概述

激光技術正在徹底改變農(nong) 業(ye) ，為(wei) 長期麵臨(lin) 的挑戰提供創新解決(jue) 方案，並改變全球耕作方式，以提高效率和可持續性。

激光技術最初用於(yu) 醫療領域，隨著光生物學和光化學的發展，激光技術的應用已擴展到農(nong) 業(ye) 領域。激光技術的經濟性和有效性使其成為(wei) 精準農(nong) 業(ye) 的常用工具，與(yu) 無人機和物聯網（IoT）傳(chuan) 感器等其他技術相輔相成。這種整合使作物栽培更加高效。

一、激光：在農(nong) 業(ye) 中的應用和優(you) 勢

1、土壤元素分析

土壤是有機物、礦物質、空氣和水的複雜混合物，對植物生長和全球氣候調節至關(guan) 重要。然而，人類活動會(hui) 使土壤受到重金屬汙染，植物會(hui) 吸收這些重金屬，並通過食物鏈轉移這些汙染物，危及生態係統和人類健康。因此，監測土壤成分對保護環境、農(nong) 業(ye) 和公眾(zhong) 健康至關(guan) 重要。

激光誘導擊穿光譜技術（LIBS）已成為(wei) 這一領域的強大工具，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通過將高能激光脈衝(chong) 聚焦在土壤表麵，產(chan) 生微觀等離子體(ti) ，從(cong) 而發射出特征光譜，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 係統示意圖；(b) 采集的土壤 LIBS 數據；(c) 位於(yu) LIBS 曲線上的土壤中幾種元素的特征發射線；(d) 利用 PCA 對土壤類型進行分類；(e) 利用 PLSR 預測土壤中 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）。

這項技術能夠快速原位檢測養(yang) 分、重金屬和汙染物，有助於(yu) 製定有針對性的土壤管理策略，最大限度地減少對環境的影響。

發表在《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(yang) 元素（鎂、鈣、鉀、磷）和微量營養(yang) 元素（鐵、銅、鈉、鋅、錳）。研究人員比較了單脈衝(chong) 和雙脈衝(chong) 配置，發現 DPLIBS 大大提高了檢測限值，使其成為(wei) 一種無需化學樣品製備即可對土壤肥料進行定性分析的有前景的技術。

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(wei) 農(nong) 業(ye) 應用提供基於(yu) LIBS 的分析儀(yi) ，可實時了解植物健康和營養(yang) 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、植物生長和抗逆性。

當種子或植物暴露於(yu) 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(hui) 被植物細胞中的光吸收分子（發色團）吸收。吸收的能量會(hui) 引發一係列光化學反應和信號傳(chuan) 導途徑，從(cong) 而提高發芽率、改善生長參數（包括根長、芽長和幼苗質量）並提高產(chan) 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、抗氧化劑和參與(yu) 應激防禦機製的酶的濃度。這些變化提高了植物對幹旱、鹽堿、紫外線輻射和疾病的耐受性。

3、激光應用於(yu) 土地平整

激光平地係統可實現±1 cm的高精度土地平整，這對於高效的作物管理和灌溉實踐至關重要。

該係統包括激光發射器和接收器，用於(yu) 發射和探測激光，接收到的信號包含高程數據。這些數據可驅動液壓係統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(jue) 方案，利用尖端技術幫助農(nong) 民實現可持續土地管理。

Trimble公司的FieldLevel™ II system

 Topcon公司的Laser Landforming解決(jue) 方案

4、雜草防治

除草劑和耕作等傳(chuan) 統的雜草控製方法引起了人們(men) 對環境的關(guan) 注，並促使人們(men) 尋找可持續的替代方法。激光技術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(jue) 方案。

激光除草係統能將高能激光束精確地照射到目標雜草上，使雜草局部發熱，進而造成脫水或組織損傷(shang) 。

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

發表在《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，觀察到雜草的生長明顯減弱，在少數情況下，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(yi) ；5.激光器；6.電源；7.電機驅動器；8.電子信號處理板；9.控製激光裝置位置的 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(xing) 趨勢與(yu) 創新

1、與(yu) 先進技術相結合

無人機或機器人上的激光傳(chuan) 感器可實現高分辨率、寬視場的地圖繪製，提供有關(guan) 地形高程、土壤濕度和作物健康狀況的實時數據。這些數據可通過人工智能算法進行分析，從(cong) 而做出明智的決(jue) 策，並與(yu) 物聯網（IoT）設備集成，在農(nong) 業(ye) 領域實現精確操作。

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(wei) "基於(yu) 人工智能的最佳農(nong) 業(ye) 解決(jue) 方案"。這款由人工智能驅動的機器人可殺死高達 99% 的雜草，每小時可在兩(liang) 英畝(mu) 的土地上作業(ye) ，每分鍾最多可消滅 5000 株雜草。它不會(hui) 損害農(nong) 作物，使用它的農(nong) 民可將雜草控製成本最多降低 80%。

Carbon Robotics公司的LASERWEEDER™ 係列激光除草機

2、可持續性和環境影響

農(nong) 業(ye) 是全球溫室氣體(ti) （GHG）排放的主要來源，占人為(wei) 排放總量的近 13.5%。使用激光係統的精準農(nong) 業(ye) 實踐為(wei) 減少化學品使用、最小化環境足跡和支持全球可持續農(nong) 業(ye) 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(yu) 傳(chuan) 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(yu) 傳(chuan) 統土地平整相比，精確土地平整具有更高的能源生產(chan) 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(ti) 排放量（5249.33–944.19 kg CO₂ eq ha⁻¹ yr⁻¹）。

三、農(nong) 業(ye) 激光技術：挑戰與(yu) 創新解決(jue) 方案

盡管激光技術具有前景廣闊的優(you) 勢，但要在農(nong) 業(ye) 領域廣泛采用該技術仍麵臨(lin) 重大挑戰。

在技術方麵，激光源和傳(chuan) 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(wei) 它們(men) 的性能會(hui) 隨著時間的推移而降低。

從(cong) 社會(hui) 經濟角度看，農(nong) 業(ye) 界，尤其是熱帶地區的農(nong) 業(ye) 界，對激光技術的接受程度可能會(hui) 在技術和經濟效益方麵持懷疑態度。然而，將激光技術融入農(nong) 業(ye) 會(hui) 帶來巨大的利益，包括精確的土地耕作、提高作物產(chan) 量和資源效率。

對新型激光材料和係統設計的持續研究可推動技術進步，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(ye) 的創新，激光技術的應用可以加速，為(wei) 農(nong) 業(ye) 部門的生產(chan) 力和可持續發展開辟一片新天地。