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，隨著光生物學和光化學的發(fā)展，激光技術(shù)的應(yīng)用已擴展到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。激光技術(shù)的經(jīng)濟性和有效性使其成為精準農(nóng)業(yè)的常用工具，與無人機和物聯(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)測土壤成分對保護環(huán)境、農(nóng)業(yè)和公眾健康至關(guān)重要。

激光誘導擊穿光譜技術(shù)（LIBS）已成為這一領(lǐng)域的強大工具，可對土壤成分進行快速、準確的元素分析。激光誘導擊穿光譜技術(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，進行精確的元素分析。光譜的波長表示存在的元素類型，而強度則反映其濃度。

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樣品制備即可對土壤肥料進行定性分析的有前景的技術(shù)。

改進型 LA-LIBS 方法的實驗裝置。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，可實時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，光子會被植物細胞中的光吸收分子（發(fā)色團）吸收。吸收的能量會引發(fā)一系列光化學反應(yīng)和信號傳導途徑，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 等公司提供先進的激光土地平整解決方案，利用尖端技術(shù)幫助農(nóng)民實現(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雜草上，使雜草局部發(fā)熱，進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.樹莓派計算機；4.激光測距儀；5.激光器；6.電源；7.電機驅(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、與先進技術(shù)相結(jié)合

無人機或機器人上的激光傳感器可實現(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時數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可通過人工智能算法進行分析，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 機器人在人工智能突破獎評選中被評為 "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)動的機器人可殺死高達 99% 的雜草，每小時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

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)的精準農(nóng)業(yè)實踐為減少化學品使用、最小化環(huán)境足跡和支持全球可持續(xù)農(nóng)業(yè)實踐提供了一種方法。

《Agronomy》上的一項研究比較了六年（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的必要性構(gòu)成了重大障礙，因為它們的性能會隨著時間的推移而降低。

從社會經(jīng)濟角度看，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)計的持續(xù)研究可推動技術(shù)進步，提高效率和成本效益。隨著政府政策的支持、認識的提高和行業(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。