LED植物照明原理、推广难题与研究进展-徐志刚

LED植物照明原理、推广难题与研究进展南京农业大学农学院徐志刚博士生导师教授汇报内容一、原理二、难题与求解三、研究进展一、原理外界环境影响着植物的生长发育，其中以光影响最大。光对植物的影响主要有两个方面：其一，光是绿色植物光合作用必需的；其二，光调节植物整个生长发育，以使植物更好地适应外界环境。重力光周期湿度食草动物乙烯光质光强温度风CO2病原体土壤微生物有毒矿物和化感物质矿质养分水分状况土壤质量寄生虫O2光的3大因子光在植物生长环境因子中所处的位置一、原理：光-植物光对植物有3大基础作用光形态建成：植物依赖光控制自身细胞的分化、结构和功能的改变，最终汇集成组织和器官的建成，即以光控制植物发育的过程。光合作用：在光的照射下，经过光反应和碳反应，在叶绿体内，将二氧化碳和水转化为有机物，并释放出氧气的生化过程。调控生理节律：生物钟通过调控导引节律的相位来调节植物的生理活动。生物钟一定范围内受光的引导，通过光敏色素(PHYs)、隐花色素(CRYs)和紫外光-B受体的光信号通路调控生物钟成分以达到这种导引。光合产物90%是糖类蔗糖占总糖的73％葡糖磷酸脂肪酸合成氨基酸合成磷酸果糖磷酸丙糖蔗糖淀粉纤维素磷酸丙糖的形成:卡尔文循环1.依赖于光的反应2.产物是磷酸甘油醛3.磷酸丙糖（一）光对植物的主要作用之一：光合作用迄今为止，植物光合作用是人类赖以生存和发展的基础和源泉。（Photosynthesis）光合作用不仅为人类提供衣食，为人类提供氧气，而且发挥固碳功能，为全球生物圈的碳平衡调节做出主要贡献。光合作用离不开光，影响光合作用效率的主要涉光因素是光密度和光谱分布。一、原理在自然界，随着季节、天气、地域和时段的变化，光密度和光谱分布均有所变化。植物适应这种变化，进化出各具特点的高效利用光能的生存策略，为其生长发育服务。我们需要研究不同季节、不同地域、不同阶段，植物对光密度和光谱分布的需求规律，实施针对性的按需给光，寻求因时、因地、因品种的优化的动态给光模式，实现低能耗和高效生长的目标。一、原理----（一）光合作用（二）光对植物的重要作用之二：形态建成植物依赖光控制细胞的分化、结构和功能的改变，最终汇集成组织和器官的建成，即：光控制植物发育的过程，称为光形态建成（photomorphogenesis）。光以信号的方式作用于植物的形态建成。一、原理光形态建成是低能反应，与光谱有关。形态建成依赖于光受体，感知光信号：1、光受体主要包括光敏色素（与红光有关）、2、隐花色素（与蓝光有关）、3、紫外光－B受体一、原理----（二）形态建成（三）光对植物的重要作用之三：调控生理节律1、植物逐时节律性,又称昼夜节律(Circadianrhythm)或生物钟，指在小时尺度上表现出每日周期性昼夜变化的节律性。植物的许多生理过程如固氮活性、细胞分裂和生长、光合作用活性、叶片的运动、基因表达等都具生物钟性质。一、原理生物钟通过调控导引节律的相位来调节植物的生理活动。生物钟一定范围内受光的引导，通过光敏色素(PHYs)和隐花色素(CRYs)的光信号通路调控生物钟成分以达到这种导引。我们需要研究植物的逐时节律，实施逐时节律性的植物光照，寻求逐时追踪优化的动态光照模式，实现低能耗和高效生长的目标。一、原理----（三）调控生理节律2、逐日节律(Circannualrhythm)，以年为周期、以天为尺度形成的春茂秋衰的“一岁一枯荣”现象，如植物生根、发芽、开花结果等。人们对植物不同生育期生长、营养等，尤其对植物的幼年期、开花的光周期诱导等方面进行了大量的研究，但研究者很少从生物节律角度来关注植物光照模式。一、原理----（三）调控生理节律我们需要从更长时间尺度上，研究逐日或逐多日的植物光照节律，寻求逐日追踪优化的动态光照模式，实现低能耗和高效生长的目标。一、原理----（三）调控生理节律（一）潜力与提现植物科研和生产对人工光源的需求很大，包括现实需求和潜在需求：2000万平米组培：以每平米5层计算，需要10根T8LED灯，总需求2亿根，以每根100元计算，总销售额在200亿元；350万公顷设施面积，即35亿平米，暂设20%面积需要补光、以200元/m2的LED需求量计算，总销售额在1400亿元。假设这1600亿元在10年内均分，则静态年销售额在160亿元。二、难题市场需求潜力引起业界热切的期盼,有志于LED植物照明的企业风起云涌,如雨后春笋,在网上能够搜索到100个页面以上的相关企业和产品信息。但现实的销售额是多少?提现慢、提现难与巨大的市场潜力、热切的期望形成反差。当前呈现了一哄而起的热闹与兴盛，日后必将出现一哄而退的悲情与冷寂。二、难题----（一）潜力与提现如何求解这一难题？一家之言，供借鉴。1、正确认识农业比较效益低、投资回收慢、但回报稳定持久。要适应这些特点，在认识上要准备持久战，当长跑冠军，挣慢钱、挣小钱、挣持久的钱。不要寄希望于赢在起跑线上，不要立足于挣快钱、挣大钱、挣眼前的钱，要避免当开路烈士，成为垫脚石。请以积极善意的理念领会上述意思。注重准备和储备二、难题----（一）潜力与提现2、布局谋划目标战略、整体布局、谋定而动减少盲动、抵挡诱惑、避免盲目跟风3、追踪准备原理、技术、工艺、产品、系统人才、团队、模式4、选准突破点切入的方式、切入的产品、切入的技术服务的模式、服务的内容、服务的依托二、难题----（一）潜力与提现（二）科研与产业1-1、科研与产业衔接存在困难（1）科研成果不足以解答产业界面临的问题；（2）产业界的需求难以顺畅地获得科研力量的支撑1-2、建议：互动——这方面企业表现出了主动，研究单位较被动信任——企业和研究单位之间缺乏互信机制与平台——建立平台，建立机制二、难题2-1、科研界创新面临困难（1）人才与队伍、知识与学科有结构性缺陷，突破困难（2）理念与思路、内容与目标存在自我封闭，突破困难2-2、建议：（1）充实农业生命科学领域的研究力量，大量吸纳农业生命学科中年轻的副教授、讲师、博士；（2）放开思路和心胸，创新合作理念，放弃自我独尊的老大心态，团结人才做大事、做实事；（3）集思广益，做好符合产业需求和方向的顶层设计，力戒闭门造车，自以为是。二、难题----（二）科研与产业3-1、产业界创新面临困难（1）创新动力不足：生存、利润、研发投入（2）创新环境堪忧：模仿抄袭、一哄而上、劣币驱逐良币3-2、建议：（1）依据实力而动：暂无实力，可持续关注，小投入，不搞大项目，主攻单项关键核心技术；实力强，找准切入点，做系统化研发。暂不寻求以此为主业。（2）摒弃“就灯而灯”的理念，做植物（生物）照明系统、做装备、做融合植物（生物）栽培技术的系统解决方案。二、难题----（二）科研与产业（三）市场与政府1、市场和政府的协调衔接存在困难1-2、建议：（1）充分利用市场和政府2种资源。在初期阶段，以政府对现代农业建设示范的支持政策作为依托，建立示范应用，带动并培育市场。（2）做好与当地政府的交流互动，将农业照明与政府扶持现代农业的目标统一起来，为当地现代农业发展服务。在服务求发展。二、难题（四）产品性能与技术经济（五）无序竞争与合作共赢二、难题以本人的见识和能力，无法对植物照明目前所存在的困难加以全面总结和归纳，求解之策也难以中肯合理，所述仅仅是一管之见，抛砖引玉，供各位同仁参考。请大家批评指正！研究团队：徐志刚博士，教授，博导刘晓英博士，副教授，硕导焦学磊硕士，讲师，在读博士生在读博士生4名，硕士生12名三、研究团队2013年研究工作进展（一）科研成果与科研任务进展1、发表4篇SCI论文，获得发明专利授权1项，获得实用新型专利授权2项，获中华农业科技奖二等奖1项，申报国家发明专利4项，培养博士毕业生1名、硕士毕业生3名。2、完成3项科研课题的结题验收准备工作（国家863项目1项、国家科技支撑项目1项、江苏省省科技支撑项目1项）3、启动并实施2项科研项目（现代农业领域国家863项目1项、农业部公益性行业科技项目1项）（二）实验研究进展1、完成了不同光谱能量分布对马铃薯脱毒组培苗生根壮苗、试管薯产量和品质的实验研究，获取了适宜光谱能量分布参数。2、开展了不同光谱能量分布对大豆组培植株再生阶段和生根壮苗阶段的实验，预备实验取得成功，假设得到初步证实，已布置进一步的实验研究。3、开展了不同光谱能量分布对作物抗非生物逆境的作用机制的实验研究。4、开展了不同光谱能量分布对水稻育秧和果菜育苗的实验，目标是获取适宜光谱能量分布参数，用于工厂化育秧与育苗。5、以油菜和石斛为材料，开展了转录组学方面的实验研究，样品已寄送专业公司检测，等待结果做数据分析。6、启动了植物工厂节能原理与适宜栽培模式研究。7、开展了植物工厂化栽培技术集成研究（叶菜、药材）8、启动了植物补光机理与标准的研究：从分子机理层面研究其内在机制，为植物光照标准的制定提供基础性支撑。1、研发了10款植物生长灯，替换传统钠灯。在中国农大、江苏省农科院、南京农大的植物人工气候室得到应用。特点如下：（1）光密度最高达950μmol·m-2·s-1（20cm正下方）（2）生物能效高，功率消耗是传统钠灯的1/2；（3）发热量是传统钠灯的1/3，整体耗电量减少2/3;（4）对植物冠层热辐射极低，不会对植物造成热灼伤和热应急；(三)研发与推广[e-mail]