激光技术在农业补光领域的应用与发展前景

杨明来，王 英，戚行江，徐宏翔，徐盛春，秦 莉，贾 鹏，梁雪梅，于馨智

(1.湘湖实验室，浙江 杭州 311200；2.浙江长芯光电科技有限公司，浙江 杭州 310017；3.上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240；4.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光学及应用国家重点实验室，吉林 长春 130033；5.吉林农业大学信息技术学院，吉林农业大学智慧农业研究院，吉林 长春 130118)

引言

农业作为国民经济的基础性产业，是立国之本。国家统计局数据显示，我国主粮进口依然偏高，2021年度进口总计16 453.9万吨，相当于我国粮食产量的24%，创历史峰值。2022年度进口14 687.2万吨，总量下降10.7%，但金额同比增长10.5%，这表明我国粮食对外依存度依然居高不下，令人担忧。随着俄乌战争持续，世界格局不稳，粮食安全变得愈发严峻[1-4]。今年中央一号文件进一步释放重农强农的强烈信号，这为科技和农业领域人员提出了目标和挑战[5-10]。

我国和国外的农业科技差距体现在种子、种植、基础设施、科技应用等诸多方面。从总体情况看，我国相当部分地区农业仍然以传统生产模式为主，种子、耕作技术相对落后，能耗高，效费比差，也对环境保护和水土保持构成严重威胁，对我国碳达峰、碳中和目标也是重大挑战，亟需通过科技赋能解决整体水平相对发达国家滞后的窘迫局面[11-14]。

激光是20世纪以来人类的一项重大发明，激光光源拥有单色性好、电光转换效率高、使用成本低等优势，在工业、医疗、商业、科研、信息、军事等领域都得到了广泛的应用[15，16]。特别是近年来，随着半导体激光器的发展，激光光源的成本不断降低，激光技术在农业领域的应用越来越多地引起了人们的关注，激光补光技术的使用有望为农作物增产提供新型的技术支撑和保障。

1 激光技术在农业领域中的应用

激光技术自发展以来就引起了人们的广泛关注，随着研究的深入和发展，激光技术在农业领域展现了广阔的应用前景[17-19]。

植物补光方面：通过激光对温室、大棚内的黄瓜、豆角、草莓、茄子、辣椒、生菜、花卉，以及大田的茶叶、杨梅、火龙果、燕窝果、樱桃、蟠桃等作物进行补光实验证明，激光补光组植物的生长和结果情况优于对照组，增产可达5%～30%，营养物质含量提升明显，作物的抗病、抗冻害能力提高[20-22]。

农业育种方面：研究发现，当特定波长激光光强超过太阳光的5倍，同时作用时间超过一定时长，就可能诱发种子产生基因突变[23-27]。目前科研人员已经对包括番茄、玉米、水稻、果树等多种种子进行了激光诱变育种实验，通过调节激光强度和时间可以获得遗传性状稳定、产量优异的作物新品种。

土壤消杀方面：激光消杀技术主要利用激光能量对病虫害进行物理消杀，以及利用不同病虫害对不同激光波长的响应进行消杀，该方法可以有效杀灭病虫害，提高作物的产量和品质，并可以降低农药的使用量。同时激光还可以分解土壤中的有机污染物，大大降低农药对环境的污染[28-31]。

激光除草方面：利用杂草和农作物的叶片所含叶绿素的差异，选择属于杂草叶片吸收最强的激光进行定向扫描，杂草吸收过量的激光能量而枯萎，农作物由于吸收量较小，对其生长不会产生威胁。采用激光除草，可以有效降低环境污染[32]。

激光杀虫方面：研究表明，一定波长和强度的激光照射可以大大降低虫卵的孵化率；对于成虫，如玉米象成虫、谷蠹成虫等，可使成虫表皮发生开裂，造成脱水而死，使害虫的自然死亡率大大增加[33-37]。用氩激光照射能有效地杀死在水中的孑孓和其他害虫。此外，还可以利用害虫复眼对不同波长光的辨别能力，通过可调谐激光使害虫进入捕虫器，结合物理或化学手段实现害虫的消杀。

激光畜牧业方面：特定波长和强度的激光照射可以达到促进母鸡产蛋、奶牛产奶、鱼类抗病等功效。利用激光照射动物的生殖细胞可使部分基因形成有益的突变。采用激光照射多种家畜的精子发现，可以有效提高精子的活力，延长精子寿命。通过激光照射与人工选育相结合，可以实现家畜品种的优化及新品种的培育[38-40]。

自动化农机方面：基于半导体激光技术的激光雷达在农机方面的研究和应用近年来得到了快速的发展。通过激光雷达探测可以准确获得植株高度、分布范围、土地平整度等参数。通过结合自动驾驶系统，可以实现精准的作物播种、插秧、作物生长评估和土地平整等功能。相比于传统的手动设备，不仅可以节约人力，而且可以有效节约种子，提高农作物产量，获得精准的农作物生长过程，提高土地的利用率[41-44]。

农业检测方面：近年来采用激光诱导击穿光谱技术进行土壤重金属、农作物营养成分和食品安全的检测方法正在引起各国科研工作者的重视和研究。与传统的生物、化学检测方法相比，该方法不仅具有快速、安全的优势，而且具有无污染特点[45-48]。

目前，激光技术已经广泛应用于土壤检测、食品安全、土地平整、激光诱变育种、植物补光和虫害防治等农业领域，对现代农业技术的发展具有不可忽视的影响力。

2 激光技术在农业补光领域中的应用

2.1 光农业有望解决产量难题

“温光水肥气”是农业生产五个基本要素，其中温水肥气四个要素我国已经发展多年，部分地区因化肥超量使用，土壤板结现象严重，产量提升空间已经不大。光是一切有机生命活动的能量来源，是植物光合作用的不可缺少的要素。我国大部分地区由于气候等因素的影响，农作物生长都存在缺光的问题。同时由于近年来全球极端气候频发，以及汤加火山喷发遮蔽阳光等因素的影响，使太阳总辐射减少，对作物生长产生进一步的不利影响[49]。如2022年春，长三角地区长期阴雨，造成早春番茄、草莓等经济作物减产，已经成为当地农业生产单位无法避免和迫切需要解决的问题。此外，在设施农业方面虽然发展迅速，但阳光温室、棚膜保温同时，存在玻璃、薄膜对阳光反射、散射、吸收等问题，棚室内光照下降达30%～50%，光缺乏导致作物光合作用下降已经成为造成作物减产、绝收、品质下降的核心问题。

针对光照缺乏难题，多国科学家进行了近两百年探索。从光合作用的机理、光源对作物的作用等方面进行了深入研究，并由此发展出一个新兴的学科——光生物学。通过运用白炽灯、荧光灯、卤素灯、高压钠灯、节能灯等光源对植物进行补充光照，配合积温、辅助水肥，从而实现农业产量稳定增长。尤其近年来新出现的发光二极管(LED)光源，已经在火龙果种植、温室育苗、设施农业领域得到了大面积应用[50-54]。但由于其耗能大，使用成本高，从而使人们对新型光源的渴求更加突出。

2.2 各种光源在植物补光中的对比

光是植物光合作用的唯一能量来源，也是调控植物生长发育的重要环境信号因子。光照强度、光质以及光照的周期性变化对作物的生长发育具有深刻影响。其中波长范围300～800 nm属于植物的生理有效辐射，波长范围380～710 nm属于植物的光合有效辐射。人们一直在探寻合适的光源以提高和改善植物的品质和产量。在早期，人们使用白炽灯作为植物补光的光源，此后随着光源技术的发展，荧光灯、高压卤素灯、高压钠灯、LED灯等光源也逐渐应用到植物照明领域，特别是随着植物工厂的发展，植物照明的需求和优势越来越明显。不过由于白炽灯、荧光灯、高压卤素灯、高压钠灯等光源存在电光转换效率低、寿命短、环境污染等问题而逐渐被取代。近年来LED光源由于具有环保、寿命长、冷光源等优点而得到了应用，并已经逐步取代传统光源而占据了主流地位。但由于LED光源单灯照射面积有限，能耗居高不下，所种植的蔬菜用电成本达到种植总成本的85%左右，已经成为植物工厂推广过程需要面对的核心问题。同时由于照射面积小、布署不便，使得LED光源在温室、大棚中大面积应用推广遇到阻力。

相比LED以及传统光源，激光(LD)光源具有聚焦性好、单波长、电光转换效率高等优点，不仅可以替代上述光源应用于植物补光，而且具有低能耗的优点。实际测试表明，20 W功耗的激光灯(以长芯光电CXL1-X0310型号的激光补光灯为例)，照射面积可达60～120 m2，单灯覆盖面积可以达到同等功率普通LED光源的30倍以上。不仅可以近距离安装在植物顶端，而且可以远距离安装在棚室侧壁或顶部，从而改善了LED等安装高度低、密度高、影响农业耕作的问题。在植物工厂领域，合理布置激光光源，可以使得综合能耗降低至LED光源的1/3甚至更低。因此，近年来在农业照明中引起了关注，同时，激光补光除了具有其他光源补充光照不足的功能之外，在促进光合作用、提质增产、抗病虫害方面也表现出了明显的优势[55，56]。

2.3 激光补光技术在植物生长中的应用

激光作为新型光源，在对植物生物学效应方面，不仅具有补充光照不足造成的光合效率低的作用，而且激光还具有热效应、机械效应、电磁效应和生物刺激效应。国内外研究人员已经在多种蔬菜、花卉及粮食作物方面进行补光研究。2002年，日本滨松市滨松光电技术公司利用680 nm的红色激光辅助5%蓝色激光的荧光灯作为光源进行水稻栽培实验，使用激光栽培的水稻生长期可以缩短，实现一年5熟，比钠灯植物工厂可节约能源90%。Thorat等[57]研究发现，红色激光对大豆种子萌发、生长特性、色素含量和酚内酯含量有明显的影响。研究表明，25 J/cm2He-Ne激光对种子萌发率有所改善，叶绿素和胡萝卜素含量提高。Swathy等[58]研究发现，休眠茄子种子在He-Ne激光照射下，可以促进种子早期萌发，显著提高光敏色素、光合速率和代谢物机制。Almuhayawi等[59]研究发现，采用He-Ne激光处理苦荞芽能够提高矿物质和酶的含量以及抗氧化和抗炎活性。Ooi等[60]研究发现，使用单波长激光作为室内植物种植的光源，可以有效促进拟南芥的生长。此外，有研究表明激光照射下黄瓜产量可以增加14.18%，并且对黄瓜霜霉病也具有一定的控制效果[61]。采用激光对盐胁迫下的水稻进行辐照处理研究表明，激光处理可以提高水稻幼苗中过氧化物酶、超氧化物歧化酶、过氧化氢酶的活性，减缓丙二醛含量的增速，有利于提高水稻的抗逆性[62]。

与传统光源相比，原有激光光源使用的限制主要在于光源成本、照射面积以及激光安全性问题。近年来随着半导体激光器的规模化生产，使得激光光源的价格不断降低，从而为激光光源在农业补光领域的应用和推广提供了可能。随着技术的发展，国内的一些科研机构和企业也把目光逐渐转移到激光补光领域，不但研发出了大发光角度的激光光源，同时采用先进光电控制技术，使光源强度可调，既符合植物生长需求，也保障了人员和作物的安全。在激光补光促进水稻育秧试验中，育秧补光18 d，可实现插秧后正常田间管理增产超10%的可喜成绩。在草莓、葡萄、蓝莓、燕窝果、蟠桃、番茄、黄瓜等果蔬试验中实现了增产20%～50%，在生姜、黄精、三七、重楼、人参等经济作物及中草药种植实现初步增产20%以上[13]。在蝴蝶兰等鲜花种植方面获得了花期调控的效果，在火龙果种植方面实现了业内最高的44%的催花率，是自然光催花的11倍。此外，通过光谱调控可以实现生菜的味苦、微甜等口味调控。无土栽培的芹菜可以实现15 d一茬，连续收割10茬，口感等同有机芹菜。图1为激光农业照明实际使用场景图，激光光源植物补光效果见表1。

表1 激光光源植物补光效果

图1 激光农业照明实际使用场景图Fig.1 The scene photos of laser supplemental lighting

显然，激光补光技术在植物工厂、育苗工厂、育秧工厂、花卉工厂、蔬菜基地、瓜果基地、中药材基地、农光互补领域具有广阔的发展空间和经济效益，未来有望进一步推广至藻类养殖、畜牧业、渔业领域。同时，通过半导体激光芯片技术提升和生产成本降低，激光设备与物联网调控、大数据平台管理等技术手段相结合，可以形成“激光科技为农业赋能”的一整套激光农业解决方案，为我国粮食安全，农业增产增收，带动地方产业和经济作出更大贡献。

3 激光补光技术发展前景

近年来，植物工厂受到全球重视，荷兰、日本、以色列、美国，以及我国均加大投入，以植物补光灯为例，其市场在2018年已经达到32.3亿美元，预计到2024年将突破67.6亿美元，预测在2019—2024年期间，其复合年增长率将为13.14%。植物工厂数量的增加、可持续发展的需要、设施农业、城市农业的兴起是目前补光生长灯市场的催化剂。据农业部统计，2018年，我国设施农业已经突破8 000万亩，其中高标准温室、大棚已经超过1 800万亩，广泛种植蔬菜、瓜果、中草药等作物，并开展水稻育秧、果蔬育苗、主粮育种等工作。植物工厂也得到快速发展，将逐步成为北上广深等大城市后疫情时代蔬菜自主供应的渠道之一。同时，随着“双碳”战略推进，我国太阳能光伏建设体量日趋扩大，目前占地已经达到400万亩，南方地区已经开始占用农田，为了不影响农业种植，光伏下照明也已经形成巨大潜在需求。激光补光灯因能耗低、照射面积大、安装高度高、不影响施肥、浇水等耕作的优势，将会形成大规模应用，在促生产领域发展空间巨大。按照每亩激光设施投入1万元计算，将有1 000亿以上的需求。在激光农业推广过程中，温光水肥气关联的测量设备、物联网监测设备、大数据采集管理等方面需求，也将有百亿级市场需求。农业领域如果每年投入近500亿元进行上述设施改造，将促进5 000亿元的增产增收。

通过激光补光技术的广泛应用，不仅可以提升包括主粮在内的农产品增产、增收和品质提升，同时可以降低能耗，促进蔬菜种植工厂化，有助于节省土地种植主粮，促进主粮稳产增产，保障粮食安全。可以用“西电东送”部分替代“南菜北运”，部分缓解北方冬季蔬菜供应问题，节省社会总体运营成本。通过农光互补，促进太阳能光伏建设加速，及早实现“双碳”战略。

4 结束语

随着科学技术的快速发展，利用高科技手段赋能农业，已经成为促进农业现代化、提升农业抗风险能力的关键。激光技术由于其独特的性能使其在农业应用中占有重要的地位。激光技术与生物技术、机械工程、大数据等技术相结合必将对农业产业的发展起到不可估量的作用。展望未来，随着激光在主粮增产、蔬菜保供、经济作物提质、中草药增产、病虫害防治、设施农业降耗、光伏农业互补等领域的研究和应用推广，将有更多的先进技术成果实现转化，从而促进农业向高技术、高附加值方向迈进。