概述
激光技術(shù)正在徹底改變農業(yè)，為長(cháng)期面臨的挑戰提供創(chuàng )新解決方案，并改變全球耕作方式，以提高效率和可持續性。
激光技術(shù)最初用于醫療領(lǐng)域，隨著(zhù)光生物學(xué)和光化學(xué)的發(fā)展，激光技術(shù)的應用已擴展到農業(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業(yè)的常用工具，與無(wú)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。
激光：在農業(yè)中的應用和優(yōu)勢
1、土壤元素分析
土壤是有機物、礦物質(zhì)、空氣和水的復雜混合物，對植物生長(cháng)和全球氣候調節至關(guān)重要。然而，人類(lèi)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)食物鏈轉移這些污染物，危及生態(tài)系統和人類(lèi)健康。因此，監測土壤成分對保護環(huán)境、農業(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(jìn)行快速、準確的元素分析。激光誘導擊穿光譜技術(shù)通過(guò)將高能激光脈沖聚焦在土壤表面，產(chǎn)生微觀(guān)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(cháng)表示存在的元素類(lèi)型，而強度則反映其濃度。
利用 LIBS 確定土壤類(lèi)型和測量土壤中多種元素（如 Al、Ca、Fe）含量的過(guò)程。(a) 具有代表性的 LIBS 系統示意圖；(b) 采集的土壤 LIBS 數據；(c) 位于 LIBS 曲線(xiàn)上的土壤中幾種元素的特征發(fā)射線(xiàn)；(d) 利用 PCA 對土壤類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)；(e) 利用 PLSR 預測土壤中 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）。
這項技術(shù)能夠快速原位檢測養分、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(yíng)養元素（鎂、鈣、鉀、磷）和微量營(yíng)養元素（鐵、銅、鈉、鋅、錳）。研究人員比較了單脈沖和雙脈沖配置，發(fā)現 DPLIBS 大大提高了檢測限值，使其成為一種無(wú)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 等公司為農業(yè)應用提供基于 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方法，可提高種子萌發(fā)、植物生長(cháng)和抗逆性。
當種子或植物暴露于特定波長(cháng)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 )被植物細胞中的光吸收分子（發(fā)色團）吸收。吸收的能量會(huì )引發(fā)一系列光化學(xué)反應和信號傳導途徑，從而提高發(fā)芽率、改善生長(cháng)參數（包括根長(cháng)、芽長(cháng)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(xiàn)輻射和疾病的耐受性。
3、激光應用于土地平整
激光平地系統可實(shí)現±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據。這些數據可驅動(dòng)液壓系統和刮土鏟進(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)幫助農民實(shí)現可持續土地管理。
4、雜草防治
除草劑和耕作等傳統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的替代方法。激光技術(shù)通過(guò)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(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(lèi)，而不會(huì )損害周?chē)淖魑�。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(guān)察到雜草的生長(cháng)明顯減弱，在少數情況下，雜草死亡。
新興趨勢與創(chuàng )新
1、與先進(jìn)技術(shù)相結合
無(wú)人機或機器人上的激光傳感器可實(shí)現高分辨率、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)數據。這些數據可通過(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）設備集成，在農業(yè)領(lǐng)域實(shí)現精確操作。
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業(yè)解決方案"。這款由人工智能驅動(dòng)的機器人可殺死高達 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 )損害農作物，使用它的農民可將雜草控制成本最多降低 80%。
2、可持續性和環(huán)境影響
農業(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%。使用激光系統的精準農業(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農業(yè)實(shí)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(lái)甘蔗田精確土地平整（PLL）與傳統土地平整（TLL）的效果，證明了精確土地平整的益處。研究結果表明，與傳統土地平整相比，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）。
農業(yè)激光技術(shù)：挑戰與創(chuàng )新解決方案
盡管激光技術(shù)具有前景廣闊的優(yōu)勢，但要在農業(yè)領(lǐng)域廣泛采用該技術(shù)仍面臨重大挑戰。
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成了重大障礙，因為它們的性能會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而降低。
從社會(huì )經(jīng)濟角度看，農業(yè)界，尤其是熱帶地區的農業(yè)界，對激光技術(shù)的接受程度可能會(huì )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。
對新型激光材料和系統設計的持續研究可推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步，提高效率和成本效益。隨著(zhù)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)的應用可以加速，為農業(yè)部門(mén)的生產(chǎn)力和可持續發(fā)展開(kāi)辟一片新天地。
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來(lái)源：光電查
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