摘 要: 随着 LED 技术的发展和制造成本的下降，LED 光源在现代农业中的应用越来越受到世界各国的广泛
关注。LED 不仅具有体积小、寿命长、能耗低、发光效率高、发热低等光电特性优点，而且还能根据农业生物
的需要进行光谱的精确配置，促进农业生物的生长发育和光形态建成，从而提高其产量和品质。本文介绍了
LED 在农业照明领域的应用现状，分析了 LED 在农业领域的应用潜力，指出了限制农用 LED 推广应用的关
键因素，并提出促进 LED 在现代农业中应用的发展思路、方向和重点以及对策。
关键词: 人工光源; 发光二极管( LED) ; 现代农业; 生物产业; 应用进展
光照是地球上各种生物生长发育的能量与
信号来源，动植物的形态建成与新陈代谢过程
与光照关系密。自然光照随地理位置、天气状
况和季节变化而不同，较高纬度地区冬春季节
连阴、雨、雪、雾天气等，大气透明度低，加之设
施覆盖材料遮蔽和过滤作用导致设施内部光照不足的现象时有发生，人工补光已经成为现代
农业高效生产的重要保障手段。因此，在现代
农业生产中人工光源正发挥着越来越重要的
作用［1］。
节能、高效光源研发是实现人工光设施植物
生产发展需要解决的首要问题。迄今，在农业照
明领域使用的人工光源大都存在光效低、能耗大
等缺点，能耗费用约占系统运行成本的 20% ～
40% ，如高压钠灯、荧光灯、金属卤素灯、白炽灯
等［1］。另外，这些光源的光谱相对固定，无效波
长较多，产热量大，无法近距离照射植物。因此，
开发高光效节能光源是农业领域人工光植物栽培
的重要课题。
随着光 电 技 术 的 发 展，LED ( Light Emitting
Diode，发光二极管) 研制成功，使得低能耗 LED
光源 在 农 业 领 域 的 应 用 成 为 现 实。LED 是 由
Ⅲ ～ Ⅳ族 化 合 物，如 砷 化 镓 ( GaAs) 、磷 化 镓
( GaP) 、磷 砷 化 镓 ( GaAsP) 等半导体材料制
成［2，3］。与其他点光源相比，LED 光源不仅具有
光电转换效率高、体积小、寿命长、耗能低等优势，
而且光质( 红/蓝光比例或红/远红光比例等) 易
于组合与调控。随着光电技术的不断革新，LED
应用的性价比快速提升，为这一新型光源的普及
与应用提供了重要条件。
植物对光质的需求有一定的特征。研究表
明，在 380 ～ 760 nm 可见光光谱范围内，植物光合
作用 所 吸 收 的 光 能 约 占 其 生 理 辐 射 光 能 的
60% ～ 65% ，吸收峰值区域主要是波长 610 ～ 720
nm 的红橙光以及波长 400 ～ 510 nm 的 蓝 紫
光［5，6］。LED 能够发出植物生长所需要的单色
光，光谱域宽 ± 20 nm，各种单色光 LED 组合后，
可形成与各种植物光合作用与形态建成基本吻合
的光谱，提高光能利用效率，节能效果极为显著。
因此，利用 LED 的性能特点开发出植物所需的人
工光源将会大大提高其光能利用效率。此外，在
畜禽养殖领域的研究也表明，通过 LED 光照调
节，显著促进肉鸡的生长发育和提高其生产
性能［7，8］。
LED 在农业领域的应用发展势头迅猛，被认
为是 21 世纪现代农业领域最有应用前景的人工
光源。
1 世界 LED 光源在农业领域应用现状与
趋势分析
1． 1 LED 光源在农业领域应用现状
多年来，国内外学者围绕 LED 光源在植物照
明领域的应用进行了不懈的探索，取得了重要进
展。首先，就红蓝光及其组合光源对植物生长发
育的影响进行了研究，充分证明了红蓝光作为光
源栽培植物的可行性［9 ～ 13］。Tanaka 等［14］ 利 用
LED 进行植物栽培，结果表明，占空比达 25% ～
50% 时，可加速植物生长。复合光质比单一光质
更适合植物生长，可以正常培育植物［15，16］。在我
国，LED 在育苗、蔬菜栽培和温室补光方面的应
用效果 也 做 了 一 些 研 究 和 报 道，节 能 效 果 显
著［17］。到目前为止，LED 已成功用于植物的栽
培，并在植物补光、组培、植物工厂以及航天航空
领域取得重要进展。
人工照明是畜禽养殖业环境控制的重要手段
之一。目前养殖业领域使用的人工光源难以实现
针对畜禽的生理需求进行光质调控，制约着畜禽
生产效率的提高。近年来，研究人员通过适当的
LED 光照调节，显著促进了畜禽生长，并提高其
免疫力，提升畜禽养殖的生产潜力。表明 LED 在
设施养殖业中的应用是可行的，具有很好的应用
前景［7，18，19］。刘卫东等［20］研究了红光、白光分别
在连续光照( 23L∶1D) 和间歇光照( 1L∶3D) 下对
AA 商品肉仔鸡生产性能的影响，结果表明，间歇
光照可提高肉仔鸡的饲料报酬，红光既可提高肉
仔鸡的饲料报酬，又可提高肉仔鸡的生长速度，在
红光和间歇光照的共同作用下，肉仔鸡的饲料报
酬最高，体重较大，经济效益最好。
1． 2 LED 农业应用相关专利及各国发展战略
目前，LED 作为农业照明光源应用的还不是
很广泛，相应的灯具技术和产品相对偏少。国内
外可查到的 LED 农业应用专利近 100 项，其中在
韩国和中国申请的数量最多，其次为日本和美国
( 图 1) 。总体来看，目前 LED 农业领域创新主要
在于应用创新和技术集成，主要集中在植物生长
灯、诱鱼灯、选择性害虫诱捕灯、畜禽场照明灯等。
LED 作为植物的生长光源是 LED 照明市场
的一个非常重要组成部分，近年来也得到了世界
各国的高度重视。2010 年 10 月 25 日，美国农业
部资助 Purdue 大学 488 万美元用于一项为期 4
年的研究项目，以评估并提高 LED 在温室中的
应用。
日本在 LED 农业领域起步较早，2009 年 2 月
蔬菜栽培公司 FairyAngel 与 LED 照明厂商 CCS
联手研究 LED 进行蔬菜栽培，通过在 FairyAngel
的蔬菜工厂“AngelFarm 福井”生产线进行 LED 照
明应用。日本锅清公司在 2009 年 4 月展示了接
受 3 种不同颜色 LED 照明的植物成长情况。除
此之外，锅清公司还在水槽内展示了完全防水型
LED 照明器具，可用于需要室内照明和洒水的植
物栽培。2010 年 4 月，日本三菱树脂公司宣布计
划研发与销售在暖房内共用太阳光照和 LED 照
明培育蔬菜的设备。力争最快在 2011 年实现成
果转化，出售给大型农场。2010 年 4 月，日本三
菱化学公司推出以 LED 为人工光源进行作物的
光合作用的用大型集装箱改造的“植物工厂”。
为适应新生的植物工厂的需求，日本昭和电工专
门开发了 LED 产品，可以发射促使农作物生长的特定波长的红光，目前已被广泛采用，2010 年的
销售额已达 10 多亿日元。
荷兰作为设施农业大国，飞利浦公司很早就
针对荷兰设施农业光照不足的问题，研发了农艺
钠灯，多年来一直在荷兰和全世界大力推广，但钠
灯并不是适宜于植物补光的理想光源。自 2008
以来，针对 LED 在农业中应用，飞利浦公司投入
了大量的研发经费和人力物力，试图占据这一领
域的领导地位。在本土荷兰、芬兰、挪威、加拿大、
乌克兰等国家均建立了研发机构，开展相关研究。
近年来，飞利浦公司加大了在中国的研发力度，建
立了相应的研发机构，并且在中国积极开展调研
工作，为后续的研发和推广工作积累基础。
2010 年 6 月 21 日韩国知识经济部宣布将投
入 30 亿韩元( 约合人民币 1650 万元) 用于 IT—
LED 栽培核心配件和核心技术的研发，除了芯片
开发还要建造 495 m2 规模化 LED 栽培基地。首
尔半导体作为国际重要的 LED 企业，对 LED 植
物照明市场充满兴趣，先期已经为日本灯具制造
商的“LED 照明栽培植物的试验项目”提供了 30
万个 Z-power LED，希望借此进入植物照明市场。
台北亿光在封装领域具备较多的自主知识产
权，并且得到世界 LED 大公司的专利授权。2008
年 LED 照明展亿光首度展出 LED 植物生长灯;
由于日本农业上朝精致化发展，2009 年以来，亿
光亿光正积极开拓日本农业渠道，未来将再进一
步开拓欧洲市场，此外，亿光还与中国农业科学院
合作开拓大陆市场，其植物照明 GL-Flora 系列灯
具目前已经在中国市场推广。
2 我国 LED 光源农业应用现状与问题
2． 1 我国 LED 光源农业应用现状
早在 1998 年，以中国农业科学院和南京农业
大学为代表的国内科研机构，就已经开始了 LED
农业应用相关领域的研究。2003 年，中国农业科
学院农业环境与可持续发展研究所开始进行
LED 在植物种苗工厂的相关研究，2006 年设计与
建造了国内第一套密闭式 LED 人工光植物工厂
进行蔬菜栽培，并开发出相应的 LED 光环境调控
软件和环境控制装置。2009 年 4 月，课题组还成功研制出了国内第一例智能型植物工厂，采用部
分 LED 光源进行植物生产，并在长春投入运行。
“十一五”期间，科技部在国家 863 计划中创
新性地设置了 LED 在农业中应用项目，资助了近
100 万的研究经费，由南京农业大学承担，于 2009
年结题，共研发了 3 个品种的 LED 植物灯、1 个
“LED 植物培育智能光控系统”、1 个“LED 生物
智能光照培养箱”。
在畜禽养殖应用上，我国学者研究了红色、蓝
色和白色 LED 光源对家禽生产性能的影响机理，
杭州汉徽光电科技有限公司和浙江大学联合研制
出了智能化养鸡 LED 光源系统。
目前，国内的农业照明灯具用途与产品类型
和国 外 基 本 相 同，主 要 包 括 LED 植 物 生 长 灯
( LED 圆头灯、LED 光源板、LED 灯管、LED 柔性
灯带) 、LED 农业害虫诱捕灯、LED 诱鱼灯、LED
畜禽场照明灯等。相比家居照明灯具，国内在
LED 农用照明灯具方面仍存在着产品杂乱，生产
设计不规范，缺乏统一的产品标准和质量管理的
问题。以目前应用市场最大的植物照明为例，虽
然都根据了植物的需求选择了以红光和蓝光为主
的 LED 灯珠配置，但在光质调节，光照强度方面
缺乏科学统一的规范，更缺乏针对植物照明特殊
的高温高湿环境所进行的防水防电及耐腐蚀设
计，从而使一些植物生长灯产品存在安全隐患，使
用寿命缩短。
在农业应用上，我国政府一方面通过对科研
项目的支持加快 LED 在农业应用领域的应用步
伐，如“十一五”期间，通过 863 计划设立了一项
课题，“十二五”期间亦将有数个 LED 农业科研项
目立项支持。一些地方政府也通过建立农业科技
示范园等形式，鼓励引入节能高效的 LED 农业照
明应用项目在园区使用。尽管如此，总体上来看，
目前国家对 LED 农业应用方面的政策支持及研
发投入相对偏少，在一定程度上影响了 LED 在农
业领域的推广应用。
2． 2 我国的差距及其存在的主要问题
2． 2． 1 LED 农业照明研究投入不足 日本、韩
国政府对于 LED 在生物领域的应用高度重视，政
府和大企业、大集团巨资投入该领域的研发与示
范应用。尽管国家发展改革委、财政部、科技部、工业和信息化部、住房城乡建设部等国家六部委
出台《半导体照明节能产业发展意见》，意见中明
确提出: 发展医疗、农业等特殊用途的半导体照明
产品。但是并没有专项支持，我国政府 LED 农业
应用的项目支持只是在 863 半导体照明专项中有
零星的项目支持，在农业科技项目中还没有任何
专项给予支持，这与 LED 农业领域存在的巨大应
用潜力极不相称。
2． 2． 2 LED 光源技术成熟度还有待提高 虽然
LED 技术已经广泛应用于显示屏、背景光、交通
讯号显示光源、汽车用灯等多个领域，并取得成
功，但 LED 在我国农业领域的应用才刚刚起步。
目前，研究已经证明 LED 在农业领域应用的可行
性，但是在农业 LED 光源开发方面仍缺乏适用于
农业生产的精确可靠的光源技术指标体系，这主
要是国家在 LED 农业应用研究方面的投入不够，
应用基础研究力度不足所致，需要国家加大支持
力度，对其作进一步深入的研究，形成一套成熟完
善的农用 LED 光源技术，为农业 LED 光源的进
一步开发利用提供理论依据与技术支持。
2． 2． 3 LED 农业照明企业竞争力不强 目前国
内生产 LED 农业照明灯具的企业中，生产中低端
产品的中小企业占据了大多数，缺乏核心自主知
识产权和系统性研究，能够参与国际竞争的龙头
企业集团寥寥无几。此外，LED 农业照明产品良
莠不齐，产业化与标准化程度较低，成本较高，缺
乏市场竞争力。而在国外，包括飞利浦、欧司朗等
国际著名照明公司已经开始涉足 LED 农业照明
应用市场，他们以雄厚的资本布局这一领域的研
发、制造和推广应用，如果我们应对不及时或者力
度不够，很可能会在不久的将来，我们将遭遇到我
国种业目前所面临的痛失话语权的尴尬境地。
2． 2． 4 LED 成本依然偏高 成本是一个产品能
否具有市场竞争力的关键因素，也决定了这种产
品能否得到用户的认可，能否占据一定的市场份
额。对于 LED 农业照明光源来说，价格高是限制
其发展的主要因素之一。一个功率 28 W 的普通
荧光灯管价格为 20 元左右，而一个功率 15 W 的
T8 农用 LED 植物生长灯价格为 200 元左右，与传
统光源相比仍然相差较大，极大限制了 LED 光源
在设施农业中的应用与推广。近年来，国内新上 300 台左右的 MOCVD 设备，宝石衬底的蓝光
芯片产能正在建设中，预计几年后将大大降低蓝
光芯片价格。
2． 2． 5 缺乏有效的政策扶持 国家虽然制定了
一系列促进 LED 发展的措施，但仍缺乏有效的政
策支持，这也是 LED 农业照明未得到广泛应用的
重要因素［1］。
2． 3 我国的发展趋势和技术需求
目前，我国 LED 农业照明应用已逐渐成为研
究热点，从长远的角度看，LED 有逐步取代传统
照明光源的趋势，LED 光源将在植物产品生产、
畜禽养殖及害虫防治等众多领域得到广泛的应
用。其中，植物产品生产方面，目前主要有温室补
光、植物组培、植物工厂、食用菌等领域对 LED 光
源具有广泛的需求。
①温室补光: 设施园艺生产主要在春冬季进
行，通过反季节生产提供蔬菜和花卉等农产品，供
应市场，满足城乡居民的菜篮子，促进农民就业与
增收，解决城乡居民反季节农产品需求问题。冬
春季节因阴、雨、雪、雾等天气，设施内部光照不足
和光质组成不平衡现象时有发生，造成大幅减产
和品质降低，有必要进行人工补光，保障优质高
产。采用 LED 光源对温室植物实施补光，能够改
善温室内的光谱能量分布，促进植物生长，提高产
量和营养品质［21］。
②植物工厂: LED 占用空间很小、安装方便、
使植物工厂小型化，此外，其高寿命和环保优势也
十分明显。LED 光源可按照植物的需求提供光
谱能量，进行近距离照射，大幅节约电能。采用
LED 光源提供光能是植物工厂未来发展的重要
方向，已成功应用于多种植物的栽培系统［22］，如
莴苣、菠菜等。
③组培与育苗工厂: 组培育苗能获得大量同
源母本基因幼苗，已广泛应用于农业和园艺生产，
如名贵观赏植物、经济作物、生态和经济林建设所
需苗木等。由于植物组培及其工厂化育苗产业完
全依赖于电光源，LED 将首先在该产业领域获得
突破性应用，目前国外在该领域 LED 的研究和应
用推广力度强劲。
④规模化畜禽养殖场: 由于养殖动物对照明
的需求贯穿整个生长周期，而且因畜禽的种类和年龄阶段不同而异，因此畜牧业生产中的照明不
仅要低能耗、寿命长，而且应具有高度的可调控
性。而目前采用的白炽灯和荧光灯仅能为动物提
供必需的可视光线，无法胜任调控要求，迫切需求
开发出能满足各种动物在不同阶段光源需求的照
明技术与配套装备。
⑤害虫防治: 基于 LED 光源的智能型与特异
性诱( 杀) 虫灯的高效无污染的害虫防治技术，其
开发与推广现已成为全球光诱杀技术的发展方
向。特别是近年来随着设施农业不断发展，以
LED 为光源的光诱杀技术不仅是 LED 在农业生
物领域的进一步应用［23］，而且还可作为设施农业
中的配套技术，减少农药的使用提高农产品安
全性，为我国乃至全球设施农业的可持续发展
发挥作用。
3 未来发展思路、方向和重点任务
3． 1 总体发展思路与任务
在政策层面上，国家应制定出完善的产业政
策，营造良好的产业发展环境，提高 LED 农业光
源品质，降低 LED 农业光源价格，促进 LED 农业
照明应用，推进高效节能的现代农业发展;
在 LED 农业高技术应用方面，建议国家在现
代农业 863 领域设立专项，组织国内已具备良好
研究基础的科研院所和高校，重点在植物和动物
光生物学方面开展应用基础研究，获取基于动植
物合理需求的 LED 光环境效应、机理、关键参数
和优化指标，研发配套技术与装备。在提出农业
合理需求的基础上，组织有关研究机构和产业单
位，研发农业专用 LED 芯片、封装与防护技术( 防
水、防高温等) 及其装备; 研究农业专用 LED 光源
数字化调控技术与装备。
3． 2 具体发展思路与任务
在国家宏观政策方面，应加强规划引导，研究
制定产业政策，特别要针对目前农业仍是一个弱
势产业的现实，制定一些相应的优惠倾斜政策，加
大政府研发资金的投入，营造良好产业发展环境;
科研院所需要加强系统化的 LED 农业应用技术
研究，探索配套农艺技术，充分挖掘发挥 LED 农
业应用的优势与潜力; 企业需要加强适宜于农业生产环境、高效节能型 LED 灯具开发; 通过政府、
企业与科研院所的密切协作，完善 LED 标准和检
测体系建设，加强知识产权保护工作，加强产业链
的互动，推进 LED 在农业领域的应用。
在 LED 农业应用重点研究方向上，应着力加
强 LED 在植物生产、畜禽养殖、微藻培养、害虫防
治等领域的关键技术研究，探索配套农艺技术，充
分挖掘发挥 LED 农业应用的优势与潜力; 根据农
业生物的发育需求及应用环境特点，开发光效高、
耐高温高湿、易于安装、价格低廉的 LED 农业光
源; 同时，制订出完善 LED 农业灯具的技术规范，
着力推进农业 LED 科研成果产业化与标准化。
4 对策建议
4． 1 加大 LED 农业照明应用基础和产品研发的
力度
加强应用基础的研究力度，获取原创新性专
利和知识产权，争取国际上的话语权，为产业应用
提供强大支撑和保障。我国已经在 LED 上游端
的竞争中落后，痛失话语权。但在下游应用端，尤
其是在农业应用领域，我国占有后发优势，并且已
经走在国际前沿，打破了国际垄断巨头的全球布
局谋略的阵脚，现在态势很好，应该抓住机会，加
大研究力度，乘势而上，扩大领先优势，站住阵脚。
低成本农业专用 LED 光源的研发势在必行。
目前，LED 照明产品的价格相对偏高，成本是制
约 LED 光源农业应用的瓶颈，降低成本是其能够
大面积应用推广的基础; 另一方面，由于农业照明
环境及其对照明质量需求的特殊性，使得目前普
通的 LED 居室照明灯具并不适用于农业照明。
因此，为促进 LED 光源在农业照明上的应用，必
须结合农业照明的特殊环境要求设计 LED 灯具
结构，如温室的高温高湿环境，温室补光用 LED
光源必须密封性良好，防水防腐蚀; 另一方面，农
业照明用的灯具在外观上的要求并不严格，故而
可以减少在此方面的设计及生产投入，从而降低
制造成本。
加大对 农 用 LED 前沿技术研发的支持。
LED 农用光源的发展是 LED 光源技术与现代农
业技术发展水平的集中体现，所以离不开半导体 照明、农业技术、环境控制等领域的有力技术支
持。特别是在农业技术领域，LED 光源在农业领
域的研究还属起步阶段，缺乏系统全面的研究，技
术水平相对较低，需重点对 LED 光质与动植物生
长发育和品质形成的作用机制及调控基础还需要
细致研究，开发专用光源并不断提高其应用效率。
此外，加大研发资金投入，提高行业的自主创新能
力，全方位提升企业整体素质和行业整体竞争力，
实现新材料产业的协调和可持续发展。
4． 2 加快农业 LED 光源标准的构建
产品标准化是产品能够健康有序发展的关键
因素之一，对于农业 LED 光源也是如此，只有有
了标准化的约束，才能使 LED 农业光源更好更快
的发展。但是标准体系的建立，不仅需要理论基
础，更需要实际应用基础。所以需要从 LED 农业
光源的研发与实际应用两个方面进行更多的调查
研究，从而制定出有利于行业和产品发展的农业
LED 光源标准。
4． 3 扶持农业 LED 光源生产企业发展
农业 LED 光源技术还比较落后，不仅需要科
研院所和企事业单位的共同努力，而且还需要国
家相关利好政策的扶持。目前，我国各级政府已
经出台了一系列政策措施推动和鼓励半导体照明
产业的发展，为该产业的发展发挥了巨大的作用，
但是总体上来看，对农业 LED 照明产业的关注度
还甚少，这在一定程度上不利于农业 LED 光源技
术的快速发展。因此，培育出一批有核心竞争力
的科研院所和龙头骨干企业，形成一批有国际先
进水平的特色优势产品，创建一批有持续创新能
力的重点技术创新中心，以产业链关键技术突破
为目标，抢占产业链高端环节，争取重点领域的跨
越式发展，实现做大做强、做专做精的战略目标，
显得尤为重要。
4． 4 开展农业 LED 光源规模性示范
由于农业投入的特殊性，靠农业企业本身来
完成 LED 光源的投入，困难重重。建议重点建设
应用示范推广工程: 集中规划建设若干个蔬菜、育
苗、中药以及禽类养殖等农业龙头企业 LED 产品
应用示范区，进行 LED 农业应用的展示与示范，
形成政府主导、企业主体、市场配置“三力合一”。通过示范工程的建设，提高农业企业的创新意识，
打造农业 LED 的大规模应用平台和展示平台，以
示范应用促进 LED 农业应用的发展。
4． 5 制定农用 LED 的资金补贴政策
农用 LED 光源价格还相对较高，但是却具有
节能高效的生产潜力，为了使其能够更好的发挥
节能高效的作用，在一定程度上需要政策性补贴，
包括科研项目经费支持、重大装备购买资金补贴、
产品应用补贴等。如将 LED 植物灯纳入国家农
机装备购置补贴目录，确保农业生产单位在购置
LED 植物灯时能够直接享受到国家 30% ～ 50%
政策性 支 农 财 政 补 贴。这将有助于建立农业
LED 光源的节能高效生产模式，实现传统照明产
业的升级改造，促进农业 LED 光源产业的持续健
康发展。