摘 要: 隨著 LED 技術的發展和制造成本的下降，LED 光源在現代農業中的應用越來越受到世界各國的廣泛
關注。LED 不僅具有體積小、壽命長、能耗低、發光效率高、發熱低等光電特性優點，而且還能根據農業生物
的需要進行光譜的精確配置，促進農業生物的生長發育和光形態建成，從而提高其產量和品質。本文介紹了
LED 在農業照明領域的應用現狀，分析了 LED 在農業領域的應用潛力，指出了限制農用 LED 推廣應用的關
鍵因素，并提出促進 LED 在現代農業中應用的發展思路、方向和重點以及對策。
關鍵詞: 人工光源; 發光二極管( LED) ; 現代農業; 生物產業; 應用進展
光照是地球上各種生物生長發育的能量與
信號來源，動植物的形態建成與新陳代謝過程
與光照關系密。自然光照隨地理位置、天氣狀
況和季節變化而不同，較高緯度地區冬春季節
連陰、雨、雪、霧天氣等，大氣透明度低，加之設
施覆蓋材料遮蔽和過濾作用導致設施內部光照不足的現象時有發生，人工補光已經成為現代
農業高效生產的重要保障手段。因此，在現代
農業生產中人工光源正發揮著越來越重要的
作用［1］。
節能、高效光源研發是實現人工光設施植物
生產發展需要解決的首要問題。迄今，在農業照
明領域使用的人工光源大都存在光效低、能耗大
等缺點，能耗費用約占系統運行成本的 20% ～
40% ，如高壓鈉燈、熒光燈、金屬鹵素燈、白熾燈
等［1］。另外，這些光源的光譜相對固定，無效波
長較多，產熱量大，無法近距離照射植物。因此，
開發高光效節能光源是農業領域人工光植物栽培
的重要課題。
隨著光 電 技 術 的 發 展，LED ( Light Emitting
Diode，發光二極管) 研制成功，使得低能耗 LED
光源 在 農 業 領 域 的 應 用 成 為 現 實。LED 是 由
Ⅲ ～ Ⅳ族 化 合 物，如 砷 化 鎵 ( GaAs) 、磷 化 鎵
( GaP) 、磷 砷 化 鎵 ( GaAsP) 等半導體材料制
成［2，3］。與其他點光源相比，LED 光源不僅具有
光電轉換效率高、體積小、壽命長、耗能低等優勢，
而且光質( 紅/藍光比例或紅/遠紅光比例等) 易
于組合與調控。隨著光電技術的不斷革新，LED
應用的性價比快速提升，為這一新型光源的普及
與應用提供了重要條件。
植物對光質的需求有一定的特征。研究表
明，在 380 ～ 760 nm 可見光光譜范圍內，植物光合
作用 所 吸 收 的 光 能 約 占 其 生 理 輻 射 光 能 的
60% ～ 65% ，吸收峰值區域主要是波長 610 ～ 720
nm 的紅橙光以及波長 400 ～ 510 nm 的 藍 紫
光［5，6］。LED 能夠發出植物生長所需要的單色
光，光譜域寬 ± 20 nm，各種單色光 LED 組合后，
可形成與各種植物光合作用與形態建成基本吻合
的光譜，提高光能利用效率，節能效果極為顯著。
因此，利用 LED 的性能特點開發出植物所需的人
工光源將會大大提高其光能利用效率。此外，在
畜禽養殖領域的研究也表明，通過 LED 光照調
節，顯著促進肉雞的生長發育和提高其生產
性能［7，8］。
LED 在農業領域的應用發展勢頭迅猛，被認
為是 21 世紀現代農業領域最有應用前景的人工
光源。
1 世界 LED 光源在農業領域應用現狀與
趨勢分析
1． 1 LED 光源在農業領域應用現狀
多年來，國內外學者圍繞 LED 光源在植物照
明領域的應用進行了不懈的探索，取得了重要進
展。首先，就紅藍光及其組合光源對植物生長發
育的影響進行了研究，充分證明了紅藍光作為光
源栽培植物的可行性［9 ～ 13］。Tanaka 等［14］ 利 用
LED 進行植物栽培，結果表明，占空比達 25% ～
50% 時，可加速植物生長。復合光質比單一光質
更適合植物生長，可以正常培育植物［15，16］。在我
國，LED 在育苗、蔬菜栽培和溫室補光方面的應
用效果 也 做 了 一 些 研 究 和 報 道，節 能 效 果 顯
著［17］。到目前為止，LED 已成功用于植物的栽
培，并在植物補光、組培、植物工廠以及航天航空
領域取得重要進展。
人工照明是畜禽養殖業環境控制的重要手段
之一。目前養殖業領域使用的人工光源難以實現
針對畜禽的生理需求進行光質調控，制約著畜禽
生產效率的提高。近年來，研究人員通過適當的
LED 光照調節，顯著促進了畜禽生長，并提高其
免疫力，提升畜禽養殖的生產潛力。表明 LED 在
設施養殖業中的應用是可行的，具有很好的應用
前景［7，18，19］。劉衛東等［20］研究了紅光、白光分別
在連續光照( 23L∶1D) 和間歇光照( 1L∶3D) 下對
AA 商品肉仔雞生產性能的影響，結果表明，間歇
光照可提高肉仔雞的飼料報酬，紅光既可提高肉
仔雞的飼料報酬，又可提高肉仔雞的生長速度，在
紅光和間歇光照的共同作用下，肉仔雞的飼料報
酬最高，體重較大，經濟效益最好。
1． 2 LED 農業應用相關專利及各國發展戰略
目前，LED 作為農業照明光源應用的還不是
很廣泛，相應的燈具技術和產品相對偏少。國內
外可查到的 LED 農業應用專利近 100 項，其中在
韓國和中國申請的數量最多，其次為日本和美國
( 圖 1) ?？傮w來看，目前 LED 農業領域創新主要
在于應用創新和技術集成，主要集中在植物生長
燈、誘魚燈、選擇性害蟲誘捕燈、畜禽場照明燈等。
LED 作為植物的生長光源是 LED 照明市場
的一個非常重要組成部分，近年來也得到了世界
各國的高度重視。2010 年 10 月 25 日，美國農業
部資助 Purdue 大學 488 萬美元用于一項為期 4
年的研究項目，以評估并提高 LED 在溫室中的
應用。
日本在 LED 農業領域起步較早，2009 年 2 月
蔬菜栽培公司 FairyAngel 與 LED 照明廠商 CCS
聯手研究 LED 進行蔬菜栽培，通過在 FairyAngel
的蔬菜工廠“AngelFarm 福井”生產線進行 LED 照
明應用。日本鍋清公司在 2009 年 4 月展示了接
受 3 種不同顏色 LED 照明的植物成長情況。除
此之外，鍋清公司還在水槽內展示了完全防水型
LED 照明器具，可用于需要室內照明和灑水的植
物栽培。2010 年 4 月，日本三菱樹脂公司宣布計
劃研發與銷售在暖房內共用太陽光照和 LED 照
明培育蔬菜的設備。力爭最快在 2011 年實現成
果轉化，出售給大型農場。2010 年 4 月，日本三
菱化學公司推出以 LED 為人工光源進行作物的
光合作用的用大型集裝箱改造的“植物工廠”。
為適應新生的植物工廠的需求，日本昭和電工專
門開發了 LED 產品，可以發射促使農作物生長的特定波長的紅光，目前已被廣泛采用，2010 年的
銷售額已達 10 多億日元。
荷蘭作為設施農業大國，飛利浦公司很早就
針對荷蘭設施農業光照不足的問題，研發了農藝
鈉燈，多年來一直在荷蘭和全世界大力推廣，但鈉
燈并不是適宜于植物補光的理想光源。自 2008
以來，針對 LED 在農業中應用，飛利浦公司投入
了大量的研發經費和人力物力，試圖占據這一領
域的領導地位。在本土荷蘭、芬蘭、挪威、加拿大、
烏克蘭等國家均建立了研發機構，開展相關研究。
近年來，飛利浦公司加大了在中國的研發力度，建
立了相應的研發機構，并且在中國積極開展調研
工作，為后續的研發和推廣工作積累基礎。
2010 年 6 月 21 日韓國知識經濟部宣布將投
入 30 億韓元( 約合人民幣 1650 萬元) 用于 IT—
LED 栽培核心配件和核心技術的研發，除了芯片
開發還要建造 495 m2 規?；?LED 栽培基地。首
爾半導體作為國際重要的 LED 企業，對 LED 植
物照明市場充滿興趣，先期已經為日本燈具制造
商的“LED 照明栽培植物的試驗項目”提供了 30
萬個 Z-power LED，希望借此進入植物照明市場。
臺北億光在封裝領域具備較多的自主知識產
權，并且得到世界 LED 大公司的專利授權。2008
年 LED 照明展億光首度展出 LED 植物生長燈;
由于日本農業上朝精致化發展，2009 年以來，億
光億光正積極開拓日本農業渠道，未來將再進一
步開拓歐洲市場，此外，億光還與中國農業科學院
合作開拓大陸市場，其植物照明 GL-Flora 系列燈
具目前已經在中國市場推廣。
2 我國 LED 光源農業應用現狀與問題
2． 1 我國 LED 光源農業應用現狀
早在 1998 年，以中國農業科學院和南京農業
大學為代表的國內科研機構，就已經開始了 LED
農業應用相關領域的研究。2003 年，中國農業科
學院農業環境與可持續發展研究所開始進行
LED 在植物種苗工廠的相關研究，2006 年設計與
建造了國內第一套密閉式 LED 人工光植物工廠
進行蔬菜栽培，并開發出相應的 LED 光環境調控
軟件和環境控制裝置。2009 年 4 月，課題組還成功研制出了國內第一例智能型植物工廠，采用部
分 LED 光源進行植物生產，并在長春投入運行。
“十一五”期間，科技部在國家 863 計劃中創
新性地設置了 LED 在農業中應用項目，資助了近
100 萬的研究經費，由南京農業大學承擔，于 2009
年結題，共研發了 3 個品種的 LED 植物燈、1 個
“LED 植物培育智能光控系統”、1 個“LED 生物
智能光照培養箱”。
在畜禽養殖應用上，我國學者研究了紅色、藍
色和白色 LED 光源對家禽生產性能的影響機理，
杭州漢徽光電科技有限公司和浙江大學聯合研制
出了智能化養雞 LED 光源系統。
目前，國內的農業照明燈具用途與產品類型
和國 外 基 本 相 同，主 要 包 括 LED 植 物 生 長 燈
( LED 圓頭燈、LED 光源板、LED 燈管、LED 柔性
燈帶) 、LED 農業害蟲誘捕燈、LED 誘魚燈、LED
畜禽場照明燈等。相比家居照明燈具，國內在
LED 農用照明燈具方面仍存在著產品雜亂，生產
設計不規范，缺乏統一的產品標準和質量管理的
問題。以目前應用市場最大的植物照明為例，雖
然都根據了植物的需求選擇了以紅光和藍光為主
的 LED 燈珠配置，但在光質調節，光照強度方面
缺乏科學統一的規范，更缺乏針對植物照明特殊
的高溫高濕環境所進行的防水防電及耐腐蝕設
計，從而使一些植物生長燈產品存在安全隱患，使
用壽命縮短。
在農業應用上，我國政府一方面通過對科研
項目的支持加快 LED 在農業應用領域的應用步
伐，如“十一五”期間，通過 863 計劃設立了一項
課題，“十二五”期間亦將有數個 LED 農業科研項
目立項支持。一些地方政府也通過建立農業科技
示范園等形式，鼓勵引入節能高效的 LED 農業照
明應用項目在園區使用。盡管如此，總體上來看，
目前國家對 LED 農業應用方面的政策支持及研
發投入相對偏少，在一定程度上影響了 LED 在農
業領域的推廣應用。
2． 2 我國的差距及其存在的主要問題
2． 2． 1 LED 農業照明研究投入不足 日本、韓
國政府對于 LED 在生物領域的應用高度重視，政
府和大企業、大集團巨資投入該領域的研發與示
范應用。盡管國家發展改革委、財政部、科技部、工業和信息化部、住房城鄉建設部等國家六部委
出臺《半導體照明節能產業發展意見》，意見中明
確提出: 發展醫療、農業等特殊用途的半導體照明
產品。但是并沒有專項支持，我國政府 LED 農業
應用的項目支持只是在 863 半導體照明專項中有
零星的項目支持，在農業科技項目中還沒有任何
專項給予支持，這與 LED 農業領域存在的巨大應
用潛力極不相稱。
2． 2． 2 LED 光源技術成熟度還有待提高 雖然
LED 技術已經廣泛應用于顯示屏、背景光、交通
訊號顯示光源、汽車用燈等多個領域，并取得成
功，但 LED 在我國農業領域的應用才剛剛起步。
目前，研究已經證明 LED 在農業領域應用的可行
性，但是在農業 LED 光源開發方面仍缺乏適用于
農業生產的精確可靠的光源技術指標體系，這主
要是國家在 LED 農業應用研究方面的投入不夠，
應用基礎研究力度不足所致，需要國家加大支持
力度，對其作進一步深入的研究，形成一套成熟完
善的農用 LED 光源技術，為農業 LED 光源的進
一步開發利用提供理論依據與技術支持。
2． 2． 3 LED 農業照明企業競爭力不強 目前國
內生產 LED 農業照明燈具的企業中，生產中低端
產品的中小企業占據了大多數，缺乏核心自主知
識產權和系統性研究，能夠參與國際競爭的龍頭
企業集團寥寥無幾。此外，LED 農業照明產品良
莠不齊，產業化與標準化程度較低，成本較高，缺
乏市場競爭力。而在國外，包括飛利浦、歐司朗等
國際著名照明公司已經開始涉足 LED 農業照明
應用市場，他們以雄厚的資本布局這一領域的研
發、制造和推廣應用，如果我們應對不及時或者力
度不夠，很可能會在不久的將來，我們將遭遇到我
國種業目前所面臨的痛失話語權的尷尬境地。
2． 2． 4 LED 成本依然偏高 成本是一個產品能
否具有市場競爭力的關鍵因素，也決定了這種產
品能否得到用戶的認可，能否占據一定的市場份
額。對于 LED 農業照明光源來說，價格高是限制
其發展的主要因素之一。一個功率 28 W 的普通
熒光燈管價格為 20 元左右，而一個功率 15 W 的
T8 農用 LED 植物生長燈價格為 200 元左右，與傳
統光源相比仍然相差較大，極大限制了 LED 光源
在設施農業中的應用與推廣。近年來，國內新上 300 臺左右的 MOCVD 設備，寶石襯底的藍光
芯片產能正在建設中，預計幾年后將大大降低藍
光芯片價格。
2． 2． 5 缺乏有效的政策扶持 國家雖然制定了
一系列促進 LED 發展的措施，但仍缺乏有效的政
策支持，這也是 LED 農業照明未得到廣泛應用的
重要因素［1］。
2． 3 我國的發展趨勢和技術需求
目前，我國 LED 農業照明應用已逐漸成為研
究熱點，從長遠的角度看，LED 有逐步取代傳統
照明光源的趨勢，LED 光源將在植物產品生產、
畜禽養殖及害蟲防治等眾多領域得到廣泛的應
用。其中，植物產品生產方面，目前主要有溫室補
光、植物組培、植物工廠、食用菌等領域對 LED 光
源具有廣泛的需求。
①溫室補光: 設施園藝生產主要在春冬季進
行，通過反季節生產提供蔬菜和花卉等農產品，供
應市場，滿足城鄉居民的菜籃子，促進農民就業與
增收，解決城鄉居民反季節農產品需求問題。冬
春季節因陰、雨、雪、霧等天氣，設施內部光照不足
和光質組成不平衡現象時有發生，造成大幅減產
和品質降低，有必要進行人工補光，保障優質高
產。采用 LED 光源對溫室植物實施補光，能夠改
善溫室內的光譜能量分布，促進植物生長，提高產
量和營養品質［21］。
②植物工廠: LED 占用空間很小、安裝方便、
使植物工廠小型化，此外，其高壽命和環保優勢也
十分明顯。LED 光源可按照植物的需求提供光
譜能量，進行近距離照射，大幅節約電能。采用
LED 光源提供光能是植物工廠未來發展的重要
方向，已成功應用于多種植物的栽培系統［22］，如
萵苣、菠菜等。
③組培與育苗工廠: 組培育苗能獲得大量同
源母本基因幼苗，已廣泛應用于農業和園藝生產，
如名貴觀賞植物、經濟作物、生態和經濟林建設所
需苗木等。由于植物組培及其工廠化育苗產業完
全依賴于電光源，LED 將首先在該產業領域獲得
突破性應用，目前國外在該領域 LED 的研究和應
用推廣力度強勁。
④規?；笄蒺B殖場: 由于養殖動物對照明
的需求貫穿整個生長周期，而且因畜禽的種類和年齡階段不同而異，因此畜牧業生產中的照明不
僅要低能耗、壽命長，而且應具有高度的可調控
性。而目前采用的白熾燈和熒光燈僅能為動物提
供必需的可視光線，無法勝任調控要求，迫切需求
開發出能滿足各種動物在不同階段光源需求的照
明技術與配套裝備。
⑤害蟲防治: 基于 LED 光源的智能型與特異
性誘( 殺) 蟲燈的高效無污染的害蟲防治技術，其
開發與推廣現已成為全球光誘殺技術的發展方
向。特別是近年來隨著設施農業不斷發展，以
LED 為光源的光誘殺技術不僅是 LED 在農業生
物領域的進一步應用［23］，而且還可作為設施農業
中的配套技術，減少農藥的使用提高農產品安
全性，為我國乃至全球設施農業的可持續發展
發揮作用。
3 未來發展思路、方向和重點任務
3． 1 總體發展思路與任務
在政策層面上，國家應制定出完善的產業政
策，營造良好的產業發展環境，提高 LED 農業光
源品質，降低 LED 農業光源價格，促進 LED 農業
照明應用，推進高效節能的現代農業發展;
在 LED 農業高技術應用方面，建議國家在現
代農業 863 領域設立專項，組織國內已具備良好
研究基礎的科研院所和高校，重點在植物和動物
光生物學方面開展應用基礎研究，獲取基于動植
物合理需求的 LED 光環境效應、機理、關鍵參數
和優化指標，研發配套技術與裝備。在提出農業
合理需求的基礎上，組織有關研究機構和產業單
位，研發農業專用 LED 芯片、封裝與防護技術( 防
水、防高溫等) 及其裝備; 研究農業專用 LED 光源
數字化調控技術與裝備。
3． 2 具體發展思路與任務
在國家宏觀政策方面，應加強規劃引導，研究
制定產業政策，特別要針對目前農業仍是一個弱
勢產業的現實，制定一些相應的優惠傾斜政策，加
大政府研發資金的投入，營造良好產業發展環境;
科研院所需要加強系統化的 LED 農業應用技術
研究，探索配套農藝技術，充分挖掘發揮 LED 農
業應用的優勢與潛力; 企業需要加強適宜于農業生產環境、高效節能型 LED 燈具開發; 通過政府、
企業與科研院所的密切協作，完善 LED 標準和檢
測體系建設，加強知識產權保護工作，加強產業鏈
的互動，推進 LED 在農業領域的應用。
在 LED 農業應用重點研究方向上，應著力加
強 LED 在植物生產、畜禽養殖、微藻培養、害蟲防
治等領域的關鍵技術研究，探索配套農藝技術，充
分挖掘發揮 LED 農業應用的優勢與潛力; 根據農
業生物的發育需求及應用環境特點，開發光效高、
耐高溫高濕、易于安裝、價格低廉的 LED 農業光
源; 同時，制訂出完善 LED 農業燈具的技術規范，
著力推進農業 LED 科研成果產業化與標準化。
4 對策建議
4． 1 加大 LED 農業照明應用基礎和產品研發的
力度
加強應用基礎的研究力度，獲取原創新性專
利和知識產權，爭取國際上的話語權，為產業應用
提供強大支撐和保障。我國已經在 LED 上游端
的競爭中落后，痛失話語權。但在下游應用端，尤
其是在農業應用領域，我國占有后發優勢，并且已
經走在國際前沿，打破了國際壟斷巨頭的全球布
局謀略的陣腳，現在態勢很好，應該抓住機會，加
大研究力度，乘勢而上，擴大領先優勢，站住陣腳。
低成本農業專用 LED 光源的研發勢在必行。
目前，LED 照明產品的價格相對偏高，成本是制
約 LED 光源農業應用的瓶頸，降低成本是其能夠
大面積應用推廣的基礎; 另一方面，由于農業照明
環境及其對照明質量需求的特殊性，使得目前普
通的 LED 居室照明燈具并不適用于農業照明。
因此，為促進 LED 光源在農業照明上的應用，必
須結合農業照明的特殊環境要求設計 LED 燈具
結構，如溫室的高溫高濕環境，溫室補光用 LED
光源必須密封性良好，防水防腐蝕; 另一方面，農
業照明用的燈具在外觀上的要求并不嚴格，故而
可以減少在此方面的設計及生產投入，從而降低
制造成本。
加大對 農 用 LED 前沿技術研發的支持。
LED 農用光源的發展是 LED 光源技術與現代農
業技術發展水平的集中體現，所以離不開半導體 照明、農業技術、環境控制等領域的有力技術支
持。特別是在農業技術領域，LED 光源在農業領
域的研究還屬起步階段，缺乏系統全面的研究，技
術水平相對較低，需重點對 LED 光質與動植物生
長發育和品質形成的作用機制及調控基礎還需要
細致研究，開發專用光源并不斷提高其應用效率。
此外，加大研發資金投入，提高行業的自主創新能
力，全方位提升企業整體素質和行業整體競爭力，
實現新材料產業的協調和可持續發展。
4． 2 加快農業 LED 光源標準的構建
產品標準化是產品能夠健康有序發展的關鍵
因素之一，對于農業 LED 光源也是如此，只有有
了標準化的約束，才能使 LED 農業光源更好更快
的發展。但是標準體系的建立，不僅需要理論基
礎，更需要實際應用基礎。所以需要從 LED 農業
光源的研發與實際應用兩個方面進行更多的調查
研究，從而制定出有利于行業和產品發展的農業
LED 光源標準。
4． 3 扶持農業 LED 光源生產企業發展
農業 LED 光源技術還比較落后，不僅需要科
研院所和企事業單位的共同努力，而且還需要國
家相關利好政策的扶持。目前，我國各級政府已
經出臺了一系列政策措施推動和鼓勵半導體照明
產業的發展，為該產業的發展發揮了巨大的作用，
但是總體上來看，對農業 LED 照明產業的關注度
還甚少，這在一定程度上不利于農業 LED 光源技
術的快速發展。因此，培育出一批有核心競爭力
的科研院所和龍頭骨干企業，形成一批有國際先
進水平的特色優勢產品，創建一批有持續創新能
力的重點技術創新中心，以產業鏈關鍵技術突破
為目標，搶占產業鏈高端環節，爭取重點領域的跨
越式發展，實現做大做強、做專做精的戰略目標，
顯得尤為重要。
4． 4 開展農業 LED 光源規模性示范
由于農業投入的特殊性，靠農業企業本身來
完成 LED 光源的投入，困難重重。建議重點建設
應用示范推廣工程: 集中規劃建設若干個蔬菜、育
苗、中藥以及禽類養殖等農業龍頭企業 LED 產品
應用示范區，進行 LED 農業應用的展示與示范，
形成政府主導、企業主體、市場配置“三力合一”。通過示范工程的建設，提高農業企業的創新意識，
打造農業 LED 的大規模應用平臺和展示平臺，以
示范應用促進 LED 農業應用的發展。
4． 5 制定農用 LED 的資金補貼政策
農用 LED 光源價格還相對較高，但是卻具有
節能高效的生產潛力，為了使其能夠更好的發揮
節能高效的作用，在一定程度上需要政策性補貼，
包括科研項目經費支持、重大裝備購買資金補貼、
產品應用補貼等。如將 LED 植物燈納入國家農
機裝備購置補貼目錄，確保農業生產單位在購置
LED 植物燈時能夠直接享受到國家 30% ～ 50%
政策性 支 農 財 政 補 貼。這將有助于建立農業
LED 光源的節能高效生產模式，實現傳統照明產
業的升級改造，促進農業 LED 光源產業的持續健
康發展。