LED光源高能效的窄帶發(fā)射使照明技術(shù)在生命科學(xué)應(yīng)用中具有重要的價(jià)值。在本文中，Ken Marrin介紹如何在家禽飼養(yǎng)應(yīng)用中采用固態(tài)照明，以降低電費(fèi)和提高產(chǎn)量。

專家預(yù)計(jì)，到2030年，全球?qū)κ称返男枨罅繉⒎环榱藵M足這一需求，糧食生產(chǎn)者正在采用新技術(shù)，以較低的成本增加產(chǎn)量，同時(shí)減少對環(huán)境的壓力。這些生產(chǎn)技術(shù)大多集中于加強(qiáng)傳統(tǒng)投入，比如水、空氣、營養(yǎng)物質(zhì)和空間等。但是，光卻是一個(gè)很大程度上未開發(fā)的生產(chǎn)投入。

通過使用LED照明，利用家禽、豬、奶牛、魚類或甲殼類動(dòng)物獨(dú)特的光譜需求，農(nóng)民可以減少壓力和家禽死亡率，調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律，大幅增加蛋、肉和其他蛋白質(zhì)來源的產(chǎn)量，同時(shí)顯著降低能源使用和其他投入成本。

固態(tài)照明（SSL）的利基應(yīng)用包括農(nóng)業(yè)專用的照明，這樣的應(yīng)用可產(chǎn)生巨大的收入潛力。飛利浦和歐司朗等主要大廠已經(jīng)開發(fā)了用于農(nóng)業(yè)和園藝業(yè)的光譜可調(diào)式LED燈，此外還有一些小型企業(yè)，如Once Innovations和NextGen Illumination等生產(chǎn)出了專用于家禽市場的LED燈。

許多畜牧養(yǎng)殖戶仍然在其畜棚中使用60W、80W和100W的白熾燈。這些燈非常適合人類環(huán)境，但是白熾燈與陽光不一樣，對人類來說最好的光線并不一定適合其他動(dòng)物。日光的光譜與白熾燈的光譜明顯不同。日光是所有顏色的組合。

圖1. 日光光譜（a）與日落光譜（b）

圖1a顯示中午的日光中每種顏色的數(shù)量。在這一天的這個(gè)時(shí)候，藍(lán)色和綠色比紅色更亮。圖1b顯示一天結(jié)束時(shí)日光中的顏色數(shù)量。此時(shí)，紅色比綠色和藍(lán)色更亮。

白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈、LED的比較

現(xiàn)代的畜棚照明系統(tǒng)試圖模仿太陽的光譜，試圖提供一個(gè)連續(xù)的光譜，包含所有的顏色，中間無間隙。白熾燈（圖2a）有效地模擬了日落時(shí)的日光，產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的光譜，紅色多，綠色少，藍(lán)色只有一點(diǎn)點(diǎn)。但是，這個(gè)光譜并不能模擬午間的陽光。一些制造商試圖在燈泡上涂層來改變光譜，但是這種方法不能產(chǎn)生連續(xù)的光譜。此外，白熾燈泡的效率也非常低，經(jīng)常燒壞，并且需要達(dá)到防濕級別的燈具。當(dāng)然，白熾燈很快也要被禁止生產(chǎn)了。

圖2. 白熾燈光譜（a）與節(jié)能燈光譜（b）

緊湊型熒光燈（CFL）具有良好的效率并產(chǎn)生白光，但是，其光輸出是針對人類視覺而設(shè)計(jì)的。通過產(chǎn)生和結(jié)合紅色、綠色和藍(lán)色的窄帶來實(shí)現(xiàn)白光。因此，紅色、藍(lán)色和綠色峰值之間的光譜存在很大差距，并且在太陽光中存在的許多紅色、藍(lán)色和綠色波長會失去（圖2b）。藍(lán)光特別弱，大部分更深的紅色都失去了。總的來說，緊湊型熒光燈在模仿自然光方面做得非常糟糕，也很難清潔（卷曲形狀），含有少量有毒的汞，需要一個(gè)防潮的外殼，也不能很好地調(diào)色。

高壓鈉燈（HPS）具有出色的效率和高光輸出，在紅色和黃色中色譜最強(qiáng)，從而賦予燈泡獨(dú)特的橙黃色或琥珀色。但是，與節(jié)能燈一樣，許多色譜缺失，尤其是綠色和藍(lán)色。此外，高壓鈉燈也很難變暗，預(yù)熱緩慢，需要鎮(zhèn)流器操作，具有較高的前期成本，并且可能含有鈉和/或汞。

LED是農(nóng)業(yè)照明方案中最高效和環(huán)保的產(chǎn)品，通過將藍(lán)色LED與紅色和綠色熒光粉結(jié)合，產(chǎn)生白光。光譜接近連續(xù)式的（圖3），藍(lán)色特別強(qiáng)，但也有充足的綠色和紅色。雖然不完全是日光，但從人類的角度來看，LED光譜提供了近似的光，沒有像其他技術(shù)那樣有光譜間隙。

此外，它們也具有最長的使用壽命（長達(dá)10年，全天候運(yùn)行），堅(jiān)固耐用，不易受到震動(dòng)的影響，并允許色移和顏色控制。LED具有較高的前期成本，但這些成本通過節(jié)能可以回收，從而使總體擁有成本降至最低。

圖3. 標(biāo)準(zhǔn)的白光LED光譜

LED在家禽養(yǎng)殖中的應(yīng)用

LED最大的優(yōu)勢是能提供可定制的可調(diào)頻譜。動(dòng)物的光譜靈敏度不同于人類，光譜要求也是如此。通過優(yōu)化畜棚中的光譜、輻射和調(diào)制，農(nóng)戶可以為家畜創(chuàng)造一個(gè)良好的照明環(huán)境，讓家畜心情愉悅，從而促進(jìn)其生長，同時(shí)最大限度地減少能源和飼料的支出。

家禽是四色的。與人類一樣，家禽對綠色在550nm處有峰值靈敏度。但是它們對紅色、藍(lán)色和紫外線（UV）的敏感度也高。但是人類和家禽之間最顯著的區(qū)別可能是家禽在視覺上有感受紫外線的能力（在385nm出現(xiàn)峰值）。

每種顏色對家禽的生理都有明顯的影響。例如，可以通過綠光增強(qiáng)骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的增殖，在早期時(shí)增加生長速度。藍(lán)光通過提高血漿雄激素在較晚的年齡增加生長。窄帶藍(lán)光減少運(yùn)動(dòng)，還降低了自相殘殺率。綠色和藍(lán)色光可共同促進(jìn)肌纖維的生長。總體而言，藍(lán)光已被證明可以將飼料轉(zhuǎn)化率提高4％，從而將每磅成本降低3％，并將整體活重增加5％。

紅光在飼養(yǎng)期開始時(shí)可以增加雞的生長速度，增加雞的運(yùn)動(dòng)量，從而最大限度地減少腿部疾病。紅光還可以減少每個(gè)產(chǎn)蛋量的飼料消耗量，而產(chǎn)出的蛋在尺寸、重量、蛋殼厚度、蛋黃和白蛋白重量方面沒有差異。總體而言，紅燈已被證明可以延長高峰期的產(chǎn)量，每只母雞的產(chǎn)蛋量可提高38個(gè)蛋，而食用量可能會減少20％。

標(biāo)準(zhǔn)和補(bǔ)貼

盡管LED有很多優(yōu)勢，但是前期投入成本高昂。部分原因是由于農(nóng)業(yè)照明行業(yè)缺乏性能標(biāo)準(zhǔn)，使得購買農(nóng)業(yè)照明LED的消費(fèi)者很難像白熾燈和緊湊型熒光燈那樣獲得節(jié)能補(bǔ)貼。

值得欣喜的是，標(biāo)準(zhǔn)正在制定中，將會設(shè)定關(guān)鍵性能標(biāo)準(zhǔn)，如耐久性、性能、可靠性和安全性，目前有多家公司表示有興趣加入標(biāo)準(zhǔn)制定。