植物照明产业发展机遇与挑战

刘文科（中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，农业农村部设施农业节能与废弃物处理重点实验室，北京 100081）

植物照明是农业照明的主要组成部分，是一种调控设施植物光环境的工程技术措施，以促进植物的生长发育、产量及品质。植物照明主要应用于设施植物生产（人工光植物工厂和温室等园艺设施中），少量用于露地栽培补光，克服弱光寡照逆境或实施光周期调控，以获得最大植物生产效益。植物照明是一个跨界的科学技术领域，涉及到设施园艺工程和照明工程两个学科，为交叉新兴产业，因此产业发展快慢和质量高低依赖于学科交叉融合程度。现今世界范围内，设施园艺光环境调控已成为研究的热点，尤其集中在温室补光和人工光植物工厂光环境调控方面。植物光质生理规律的揭示是驱动植物照明产业发展的科学基础，植物照明的原理是最大程度利用植物光质生理特性，设计专用LED植物灯和照明控制系统，在时间和空间上给予植物特定的光照条件，通过光合作用和光形态建成调节，挖掘植物光合和代谢潜能，实现高产优质目标[1-2]。

随着LED照明技术的进步与兴起，受荷兰和日本设施园艺产业发展的影响，中国设施园艺多样性和先进性正在经历着跨越式发展，连栋温室规模化发展递增，人工光植物工厂应用持续兴起。最近10年，伴随LED植物照明专用光源产业和设施园艺产业爆发式发展，形成了以珠三角、长三角和京津冀为中心的植物照明研发与产业基地，植物照明产品和应用领域逐年增加，已经成为中国LED照明产业盈利的新增长点。目前，包括上游LED芯片、中游的封装、电源和灯具企业已有数百家，遍布全国20余个省份。近5年，随着国际上大麻种植和使用的合法化或被许可、设施园艺产业升级和高附加值园艺产品需求的攀升，植物照明迎来了发展新契机，植物照明研发和产业发展进入了新的发展时期。根据全球调研机构Technavio研究报告显示，2020年全球植物生长灯市场达30亿美元，2016～2020年全球市场以11.7%的增长率增长。第26届广州国际照明展上，据不完全统计涉及植物照明的企业多达几十家，发展势头可见一斑。本文总结了植物照明产业发展的机遇，分析了植物照明产业发展面临的挑战，并展望了未来10年植物照明产业发展格局。

植物照明产业发展机遇

植物照明的兴起和产业发展是国内外设施园艺和LED照明科技发展融合的必然结果。按照具体应用领域而言，在国际疫情常态化条件下，人工光植物工厂、设施园艺补光、大麻室内种植、家庭园艺等设施园艺产业是撬动植物照明发展的主要驱动因素。此外，中国雄厚的LED产业基础也为植物照明发展提供了工业基础和产业背景。

人工光植物工厂

人工光植物工厂一般采用LED灯为唯一光源进行蔬菜、药用植物等规模化生产，是单位面积LED灯使用密度最大的园艺设施类型，是近些年驱动LED植物照明发展的首要因素。国际上，中大型人工光植物工厂快速发展，生产高附加值和高品质植物种类及其产品，如草莓、药用植物、药食同源植物等。国内方面，经济发达地区人工光植物工厂发展颇为迅速，陆续涌现出了多家规模较大的人工光植物工厂企业，从事植物生产和工程复制[3]。而且，LED光源家庭植物工厂产业发展迅速，已推出十余款家庭植物工厂产品，可生产各种叶菜，功能多样[4]。此外，在海岛、沙漠、太空、舰船、极地、高原等特殊极端环境条件下，人工光植物工厂在解决绿色鲜活蔬菜问题上起着不可或缺的作用，社会应用价值不言而喻。

设施园艺补光

中国设施园艺的栽培面积高达400万hm2以上，涵盖了蔬菜、果树、药用植物、食用菌、种苗、组培苗、花卉等多个领域。设施园艺是环控型产业，光环境调控是其本质要求，对消除弱光寡照逆境，实施光周期调节，实现优质高产起到重要的作用[5]。设施作物反季节生产上市，补光措施需求迫切，北方设施果树（樱桃、葡萄、油桃、枣、蓝莓、西甜瓜等），提前上市可大幅提升生产效益。即使在南方，露地火龙果等果蔬生产在阴雨天气也需要人工补光，促进开花结果，获得更高的效益。

国际大麻室内种植

北美工业大麻合法化不断推进，推动植物照明需求爆发，未来五年全球大麻市场每年可能增长22%。美国大麻市场迅速扩容，2019年种植面积45.3万英亩（1.8×105hm2），比2018年增长了479%。根据 New Frontier Data，2019年美国合法大麻市场规模为136亿美元，其中娱乐大麻市场76亿美元，医用大麻市场60亿美元。2019～2025美国合法大麻市场规模将由136亿美元增至297亿美元，医用大麻市场将由60亿美元增至131亿美元。其次，工业大麻种植在全球更多国家蓬勃发展[6]，大麻二酚（CBD）应用空间广阔。根据Canopy Growth测算，潜在的全球工业大麻市场规模超过3000亿美元。展望未来，大麻植物工厂种植是必然趋势，LED植物照明灯具需求将大幅增加。

国际疫情常态化因素

国际上，因美国等诸多国家疫情短时无法得到有效控制，疫情背景下供应链及食品安全忧虑显现、叠加长期全球人口增长与耕地面积有限的矛盾。北美市场为代表的用于工业大麻种植的植物生长灯，欧洲为代表的果蔬、花卉种植的植物生长灯销量都有较明显的增长。近两年，国际疫情常态化条件下，安全、营养农产品的需求保障问题比较棘手，室内种植成为较好的选择。从蔬菜、苗木、香料、草莓，到花卉、牧草、（工业）大麻等室内场所规模化种植需求逐年增加，这必然导致对LED植物生长灯的国内外需求激增，刺激植物照明市场。

LED制造业高值赋能

中国是世界最大的LED产业国，LED半导体照明上中下游产业链完善，产业规模大。根据CSA research发布的《2019中国半导体照明产业发展蓝皮书》显示，2019年中国LED半导体照明行业总产值达7548亿元。LED产业规模发展中，下游应用贡献最大。2019年，中国LED半导体照明产业下游应用规模达到6388亿元，占比84.63%。雄厚的LED产业基础也为植物照明发展提供了工业基础和产业背景。LED植物照明已经占据一席之地，成为新的增长点，出口势头强劲。

植物照明产业发展挑战

LED企业转型需要产研合作

植物照明是需要LED灯具与植物栽培平台有效对接才能获得最佳的应用效益。同时，LED植物照明的技术参数制定非常关键，需要大量的试验来揭示植物光质生理学规律。所以高效起见，植物照明企业应与设施园艺领域科研院所合作，实施强强联合和专业分工，把针对特定植物种类或品种的最优光环境参数与高性价比的LED灯具设计相结合，获得高效的LED植物照明系统。此外，植物照明悬挂方式很重要，优化的悬挂方式可充分利用LED植物灯冷光源特性，兼顾照射面积，获得最佳的光照效益。以（工业）大麻室内种植为例，（工业）大麻光环境的技术参数尤其重要[7]，过去（工业）大麻未合法化年代（工业）大麻光环境参数研究成果很少[8]，值得关注。

室内大麻生长灯依赖于国际市场

近些年，植物照明LED灯具的销售市场主要包括国内和国际市场，主要集中于设施园艺和（工业）大麻生产两个领域。当前，中国LED植物照明产品主要出口到欧美市场，得益于北美大麻种植逐渐合法化。但是，国内市场尚待开发培育，潜力不容低估。

设施园艺细分市场亟待开发

设施园艺用户的激活与培育是保障LED植物照明产业长期发展的基础。但是，基于设施园艺生产的复杂性，设施园艺LED照明系统的研发存在多样性和技术难度，必须在揭示设施植物光质生理特性前提下，才能按照栽培平台要求设计LED灯具，才能有效实施光环境调控。温室园艺中LED灯取代高压钠灯是必然趋势，设施牧草、药用植物、果树等新兴园艺业态不断涌现，LED照明将成为未来设施园艺标准配置装备，对实现未来智慧园艺必不可少。

LED植物灯的性价比提升

较高的产量品质效应和良好的视觉健康效果是LED植物照明的基本目标，也是衡量LED灯具性价比的重要原则。通过光谱调制、智能控制和植物栽培平台的合理耦合，可以获得较高的产量品质效应。通过光谱调制、二次光学设计和照射角度控制可以获得良好的视觉健康。当然，高性价比LED灯具的研制是以半导体芯片技术先进性为前提的，其节能效率和光电转换效率是后端灯具设计无法从根本上控制的。

总结

植物照明是近10年LED照明领域的研发的热点和产业增长点。总体来讲，LED植物照明已经越过了技术研发和产业塑形的初级阶段，产业已经越过成长期，逐步走入成熟期。当前，植物照明产业发展面临着发展机遇，也存在一些挑战。机遇方面，在国际疫情常态化条件下，人工光植物工厂、设施园艺补光、大麻室内种植、家庭园艺等设施园艺产业将长期助力植物照明的快速发展，中国雄厚的LED产业基础也为植物照明发展提供了工业基础和产业背景。植物照明产业面临的挑战包括以下几个层面。首先，植物照明市场仍需要培育，细分市场产品和产品性价比亟待提高；其次，植物照明龙头企业凤毛麟角，知名产品屈指可数；产业自信心、用户可见度、产学研结合和细分市场利用有待提升；最后，国内市场开发利用是重大课题，尤其是在当前中国植物照明产品生产企业集群、科研机构集群和设施园艺产业集群地域分离问题严重，三者合力和凝聚力有待强化。展望未来10年，植物照明技术研发和产业化应用规模将取得重大进展，形成较为完整的产品体系和市场体系，重点将推出植物工厂用大麻生长灯[8]、牧草生长灯[9]、育苗灯、草莓灯和药用植物生长灯等，以及温室蔬菜、果树专用补光灯等，市场前景十分可观。此外，LED将有序取代HPS，国内设施园艺生产植物照明灯具覆盖率将达到60%以上，LED产品渗透率将达到60%以上，比当前提高1倍。产业上，植物照明产业将出现10家左右龙头企业，年市场规模将达到50亿元以上，出口规模逐年提升，成为植物灯生产和使用大国甚至强国。