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设施农业半导体照明的应用领域

现代农业照明应用领域多样,各领域生物形态各异,光环境需求差别较大,光环境调控策略不同。总而言之,主要包括以下几个领域。

第一,是设施园艺领域。我国设施园艺栽培面积已近400万hm2,人工光栽培面积(组培、植物工厂、食用菌工厂)达5000hm2以上,产值超过万亿元,且呈逐年上升趋势。在设施园艺领域光环境调控的模式包括以下几个方面。

①温室补光。我国日光温室和连栋温室面积在100万hm2以上,为了克服弱光寡照逆境,増加植物的光合产量,延长织物光照的光周期,必须进行人工补光。

②食用菌工厂。食用菌是重要的蔬菜和药食同源保健品,2012年我国食用菌生产总量近3000万t,产值超过1500亿元,占世界总产量的70%以上。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,但光质要求苛刻,产量品质效应大,光环境调控非常重要。

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。据估算,人工光植物工厂叶菜生产效率是露地40~108倍,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。而且,植物组培能耗较大,亟需LED节能光源替代传统光源,大幅降低电能消耗。我国是全球工厂化植物组培育苗的生产基地和出口基地,也是全球最大的组培苗消费市场。自20世纪90年代中期以来,中国大陆承接了全球工厂化组培育苗的产业转移,现在这一产业转移过程已经完成。据农业部统计,截至2007年底,全国年产量年产值200亿元左右。

⑤设施芽苗菜生产。设施芽苗菜生产需要光环境调控,在产量和品质形成与高效生产方面具有重要应用价值和实践意义。

⑥活体与离体蔬菜储运保鲜。LED光源在采后的储运过程中的保鲜与营养品质保持、营养液光催化处理方面均有应用价值。

⑦在太空保障系统中应用,生产粮食和蔬菜作物等。

⑧植物生长箱、家庭种植和阳台种植补光应用。通常芽苗菜类需要光强在7~15umol/m2・s,叶菜类需要200~300umod/m2.s,而果菜、果树类需要550umol/m2・s以上的光能。

 

第二,设施畜禽养殖领域。设施畜禽养殖是满足肉蛋奶需求的主要生产方式。2011年,我国仅家禽饲养业的产值已达6500亿元,有4000万养禽农户和企业。近几年,规模化养殖进一步扩大。研究表明,人工照明的颜色、强度、时长及间断控制等都会对养殖动物的行为习性、生理特性、生长发育等产生应激,最终影响动物的生长发育与繁殖性能。

集约化养鸡场、养猪场等都必须采用人工光照明,人工照明在畜禽养殖业具有广阔的应用前景。对于动物养殖来说,可以根据不同的养殖目的(如产肉、产蛋、产奶等),采用特定波长的LED实施光照促进动物生产率,减少饲料添加剂及激素的使用,实现高效绿色生产。泮进明等(2013)综述了鸡规模养殖LED光环境调控技术的研究现状。

在肉鸡方面,通过LED的光色、光照度与光周期等因子的调控,可影响小肠黏膜结构来提高营养吸收和促进生长,通过影响卫星细胞增殖及肌肉纤维发育提高屠宰性能与鸡肉品质,同时影响行为和健康,增强免疫力,降低死亡率和疾病发生率等。在蛋鸡和种鸡方面,通过对光环境进行调控,可影响其饲料消耗,并促进促黄体素和促卵泡素等激素的释放来影响性成熟、开产日龄、产蛋率等,同时提高种鸡的受精孵化率,改善鸡蛋品质情况,有效降低啄癖现象。

 

第三,设施水产养殖和远洋捕捞领域,利用光信号控制趋光性、光周期。LED诱鱼灯和LED诱虫灯具有重要用途,具有节能、生态、高效的应用优势。对于海洋捕捞来说,可以应用特定波长的LED光源,进行海产品的诱导,提高捕捞量。现在,利用聚渔灯的有卷网、收线网、捞鱼网、搬网、钓鱼等,不同的鱼根据各自的照度滞留,照度分布对鱼滞留影响有待研究。鱼的视网膜有450mm、530mm和620nm最大光感度的3个椎体,还有对UV辐射有最大光感度的第四椎体。多数海产鱼的最大光觉在480~510mm附近,不同鱼眼对光谱的视觉有差异。水产养殖中利用可见光的周期变化控制鱼类的成熟过程,针对不同鱼的种类进行照明亮度和光周期的控制。利用UV照射在海水中产生氧化剂促进与排卵有关的荷尔蒙合成。

 

第四,UV-LED杀菌,利用光的光化学功能。用于各种无土栽培场所营养液消毒和养殖水的消毒。其中,以波长253.7nm的UV-C辐射杀菌功能最佳。

 

第五,微生物和微藻培养领域。LED在微生物和微藻培养领域具有重要的应用前景,在微生物和微藻培养时,可以采用促进有益微生物繁殖培育增殖的特定波长的LED实施光照,实现高效率、密集产量的微生物反应过程。

 

最后,植物保护应用需求旺盛,通过诱虫捕虫、规避抑制行动控制病虫害的发生几率。运用昆虫的趋光性捕获、驱除的方法。采用昆虫能见度光谱(300-450nm)接近的LED灯引诱害虫。运用昆虫的视觉器官(复眼)的明适宜,降低活动能力的原理,减少蛾类等在夜间活动的昆虫飞来,或控制昆虫活动的方法。

可采用500~600m的黄色LED灯、荧光灯,光强达到数个流明。对于农业害虫的物理防治来说,可以采用特定波长的LED光源,引诱并灭杀害虫、减少农药施用量,做到安全绿色生产。利用病虫和昆虫趋光性和光质偏好,通过人工灯具光环境动态调节进行诱杀,可降低农药使用量,提高植物保护的耙标的专一性,减少生态扰动,减少因病虫害导致的粮食损失。

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