徐虹

　　桑奈特(厦门)光电科技有限公司总裁&首席技术官

　　《2018阿拉丁照明产业调研白皮书》

　　植物照明 顾问

　　中国的人工光植物照明的发展伴随着人工光源的开发应用，种植业以及种植方式的升级改变而发展，同时也受到近五十年来大气，气候变化以及种植环境的变化而改变。

　　中国是世界上设施农业种植面积最大的国家之一，也是种植品种最丰富的国家。设施农业的规模和方式的跨度也非常大，从最简易低矮的竹子塑料棚到超过10平方米的连栋文洛型玻璃温室都有植物照明产品在不同地域以不同方式针对不同作物的应用。

　　植物照明的应用需求主要来自于下述三个因数的驱动:

　　1. 土地成本的上升，驱动设施农业从平面种植向垂直种植方向发展，需要对中下层的作物进行补光以确保光合作用所必须的光能。

　　2. 温室效应导致的太阳辐射的衰减，以及大气污染(雾霾)和气候变化(阴雨)所产生的弱光寡照效应，需要人工补光以确保作物的产量和质量

　　3. 城镇化、以及食品安全等驱动都市农业全人工光植物工厂的发展和推广应用。

　　一、中国设施农业的现状与植物照明需求

　　根据2017年12月国家统计局发布的《第三次全国农业普查主要数据公报(第二号)》数据显示，2016年末，全国温室占地面积334千公顷，大棚占地面积981 公顷。

　　我国已有温室中，连栋温室约4.6万公顷，占温室总面积的2.2%，日光温室约 70万公顷，占温室总面积的32.7%，其余为简易塑料大棚。

　　中国幅员辽阔，与全球大部分地区类似，中国的地面太阳辐射都经历了一个从减少到增多的过程，即所谓的地球由“变暗”到“变亮”;中国各个地区发生相同的变化过程，大致以1990年为界，之前以减少趋势为主，之后逐渐增加，不同地区太阳辐射变化幅度有所差异;分析了城市类型和气溶胶(雾霾)厚度对太阳辐射变化的影响，多数大城市和工业城市的太阳辐射下降幅度大于中小型非工业城市，气溶胶 (雾霾)光学厚度的分布与太阳辐射下降趋势呈相似分布特征，说明城市工业化及其产生的气溶胶(雾霾)污染对太阳辐射的下降起着重要作用。

　　数据来源:中国气象科学研究院

　　近50年来中国的地面太阳辐射都出现了先减少后增多趋势，与地球的先“变暗”后“变亮”过程相一致。太阳辐射的变化不只发生在大区域内，在小范围内同样会表现出不同的变化趋势。中国从1961—2010年地面太阳辐射总辐射变化整体上呈下降趋势，各分区的总辐射以减少为主，减少幅度略有不同，华东地区下降幅度大于其他地区。从20世纪60年代开始呈减少趋势至70年代初期变得非常显著，这一趋势一直持续到1991年，其后一直表现为增长趋势。近50年来中国地面总辐射的变化大体上可以分为两个阶段，各个地区从1961到1990年前后地面太阳总辐射量和直接辐射均以下降趋势为主，1990年至今地面太阳辐射量逐渐上升，与全球变化趋势相符。

　　近年来，国家对大气污染的整治力度不断加强，区域性的气溶胶(雾霾)导致的弱光寡照导致大面积减产的可能性正在逐步降低。

　　全人工光植物工厂的发展趋势近年来随着光质生物学的研究进展，以及国家863智能化植物工厂生产技术研究项目的结题并获得国家科技进步二等奖，国内外行业基金、风投、以及与国际垂直农业、植物工厂项目的融合引进、上游芯片、中游封装、下游灯具产品和系统解决方案供应商的参与，成本不断下降，效能不断提高，为产业化应用打下良好的基础。

　　二、植物照明应用现状

　　1 塑料大棚

　　植物照明在温室中的应用比率(渗透率)仍旧非常的，而且以传统光源为主，其中占比高达62%的塑料大棚，一般都没有采用任何的补光手段，即使为数较少的塑料大棚采用了补光技术，仍旧以节能灯和白炽灯为主的光源，能耗较高，寿命较短，补光增产和光周期调控效果并不明显。

　　2 日光温室

　　在占有量达32.7%的日光温室中，采用直管荧光灯和LED灯具进行育苗的比例持续上升，一般的日光温室和连栋温室都配置有育苗区(室)完成育苗-练苗后直接定植和移植。

　　即使是在日光温室和连栋温室中，采用人工光进行植物光照进行补光的比例仍旧较低，即使采用人工光补光，也仍旧以金卤灯和高压钠灯为主，LED植物照明系统的渗透率仍旧较低，但是增长速度随着成本的下降开始加速，主要原因是使用者对金卤灯和高压钠灯已经具有较长时间的使用经验，尽管能耗较高，预热时间较长，配电要求高，但是产出(结果)比较有预期。并且，日光温室和连栋温室的设计高度较高，采用金卤灯和高压钠灯在避免灼伤植物冠面的同 时，也为温室提供了约6-8%的热能，对东北和西北的冬季作物提供了必要的热能。

　　而LED植物照明系统在日光温室和连栋温室中的实验刚刚开始，各种不同光配方的和形态的植物照明灯具倾泻而下，且没有提供具体的有效的使用说明和数据支持，也延缓了LED植物照明系统在日光和连栋温室中的应用。目前仍旧以小规模的示范应用为主以便取得相关的实验性作物生产数据。其中上海合鸣的LED植物照明顶部补光灯已经有较大规模的实验应用。

　　即使是在日光温室和连栋温室从平面向垂直种植升级，通过多层种植以提高单位面积产量从而降低土地成本的过程中，仍旧以采用机械移动种植架或采用梯形种植架以取得充分的光照，人工光补光的应用比率仍旧较低。

　　在日光温室中LED植物照明的应用比较多的是以株间补光灯具为主，由于LED相对于金卤灯和高压钠灯属于冷光源，可以比较靠近植物冠面，产生较小的温度影响，因此在茄果类作物生产中LED植物照明开始试验性应用。但是，植物照明系统生产厂家由于对农业生产的不了解，在产品设计中一味以系统光效(μmol/J)-节能为目标，导致植物光照的区域和珠间均匀性较差，作物产量和质量的改善的预期较低。厦门通秴科技有限公司的高均匀度珠间补光灯具在北美取得有效大规模作物生产数据后，已经开始在国内推广使用。

　　3 大田应用

　　相对于设施农业的植物照明的渗透和应用进展缓慢，而户外的经济价值较高的长日照作物- 火龙果的LED植物照明系统-光周期调控的应用的取得意外的高速发展。

　　4 植物工厂

　　植物照明系统目前应用最快速也最广泛的是全人工光植物工厂，按类别分为集中式多层以及分布式可移动植物工厂。全人工光植物工厂在国内的发展非常迅猛，以至于任何的数量统计都不完整或者全面。

　　集中式多层全人工光植物工厂的投资主体并不是传统的农业公司，而更多的是从事半导体以及消费电子产品的公司，例如中科三安、富士康、松下苏州、京东，当然也有中粮、绿脉、星菜、喜翠等新型现代农业公司，此外，直接引进国外技术的Aerofarm china, 以及日本的 MIRAI全人工植物工厂系统也开始进入中国。中小型的集中式植物工厂甚至由半导体灯具生产商，太阳能支架系统生产商投资进入，发展非常快速以及多样化。此外，大学以及农业科研院所的用于工程研究的全人工光植物工厂的建设也方兴未艾。

　　中科三安湖头植物工厂(首期10000m2已经投产运营，二期10000m2也进入试生产)

　　照片转自“安溪商人” 京东-三菱化学植物工厂

　　照片转自“照明电器信息中心”富士康(深圳龙华)5000平方米14层种植层架的植物工厂

　　照片转自“中国之光网”苏州松下植物工厂

　　照片转自“苏州工业园区”中粮植物工厂

　　照片转自“中国之光网”华星环球-喜翠植物工厂

　　照片来源-华星环球植物工厂微信公众号绿脉植物工厂

　　照片转自“中国农村信息网”日本 MIRAI植物工厂

　　照片转自“中国之光网”北京航空航天大学月宫一号二号完成365天全封闭实验项目

　　照片转自“月宫一号”微信公众号 植物照明系统由厦门通秴科技提供，此外在组织培养和育苗植物工厂的传统荧光灯具的替代方面也有广阔的前景

　　中环易达全人工光育苗植物工厂

　　照片来源:中环易达微信公众号

　　上海离草科技的无糖组培植物工厂

　　照片来源:上海离草科技官网

　　在分布式可移动的植物工厂，仍是以海运集装箱(新箱或二手箱改建)为标准载体，其中厦门桑奈特、厦门通秴与中集合作的模组化集装箱植物工厂由于其模组化的设计和工厂的自动化生产，具有安装时间短，配置灵活(种植箱和设备控制箱分离)，高种植密度和较高的智能化水平取得先机，此外，包括中科三安、ifarm、绿脉、水木九天等也有不同类型的分布式可移动植物工厂在运营和销售。

　　分布式全人工光植物工厂已经开始向餐厅以及超市甚至家庭渗透，向实现蔬菜食品生产和消费的零距离方向迈进。

　　上海某高端餐厅全人工光植物工厂，照片转自新浪微博

　　客集家庭教育，休闲，种植的全人工光蔬菜生产系统中实创–Plantbox

　　上述全人工植物工厂植物照明系统大多采用线性或者平板阵列照明灯具系统，种植品种数量不断扩展，种植面积单位能耗在80-150W/m2, 差异较大，各种实验性的光配方，包括不同的红蓝配比，加入不同比例绿光的“全光谱”、以及蓝紫LED芯片触发三基色荧光粉的类太阳光谱(包含UVA波段)的LED光源开始广泛并大量应用，其上市的产品主要还是以绿叶蔬菜为止，售价一般都在大棚蔬菜的市售价格的8-10倍，有的甚至达二十倍，但是由于环控设备 (超净环境、洁净环境)的初期投资巨大，运营成本的单位面积能耗(温、光、水、气、肥)持续下降仍面临较大的挑战，普通消费者的价格敏感度较高，而追求高度食品安全和新鲜口感的高端客户则受众受限，因此尚未见到可持续赢利的可靠的数据支持。