刘厚诚 | LED植物照明产业的发展现状与趋势
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光是植物生长发育的基本环境因素。光照不仅通过光合作用供应植物生长所需的能量，还是植物生长发育的重要调控因子。通过人工光补充或全人工光照射植物，可以促进植物生长，提高产量，改善产品形态、色泽，提升功能成分等，还可以减少病虫害的发生。人工光源技术在植物照明领域的应用越来越广泛，LED以其光效高、发热低、体积小、寿命长等诸多优点，在植物照明领域应用的优势明显，植物照明灯也将逐渐以LED照明灯具为主。
1 LED植物照明产业的发展现状
1）植物照明封装。在植物照明封装领域，封装器件种类繁多而无统一测量评判标准体系，国外大厂主要在大功率、COB和模组方向，兼顾植物照明白光系列，结合植物生长特性和人性化照明环境，较国内产品在可靠性、光效、不同植物不同生长周期光合辐照特性研究等方面有较大的技术优势，包括了各式不同尺寸的高功率、中功率及低功率产品，以满足各种植物在不同生长环境的需求，期望达到植物成长最大化及节能的目标。
芯片外延片大量的核心专利仍掌握在日本日亚、美国科锐等早期领跑企业手中，国内芯片厂商仍缺乏具有市场竞争力的专利产品。同时很多公司在植物照明封装芯片领域也在开发新的技术，如欧司朗薄膜芯片技术令芯片紧密地封装在一起，创造出大面积照明表面，基于该技术的波长为660 nm的高效LED灯具系统可降低栽培区内40%的能耗。
2）植物照明光谱与器件。植物照明的光谱比较复杂，多样化，不同植物不同的生长周期甚至在不同的生长环境下，所需的光谱都存在较大的差异。为了满足这些差异化的需求，目前业界内有以下几种方案：①多种单色光组合方案，以对植物光合作用最有效的峰值为450 nm、660 nm的光谱和对植物开花诱导的730 nm波段这三段光谱为主，再加525 nm的绿光以及低于380 nm的紫外波段，这几种光谱依照植物的不同需求而组合出最适宜的光谱。②全光谱方案，实现植物需求光谱全覆盖，以首尔半导体、三星为代表的SUNLIKE，此类光谱未必是最高效的，但适用于所有植物，而且成本较单色光组合方案低很多。③以全光谱白光为主，加上660 nm的红光组合方案，来提高光谱的有效性。这种方案比较经济实用。
植物照明单色光（主要波长为450 nm、660 nm、730 nm）封装器件，国内外多家公司均涵盖，而国内产品种类较为繁杂，规格较多，国外厂家产品较为标准化，同时在光合光子通量、光效等上国内与国外封装大厂仍存在较大差距。植物照明单色光封装器件除了主要波段为450 nm、660 nm、730 nm的产品，很多厂家也在开发其他波段的新产品，实现产品完整的光合有效辐射（photo-synthetically active radiation，PAR）波长涵盖（450—730 nm）。
单色光LED植物生长灯并非适用于任何植物的生长，全光谱LED的优势因此而凸显，全光谱首先要达到可见光全光谱（400—700 nm）全覆盖，另外要提高蓝绿光（470—510 nm）、深红光（660—700 nm）两波段的表现。用普通蓝光LED或者紫外LED芯片搭配荧光粉做到“全”光谱，其光合效率各有高低。植物照明白光LED封装器件大部分厂家采用Blue chip+荧光粉实现全光谱。植物照明封装器件除了单色光和蓝光或紫外芯片加荧光粉实现白光的封装模式外，还有一种使用两种或者两种以上波长芯片复合封装的模式，比如红+蓝/紫外、RGB、RGBW。这种封装模式在调光方面有很大优势。
在窄波长LED产品方面，大部分封装供应商能够为客户提供365—740 nm波段的各种波长产品。在荧光粉转换的植物照明光谱方面，绝大多数封装厂家都有多种光谱供客户选择。相比2016年，2017年其销售增长率取得了较大幅度的增长，其中660 nm LED光源的增长率集中在20%—50%，而荧光粉转换植物LED光源的销售增长率达到50%—200%，即荧光粉转换植物LED光源的销售增长更快。
所有封装公司都可以提供0.2—0.9 W和1—3W的通用型封装产品，这些光源让灯具厂商在灯具设计时有很好的灵活性。此外部分厂商还提供更高功率集成封装产品。目前大部分厂商的出货超过80%都是0.2—0.9 W或1—3 W。其中，国际领先封装企业出货集中在1—3 W，而中小型封装企业的出货集中在0.2—0.9 W。
3）植物照明应用的领域。从应用的领域看，植物照明灯具主要应用在温室补光、全人工光植物工厂、植物组织培养、大田补光、家庭蔬菜及花卉种植以及实验室研究。
①在日光温室和连栋温室中，采用人工光进行补光的比例仍旧较低，而且以金卤灯和高压钠灯为主，LED植物照明系统的渗透率较低，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，而且采用金卤灯和高压钠灯在避免灼伤植物的同时，也为温室提供了约6%—8%的热能。而LED植物照明系统没有提供具体、有效的使用说明和数据支持，延缓了其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。由于LED属于冷光源，可以比较靠近植物冠面，产生较小的温度影响，在日光和连栋温室中LED植物照明的应用比较多的是株间补光灯具。
②大田应用。设施农业的植物照明的渗透和应用进展相对缓慢，而户外的经济价值较高的长日照作物（如火龙果）的LED植物照明系统（光周期调控）的应用取得了高速发展。
③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的植物工厂。全人工光植物工厂在国内的发展非常迅猛。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，也有中粮、喜翠等新型现代农业公司。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。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，各种实验性的光配方的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。
④家居植物种植。LED可应用于家用植物台灯、家庭植物种植架、家用蔬菜生长机等方面。
⑤药用植物培育。药用植物的栽培如金线莲、铁皮石斛等，这些市场的产品具有更高的经济价值，是目前植物照明应用较多的一个产业。另外，北美和欧洲部分地区大麻种殖的合法化促进了LED植物照明在大麻种殖领域的应用。
⑥花期灯。作为花卉园艺产业中调整花卉开花时间的必备工具，最早应用的花期灯具为白炽灯，随后的节能荧光灯，随着LED的产业化进展更多的LED类型花期灯具已经逐步取代传统灯具。
⑦植物组织培养。传统组织培养光源主要是白色荧光灯，其光效低、发热量大。LED由于低功耗、低发热和长寿命等显著特征，更适用于高效、可控和紧凑空间的植物组织培养。目前白光LED灯管正在逐步替代白色荧光灯。
4）植物照明企业的区域分布情况。据统计，目前我国从事植物照明的企业已经超过300家，珠三角地区的植物照明企业占比超过50%，已处于主要位置；长三角地区的植物照明企业占比约为30%，依旧是重要的植物照明产品生产地区。传统类型植物灯企业主要分布在长三角、珠三角和环渤海地区，其中长三角地区占53%，珠三角和环渤海地区分别占24%和22%；LED植物照明生产企业主要分布区域为珠三角地区（62%）、长三角地区（20%）和环渤海地区（12%）。
2 LED植物照明产业发展趋势
1）专业化。LED植物照明由于其具有光谱和光量可调，及整体发热小的发光特点，具有良好的防水性能，适合应用于各种场景的植物照明。同时由于自然环境的变化及人们对食物品质的追求，促进了设施农业和植物工厂的蓬勃发展，也使LED植物照明行业进入快速发展期，未来LED植物照明将会在提升农业生产效率、提高食品安全、改善蔬果品质方面发挥重要作用。植物照明用的LED光源会随着产业的逐步专业化进一步发展，向更加具有针对性的方向前进。
2）高效化。光效与能效提升是大幅减少植物照明运行费用的关键，采用LED替代传统灯具并根据植物从苗期到收获期的光配方需求进行光环境的动态优化调节，是未来精致农业的必然趋势。在提高产量方面，可以根据植物的发育特征，分阶段、分区域结合光配方进行培育，以提高各阶段的生产效率和产量；在提高品质方面，可以通过营养调控和光调控等手段，提高营养成分含量以及其他保健功能成分含量。
据估算，目前全国蔬菜育苗需求量6800亿株，而工厂化育苗的生产能力不足10%。育苗产业对环境要求较高，生产季节多为冬春季，自然光照弱，需要人工补光，植物照明投入产出比较高，对投入的接受度高；果菜类（番茄、黄瓜、甜瓜等）需要嫁接，在高湿度条件下特定的光谱补光促进嫁接苗愈合，LED具备独特的优势。温室蔬菜种植补光，可弥补自然光照不足，提高植物光合效能，促进开花结果，提升产量，而且可以提高产品品质。LED植物照明在蔬菜育苗和温室生产中的应用前景广泛。
3）智能化。植物照明对光质光量可实时调控这种复杂的需求强烈，随着智能控制技术的提高、物联网的应用，多种单色光谱加智能控制系统实现时控、光控、根据植物的生长状态适时调整的光质光量输出，势必成为植物照明技术未来发展的主趋势。
专家介绍
刘厚诚
华南农业大学园艺学院设施农业科学与工程系教授，广东省设施园艺科技创新中心主任，中国园艺学会设施园艺分会常务理事、中国照明学会农业照明专业委员会委员。长期从事设施园艺与植物工厂、蔬菜生理生态、蔬菜优质高效生产原理与技术的教学与研究工作。近年主要开展园艺作物光调控技术和植物工厂生产技术研究，包括蔬菜幼苗的光调控、蔬菜产品品质（主要是保健功能成分）的光调控、植物工厂光环境调控等。
▌全文刊载于《照明工程学报》2018年第29卷第4期
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