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设施农业半导体照明的迫切性

 

半导体照明技术研发与产业化发展是现代农业可持续发展的必由之路,具有显著的经济、社会和生态环境效益。其迫切性主要基于以下几点。

 

农业半导体照明是发展现代农业,保障国家食物安全的实际客观需求

光环境调控是现代农业发展的实际客观需求,这主要表现在两个方面。光环境调控为物理性调控,生态安全,环境负效应少。设施园艺光环境调控已经成为现代农业发展的内在要求与客观需求,以保障现代农业高产、优质、高效、稳产。在温室大棚等设施内,设施园艺生产是以生物光合作用等生物反应为基础的生产过程,光作为环境信号和光合作用的能量的来源,其多寡和质量高低直接关系到植物生长发育和产量品质形成,创造适宜的光环境对设施园艺优质、高产、高效、生态、安全生产至关重要。自然界中,太阳光照随地理纬度、季节、天气状况的不同而产光照强度的日变化和光周期变化,并受设施条件(覆盖材料及其洁净度等)的影响。为此,必须实现光照条件的按需调节,否则保障国家食物安全的目标无法实现。设施园艺作为环境可控的农业生产方式,发展光环境调控技术是其内在要求,更是客观需求。

农业半导体照明温室人工补光十分必要,需求迫切

补光方式包含两类:一是通过可见光调控(PAR)组成和强度,强化光周期和光合作用;二是通过补加UV和FR光质调控形态和品质。温室人工补光必要性主要基于以下几点。

①弱光寡照胁迫。实践中,温室的墙体、桁架结构、覆盖材料(材质、老化程度、灰尘附着和结露性能)对光有遮挡、吸收、反射、折射等作用,加之大气污染、扬尘和浮尘导致大气透明度低等因素致使进入温室内的光照强度大幅度削减。其中,连栋温室、塑料大棚和日光温室的整体透光率在60%、70%和50%~70%。此外,受冬春季节连阴天、雨、雪、雾天气等恶劣天气等因素的影响,设施内弱光寡照、光周期不足等逆环境条件频繁发生,严重影响了设施园艺作物的生长发育和优质高产。

②雾霾天气。近年来,严重的雾霾天气已经成为影响设施园艺生产的重要因素。2012年以来,我国雾霾天气的发生频率、持续时间及影响地域范围呈逐年增加的趋势,雾霾发生时段长达7个月(10月至次年4月)。2013年以来,从东北到西北,从华北到中部等地区,都出现了大范围的连续雾霾天气,单次影响面积高达200万km2

雾霾导致大气透明度大幅下降,显著降低了温室设施内光环境强度和光周期,改变了光谱,严重影响了设施园艺生产。据测定,雾霾削减光照强度的影响因其发生强度不同而异,通常雾霾天气可降低光照强度50%以上,导致设施蔬菜光照不足,光合作用受阻,而发生叶片黄化、植株萎蔫、生长缓慢、落花落果、茄果类作物果实着色不均,转色困难等现象,造成严重减产,经济损失严重。更为严重的是,雾霾天气极易诱发蔬菜病虫害的暴发和流行,严重影响大棚蔬菜产量、品质和种植效益。

冬春季是雾霾天气的多发、高发时段,同时也恰是设施蔬菜生产的关键期和效益决定期,雾霾天气频发已严重制约了设施园艺生产的经济效益,通过技术创新减少雾霾对设施园艺的危害已变得十分必要和紧迫。而且,冬春季雾霾频发期与设施园艺生产关键期重合,加剧了危害程度,对菜农收益影响巨大。一般认为,当温室内的光强小于50uml/m2·s时就需要补光,以达到光补偿点。

③高纬度地区光周期调控。在高纬度短日照地区迫切需要进行延长光周期的调控,增加光照时数。

④长日照植物生产需求。在日照时间不足地区生产长日照植物需要增加光照时数,促进其完成生长周期。

总之,其一,为克服上述设施园艺生产的光环境问题,进行人工智能补光是直接有效的途径(刘文科和杨其长,2014)。其二,完全人工光设施生产光环境调控。精准智能化光环境调控是人工光植物组培、植物工厂、食用菌工厂和育苗工厂等领域优质高产、能耗与生产效率的决定性因素,必要性十分突出。通过光环境调控,可改善作物形态,增加产量,并按照人类需求定向增加有益化学物质的含量,降低无益物质的积累,提高农产品的能值和营养保健价值,实现真正意义的优质生产。

 

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