吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2021 43 2 130 137 http xuebao jlau edu cn Journal of Jilin Agricultural University E mail jlndxb vip sina com 激 光在土地保護(hù) 農(nóng)作物生長及害蟲防治領(lǐng)域 應(yīng)用研究進(jìn)展 梁 雪梅 1 2 賈 鵬 3 秦 莉 3 于 合龍 1 2 畢 春光 1 2 王 立軍 3 1 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院 長 春 130118 2 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)智慧農(nóng)業(yè)研究院 長春 130118 3 發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 長春 130033 摘 要 由于激光具有功率高 相 干性好 光譜線寬窄 光譜范圍廣等特點(diǎn) 其在土地保護(hù) 農(nóng)作物生長及害蟲 防治等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛 文章綜合國內(nèi)外激光技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用情況 介紹了已經(jīng)獲得應(yīng)用的激光誘導(dǎo)擊 穿光譜儀 激光測距儀 激光雷達(dá)系統(tǒng) 激光補(bǔ)光燈等設(shè)備在土壤檢測 土地平整 激光誘變育種 植物補(bǔ)光和 蟲害防治等領(lǐng)域發(fā)揮的作用 對激光技術(shù)對農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的推動(dòng)作用 特別是激光技術(shù)在吉林省農(nóng)業(yè)應(yīng)用方面的 情況進(jìn)行了展望 關(guān)鍵詞 激光 激光平地 植物補(bǔ)光 激光育種 蟲害防治 中圖分類號 S123 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號 1000 5684 2021 02 0130 08 DOI 10 13327 j jjlau 2021 1123 引文格式 梁雪梅 賈鵬 秦莉 等 激光在土地保護(hù) 農(nóng)作物生長及害蟲防治領(lǐng)域應(yīng)用研究進(jìn)展 J 吉林農(nóng)業(yè) 大學(xué)學(xué)報(bào) 2021 43 2 130 137 esearch Progress of Laser Application in Land Protection Crop Growth and Pest Control LIANG Xuemei 1 2 JIA Peng 3 QIN Li 3 YU Helong 1 2 BI Chunguang 1 2 WANG Lijun 3 1 College of Information Technology Jilin Agricultural University Changchun 130118 China 2 In stitute of Smart Agriculture Jilin Agricultural University Changchun 130118 China 3 State Key Laboratory of Luminescence and Application Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics Chinese Academy of Sciences Changchun 130033 China Abstract Due to the characteristics of high power good coherence narrow spectral linewidth and wide spectral range laser is widely used in the fields of land protection crop growth and pest con trol Based on the application of laser technology in agriculture at home and abroad this paper brief ly introduces the application of laser induced breakdown spectrometers laser rangefinders lidar sys tems laser supplement lamps and other equipment which has played a great role in the fields of soil detection land leveling laser mutation breeding plant re lighting and pest control indicating that laser technology has a significant influence on the development of smart agricultural technology The paper also looks forward to the future role of laser technology in promoting agricultural fields especially to the application of laser technology in agriculture in Jilin province Key words laser laser leveling plant re lighting laser breeding pest control 基 金項(xiàng)目 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 U19A2061 國 家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目 2019YFC1710700 吉林 省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目 20190301024NY 20200301047 Q 20200401062GX 202001069GX 20200501006GX 20200501008GX 作者簡介 梁雪梅 女 博士 講師 研究方向 物理農(nóng)業(yè) 收稿日期 2021 03 11 通信作者 梁 雪梅 等 激光在土地保護(hù) 農(nóng)作物生長及害蟲防治領(lǐng)域應(yīng)用研究進(jìn)展 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) Journal of Jilin Agricultural University 1 背 景 土 地是不可再生資源 是人類生存的物質(zhì)基 礎(chǔ) 土地保護(hù)是指保護(hù)人類社會初級生產(chǎn)可利用 的地面空間的面積和質(zhì)量的措施 農(nóng)作物的生 長 離不開科學(xué)的生產(chǎn)技術(shù) 以及新型工業(yè)制造出 來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)輔助機(jī)械設(shè)備 激光 Light amplification by stimulated emis sion of radiation Laser 表示受激輻射 光放大 激光是由工作物質(zhì)處于粒子翻轉(zhuǎn)狀態(tài)的激光器產(chǎn) 生的 具有功率高 相干性好 光譜線寬窄 光譜范 圍廣等特點(diǎn) 1 廣泛應(yīng)用于通信 工 業(yè) 農(nóng)業(yè) 醫(yī) 學(xué)等領(lǐng)域 2 激光器的核心元件是工作物質(zhì) 包 括玻璃 晶 體 半導(dǎo)體 氦 氖蒸汽 二氧化碳蒸汽 染料液體 等 使用外部激勵(lì)源激發(fā)工作物質(zhì) 可產(chǎn)生紫外 193 nm 波段至紅外 10 600 nm 波段的寬譜線 范圍激光束 3 相 比于高壓鈉燈 LED 光源等傳 統(tǒng)農(nóng)用光源 4 激光光源具有單色性好 電 光轉(zhuǎn) 換效率高 成本低等優(yōu)勢 有望逐步替代傳統(tǒng)光 源 成為未來新型農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的主流光源 形成 一系列新型的光學(xué)農(nóng)業(yè)技術(shù)和產(chǎn)業(yè) 激 光農(nóng) 業(yè) 隨著激光技術(shù)的進(jìn)步 其在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的 應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展 重要性與日俱增 4 在 農(nóng)業(yè) 檢測方面 各國研究人員利用基于全固態(tài)激光技 術(shù)的激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù) 開展了大量的土壤 重金屬 5 7 農(nóng)作物營養(yǎng)成分 6 10 和 食品安全 11 13 等 檢測工作 開發(fā)出多種激光誘導(dǎo)擊穿光譜檢測 設(shè)備和檢測方法 14 15 提高了土壤重 金屬 農(nóng)作 物營養(yǎng)成分等元素和物質(zhì)的檢測準(zhǔn)確率和速度 相比于傳統(tǒng)的生物 化學(xué)檢測方法 具有快速 安 全 無污染等優(yōu)勢 在自動(dòng)化農(nóng)機(jī)領(lǐng)域 基于半導(dǎo) 體激光技術(shù)的激光雷達(dá)和測距儀作為自動(dòng)農(nóng)機(jī)的 眼睛 可以準(zhǔn)確地判斷農(nóng)機(jī)與參照設(shè)備的相對 位置 結(jié)合自動(dòng)駕駛系統(tǒng) 可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的精準(zhǔn)播 種和土地平整 相比于傳統(tǒng)的手動(dòng)設(shè)備 可以有效 節(jié)約種子 提高土地平整度 2 cm 16 17 在 農(nóng) 業(yè)育種方面 氦 氖激光器 紅寶石激光器等產(chǎn)生 的高脈沖能量激光已應(yīng)用于水稻 玉米 番茄等多 種糧食和果蔬種子進(jìn)行激光誘變試驗(yàn) 獲得了許 多遺傳性狀穩(wěn)定 產(chǎn)量優(yōu)異的新品種作物 而且相 比于傳統(tǒng)的化學(xué) 生物育種方式 激光誘變育種技 術(shù)具 有 無 污 染 變異特征可穩(wěn)定遺傳的優(yōu) 勢 18 20 在 設(shè)施農(nóng)業(yè)補(bǔ)光方面 利用基于半導(dǎo)體 激光器的激光植物補(bǔ)光燈 對溫室大棚內(nèi)的黃瓜 豆角和草莓等作物進(jìn)行了補(bǔ)光試驗(yàn) 發(fā)現(xiàn)補(bǔ)光組 的生長和結(jié)果情況優(yōu)于未補(bǔ)光的對照組 相比于 傳統(tǒng)的高壓鈉燈 LED 燈 3 半導(dǎo)體激光具有電 光 效率高 單色性好等優(yōu)勢 在補(bǔ)光效果相同的情 況下 可以大幅降低電能的消耗 這是由于激光的 光譜線寬窄 同時(shí)其光譜峰值與葉綠素 類胡蘿卜 素等光合作用物質(zhì)的吸收光譜峰值相近 提高了 光能的利用效率 綜上 激光技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于土壤檢測 食 品安全 土地平整 激光誘變育種 植物補(bǔ)光和蟲 害防治等農(nóng)業(yè)領(lǐng)域 對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展具有 不可忽視的影響力 2 應(yīng) 用 2 1 激光在土地保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用 2 1 1 重 金屬檢測 隨著我國工業(yè)化和城市化 進(jìn)程不斷提高 工業(yè)廢水 廢棄物和城市生活垃 圾 以及農(nóng)藥 化肥的大規(guī)模使用 土壤重金屬污 染日趨嚴(yán)重 威脅著地區(qū)生態(tài)的發(fā)展 21 傳 統(tǒng)重 金屬的檢測是現(xiàn)場采樣后通過實(shí)驗(yàn)室的化學(xué)試劑 和儀器進(jìn)行檢測分析 存在著非實(shí)時(shí) 檢測周期長 的缺點(diǎn) 因此 現(xiàn)場快速精準(zhǔn)測試重金屬元素的 種類及含量的技術(shù) 已經(jīng)成為必然的發(fā)展趨 勢 22 激 光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù) LIBS 是一種快速 的土壤成分檢測技術(shù) 具有制樣簡單 探測靈敏度 高 多元素同時(shí)探測 檢測速度快等優(yōu)勢 23 其 利 用 Nd YAG 固體激光器發(fā)射一束 1 064 nm 波 段的脈沖激光 經(jīng)過透鏡匯聚至待測樣品的表面 或內(nèi)部 將樣品加熱和熔化 當(dāng)樣品中原子最外 層電子吸收足夠的能量就會擺脫束縛 形成自由 電子以及高能態(tài)的激發(fā)態(tài)原子和離子 隨著激光 照射的停止 激發(fā)態(tài)的原子和離子會向低能態(tài)或 基態(tài)躍遷 將產(chǎn)生與元素成分對應(yīng)的特定波長的 譜線 24 26 通 過分析特征譜線的峰位和強(qiáng)度 就 可以得到樣品中元素的種類和濃度 27 29 完 成快 速 準(zhǔn)確的 LIBS 檢測 隨著激光技術(shù)的發(fā)展 早在 20 世紀(jì) 60 年代 Brech 等 29 首次提出利用激光 照射激發(fā)待測樣 品 并對其進(jìn)行分析的想法 即 LIBS 技術(shù)的雛形 131 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2021 年 4 月 Journal of Jilin Agricultural University 2021 April 盧 淵等 30 采 用 LIBS 技術(shù)結(jié)合內(nèi)標(biāo)法檢測了泥漿 中鉛元素的含量 所得鉛的特征譜線強(qiáng)度和內(nèi)標(biāo) 曲線的擬合相關(guān)系數(shù)達(dá) 0 995 線性相關(guān)度高 張保華等和陳添兵等 31 32 分 別采用 LIBS 技術(shù)對 土壤中的錳和鉛元素含量進(jìn)行測量 結(jié)果相對偏 差僅為 4 1 和 10 5 檢測誤差率較低 由此 可見 LIBS 技術(shù)可以快速 高效 準(zhǔn)確地檢測土壤 中的重金屬元素 2 1 2 激光技術(shù)在農(nóng)田平整領(lǐng)域的應(yīng)用 激光 平地技術(shù)相比于傳統(tǒng)的機(jī)械平地技術(shù) 能有效提 高田地的平整精度 對節(jié)約灌溉水 增強(qiáng)施肥效 果 提高土壤品質(zhì) 增加土地利用率 提高農(nóng)作物 產(chǎn)量具有顯著的效果 33 激 光平地設(shè)備主要包 括激光二極管發(fā)射器和激光接收器組成的激光導(dǎo) 航系統(tǒng) 以及控制裝置 刮土鏟和拖土斗等組成的 機(jī)械系統(tǒng) 相比于傳統(tǒng)全手動(dòng)操作平地設(shè)備的平 整精度 5 20 cm 激光平地設(shè)備的耕地平整精度 可以達(dá)到 2 cm 以內(nèi) 大幅提高了土地的平整度 有利于后續(xù)的播種 灌溉和施肥工作 34 激 光平地技術(shù)在國外已廣泛應(yīng)用于農(nóng)田耕 作 美國在 20 世紀(jì) 70 年代已經(jīng)開始使用激光平 地技術(shù)平整農(nóng)田 至今大部分農(nóng)田都采用激光平 地技術(shù) 配合輪作 免耕等農(nóng)藝技術(shù) 提高農(nóng)作物 的產(chǎn)量 33 近 年來 國內(nèi)各大平原地區(qū)也開始普 及激光平地技術(shù) 如東北平原的黑龍江 吉林 遼 寧 華北平原的河北等地區(qū) 34 采用激光平地技術(shù) 農(nóng)田的平整度大幅提高 能減少灌溉水流的阻力 使 水更快速 均勻地灌溉 整個(gè)田塊 同時(shí)經(jīng)過平整后的土壤密實(shí)程度增加 土壤吸收水分的速度變慢 可以使更多的灌溉水 流到距離灌溉口較遠(yuǎn)的后段地塊 提高整體灌溉 效果 進(jìn)而增加農(nóng)作物的產(chǎn)量 33 2 2 激光在農(nóng)作物生長及植物保護(hù)中的應(yīng)用 2 2 1 激 光誘變育種和誘導(dǎo)技術(shù) 激光誘變育 種是突變育種技術(shù)的一種 利用適當(dāng)波段和劑量 的激光輻照植物種子和其他器官 以使其發(fā)生突 變 進(jìn)而在其后代中選擇優(yōu)良的變異個(gè)體 達(dá)到培 育新品種的目的 35 相對于傳統(tǒng)的化 學(xué)誘變和 輻射誘變 激光誘變具有作用溫和 成活率高 有 益突變多 當(dāng)代變異 無污染等優(yōu)勢 36 在 農(nóng)作物 育種方面具有廣闊的應(yīng)用前景 激光對生物的誘變作用 主要通過激光與生 物的光效應(yīng) 熱效應(yīng) 光壓效應(yīng)和電磁效應(yīng)的綜合 作用 37 使農(nóng)作物細(xì)胞的染色體 DNA 處 于一種 易于突變的狀態(tài) 形成 DNA 斷裂 聚合 交聯(lián) 重 組等一系列物理和化學(xué)變化 38 獲得具有抗病能 力 強(qiáng) 產(chǎn)量高 抗倒伏等有益變異的新品種 39 該 誘 變過程主要經(jīng)歷 3 個(gè)階段 光生物物理階段 激光輻照樣品植株時(shí) 激光能量被樣品的遺傳物 質(zhì)直接吸收 或者通過能量轉(zhuǎn)移的方式間接吸收 進(jìn)而激發(fā)遺傳物質(zhì) 光化學(xué)反應(yīng)階段 激光照 射到樣品植株 引起其中生物分子的光解離 光致 分解 游離基反應(yīng)等 使樣品植株的 DNA 分子或 染色體發(fā)生畸變 生物變化階段 產(chǎn)生生物遺 傳性狀突變的植株個(gè)體 40 隨 著激光技術(shù)的興起 20 世紀(jì) 60 年代就已 開展了對激光誘變育種技術(shù)的研究 41 1962 年 Bessis 等 41 使用激光刺激有機(jī)細(xì)胞 開 啟了 激光在生物領(lǐng)域應(yīng)用的先河 1969 年 Wilde 等 42 利用紅寶石激光器產(chǎn) 生的 690 nm 波段紅光 對植物和種子進(jìn)行照射刺激 開始了激光誘變育 種 20 世紀(jì) 70 年代初 前蘇聯(lián)哈薩克斯坦蔬菜 研究所同樣利用紅寶石激光器開展了針對青瓜 番茄 小麥等植物的光照試驗(yàn) 獲得了產(chǎn)量大 品 質(zhì)高的新品種 43 國內(nèi)激光育種的研究始于 1972 年 四 川大學(xué) 首先開展了油菜的激光誘變育種研究 44 之 后 在全國近百家單位開展了激光在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用 經(jīng)過多年的發(fā)展 我國在激光育種領(lǐng)域取得了豐 碩的成果 已在水稻 小麥 棉花 大豆 油菜 瓜 果 蔬菜等 20 多種農(nóng)作物上選育成功 以水稻 小 麥為例 激光誘變育種產(chǎn)生的新品種占比達(dá)到 28 8 和 25 2 45 1982 年 吳 曉煜 46 以 南 優(yōu) 2 號 為材料 用激光輻照育成的 南花 11 號 一 般畝產(chǎn) 350 450 kg 高產(chǎn)田達(dá) 500 650 kg 比原 親本增產(chǎn) 5 15 目前已在南方 14 省引種試 種 推廣面積 33 333 hm 2 以 上 被稱為 不要制種 的雜交稻 2008 年 柴 瑞娟等 47 采 用激光對珠 子參愈傷組織進(jìn)行誘導(dǎo) 通過不同光質(zhì)和功率激 光處理損傷珠子參的莖和葉 愈傷組織誘導(dǎo)率達(dá) 到 92 和 6 7 遠(yuǎn)高于無激光輻照植株的 45 3 和 0 7 有助于珠子參愈傷組織的誘導(dǎo) 可見 激光誘變育種和誘導(dǎo)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的重 要地位 48 隨著激光技術(shù)的發(fā)展 氦 氖 激光器 氬離子激光器 Nd YAG 固態(tài)激光器 二氧化碳激 光器 半導(dǎo)體激光器等發(fā)射不同波長激光的激光 231 梁 雪梅 等 激光在土地保護(hù) 農(nóng)作物生長及害蟲防治領(lǐng)域應(yīng)用研究進(jìn)展 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) Journal of Jilin Agricultural University 器被應(yīng)用到激光誘變育種領(lǐng)域 與生物技術(shù) 加倍 單倍體技術(shù) 雜交育種技術(shù)等育種技術(shù)相互滲透 結(jié)合 最終形成了一種新型的育種技術(shù)體系 并取 得了理想的成果 43 2 2 2 激 光植物補(bǔ)光 植物的光合作用需要波 長為 380 760 nm 的可見光 促進(jìn)存在于植物葉 子中的特殊感光器官捕捉光子 這個(gè)過程中主要 利用葉綠素 a 和 b 吸收波長分別是 662 nm 和 642 nm 49 除了光合作用外 光形態(tài)和趨光性等 都 受到光環(huán)境的影響 如光形態(tài)依賴于 730 735 nm遠(yuǎn)紅光調(diào)節(jié)細(xì)胞 組織和器官的分化 波長 400 500 nm 的光波可以觸發(fā)植物的趨光性 當(dāng)自然光照不足時(shí) 許多地區(qū)的農(nóng)作物出現(xiàn) 產(chǎn)量低和欠收的問題 因此 1980 年 Mpelkas 50 提出采用溫室栽培和人工照明控制農(nóng)作物生長環(huán) 境 的方法 增加農(nóng)作物產(chǎn)量 將農(nóng)作物種植工業(yè) 化 即植物工廠 隨著照明技術(shù)不斷進(jìn)步 研究人 員分別采用白熾燈 ILs 氣致放電燈 GDLs 熒 光燈 FLs 高壓氣體放電燈 HIDLs 發(fā)光二極 管 LED 和激光燈 LLs 作為植物工廠的補(bǔ)光光 源 51 目 前 激光和 LED 以其全光譜范圍 壽命長 供應(yīng)鏈成熟等優(yōu)勢 是植物工廠的主要照明光 源 52 55 研 究人員對光源中紅光 630 680 nm 和藍(lán)光 400 500 nm 的配比對植物的生長和發(fā) 育等影響進(jìn)行了系統(tǒng)的研究 并積累了豐富的經(jīng) 驗(yàn) 56 58 與 此同時(shí) 激光光源以其單色性好 電光轉(zhuǎn)換 效率高 壽命長等優(yōu)勢 逐漸被應(yīng)用到植物補(bǔ)光領(lǐng) 域 1970 年 Paleg 等 59 采 用 632 8 nm 波段的 氦 氖激光照射 402 m 內(nèi)的植物 證明了激活植 物中的光敏色素 能有效調(diào)節(jié)其生長和發(fā)育過程 之后 國內(nèi)外學(xué)者采用激光補(bǔ)光技術(shù) 對水稻 小 麥 葵花 棉花 蔬菜 瓜果等糧食和經(jīng)濟(jì)作物進(jìn)行 了研究 系統(tǒng)研究了激光波長和能量配比對植物 生長的促進(jìn)和調(diào)節(jié)作用 以及產(chǎn)量和抗病能力的 改善情況 60 68 目 前 國內(nèi)僅有幾家公司開展商用植物激光 補(bǔ)光光源的研發(fā)工作 69 以杭州長芯光電為例 其聯(lián)合中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究 所 開發(fā)的 CXL1 X0210 00 補(bǔ)光燈 具有單畝功 耗低 相同光照度條件下 功耗僅為 LED 的 10 可靠性高 智能功率調(diào)節(jié) 輸出光束質(zhì)量好 等優(yōu)勢 已提供給吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 長春國信農(nóng)業(yè) 沈陽新民和山東壽光蔬菜基地等用戶試用 取得 了良好的補(bǔ)光效果 其中 在國信農(nóng)業(yè)的有機(jī)果 蔬大棚中 主要開展了草莓 豆角和黃瓜等植物的 補(bǔ)光試驗(yàn) 由表 1 可知 生長期的草莓在補(bǔ)光周期內(nèi)補(bǔ) 光組的葉片和株莖的生長情況明顯優(yōu)于對照組 均高約 5 表 1 草莓補(bǔ)光與未補(bǔ)光生長情況 Table 1 Comparison of growth of strawberry with and without re lighting mm 測 量時(shí)間 周 莖長 補(bǔ)光組 對照組 葉 尖長 補(bǔ) 光組 對照組 葉 中長 補(bǔ) 光組 對照組 1 0 67 0 72 32 27 33 07 40 20 40 8 2 0 76 1 03 33 93 34 80 41 87 42 13 3 0 87 1 08 35 13 35 20 44 07 43 00 4 0 95 1 11 36 93 36 20 45 27 43 87 5 1 02 1 12 37 60 35 93 46 27 44 27 6 1 02 1 12 38 67 36 87 46 80 45 33 由 表 2 可知 對于生長期和結(jié)果期的豆角 可 以發(fā)現(xiàn)生長期中 補(bǔ)光組與未補(bǔ)光組比較 葉片和 株莖長相差約 10 豆莢的寬和厚相差約 15 豆莢長度相差在 20 以上 補(bǔ)光效果明顯 對比生長期的黃瓜 補(bǔ)光區(qū)黃瓜蔓藤的高度 明顯高于非補(bǔ)光區(qū) 長差約 10 可見激光補(bǔ)光 燈對黃瓜蔓藤的生長促進(jìn)作用明顯 圖 1 根據(jù)吉林省農(nóng)業(yè)優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)和設(shè)施農(nóng)業(yè)的特 點(diǎn) 建議由相關(guān)高校 科研院所和企業(yè)等單位聯(lián)合 推進(jìn)光農(nóng)業(yè)的科學(xué)研究 技術(shù)開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用 研發(fā)針對菌類 蔬菜果類的種植補(bǔ)光設(shè)備 保證春 冬季綠色有機(jī)作物的正常生長 以企業(yè)作為示范 331 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2021 年 4 月 Journal of Jilin Agricultural University 2021 April 基 地 技術(shù)成熟后在省內(nèi)大棚推廣應(yīng)用 選擇 1 2 個(gè)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行智能設(shè)備的開發(fā)及應(yīng)用 與長春 市 吉林省農(nóng)業(yè)主管部門合作 開展種植補(bǔ)光標(biāo)準(zhǔn) 制定 產(chǎn)品推廣和相應(yīng)的補(bǔ)貼政策 與其他大學(xué) 和研究所合作 實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科領(lǐng)域的科學(xué)問題的探 索和研究 促進(jìn)設(shè)施農(nóng)業(yè)的布局合理化 科學(xué)化以 及技術(shù)普及化 表 2 補(bǔ)光與未補(bǔ)光的豆角莖葉 豆 莢生長情況 Table 2 Comparison of growth of stem leaf and pod of bean with and without re lighting mm 測 量時(shí)間 周 果實(shí)長 補(bǔ)光組 對照組 果 實(shí)寬 補(bǔ)光組 對照組 果 實(shí)厚 補(bǔ)光組 對照組 莖 長 補(bǔ)光組 對照組 葉 尖長 補(bǔ)光組 對照組 葉 中長 補(bǔ)光組 對照組 1 56 40 56 80 5 80 6 00 14 50 15 60 0 93 0 94 61 47 62 20 82 27 79 13 2 64 40 53 60 7 00 5 80 21 10 17 30 1 15 1 11 82 60 77 00 105 80 100 40 3 72 60 60 40 8 20 7 40 24 90 19 60 1 26 1 31 91 00 82 00 112 67 105 13 4 77 60 62 60 9 20 7 80 27 40 23 20 1 41 1 37 91 87 82 80 113 47 106 87 5 86 20 67 20 12 00 10 00 37 40 31 10 1 53 1 30 93 53 83 80 114 00 107 40 6 91 80 69 40 12 60 10 60 42 90 32 50 1 79 1 68 94 00 84 47 115 00 107 80 a 未 補(bǔ)光組 b 補(bǔ)光組 圖 1 補(bǔ)光與未補(bǔ)光黃瓜的對比 Fig 1 Comparison of cucumber with and without re lighting 2 2 3 激 光防治病蟲害 伴隨現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的 發(fā)展 保障了糧食的基本安全供給 但是為保證糧 食產(chǎn)量的穩(wěn)定 使用農(nóng)藥成為可控制農(nóng)作物病蟲 害的必要技術(shù)手段 然而 農(nóng)藥的大量使用必然 造成農(nóng)產(chǎn)品和土地的污染 對人們的生命安全和 生活質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響 同時(shí)會使害蟲產(chǎn)生抗藥 性 70 激光殺蟲是一種高效 環(huán)保的殺蟲方式 對 周 圍環(huán)境影響小 不會使害蟲出現(xiàn)抗性 相對于農(nóng)藥 和生物治蟲的使用范圍更加廣闊 是一種理想的 害蟲防治手段 隨著激光器成本的不斷降低 該 技術(shù)在農(nóng)作物保護(hù)領(lǐng)域的作用將日益凸顯 71 伴 隨激光技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用范圍不斷拓 展 激光防治害蟲的方法開始被使用 激光照射 能使害蟲產(chǎn)生遺傳性的生理缺陷 使雄蟲不育或 使之發(fā)生遺傳變異 破壞其繁殖能力 達(dá)到預(yù)防害 蟲的目的 72 激 光防治害蟲 主要利用激光的光 吸收效應(yīng)和生物熱效應(yīng) 73 當(dāng)激光照射到生物體 時(shí) 不同波長的激光會被選擇性的吸收 采 用合適 波長的激光可以使生物組織出現(xiàn)較強(qiáng)的吸收 促 使其發(fā)生某種光化反應(yīng) 強(qiáng)激光的生物熱效應(yīng)可 以破壞細(xì)胞的正常新陳代謝 破壞蛋白質(zhì) 起到殺 死病毒 細(xì)菌和害蟲的作用 如何使用激光殺滅害蟲同時(shí)減低激光對益蟲 的傷害是當(dāng)前病蟲害防治的重點(diǎn)研究方向 研究 表明 使用紅寶石激光器發(fā)出波長為 450 560 nm 的激光 可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)消滅溫室白粉虱 紅蜘蛛 等蔬菜害蟲 67 以及寄生在小麥 玉 米 稻谷等糧 食的赤擬盜谷 71 使 用 694 3 nm 波長的紅寶石 激光能殺死深顏色的皮蠹蟲 棉紅蛛 紅葉螨等害 蟲 71 波 長為 488 nm 的氬離子激光能有效滅殺 孑孓 螨類和蟻類等害蟲 74 二 氧化碳激光器對 消滅飛行中的蝗蟲很有效 75 2 2 4 激 光檢測作物營養(yǎng)成分 隨著生活水平 的提高 人們對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和安全問題的關(guān)注度 不斷提升 因此農(nóng)產(chǎn)品的營養(yǎng)成分和潛在污染物 431 梁 雪梅 等 激光在土地保護(hù) 農(nóng)作物生長及害蟲防治領(lǐng)域應(yīng)用研究進(jìn)展 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) Journal of Jilin Agricultural University 的快速檢測技術(shù)成為了農(nóng)業(yè)檢測方面的研究熱 點(diǎn) 其中 激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)不僅可以檢測 土壤樣品的重金屬含量 也可以對農(nóng)作物的營養(yǎng) 成分進(jìn)行檢測 76 de Oliveira 等 77 采 用 LIBS 技術(shù)對紅平菇和 平菇的硒元素富集效應(yīng) 以及該效應(yīng)對 2 種菌類 中鈣 鉀 鎂等元素分布的影響 發(fā)現(xiàn)紅平菇中硒 富集有利于鈣元素在其下部積累 阻礙其向邊緣 和頂部的遷移 同時(shí)可以改變鉀和鎂的分布 而平 菇中硒富集僅改變了子實(shí)體的形態(tài)特性 但對鉀 和鎂元素的分布影響不顯著 孫海峰 78 采 用 LIBS 技術(shù)對不同耕作施肥條件下的水稻營養(yǎng)元 素進(jìn)行了測定 通過檢測不同生長條件下水稻的 葉 穗 莖中氮和鉀元素的含量 分析水稻的生長 狀況發(fā)現(xiàn) 結(jié)合 K means 方法及 Fisher 判別分析 方法可提高檢測的可靠性和準(zhǔn)確率 證明 LIBS 技 術(shù)具有實(shí)時(shí)監(jiān)測水稻等作物生長狀態(tài)的潛在能 力 Liang 等 79 利 用激光顯微解剖和液相色譜 質(zhì)譜法測定了人參根和根莖中人參皂苷的含量 利用從人參根莖 主根和支根中分離出 5 種組織 細(xì)胞 鑒定出 59 種人參皂苷 結(jié)果表明 周皮層 中人參皂苷的種類明顯多于皮層 韌皮部 木質(zhì)部 和樹脂管 同時(shí) 發(fā)現(xiàn)人參支根的韌皮部 木質(zhì)部 和樹脂管中人參皂苷的含量明顯高于主根 為人 參各部分的營養(yǎng)和藥用價(jià)值提供了可靠的判斷依 據(jù) 激光檢測技術(shù)是一種高效 快速 準(zhǔn)確的檢測 方法 需要的檢測樣品較少 并可以準(zhǔn)確檢測到待 測元素的光譜譜線 結(jié)合日漸豐富的農(nóng)作物物質(zhì) 和元素的光譜數(shù)據(jù)庫 是未來理想的食品安全和 營養(yǎng)物質(zhì)檢測 以及農(nóng)作物生長狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)管的 檢測技術(shù) 76 3 討 論 現(xiàn) 階段 人民群眾對安全食品越來越重視 這 些需求促進(jìn)了國內(nèi)設(shè)施農(nóng)業(yè)將繼續(xù)長期保持良好 的發(fā)展勢頭 大規(guī)模生產(chǎn)型溫室的建設(shè)明顯增 多 行業(yè)整體呈現(xiàn)出設(shè)施與農(nóng)藝并重 向規(guī)?；?標(biāo)準(zhǔn)化 智慧化方向發(fā)展的趨勢 2018 年農(nóng)業(yè)農(nóng) 村部對十三屆全國人大一次會議第 2950 號建議 的答復(fù) 以及 2019 年國務(wù)院 關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)業(yè) 機(jī)械化和農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的指導(dǎo)意見 中 對設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展都提出了一系列的扶持政 策 吉 林 省 的 設(shè) 施 農(nóng) 業(yè) 其 中 溫 室 面 積 3 960 53 hm 2 大 棚面積 13 628 84 hm 2 漁 業(yè)養(yǎng)殖 面積 20 45 hm 2 激 光技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域已被 大量應(yīng)用 例如在促進(jìn)作物生長及生長監(jiān)測方面 獲得了成功應(yīng)用 激光技術(shù)在智能農(nóng)機(jī)領(lǐng)域也有 著重要的應(yīng)用 全省現(xiàn)有傳統(tǒng)拖拉機(jī) 181 15 萬 臺 耕整機(jī) 5 23 萬臺 旋耕機(jī) 10 94 萬臺 聯(lián)合收 獲機(jī) 3 10 萬臺等 這部分農(nóng)機(jī)的升級改造也將是 一個(gè)廣闊的應(yīng)用空間 目前 激光技術(shù)在土地保護(hù) 農(nóng)作物生長及害 蟲防治領(lǐng)域應(yīng)用的方法正在經(jīng)歷一個(gè)快速的發(fā)展 時(shí)期 如激光誘導(dǎo)技術(shù)在參類自愈修復(fù)方面的應(yīng) 用 激光育種技術(shù)在水稻 玉米等糧食作物新品種 培育方面的應(yīng)用 激光檢測食用菌 水稻等作物的 營養(yǎng)成分和生長監(jiān)測方面的應(yīng)用 激光技術(shù)的發(fā) 展正不斷推進(jìn)上述領(lǐng)域中農(nóng)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步 在激 光和農(nóng)業(yè)交叉領(lǐng)域 未來可以集中在以下幾個(gè)方 面進(jìn)行深入研究 應(yīng)開發(fā)新的結(jié)構(gòu) 以增強(qiáng)激光 器的電光轉(zhuǎn)換效率 提高可靠性和輸出功率 激 光技術(shù)應(yīng)與其他分析技術(shù) 拉曼 熒光等 相結(jié) 合 擴(kuò)大激光設(shè)備的應(yīng)用范圍和適用性 應(yīng)開發(fā) 便攜式和定制的激光設(shè)備 促進(jìn)激光技術(shù)在智慧 農(nóng)業(yè)的廣泛應(yīng)用 并推動(dòng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的快速發(fā) 展 激光技術(shù)與成像監(jiān)控技術(shù) 生物技術(shù) 農(nóng)業(yè)機(jī) 械裝備技術(shù)以及基因技術(shù)的結(jié)合 呈現(xiàn)出跨學(xué)科 科學(xué)合作的優(yōu)勢 對于推動(dòng)中國農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級具 有重要的作用 參考文獻(xiàn) 1 陳 家璧 激光原理及應(yīng)用 M 北京 電子工業(yè)出版社 2004 2 王立軍 寧永強(qiáng) 秦莉 等 大功率半導(dǎo)體激光器研究進(jìn)展 J 發(fā)光學(xué)報(bào) 2015 36 1 1 19 3 黃 世耀 激光的基本原理 類型及其應(yīng)用 J 中國科技信 息 2006 1 55 4 錢 舒婷 李建明 補(bǔ)光燈類型對設(shè)施草莓光合特性與產(chǎn)量的 影響 J 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào) 自然科學(xué)版 2019 47 4 41 48 5 Yan Z Y Zhang Z W Yu Y et al Chemiluminescence deter mination of potassium bromate in flour based on flow injection analysis J Food Chemistry 2016 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