地球的能量主要来自于太阳光的辐射，包括食物、能源、材料等都是通过光合作用来产生的，所有地球上的生命直接或间接地取决于光合作用的影响。光合作用可以将空气中的水和二氧化碳转化为氧气和碳水化合物，化学方程式如式(1)所示。

这样太阳光**转换成化学能量提供植物和藻类生长，间接的光合作用也是食物来源和建筑材料的主要能量。光合作用对调节地球的生命周期有重要作用，尽管光合作用已经存在了37亿年，但其能量利用效率却十分低，太阳光能量的**大转换效率据估算仅4.6%~6%，如果再考虑生物生长的效率，太阳光的光合作用的能量转换效率仅为1%~2%。因此，已经有越来越多的人工光出现，并发现具有更高的能量转换效率，然而，地球的人口不断增加，对地球生物产量提出了更高的要求，增加粮食生产也可通过提高光合作用的效率来实现。

农业是国民经济的基础，日常生活中的肉蛋奶、蔬菜、花卉、瓜果、食用菌等农副产品的很大一部分都是在设施条件下生产出来的，其中农业照明起到了极为重要的作用。总体上来看，在现代农业的很多领域，如设施植物生产、集约化养殖业、水产捕捞、病虫害防治、食用菌生产及微藻繁殖等，都与人工照明有着极其密切的关系。为优化光合作用的效率，使用特制光谱的人工光源提高植物生产力成为未来人类发展的一个重要手段。

一、现代农业照明光源的需求

1.1在植物生产对人工照明的需求方面

俗话说“万物生长靠太阳”，光照是地球上生物赖以生存与繁衍的基础，作物的光合作用离不开光照，光照条件的好坏直接影响作物的产量和品质。自然界中，太阳的光照随地理纬度、季节和天气状况的不同而变化，高纬度地区冬季日长变短以及其他地区冬春季节连阴、雨、雪、雾天气等特定气候条件下，光照强度和光照时间不足的现象时有发生，因此，在现代植物生产系统中(如温室、大棚等)人工补光已经成为高效生产的重要手段。此外，在密闭式人工光生产系统，如植物工厂、组培车间、育苗工厂等，采用完全人工光进行光合作用，因此也离不开对人工照明光源的需求。

1.2在养殖生产对人工照明的需求方面

集约化养鸡场、养猪场等都在封闭或半封闭环境下进行饲养，人工光源不仅能起到照明的作用，而且对畜禽生产性能也会产生重要影响。大量研究表明，在畜禽养殖过程中，照明光源颜色与波长、光照时间与强度、光照期与黑暗期的配合等都会对畜禽的生产性能、生理特性、行为特性、体质健康等产生显著影响。适宜的人工照明，能够克服了畜禽繁殖生理机能季节性限制，使其遗传潜力能**大限度地发挥出来，增加畜禽养殖的经济效益。

1.3在水产捕捞与灯光诱鱼对人工照明的需求方面

自公元8世纪开始，人们利用鱼对光的敏感性，就采用灯光进行集鱼与捕鱼。多年来，世界各地一直存在使用火或其他形式的灯光捕鱼的方法，如今这些捕鱼方法已经成为许多国家现代渔业的一个重要特征。一些学者还对不同颜色光源的诱鱼效果进行了试验，结果表明，蓝光具有更深的水体穿透性，使用以蓝色为主体的人工光源可以取得更好的捕捞效果。

1.4在人工微藻对照明的需求方面

近年来，随着全球资源、能源及环境危机的加剧，开发利用光合自养生物微藻，直接将太阳能及CO2转化成人们生产生活需要的医药、生物基化学品(如天然色素、异戊二烯等)和生物能源(如乙醇、丁醇、生物柴油等)，已经成为世界各国关注的焦点。光照是影响微藻细胞生长及生化成分变化**重要的因子之一，对微藻的生长、繁殖、藻体颜色、细胞形态及代谢产物含量均有重要的影响，人工光源逐渐作为有效手段在微藻繁殖中得到广泛应用。

二、光源光谱及其测量

光源不同光谱对植物生长发育的影响在一百多年以前已有研究，尽管研究已经表明不同波长的光对植物生长的作用不同，但控制这些反应的机制到现在仍然没有完全理解。感光细胞群之间相互依存和相互作用的关系还不能很好认清，主要原因是植物对光响应传导的机制复杂，且物种之间的差异较大，不同植物使用不同的感光细胞来捕获光能控制主要的生理过程。像人类视觉一样，植物可以收集环境和感光信息，采用精妙的方式设置的代谢和生理周期，图1是绿色植物主要感光细胞质对不同波长光谱的吸收情况。

叶绿素和类胡萝卜素等光合色素的作用，主要是在光合作用中收集光能并转换能量。叶绿素**大灵敏度在蓝色和红色区域，分别为300~400nm和600~700nm。类胡萝卜素，如叶黄素和胡萝卜素等，主要吸收蓝光，也被称为叶绿素的辅助光接收器。

光敏色素包括两种可逆转换的光敏色素Pr和Pfr，它们的感光灵敏度峰值分别在红色区域的660nm和远红外区域(700~800nm)的730nm处。光敏色素对生理响应的影响主要有叶片扩展、周围感知、避荫、茎杆伸长、种子发芽和开花诱导。光形态形成的反应通常是通过光敏色素感应光谱中红光(R)和远红外光(FR)的比率(R/FR)来控制的。

吸收蓝光的色素包括隐花色素(如cry1、cry2)和向光素(如phot1、phot2)。隐花色素控制植物形态、基因表达、花期变化，并有助于叶片生长和强烈抑制茎杆伸长，且被证明可以改变动物生物钟的周期。向光素可以调节色素含量，定位光合器官和细胞器，以优化光收集和光抑制。

针对上述感光细胞已开展了大量研究，但还有很多感光细胞有待进一步认识。**近，一个新的叶绿素感光已经被发现，被称为叶绿素f(chlf)，该叶绿素有红移的吸收峰706nm，该发现表明，光合作用可以进一步延伸到红外区。UV-B众所周知影响植物的生长和发育(如下胚轴伸长，干重，叶面积，光合活性和开花)，**近发现的一种吸收UV-B的感光蛋白质，可能有助于研究增加UV-B辐射到达地球的表面对陆生植物的潜在影响。

黄绿光(500~600nm)对植物生长的影响仍有争议。有研究报道黄光(580~600nm)抑制莴苣叶绿素和生长叶绿体的形成，而也有另外的研究结论称绿光可以提高莴苣发展和恢复蓝色光激发的气孔的开放。现有认识是绿色光能调整感光系统中红光和蓝光的生长情况，对很多植物来说，特别是食用植物，浅红色和蓝色的组合可能无法提供**终的植物生长解决方案。

三、农业照明光源

3.1白炽灯

白炽灯采用灯丝发光，辐射的光谱是连续的，可用于温室大棚的蔬菜和花卉生产，生产成本低，安装简便，通过调节白炽灯的悬挂高度和布灯密度可以调节补光强度(如图2所示)。但其发光效率十分低，被植物光合作用吸收的光能约占总辐射能量的7%，寿命短而且发热量大，因此温室生产中正逐步淘汰白炽灯的使用。但其光谱在整个区间有较强的分布，目前还有部分对补光质量要求高、经济价值高的花卉和蔬菜在少量采用。

随着制造技术的发展，新型的补光白炽灯通常将灯具和光源一体化设计，体积紧凑成本降低，出射光口还采用蓝光涂层来增加蓝紫光的比例，可以更好地满足植物补光的需要，其结构如图3所示。

3.2荧光灯

荧光灯是目前使用**为广泛的农业照明光源，主要有直管的T5荧光灯，高功率的CFL及无极荧光灯(见图4所示)。直管荧光灯特别是T5荧光灯发光效率高，灯具表面温度低，结构更紧凑，使用十分方便，特别适合植物工厂垂直多层布置的使用。T5荧光灯的平均使用寿命可达20000h，光输出较原来的荧光灯也提高了很多，在某些场合已经可以替代HID灯光源。

紧凑型荧光灯也是目前应用比较广泛的农业照明光源，特别适合频繁移动，这给农业生产带来很大的便利，其反射器经过特殊设计，发出的光就像HID灯(如图5所示)。紧凑型荧光灯使用寿命长约10000h。无极荧光灯由于其发光密度较普通荧光灯高，可以适合大光通的补光场合。

荧光灯的使用十分方便，不但可以广泛用于规模化的生产，还可以被家庭简便使用，越来越多地被采用于家庭的花卉或蔬菜架(如图6所示)。与照明使用的荧光灯不同，农业照明荧光灯对紫外和红外的光谱要求较多(如图7所示)，设计合理的荧光粉涂层是决定农业荧光灯质量的关键。现在农业照明中还将荧光灯与HID灯进行混光照明，利用各自的光谱混合来得到**佳的光谱。

3.3HID灯

HID灯是发光强度**高的光源，比较适合大尺度的植物大棚等的照明，目前主要的农业HID有金属卤化物灯和高压钠灯。金属卤化物灯发出大量的蓝色和紫外辐射，通常用于植物的生长阶段，为营养生长和生殖生长阶段提供更好的光谱，使补光产品的营养更丰富。目前陶瓷金属卤化物灯技术的进展，使其发光光谱在红光和蓝紫部分更加丰富，作为农业照明光源更具光谱优势。

高压钠灯也被用作整个营养生长和生殖阶段进行补光的单一光源。红色光谱的光线可能会引发植物更大的开花反应，如果高压钠灯用于营养生长阶段，植物生长得更快，同时，它们可以与金属卤化物灯进行混合照明，用于生殖生长阶段的全光谱照明。目前，为更好地达到HID灯农业照明的效果，将金属卤化物灯电弧管和高压钠灯电弧管一起封装在同一泡壳内，将两种光谱混合用于植物照明的补光，如图8所示。

3.4LED

LED作为第4代新型照明光源，具有许多不同于其他电光源的特点，这也使其成为节能环保光源的**。应用于植物培养领域的LED有以下特征：波长类型丰富、正好与植物光合成和光形态建成的光谱范围吻合;频谱波宽度半宽窄，可按照需要组合获得纯正单色光与复合光谱;可以集中特定波长的光均衡地照射作物;不仅可以调节作物开花与结实，而且还能控制株高和植物的营养成分;系统发热少，占用空间小，可用于多层栽培立体组合系统，实现了低热负荷和生产空间小型化;此外，其特强的耐用性也降低了运行成本。

由于这些显著的特征，LED十分适合应用于可控设施环境中的植物栽培，如植物组织培养、设施园艺与工厂化育苗和航天生态生保系统等。但与普通照明相比，植物农业照明需要的光照强度更高，因此需要使用大功率的LED灯具，目前农业照明LED的大功率灯具可以达到1000W，这对LED的灯具设计提出了挑战。更重要的是LED植物生长灯的光谱设计要求也比较高，相对传统光源其发光波段更为集中，目前比较可行的是五波段合成的LED生长灯(如图9所示)。

LED光源的特性和已有研究基础均表明，LED作为植物照明光源具有促进植物生长、调节植物形态建成和节能环保等多方面优势，可以广泛用于植物栽培、温室补光、植物组培、植物工厂以及航天航空等众多领域，是未来植物照明光源的重要发展方向。LED在畜牧业中的实际应用也是可行的，通过适当的LED光照调节，能够显著促进畜禽生长，提高其免疫力，大大提高畜禽养殖的生产潜力。目前，LED农业照明处于起步阶段，随着研究的深入和技术的提高会有更大的发展，具体应用场景如图10所示。

四、农业照明光源的挑战与趋势

人类目前所面临的一个问题是食物和能源的需求连续增加，随之而来的二氧化碳排放量增加导致的温室效应和自然灾害。据估计的食物需求发展速度，生产利率每公顷提高50%才可以避免灾难的产生，因此寻找有效的生产食物的方法会影响未来几代人的安全。

人工控制栽培环境和植物工厂是目前的主要途径，人工照明结合其他生长条件控制(如温度、湿度、CO2和水等)可以解决食品生产的安全性，不仅提高了产量，还能避免恶劣天气带来的影响。研究表明采用人工照明和其他条件的干预，可以使食品生产提高2倍以上，例如在斯堪的纳维亚，利用现代栽培方法和照明技术，黄瓜的年度生产力增加约50~250kg/m2。

未来的人工照明条件下，可以在完全封闭的环境中进行精确的控制，半导体器件，如发光二极管，在不久的将来是实现该目标的理想选择。在未来的农业照明中为提高生产率和稳定性，对生产环境的控制程度会更高，更多的人工照明将被要求补偿白天的损失，提高能量每单位面积的需求。发光二极管由于其体积小，可控性好、效率高和安装距离接近植物等特点会在农业照明中更多地被采用。

结论

人工光源作为现代农业的重要组成部分，在集约化种植、养殖以及其他领域中发挥着越来越重要的作用，不仅能够为农业生物的生长提供合理的光环境条件，减少农药、激素等化学品的使用，确保食品安全，而且还是低能耗的绿色光源，具有广阔的应用前景。本文讨论了农业照明对光的要求，回顾了农业照明光源的发展，并展望了农业照明光源的未来。随着照明技术和生物学研究的进步，未来农业照明光源会有很大的发展潜力，特别是LED农业照明会有很大的提升空间。