發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)形成，創(chuàng)造適宜的光環(huán)境對設(shè)施園藝優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效、生態(tài)、安全生產(chǎn)至關(guān)重要。

智能補光：驅(qū)散霧霾對作物的影響

人工補光是解決因霧霾造成設(shè)施光環(huán)境脅迫問題的有效措施和唯一方法?？茖W(xué)補光的原則是根據(jù)天氣條件，按照設(shè)施植物的光生物學(xué)需求，設(shè)置人工光環(huán)境及管理策略，進(jìn)行動態(tài)智能化管理，使設(shè)施內(nèi)的光照條件適宜作物生長，保證穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)。近年來，農(nóng)業(yè)照明光源發(fā)展迅速，農(nóng)業(yè)補光日益引起了人們的重視。一方面，傳統(tǒng)電光源（如高壓鈉燈、金屬鹵化物燈、鹵鎢燈和熒光燈）的發(fā)光效率、節(jié)能性能、生物光效逐步提高，應(yīng)用性價比逐年提高，為在設(shè)施園藝照明推廣應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)，仍有廣闊的應(yīng)用前景；另一方面新型光源，如第四代電光源-發(fā)光二極管（Lightemittingdiode,LED），在理論和技術(shù)上已經(jīng)達(dá)到了實踐應(yīng)用階段，具有傳統(tǒng)光源無法比擬的應(yīng)用優(yōu)勢，應(yīng)用前景廣闊。目前，傳統(tǒng)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(jìn)行人為調(diào)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(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。故此，為響應(yīng)國家節(jié)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(fā)新型設(shè)施園藝補光技術(shù)與裝備，實現(xiàn)光環(huán)境的智能化調(diào)控，提高燈具的生物效能和生產(chǎn)效率，科學(xué)補光。

智能補光技術(shù)的特點和內(nèi)涵

LED被譽為是設(shè)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(xiàn)光強、光質(zhì)和光周期的動態(tài)智能控制。在霧霾發(fā)生時，運用設(shè)施園藝人工智能補光技術(shù)，智能補光控制系統(tǒng)會根據(jù)傳感器檢測結(jié)果，實時控制LED補光燈具進(jìn)行開閉和補光強度的控制，保證在霧霾發(fā)生時設(shè)施作物能夠獲得適宜的光照條件，促進(jìn)作物生長發(fā)育，保障產(chǎn)量。設(shè)施園藝智能補光技術(shù)將能保障霧霾頻發(fā)的氣象條件下設(shè)施園藝穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。LED光源在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用具有傳統(tǒng)光源無法比擬的光電優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：首先，LED可按植物生長發(fā)育需求調(diào)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(zhǔn)調(diào)控光強、光質(zhì)和光周期等，適宜工廠化生產(chǎn)；第四，節(jié)能、環(huán)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(shè)施園藝各個領(lǐng)域應(yīng)用。

眾多研究數(shù)據(jù)表明，LED紅蘭光條件下植物可完成其生活史，正常結(jié)實，產(chǎn)生種子。基于此，LED紅蘭光可替代傳統(tǒng)光源的連續(xù)光譜進(jìn)行設(shè)施園藝補光，促進(jìn)植物生長發(fā)育；同時，LED近距離照射可調(diào)節(jié)植物葉片和果實的代謝過程，可定向調(diào)控營養(yǎng)物質(zhì)的合成與分配，對園藝產(chǎn)品營養(yǎng)品質(zhì)提升有所裨益。通常，具有LED光源可作為補光光源滿足設(shè)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(xiàn)設(shè)施園藝生產(chǎn)的大幅節(jié)能，可以成為設(shè)施園藝節(jié)能高效生產(chǎn)的最佳光源?；贚ED的固態(tài)照明的應(yīng)用是過去幾十年來設(shè)施園藝照明的最大進(jìn)步之一，其廣泛應(yīng)用具有里程碑式的意義。

我國需要大力發(fā)展設(shè)施園藝智能補光技術(shù)

我國政府高度重視現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展。2013年和2014年的中央一號文件均強調(diào)發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，保障糧食安全的重要性。在今后數(shù)年內(nèi)，我國北方霧霾將呈嚴(yán)重爆發(fā)的趨勢，特別是發(fā)生在冬春兩季的霧霾天氣已經(jīng)對我國脆弱的設(shè)施園藝生產(chǎn)造成了嚴(yán)重危害。為了保證冬春季城鄉(xiāng)居民“菜籃子”需求，穩(wěn)定農(nóng)產(chǎn)品供給能力，必須大力發(fā)展和推廣設(shè)施園藝智能補光技術(shù)。

實現(xiàn)設(shè)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(xué)的設(shè)施園藝補光策略。根據(jù)不同省份，不同地區(qū)霧霾天氣和弱光寡照天氣發(fā)生規(guī)律，制定合理的補光強度閾值；其次，設(shè)施園藝補光需要大力發(fā)展LED補光燈具及智能補光控制系統(tǒng)。補光系統(tǒng)所發(fā)出的光譜應(yīng)以紅藍(lán)組合光質(zhì)為核心，并需開發(fā)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(tǒng)，最大程度滿足植物生長發(fā)育需求同時實現(xiàn)節(jié)能減排；最后，需要加大宣傳力度，呼吁國家對設(shè)施園藝補光燈具研發(fā)與應(yīng)用進(jìn)行補貼，讓農(nóng)戶意識到補光的必要性，促進(jìn)設(shè)施園藝補光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。