概述

激光技术正在彻底改变农业，为长期面临的挑战提供创新解决方案，并改变全球耕作方式，以提高效率和可持续性。

激光技术最初用于医疗领域，随着光生物学和光化学的发展，激光技术的应用已扩展到农业领域。激光技术的经济性和有效性使其成为精准农业的常用工具，与无人机和物联网（IoT）传感器等其他技术相辅相成。这种整合使作物栽培更加高效。

一、激光：在农业中的应用和优势

1、土壤元素分析

土壤是有机物、矿物质、空气和水的复杂混合物，对植物生长和全球气候调节至关重要。然而，人类活动会使土壤受到重金属污染，植物会吸收这些重金属，并通过食物链转移这些污染物，危及生态系统和人类健康。因此，监测土壤成分对保护环境、农业和公众健康至关重要。

激光诱导击穿光谱技术（LIBS）已成为这一领域的强大工具，可对土壤成分进行快速、准确的元素分析。激光诱导击穿光谱技术通过将高能激光脉冲聚焦在土壤表面，产生微观等离子体，从而发射出特征光谱，进行精确的元素分析。光谱的波长表示存在的元素类型，而强度则反映其浓度。

利用 LIBS 确定土壤类型和测量土壤中多种元素（如 Al、Ca、Fe）含量的过程。(a) 具有代表性的 LIBS 系统示意图；(b) 采集的土壤 LIBS 数据；(c) 位于 LIBS 曲线上的土壤中几种元素的特征发射线；(d) 利用 PCA 对土壤类型进行分类；(e) 利用 PLSR 预测土壤中 Al、Ca、Fe 的含量。资料来源：Keqiang Yu，Jie Ren，Yanru Zhao，《Principles, developments and applications of laser-induced breakdown spectroscopy in agriculture: A review》，《Artificial intelligence in agriculture》（2020）。

这项技术能够快速原位检测养分、重金属和污染物，有助于制定有针对性的土壤管理策略，最大限度地减少对环境的影响。

发表在《Science of the Total Environment》上的一项研究利用 LIBS 分析了土壤肥料中的宏量营养元素（镁、钙、钾、磷）和微量营养元素（铁、铜、钠、锌、锰）。研究人员比较了单脉冲和双脉冲配置，发现 DPLIBS 大大提高了检测限值，使其成为一种无需化学样品制备即可对土壤肥料进行定性分析的有前景的技术。

改进型 LA-LIBS 方法的实验装置。资料来源：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 等公司为农业应用提供基于 LIBS 的分析仪，可实时了解植物健康和营养状况。

2、激光生物刺激

激光生物刺激是一种前景广阔的可持续方法，可提高种子萌发、植物生长和抗逆性。

当种子或植物暴露于特定波长的激光（例如 632.8 nm 的 He-Ne、532 nm 的 Nd:YAG 或可见光谱中的 LED）时，光子会被植物细胞中的光吸收分子（发色团）吸收。吸收的能量会引发一系列光化学反应和信号传导途径，从而提高发芽率、改善生长参数（包括根长、芽长和幼苗质量）并提高产量特性。

激光生物刺激还能增强植物的生化特性，如增加蛋白质、抗氧化剂和参与应激防御机制的酶的浓度。这些变化提高了植物对干旱、盐碱、紫外线辐射和疾病的耐受性。

3、激光应用于土地平整

激光平地系统可实现±1 cm的高精度土地平整，这对于高效的作物管理和灌溉实践至关重要。

该系统包括激光发射器和接收器，用于发射和探测激光，接收到的信号包含高程数据。这些数据可驱动液压系统和刮土铲进行精确的土地平整。

激光土地平整过程。资料来源：Nadimi, M., Sun, DW., Paliwal, J.，《Recent applications of novel laser techniques for enhancing agricultural production》，《Laser Physics》（2021）。

Trimble 和 Topcon 等公司提供先进的激光土地平整解决方案，利用尖端技术帮助农民实现可持续土地管理。

Trimble公司的FieldLevel™ II system

 Topcon公司的Laser Landforming解决方案

4、杂草防治

除草剂和耕作等传统的杂草控制方法引起了人们对环境的关注，并促使人们寻找可持续的替代方法。激光技术通过热力或机械方法精确定位和清除杂草，提供了一种前景广阔的解决方案。

激光除草系统能将高能激光束精确地照射到目标杂草上，使杂草局部发热，进而造成脱水或组织损伤。

这种高度选择性的方法只针对确定的杂草种类，而不会损害周围的作物。它还消除了施用广谱除草剂的需要，减少了对环境的影响和除草剂抗药性产生的可能性。

发表在《Arogonomy》上的一项研究调查了激光处理对某些杂草物种（Brassica napus、Tripleurospermum inodorum 和 Stellaria media）子叶阶段顶端分生组织的影响。研究人员在盆栽杂草上研究了不同的激光器、光斑大小和能量剂量，观察到杂草的生长明显减弱，在少数情况下，杂草死亡。

除草装置的原型。(a) 1. 指向摄像头；2.振镜；3.树莓派计算机；4.激光测距仪；5.激光器；6.电源；7.电机驱动器；8.电子信号处理板；9.控制激光装置位置的 Arduino 板。(b) A、B 和 C 显示了作物的位置。资料来源：Rakhmatulin, I.,  Andreasen, C.，《A concept of a compact and inexpensive device for controlling weeds with laser beams》，《Agronomy》（2020）。

二、新兴趋势与创新

1、与先进技术相结合

无人机或机器人上的激光传感器可实现高分辨率、宽视场的地图绘制，提供有关地形高程、土壤湿度和作物健康状况的实时数据。这些数据可通过人工智能算法进行分析，从而做出明智的决策，并与物联网（IoT）设备集成，在农业领域实现精确操作。

最近，Carbon Robotics 公司的 LaserWeeder 机器人在人工智能突破奖评选中被评为 "基于人工智能的最佳农业解决方案"。这款由人工智能驱动的机器人可杀死高达 99% 的杂草，每小时可在两英亩的土地上作业，每分钟最多可消灭 5000 株杂草。它不会损害农作物，使用它的农民可将杂草控制成本最多降低 80%。

Carbon Robotics公司的LASERWEEDER™ 系列激光除草机

2、可持续性和环境影响

农业是全球温室气体（GHG）排放的主要来源，占人为排放总量的近 13.5%。使用激光系统的精准农业实践为减少化学品使用、最小化环境足迹和支持全球可持续农业实践提供了一种方法。

《Agronomy》上的一项研究比较了六年（2009 年至 2015 年）来甘蔗田精确土地平整（PLL）与传统土地平整（TLL）的效果，证明了精确土地平整的益处。研究结果表明，与传统土地平整相比，精确土地平整具有更高的能源生产率（90.7–198.6 GJ ha⁻¹）、土地利用效率（64.9-86.2%）和更低的温室气体排放量（5249.33–944.19 kg CO₂ eq ha⁻¹ yr⁻¹）。

三、农业激光技术：挑战与创新解决方案

尽管激光技术具有前景广阔的优势，但要在农业领域广泛采用该技术仍面临重大挑战。

在技术方面，激光源和传感器的可靠性和定期重新校准的必要性构成了重大障碍，因为它们的性能会随着时间的推移而降低。

从社会经济角度看，农业界，尤其是热带地区的农业界，对激光技术的接受程度可能会在技术和经济效益方面持怀疑态度。然而，将激光技术融入农业会带来巨大的利益，包括精确的土地耕作、提高作物产量和资源效率。

对新型激光材料和系统设计的持续研究可推动技术进步，提高效率和成本效益。随着政府政策的支持、认识的提高和行业的创新，激光技术的应用可以加速，为农业部门的生产力和可持续发展开辟一片新天地。