概述

激光技術(shù)正在徹底改變農(nóng)業(yè)，為長期面臨的挑戰(zhàn)提供創(chuàng)新解決方案，并改變?nèi)蚋鞣绞?，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。

一、激光：在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用和優(yōu)勢

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，對植物生長和全球氣候調(diào)節(jié)至關(guān)重要。然而，人類活動會使土壤受到重金屬污染，植物會吸收這些重金屬，并通過食物鏈轉(zhuǎn)移這些污染物，危及生態(tài)系統(tǒng)和人類健康。因此，監(jiān)測土壤成分對保護(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 確定土壤類型和測量土壤中多種元素（如 Al、Ca、Fe）含量的過程。(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 對土壤類型進(jìn)行分類；(e) 利用 PLSR 預(yù)測土壤中 Al、Ca、Fe 的含量。資料來源：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)能夠快速原位檢測養(yǎng)分、重金屬和污染物，有助于制定有針對性的土壤管理策略，最大限度地減少對環(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養(yǎng)元素（鎂、鈣、鉀、磷）和微量營養(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 大大提高了檢測限值，使其成為一種無需化學(xué)樣品制備即可對土壤肥料進(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)、植物生長和抗逆性。

當(dāng)種子或植物暴露于特定波長的激光（例如 632.8 nm 的 He-Ne、532 nm 的 Nd:YAG 或可見光譜中的 LED）時(shí)，光子會被植物細(xì)胞中的光吸收分子（發(fā)色團(tuán)）吸收。吸收的能量會引發(fā)一系列光化學(xué)反應(yīng)和信號傳導(dǎo)途徑，從而提高發(fā)芽率、改善生長參數(shù)（包括根長、芽長和幼苗質(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)射和探測激光，接收到的信號包含高程數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可驅(qū)動液壓系統(tǒng)和刮土鏟進(jìn)行精確的土地平整。

激光土地平整過程。資料來源：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。

Trimble公司的FieldLevel? II system

 Topcon公司的Laser Landforming解決方案

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確定的雜草種類，而不會損害周圍的作物。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，觀察到雜草的生長明顯減弱，在少數(shù)情況下，雜草死亡。

除草裝置的原型。(a) 1. 指向攝像頭；2.振鏡；3.樹莓派計(jì)算機(jī)；4.激光測距儀；5.激光器；6.電源；7.電機(jī)驅(qū)動器；8.電子信號處理板；9.控制激光裝置位置的 Arduino 板。(b) A、B 和 C 顯示了作物的位置。資料來源：Rakhmatulin, I.,  Andreasen, C.，《A concept of a compact and inexpensive device for controlling weeds with laser beams》，《Agronomy》（2020）。

二、新興趨勢與創(chuàng)新

1、與先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合

無人機(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)評選中被評為 "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%。

Carbon Robotics公司的LASERWEEDER? 系列激光除草機(jī)

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）。

三、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，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S著時(shí)間的推移而降低。

從社會經(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，對激光技術(shù)的接受程度可能會在技術(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)會帶來巨大的利益，包括精確的土地耕作、提高作物產(chǎn)量和資源效率。

對新型激光材料和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的持續(xù)研究可推動技術(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)展開辟一片新天地。