补光型植物育苗工厂

设施农业属于高投入高产出，资金、技术、劳动力密集型的产业。

它是利用人工建造的设施，使传统农业逐步摆脱自然的束缚，走向现代工厂化农业、环境安全型农业生产、无毒农业的必由之路，同时也是农产品打破传统农业的季节性，实现农产品的反季节上市，进一步满足多元化、多层次消费需求的有效方法。

我国春季播种育苗时节较短，对光照连续需求较大，一旦出现波动将会导致播种延迟，粮食减产。

因此设施农业LED照明应用主要应用在两个层面，一类是冬季设施农业的蔬菜种植，另一类是春季的育苗育种。

1)冬季设施农业的蔬菜种植设施农业种植大都在冬季进行，主要目的是实施反季节生产，供应市场。

在长江流域附近，春节前后这个时间白天光照尤为时间短，一般在8～10小时。

有时还有雾霭连阴天。

自然界中，太阳的光照度随地理纬度、季节和天气状况的不同而变化。

温室内的光照度除与上述因素有关外，还与温室结构、管理措施及材料的透光性能等密切相关。

由于温室覆盖材料、灰尘以及结构遮光等因素的影响，温室内的光照状况要比露地差得多，一般仅为露地的30%～70%,尤其是在冬季和早春季节，太阳高度角低，日照时间短，温室内光照度往往不能满足作物生长的需求。

光照不足严重抑制温室的果蔬发育，植株生长迟缓，病害严重，不但大幅减产，而且品质下降。

结果取不到预期收益。

这种情况下，农民主要依赖激素和农药来抵御由光照不足所引起的种种问题，导致化学品的过量使用和残留，危害人体健康。

采用LED植物补光，可以增加光照时数，改善室内光谱分布，促进植物植物生长，促进现代农业向绿色环保转变。

2)春季的育苗育种我国长江流域粮食主要产地，每年可以根据季节种植2-3季，以目前科技手段来看大田作物非生长季补光种植还不具备条件，但是在育种育苗时期补光降很有应用前景。

育苗阶段如果遇到阴雨天降极大损害苗的生长，导致播种失败，而育苗是在保护地进行，虽能很好的保温，光线方面目前还是靠天吃饭。

因此采用LED育苗补光，可以增加光照时数，改善室内光谱分布，促进苗的生长，促进现代农业向绿色环保转变。

目前，常用的温室人工补光光源主要有荧光灯、高压钠灯、低压钠灯、金属卤化物灯等。

这些光源的突出缺点是能耗大、运行费用高，能耗费用占全部运行成本的50%～60%。

因此，提高发光效率、减少能耗一直是农业领域人工光应用的重要课题。

普通荧光灯提供较多的绿光，约为50%,其余部分大多为红、蓝光，又分别约占总光谱的25%,远红色光谱比例很低。

荧光灯发光效率较高，寿命长（约12000h），但是功率较小（目前常用有28W和36W两种），满足一定光照度所需灯具多。

由于含有很多的绿光，容易造成作物徒长。

目前常用于植物组培。

钠灯是汞和钠蒸气发光的气体发光光源，其发光光谱集中在589nm的黄色光，通常只能与其他光源配合使用。

发光效率高达1200lm/W。

高压钠灯标准工作钠蒸气压约为10kPa,发光光谱中有较多的红橙光和较少的蓝绿光。

目前在温室补光中使用较多。

但由于高压钠灯是热光源，表面温度高，发热量较大，不能近距离照射作物。

金属卤化物灯是汞和稀有金属的卤化物混合蒸气产生电弧从而放电发光的一种气体发光光源。

可通过改变金属卤化物组成呈现不同的光谱。

其发光效率较高，功率大，寿命长（5000h～20000h）。

但是灯内的填充物中有汞，当使用的灯破损或失效抛弃时，都会对环境造成污染。

光谱中含有较多的远红光，发热量大，不能近距离照射作物。

试验光源大多采用滤光片或有色聚氯乙烯薄膜获得光质，无法定量精确调制光谱能量分布，调控光环境，因而影响到结论的可靠性和可比性。

长期以来设施中应用的传统人工光源波长不可控、能耗大、运行费用高，成为农业领域应用发展的阻碍。

光对植物的光合效用、生长发育、形态建成和物质代谢等都有调控效用，而目前在温室、大棚种植中，弥补阳光缺少所用的光源一般是荧光灯、高压钠灯和白炽灯等，这些光源的光谱能量漫衍是依据人眼对光的需求设计的，而植物生长所需要的光谱与人眼的需求是不一样的。

根据专家研究，LED无论氮化镓输出光蓝绿光、砷化镓和磷化铟输出黄红光都是单色光，单独使用或混合使用均可，生物效能高，使用LED可以集中特定波长的光均匀照射植物，可以调节作物开花和果实，而且能控制株高和植物的营养成分。

LED属于冷光源，热负荷低，近距离置于植物不会灼伤，光的利用率高，节能省电。

LED 体积小，可以制备多种形状的器件灯具，占用空间小，可多层栽培立体组合，安装方便，使植物工厂小型化。

特强的耐用性，节电型降低了运行成本。

LED波长类型丰富，可调控的余地较大，非常适合用于植物的照明灯。

一、设施农业的LED照明推广方式1）植物工厂植物工厂是现代设施农业发展的高级阶段，是一种高投入、高技术、精装备的生产体系，集生物技植物工厂术、工程技术和系统管理于一体，使农业生产从自然生态束缚中脱离出来.按计划周年性进行植物产品生产的工厂化农业系统，是农业产业化进程中吸收应用高新技术成果最具活力和潜力的领域之一，代表着未来农业的发展方向。

按光能的利用方式不同来划分，共有三种类型，即太阳光利用型（简称太型）、人工光利用型或者叫完全控制性（简称完型）、太阳光和人工光并用型（综合型）。

其中，人工光利用型被视为狭义的植物工厂，称为密闭式植物工厂或者叫完全控制性（简称完型），它是植物工厂发展的高级阶段。

广义上来说，植物工厂由分为温室型半天候的植物工厂和封闭式全天候的植物工厂，包含了豆芽菜、蘑菇、萝卜缨等的生产工厂；半自动控制的温室水耕系统；种苗繁育系统或人工种子生产系统。

但目前，比较习惯的分类方法是按照植物生长中最重要的条件之一光能来分类的。

目前植物工厂建造成本较高，约每平方米3000元至5000元，如果输出品质较高的蔬菜，则需要更贵的工厂建设，日本的植物工厂建造水平大约维持在5000-6000美元每平方米的成本，其商用成本约为每克蔬菜一日元（太阳光型植物工厂）。

考虑到最终的销售价格及中国的状况，每斤植物工厂的蔬菜约为50-100元人民币，因此目前我国市面上尚无植物工厂销售的蔬菜供。

植物工厂主要的任务是降低成本如果达到每斤蔬菜成本10-15元人民币其销售价格接近目前高端有机蔬菜的价格，将会有比较大的市场。

目前高光效高光质的LED光源可能会提供这样机会。

由于目前单色LED光源主要应用在户外户内显示技术，功率不大产量低，因此导致用此类光源的LED植物培养灯价格高。

项目本身可以结合上游技术整合产业链达到降低光源成本的作用。

2）补光型育苗工厂工厂化育苗是随着现代农业的快速发展，农业规模化经营、专业化生产、机械化和自动化程度不断提高而出现的一项成熟的农业先进技术，是工厂化农业的重要组成部分。

它是在人工创造的最佳环境条件下，采用科学化、机械化、自动化等技术措施和手段，进行批量生产优质秧苗的一种先进生产方式。

工厂化育苗技术与传统的育苗方式相比具有用种量少，占地面积小；能够缩短苗龄，节省育苗时间；能够尽可能减少病虫害发生；提高育苗生产效率，降低成本；有利于统一管理，推广新技术等优点，可以做到周年连续生产。

工厂化育苗技术的迅速发展，不仅推动了农业生产方式的变革，而且加速了农业产业结构的调整和升级．促进了农业现代化的进程。

育苗是果蔬生产的重要环节，由于幼苗的形态建成是一个不可逆转的过程，培育成的幼苗健壮程度将直接影响植株的生长发育，并与作物的产量和品质密切相关。

利用光调控技术来培育壮苗是一项节能环保、经济有效且简便易行的新方法，具有突出优势，对培育壮苗有重要意义。

有研究报道光环境调控对黄瓜、番茄、甜椒、油菜等幼苗的生长发育产生显著影响。

此外，瓜类的性别表现易受环境因素和化学调控等因子的影响，由于瓜类的性别分化发生在苗期，所以育苗期间可以通过对光周期的控制来人为调控瓜类的性别表现。

LED在应用于蔬菜育苗期的光环境调控中具有无可比拟的优越性，必将在蔬菜工厂化育苗中发挥重要作用。

针对我国长江流域春季可能出现的光照不足现象，可以在当地开发补光型育苗工厂，成本相对较低。

灵活可变的LED灯具，可控的调节补光方案都是现有补光灯具所不具备的。

按照目前的市场情况，每平方米的补光成本约为100元，电费采取LED后可以减少50-60%以上。

这类工厂只需要在原有基础上加装LED灯具即可，相对来说推广难度较低。

二、中国科学院半导体研究所简介及取得的成果中国科学院半导体所是集半导体物理、材料、器件及其应用研究于一体的半导体科学技术的综合性研究所，已形成了从基础理论、基础材料、器件物理和工艺实现及重大应用完整的专业布局。

作为国立半导体领域研究的科研单位，承担完成了国家多项重大任务，现有10名院士，半导体照明技术作为半导体领域的一个重要研究方向，受到科学院和半导体所的高度重视。

中国科学院半导体所是“十一五”863重大项目“半导体照明工程”实施的主要承担单位，承担了半导体照明重大装备、材料、器件及应用等一系列课题。

以国家项目和重大应用为牵引结合研发产业需求，首先选择半导体照明产业链中有特色的企业开展了点对点的合作，通过合作的示范效应，从点到面，发展到与整个产业的广泛合作，支撑产业发展。

结合科学院创新工程项目带动条件建设初具雏形，建设了1500平方米的半导体工艺超净工作环境，装备总体已完成投入3915万元，具备从材料制备、芯片工艺、封装测试完整的研发工艺线。

组建了强有力的研发团队,由18位留学回国人员、29名博士及高级职称和近30余名工程技术人员组成；并与美、日、德等国建立了国际合作关系，聘请了8位客座研究员，被科技部和外国专家管理局批准为“半导体照明国际合作基地”。

在半导体照明重大装备、材料生长、器件工艺、重大应用等方面与国内8所大学、6家企业形成了基础研究、原型器件、关键技术、成果转化与产业的链路，并与国外相关研发产业机构建立了良好的合作关系。

中国科学院半导体研究所是我国最早从事LED植物生长光源开发研究的单位之一。

2006年6月中国科学院半导体研究所与中国农业科学院合作进行了植物组培与育苗LED平面光源板的研究，2011年4月与黑龙江省农业科学院签订了《关于LED在现代农业技术应用》的战略合作协议。

与黑龙江省农业科学院耕作栽培研究所及黑龙江省农科隆种业有限责任公司进行近三年多的LED在北方粳稻集约化育苗补光中应用的课题实验，取得了宝贵的第一手资料。

承担国家“十二五”2011年863“LED非视觉照明技术研究”课题（课题号：2011AA03A1），2013年863“植物工厂LED节能光源及光环境智能控制技术”课题号：2013AA103001），研究成果：“植物LED光环境精准调控及节能高效生产技术研究与应用”获2013年农业部中华农业科技二等奖。

组织编写CSA”植物生长用LED平板灯性能要求”标准。

承担了中科院“璀璨行动”项目中LED光源的生物相关理论问题及示范应用中LED光源的设计和制作，涵盖了植物工厂专用节能光源，东北田间作物育苗育种特殊光源。