激光技術在農業補光領域的應用與發展前景

楊明來，王 英，戚行江，徐宏翔，徐盛春，秦 莉，賈 鵬，梁雪梅，于馨智

(1.湘湖實驗室，浙江 杭州 311200；2.浙江長芯光電科技有限公司，浙江 杭州 310017；3.上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海 200240；4.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所發光學及應用國家重點實驗室，吉林 長春 130033；5.吉林農業大學信息技術學院，吉林農業大學智慧農業研究院，吉林 長春 130118)

引言

農業作為國民經濟的基礎性產業，是立國之本。國家統計局數據顯示，我國主糧進口依然偏高，2021年度進口總計16 453.9萬噸，相當于我國糧食產量的24%，創歷史峰值。2022年度進口14 687.2萬噸，總量下降10.7%，但金額同比增長10.5%，這表明我國糧食對外依存度依然居高不下，令人擔憂。隨著俄烏戰爭持續，世界格局不穩，糧食安全變得愈發嚴峻[1-4]。今年中央一號文件進一步釋放重農強農的強烈信號，這為科技和農業領域人員提出了目標和挑戰[5-10]。

我國和國外的農業科技差距體現在種子、種植、基礎設施、科技應用等諸多方面。從總體情況看，我國相當部分地區農業仍然以傳統生產模式為主，種子、耕作技術相對落后，能耗高，效費比差，也對環境保護和水土保持構成嚴重威脅，對我國碳達峰、碳中和目標也是重大挑戰，亟需通過科技賦能解決整體水平相對發達國家滯后的窘迫局面[11-14]。

激光是20世紀以來人類的一項重大發明，激光光源擁有單色性好、電光轉換效率高、使用成本低等優勢，在工業、醫療、商業、科研、信息、軍事等領域都得到了廣泛的應用[15，16]。特別是近年來，隨著半導體激光器的發展，激光光源的成本不斷降低，激光技術在農業領域的應用越來越多地引起了人們的關注，激光補光技術的使用有望為農作物增產提供新型的技術支撐和保障。

1 激光技術在農業領域中的應用

激光技術自發展以來就引起了人們的廣泛關注，隨著研究的深入和發展，激光技術在農業領域展現了廣闊的應用前景[17-19]。

植物補光方面：通過激光對溫室、大棚內的黃瓜、豆角、草莓、茄子、辣椒、生菜、花卉，以及大田的茶葉、楊梅、火龍果、燕窩果、櫻桃、蟠桃等作物進行補光實驗證明，激光補光組植物的生長和結果情況優于對照組，增產可達5%～30%，營養物質含量提升明顯，作物的抗病、抗凍害能力提高[20-22]。

農業育種方面：研究發現，當特定波長激光光強超過太陽光的5倍，同時作用時間超過一定時長，就可能誘發種子產生基因突變[23-27]。目前科研人員已經對包括番茄、玉米、水稻、果樹等多種種子進行了激光誘變育種實驗，通過調節激光強度和時間可以獲得遺傳性狀穩定、產量優異的作物新品種。

土壤消殺方面：激光消殺技術主要利用激光能量對病蟲害進行物理消殺，以及利用不同病蟲害對不同激光波長的響應進行消殺，該方法可以有效殺滅病蟲害，提高作物的產量和品質，并可以降低農藥的使用量。同時激光還可以分解土壤中的有機污染物，大大降低農藥對環境的污染[28-31]。

激光除草方面：利用雜草和農作物的葉片所含葉綠素的差異，選擇屬于雜草葉片吸收最強的激光進行定向掃描，雜草吸收過量的激光能量而枯萎，農作物由于吸收量較小，對其生長不會產生威脅。采用激光除草，可以有效降低環境污染[32]。

激光殺蟲方面：研究表明，一定波長和強度的激光照射可以大大降低蟲卵的孵化率；對于成蟲，如玉米象成蟲、谷蠹成蟲等，可使成蟲表皮發生開裂，造成脫水而死，使害蟲的自然死亡率大大增加[33-37]。用氬激光照射能有效地殺死在水中的孑孓和其他害蟲。此外，還可以利用害蟲復眼對不同波長光的辨別能力，通過可調諧激光使害蟲進入捕蟲器，結合物理或化學手段實現害蟲的消殺。

激光畜牧業方面：特定波長和強度的激光照射可以達到促進母雞產蛋、奶牛產奶、魚類抗病等功效。利用激光照射動物的生殖細胞可使部分基因形成有益的突變。采用激光照射多種家畜的精子發現，可以有效提高精子的活力，延長精子壽命。通過激光照射與人工選育相結合，可以實現家畜品種的優化及新品種的培育[38-40]。

自動化農機方面：基于半導體激光技術的激光雷達在農機方面的研究和應用近年來得到了快速的發展。通過激光雷達探測可以準確獲得植株高度、分布范圍、土地平整度等參數。通過結合自動駕駛系統，可以實現精準的作物播種、插秧、作物生長評估和土地平整等功能。相比于傳統的手動設備，不僅可以節約人力，而且可以有效節約種子，提高農作物產量，獲得精準的農作物生長過程，提高土地的利用率[41-44]。

農業檢測方面：近年來采用激光誘導擊穿光譜技術進行土壤重金屬、農作物營養成分和食品安全的檢測方法正在引起各國科研工作者的重視和研究。與傳統的生物、化學檢測方法相比，該方法不僅具有快速、安全的優勢，而且具有無污染特點[45-48]。

目前，激光技術已經廣泛應用于土壤檢測、食品安全、土地平整、激光誘變育種、植物補光和蟲害防治等農業領域，對現代農業技術的發展具有不可忽視的影響力。

2 激光技術在農業補光領域中的應用

2.1 光農業有望解決產量難題

“溫光水肥氣”是農業生產五個基本要素，其中溫水肥氣四個要素我國已經發展多年，部分地區因化肥超量使用，土壤板結現象嚴重，產量提升空間已經不大。光是一切有機生命活動的能量來源，是植物光合作用的不可缺少的要素。我國大部分地區由于氣候等因素的影響，農作物生長都存在缺光的問題。同時由于近年來全球極端氣候頻發，以及湯加火山噴發遮蔽陽光等因素的影響，使太陽總輻射減少，對作物生長產生進一步的不利影響[49]。如2022年春，長三角地區長期陰雨，造成早春番茄、草莓等經濟作物減產，已經成為當地農業生產單位無法避免和迫切需要解決的問題。此外，在設施農業方面雖然發展迅速，但陽光溫室、棚膜保溫同時，存在玻璃、薄膜對陽光反射、散射、吸收等問題，棚室內光照下降達30%～50%，光缺乏導致作物光合作用下降已經成為造成作物減產、絕收、品質下降的核心問題。

針對光照缺乏難題，多國科學家進行了近兩百年探索。從光合作用的機理、光源對作物的作用等方面進行了深入研究，并由此發展出一個新興的學科——光生物學。通過運用白熾燈、熒光燈、鹵素燈、高壓鈉燈、節能燈等光源對植物進行補充光照，配合積溫、輔助水肥，從而實現農業產量穩定增長。尤其近年來新出現的發光二極管(LED)光源，已經在火龍果種植、溫室育苗、設施農業領域得到了大面積應用[50-54]。但由于其耗能大，使用成本高，從而使人們對新型光源的渴求更加突出。

2.2 各種光源在植物補光中的對比

光是植物光合作用的唯一能量來源，也是調控植物生長發育的重要環境信號因子。光照強度、光質以及光照的周期性變化對作物的生長發育具有深刻影響。其中波長范圍300～800 nm屬于植物的生理有效輻射，波長范圍380～710 nm屬于植物的光合有效輻射。人們一直在探尋合適的光源以提高和改善植物的品質和產量。在早期，人們使用白熾燈作為植物補光的光源，此后隨著光源技術的發展，熒光燈、高壓鹵素燈、高壓鈉燈、LED燈等光源也逐漸應用到植物照明領域，特別是隨著植物工廠的發展，植物照明的需求和優勢越來越明顯。不過由于白熾燈、熒光燈、高壓鹵素燈、高壓鈉燈等光源存在電光轉換效率低、壽命短、環境污染等問題而逐漸被取代。近年來LED光源由于具有環保、壽命長、冷光源等優點而得到了應用，并已經逐步取代傳統光源而占據了主流地位。但由于LED光源單燈照射面積有限，能耗居高不下，所種植的蔬菜用電成本達到種植總成本的85%左右，已經成為植物工廠推廣過程需要面對的核心問題。同時由于照射面積小、布署不便，使得LED光源在溫室、大棚中大面積應用推廣遇到阻力。

相比LED以及傳統光源，激光(LD)光源具有聚焦性好、單波長、電光轉換效率高等優點，不僅可以替代上述光源應用于植物補光，而且具有低能耗的優點。實際測試表明，20 W功耗的激光燈(以長芯光電CXL1-X0310型號的激光補光燈為例)，照射面積可達60～120 m2，單燈覆蓋面積可以達到同等功率普通LED光源的30倍以上。不僅可以近距離安裝在植物頂端，而且可以遠距離安裝在棚室側壁或頂部，從而改善了LED等安裝高度低、密度高、影響農業耕作的問題。在植物工廠領域，合理布置激光光源，可以使得綜合能耗降低至LED光源的1/3甚至更低。因此，近年來在農業照明中引起了關注，同時，激光補光除了具有其他光源補充光照不足的功能之外，在促進光合作用、提質增產、抗病蟲害方面也表現出了明顯的優勢[55，56]。

2.3 激光補光技術在植物生長中的應用

激光作為新型光源，在對植物生物學效應方面，不僅具有補充光照不足造成的光合效率低的作用，而且激光還具有熱效應、機械效應、電磁效應和生物刺激效應。國內外研究人員已經在多種蔬菜、花卉及糧食作物方面進行補光研究。2002年，日本濱松市濱松光電技術公司利用680 nm的紅色激光輔助5%藍色激光的熒光燈作為光源進行水稻栽培實驗，使用激光栽培的水稻生長期可以縮短，實現一年5熟，比鈉燈植物工廠可節約能源90%。Thorat等[57]研究發現，紅色激光對大豆種子萌發、生長特性、色素含量和酚內酯含量有明顯的影響。研究表明，25 J/cm2He-Ne激光對種子萌發率有所改善，葉綠素和胡蘿卜素含量提高。Swathy等[58]研究發現，休眠茄子種子在He-Ne激光照射下，可以促進種子早期萌發，顯著提高光敏色素、光合速率和代謝物機制。Almuhayawi等[59]研究發現，采用He-Ne激光處理苦蕎芽能夠提高礦物質和酶的含量以及抗氧化和抗炎活性。Ooi等[60]研究發現，使用單波長激光作為室內植物種植的光源，可以有效促進擬南芥的生長。此外，有研究表明激光照射下黃瓜產量可以增加14.18%，并且對黃瓜霜霉病也具有一定的控制效果[61]。采用激光對鹽脅迫下的水稻進行輻照處理研究表明，激光處理可以提高水稻幼苗中過氧化物酶、超氧化物歧化酶、過氧化氫酶的活性，減緩丙二醛含量的增速，有利于提高水稻的抗逆性[62]。

與傳統光源相比，原有激光光源使用的限制主要在于光源成本、照射面積以及激光安全性問題。近年來隨著半導體激光器的規模化生產，使得激光光源的價格不斷降低，從而為激光光源在農業補光領域的應用和推廣提供了可能。隨著技術的發展，國內的一些科研機構和企業也把目光逐漸轉移到激光補光領域，不但研發出了大發光角度的激光光源，同時采用先進光電控制技術，使光源強度可調，既符合植物生長需求，也保障了人員和作物的安全。在激光補光促進水稻育秧試驗中，育秧補光18 d，可實現插秧后正常田間管理增產超10%的可喜成績。在草莓、葡萄、藍莓、燕窩果、蟠桃、番茄、黃瓜等果蔬試驗中實現了增產20%～50%，在生姜、黃精、三七、重樓、人參等經濟作物及中草藥種植實現初步增產20%以上[13]。在蝴蝶蘭等鮮花種植方面獲得了花期調控的效果，在火龍果種植方面實現了業內最高的44%的催花率，是自然光催花的11倍。此外，通過光譜調控可以實現生菜的味苦、微甜等口味調控。無土栽培的芹菜可以實現15 d一茬，連續收割10茬，口感等同有機芹菜。圖1為激光農業照明實際使用場景圖，激光光源植物補光效果見表1。

表1 激光光源植物補光效果

圖1 激光農業照明實際使用場景圖Fig.1 The scene photos of laser supplemental lighting

顯然，激光補光技術在植物工廠、育苗工廠、育秧工廠、花卉工廠、蔬菜基地、瓜果基地、中藥材基地、農光互補領域具有廣闊的發展空間和經濟效益，未來有望進一步推廣至藻類養殖、畜牧業、漁業領域。同時，通過半導體激光芯片技術提升和生產成本降低，激光設備與物聯網調控、大數據平臺管理等技術手段相結合，可以形成“激光科技為農業賦能”的一整套激光農業解決方案，為我國糧食安全，農業增產增收，帶動地方產業和經濟作出更大貢獻。

3 激光補光技術發展前景

近年來，植物工廠受到全球重視，荷蘭、日本、以色列、美國，以及我國均加大投入，以植物補光燈為例，其市場在2018年已經達到32.3億美元，預計到2024年將突破67.6億美元，預測在2019—2024年期間，其復合年增長率將為13.14%。植物工廠數量的增加、可持續發展的需要、設施農業、城市農業的興起是目前補光生長燈市場的催化劑。據農業部統計，2018年，我國設施農業已經突破8 000萬畝，其中高標準溫室、大棚已經超過1 800萬畝，廣泛種植蔬菜、瓜果、中草藥等作物，并開展水稻育秧、果蔬育苗、主糧育種等工作。植物工廠也得到快速發展，將逐步成為北上廣深等大城市后疫情時代蔬菜自主供應的渠道之一。同時，隨著“雙碳”戰略推進，我國太陽能光伏建設體量日趨擴大，目前占地已經達到400萬畝，南方地區已經開始占用農田，為了不影響農業種植，光伏下照明也已經形成巨大潛在需求。激光補光燈因能耗低、照射面積大、安裝高度高、不影響施肥、澆水等耕作的優勢，將會形成大規模應用，在促生產領域發展空間巨大。按照每畝激光設施投入1萬元計算，將有1 000億以上的需求。在激光農業推廣過程中，溫光水肥氣關聯的測量設備、物聯網監測設備、大數據采集管理等方面需求，也將有百億級市場需求。農業領域如果每年投入近500億元進行上述設施改造，將促進5 000億元的增產增收。

通過激光補光技術的廣泛應用，不僅可以提升包括主糧在內的農產品增產、增收和品質提升，同時可以降低能耗，促進蔬菜種植工廠化，有助于節省土地種植主糧，促進主糧穩產增產，保障糧食安全。可以用“西電東送”部分替代“南菜北運”，部分緩解北方冬季蔬菜供應問題，節省社會總體運營成本。通過農光互補，促進太陽能光伏建設加速，及早實現“雙碳”戰略。

4 結束語

隨著科學技術的快速發展，利用高科技手段賦能農業，已經成為促進農業現代化、提升農業抗風險能力的關鍵。激光技術由于其獨特的性能使其在農業應用中占有重要的地位。激光技術與生物技術、機械工程、大數據等技術相結合必將對農業產業的發展起到不可估量的作用。展望未來，隨著激光在主糧增產、蔬菜保供、經濟作物提質、中草藥增產、病蟲害防治、設施農業降耗、光伏農業互補等領域的研究和應用推廣，將有更多的先進技術成果實現轉化，從而促進農業向高技術、高附加值方向邁進。