概述

激光技術(shù)正在徹底改變農(nóng)業(yè)，為長(zhǎng)期面臨的挑戰(zhàn)提供創(chuàng)新解決方案，并改變?nèi)�球耕作方式，以提高效率和可持續(xù)性。

激光技術(shù)最初用于醫(yī)療領(lǐng)域，隨著光生物學(xué)和光化學(xué)的發(fā)展，激光技術(shù)的應(yīng)用已擴(kuò)展到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。激光技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和有效性使其成為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的常用工具，與無(wú)人機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）傳感器等其他技術(shù)相輔相成。這種整合使作物栽培更加高效。

激光：在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用和優(yōu)勢(shì)

1、土壤元素分析

土壤是有機(jī)物、礦物質(zhì)、空氣和水的復(fù)雜混合物，對(duì)植物生長(zhǎng)和全球氣候調(diào)節(jié)至關(guān)重要。然而，人類活動(dòng)會(huì)使土壤受到重金屬污染，植物會(huì)吸收這些重金屬，并通過(guò)食物鏈轉(zhuǎn)移這些污染物，危及生態(tài)系統(tǒng)和人類健康。因此，監(jiān)測(cè)土壤成分對(duì)保護(hù)環(huán)境、農(nóng)業(yè)和公眾健康至關(guān)重要。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)（LIBS）已成為這一領(lǐng)域的強(qiáng)大工具，可對(duì)土壤成分進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的元素分析。激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)通過(guò)將高能激光脈沖聚焦在土壤表面，產(chǎn)生微觀等離子體，從而發(fā)射出特征光譜，進(jìn)行精確的元素分析。光譜的波長(zhǎng)表示存在的元素類型，而強(qiáng)度則反映其濃度。

利用 LIBS 確定土壤類型和測(cè)量土壤中多種元素（如 Al、Ca、Fe）含量的過(guò)程。(a) 具有代表性的 LIBS 系統(tǒng)示意圖；(b) 采集的土壤 LIBS 數(shù)據(jù)；(c) 位于 LIBS 曲線上的土壤中幾種元素的特征發(fā)射線；(d) 利用 PCA 對(duì)土壤類型進(jìn)行分類；(e) 利用 PLSR 預(yù)測(cè)土壤中 Al、Ca、Fe 的含量。資料來(lái)源：Keqiang Yu，Jie Ren，Yanru Zhao，《Principles, developments and applications of laser-induced breakdown spectroscopy in agriculture: A review》，《Artificial intelligence in agriculture》（2020）。

這項(xiàng)技術(shù)能夠快速原位檢測(cè)養(yǎng)分、重金屬和污染物，有助于制定有針對(duì)性的土壤管理策略，最大限度地減少對(duì)環(huán)境的影響。

發(fā)表在《Science of the Total Environment》上的一項(xiàng)研究利用 LIBS 分析了土壤肥料中的宏量營(yíng)養(yǎng)元素（鎂、鈣、鉀、磷）和微量營(yíng)養(yǎng)元素（鐵、銅、鈉、鋅、錳）。研究人員比較了單脈沖和雙脈沖配置，發(fā)現(xiàn) DPLIBS 大大提高了檢測(cè)限值，使其成為一種無(wú)需化學(xué)樣品制備即可對(duì)土壤肥料進(jìn)行定性分析的有前景的技術(shù)。

改進(jìn)型 LA-LIBS 方法的實(shí)驗(yàn)裝置。資料來(lái)源：Keqiang Yu，Jie Ren，Yanru Zhao，《Principles, developments and applications of laser-induced breakdown spectroscopy in agriculture: A review》，《Artificial intelligence in agriculture》（2020）。

Applied Spectra 和 SciAps 等公司為農(nóng)業(yè)應(yīng)用提供基于 LIBS 的分析儀，可實(shí)時(shí)了解植物健康和營(yíng)養(yǎng)狀況。

2、激光生物刺激

激光生物刺激是一種前景廣闊的可持續(xù)方法，可提高種子萌發(fā)、植物生長(zhǎng)和抗逆性。

當(dāng)種子或植物暴露于特定波長(zhǎng)的激光（例如 632.8 nm 的 He-Ne、532 nm 的 Nd:YAG 或可見(jiàn)光譜中的 LED）時(shí)，光子會(huì)被植物細(xì)胞中的光吸收分子（發(fā)色團(tuán)）吸收。吸收的能量會(huì)引發(fā)一系列光化學(xué)反應(yīng)和信號(hào)傳導(dǎo)途徑，從而提高發(fā)芽率、改善生長(zhǎng)參數(shù)（包括根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)和幼苗質(zhì)量）并提高產(chǎn)量特性。

激光生物刺激還能增強(qiáng)植物的生化特性，如增加蛋白質(zhì)、抗氧化劑和參與應(yīng)激防御機(jī)制的酶的濃度。這些變化提高了植物對(duì)干旱、鹽堿、紫外線輻射和疾病的耐受性。

3、激光應(yīng)用于土地平整

激光平地系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)±1 cm的高精度土地平整，這對(duì)于高效的作物管理和灌溉實(shí)踐至關(guān)重要。

該系統(tǒng)包括激光發(fā)射器和接收器，用于發(fā)射和探測(cè)激光，接收到的信號(hào)包含高程數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)和刮土鏟進(jìn)行精確的土地平整。

激光土地平整過(guò)程。資料來(lái)源：Nadimi, M., Sun, DW., Paliwal, J.，《Recent applications of novel laser techniques for enhancing agricultural production》，《Laser Physics》（2021）。

Trimble 和 Topcon 等公司提供先進(jìn)的激光土地平整解決方案，利用尖端技術(shù)幫助農(nóng)民實(shí)現(xiàn)可持續(xù)土地管理。

4、雜草防治

除草劑和耕作等傳統(tǒng)的雜草控制方法引起了人們對(duì)環(huán)境的關(guān)注，并促使人們尋找可持續(xù)的替代方法。激光技術(shù)通過(guò)熱力或機(jī)械方法精確定位和清除雜草，提供了一種前景廣闊的解決方案。

激光除草系統(tǒng)能將高能激光束精確地照射到目標(biāo)雜草上，使雜草局部發(fā)熱，進(jìn)而造成脫水或組織損傷。

這種高度選擇性的方法只針對(duì)確定的雜草種類，而不會(huì)損害周圍的作物。它還消除了施用廣譜除草劑的需要，減少了對(duì)環(huán)境的影響和除草劑抗藥性產(chǎn)生的可能性。

發(fā)表在《Arogonomy》上的一項(xiàng)研究調(diào)查了激光處理對(duì)某些雜草物種（Brassica napus、Tripleurospermum inodorum 和 Stellaria media）子葉階段頂端分生組織的影響。研究人員在盆栽雜草上研究了不同的激光器、光斑大小和能量劑量，觀察到雜草的生長(zhǎng)明顯減弱，在少數(shù)情況下，雜草死亡。

新興趨勢(shì)與創(chuàng)新

1、與先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合

無(wú)人機(jī)或機(jī)器人上的激光傳感器可實(shí)現(xiàn)高分辨率、寬視場(chǎng)的地圖繪制，提供有關(guān)地形高程、土壤濕度和作物健康狀況的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可通過(guò)人工智能算法進(jìn)行分析，從而做出明智的決策，并與物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備集成，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)精確操作。

最近，Carbon Robotics 公司的 LaserWeeder 機(jī)器人在人工智能突破獎(jiǎng)評(píng)選中被評(píng)為 "基于人工智能的最佳農(nóng)業(yè)解決方案"。這款由人工智能驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人可殺死高達(dá) 99% 的雜草，每小時(shí)可在兩英畝的土地上作業(yè)，每分鐘最多可消滅 5000 株雜草。它不會(huì)損害農(nóng)作物，使用它的農(nóng)民可將雜草控制成本最多降低 80%。

2、可持續(xù)性和環(huán)境影響

農(nóng)業(yè)是全球溫室氣體（GHG）排放的主要來(lái)源，占人為排放總量的近 13.5%。使用激光系統(tǒng)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)踐為減少化學(xué)品使用、最小化環(huán)境足跡和支持全球可持續(xù)農(nóng)業(yè)實(shí)踐提供了一種方法。

《Agronomy》上的一項(xiàng)研究比較了六年（2009 年至 2015 年）來(lái)甘蔗田精確土地平整（PLL）與傳統(tǒng)土地平整（TLL）的效果，證明了精確土地平整的益處。研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)土地平整相比，精確土地平整具有更高的能源生產(chǎn)率（90.7–198.6 GJ ha−1）、土地利用效率（64.9-86.2%）和更低的溫室氣體排放量（5249.33–944.19 kg CO2 eq ha−1 yr−1）。

農(nóng)業(yè)激光技術(shù)：挑戰(zhàn)與創(chuàng)新解決方案

盡管激光技術(shù)具有前景廣闊的優(yōu)勢(shì)，但要在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域廣泛采用該技術(shù)仍面臨重大挑戰(zhàn)。

在技術(shù)方面，激光源和傳感器的可靠性和定期重新校準(zhǔn)的必要性構(gòu)成了重大障礙，因?yàn)樗鼈兊男阅軙?huì)隨著時(shí)間的推移而降低。

從社會(huì)經(jīng)濟(jì)角度看，農(nóng)業(yè)界，尤其是熱帶地區(qū)的農(nóng)業(yè)界，對(duì)激光技術(shù)的接受程度可能會(huì)在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益方面持懷疑態(tài)度。然而，將激光技術(shù)融入農(nóng)業(yè)會(huì)帶來(lái)巨大的利益，包括精確的土地耕作、提高作物產(chǎn)量和資源效率。

對(duì)新型激光材料和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的持續(xù)研究可推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步，提高效率和成本效益。隨著政府政策的支持、認(rèn)識(shí)的提高和行業(yè)的創(chuàng)新，激光技術(shù)的應(yīng)用可以加速，為農(nóng)業(yè)部門的生產(chǎn)力和可持續(xù)發(fā)展開(kāi)辟一片新天地。

參考文獻(xiàn)：

【1】Sami Ali Metwally, Bedour Helmy Abou Leila and Mybelle Saad Gaballah，《Laser application in agriculture and its physiological effect on plant: a review》，《Plant Arch》（2020）

【2】Keqiang Yu，Jie Ren，Yanru Zhao，《Principles, developments and applications of laser-induced breakdown spectroscopy in agriculture: A review》，《Artificial intelligence in agriculture》（2020）

【3】Nicolodelli, G., Senesi, GS., de Oliveira Perazzoli, IL., Marangoni, BS., Benites, V. D. M., Milori, DMBP. ，《Double pulse laser induced breakdown spectroscopy: A potential tool for the analysis of contaminants and macro/micronutrients in organic mineral fertilizers》，《Science of the total environment》（2016）

【4】ASI Marketing，《Direct Determination of Contaminants and Major and Minor Nutrients in Solid Fertilizers Using Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS)》，Applied Spectra（2016）

【5】《Rapid Measurement of Total Organic Carbon in Soil》，SciAps（2024）

【6】Nadimi, M., Sun, DW., Paliwal, J.，《Recent applications of novel laser techniques for enhancing agricultural production》，《Laser Physics》（2021）

【7】《Hardware - Land forming》，Trimble（2024）

【8】《 Laser Land Leveling and GNSS Landforming》，Topcon（2024）

【9】Rakhmatulin, I.,  Andreasen, C.，《A concept of a compact and inexpensive device for controlling weeds with laser beams》，《Agronomy》（2020）

【10】Mathiassen, SK., Bak, T., Christensen, S., Kudsk, P. ，《The effect of laser treatment as a weed control method》，《Biosystems Engineering》（2006）

【11】《Carbon Robotics’ LaserWeeder™ Selected as “Best AI-based Solution for Agriculture” In 2023 AI Breakthrough Awards》，CarbonRobotics（2023）

【12】Naresh, RK., Bhatt, R., Chandra, MS., Laing, AM., Gaber, A., Sayed, S., Hossain, A.，《Soil organic carbon and system environmental footprint in sugarcane-based cropping systems are improved by precision land leveling》，《Agronomy》（2021）

【13】Tan, JY., Ker, PJ., Lau, KY., Hannan, MA., Tang, SGH.，《Applications of photonics in agriculture sector: A review》，《Molecules》（2019）

來(lái)源：光電查