Применение лазеров в сельском хозяйстве

Лазерные технологии производят революцию в сельском хозяйстве, предлагая инновационные решения старых проблем, а также преобразуя мировую практику сельхозработ для повышения их эффективности.
Изначально лазерные технологии широкого круга применения использовались в основном в медицине, однако, ввиду достижений в области фотобиологии и фотохимии они нашли своё место и в сельском хозяйстве. Благодаря своей доступности и эффективности они стали часто применяться в посевном земледелии, совместно с такими устройствами, как БПЛА и датчики IoT, что обеспечивает более эффективное выращивание сельскохозяйственных культур.

Преимущества применения лазеров в сельском хозяйстве

Элементный анализ почвы
Почва представляет собой сложную смесь органических веществ, минералов, газов и воды, необходимых для роста растений и регулирования микроклимата. Однако, из-за деятельности людей почва загрязняется тяжелыми металлами, которые могут поглощаться растениями, подвергая опасности экосистему и здоровье человека. Таким образом, мониторинг почвы имеет жизненно важное значение для охраны окружающей среды, сельского хозяйства и здоровья населения нашей планеты.

Лазерно-искровая эмиссионная спектроскопия (ЛИЭС) стала ведущей технологией в области элементного анализа, позволяя проводить быстрый и точный анализ состава почвы.

В ходе ЛИЭС высокоэнергетический лазерный импульс фокусируется на поверхности почвы, вынуждая частицы, находящиеся там, излучать электромагнитные волны в характерном для них спектре. Длина волны излучения позволяет определить тип присутствующего в почве элемента, а интенсивность этого излучения отражает его концентрацию.

Данный метод позволяет быстро обнаруживать наличие питательных веществ, тяжелых металлов и загрязняющих элементов, что способствует целенаправленному использованию почвы и минимизации негативного воздействия на окружающую среду.
Группа ученых из Бразилии использовали метод ЛИЭС для анализа содержания в удобрениях для почвы микро- (железа, меди, натрия, цинка, марганца) и макроэлементов (магния, кальция, калия, фосфора). Они установили, что при использовании двухимпульсной конфигурации улучшаются предельные значения обнаружения, что делает ЛИЭС перспективным методом качественного анализа почвенных удобрений без химической подготовки образцов.

Лазерная биостимуляция
Лазерная биостимуляция является многообещающим и жизнеспособным методом повышения всхожести семян, роста растений и увеличения их стрессоустойчивости.
При облучении семян или растений лазерным излучением определенной длины волны (например, He-Ne лазером с длиной волны 632,8 нм, лазером Nd: YAG с длиной волны 532 нм или светодиодом видимого спектра), фотоны поглощаются хромофорами (светопоглощающими молекулами) в клетках растений. Эта энергия запускает ряд фотохимических реакций, что приводит к увеличению скорости прорастания и улучшению параметров роста (таких как длина корней и побегов), что в свою очередь способствует повышению урожайности.
Также лазерная биостимуляция улучшает биохимические свойства растений, например, повышает концентрацию белков, антиоксидантов и ферментов, участвующих в механизмах защиты от стресса. Эти изменения делают растения более устойчивыми к засухе, ультрафиолетовому излучению и болезням.

Лазерная планировка для выравнивания почвы
Выравнивание почвы необходимо для эффективного управления растениеводством и орошения. Выравнивание с помощью систем лазерного наведения обеспечивает точность в 1 см.
Система состоит из лазерного источника и приемника излучения. Полученный сигнал содержит данные о высоте, которые приводят в действие систему выравнивания, представляющую из себя, как правило, гидравлический аппарат с механическими компонентами типа скребка или ковша.
Данная технология позволяет обеспечить экономию воды на 25-30%, а также повысить урожайность до 30% по сравнению с традиционными методами. Она оптимизирует использование воды, усиливает борьбу с сорняками, расширяет участки для посевов и повышает эффективность внесения удобрений, что улучшает урожайность и рентабельность растениеводства в целом.
Борьба с сорняками
Обычные методы борьбы с сорняками, например, с помощью специальной обработки гербицидами, вызывают обеспокоенность касательно их влияния на окружающую среду, что привело к поиску экологически безопасных альтернатив. Лазерные технологии предлагают многообещающее решение, позволяющее точечно воздействовать на сорняки и уничтожать их с помощью термических и механических методов.
Лазерные системы борьбы с сорняками направляют высокоэнергетические лазерные лучи на сорняки, вызывая локальный нагрев с последующим обезвоживанием или повреждением тканей.
Данные метод направлен только на выявленные виды сорняков, не нанося вреда окружающим культурам. Он устраняет необходимость в применении гербицидов, снижая воздействие на окружающую среду и предотвращая потенциальную устойчивость сорняков к гербицидам.
Ученые из России и Дании изучали влияние лазерной обработки на некоторые виды сорняков на стадии семядолей. Они использовали различные лазерные системы с разными размерами пучков лучей, и обнаружили значительное снижение роста, а в некоторых случаях и гибель сорняков.

Новые тенденции и инновации

Взаимодействие с передовыми технологиями
Установка лазеров на воздушных дронах или наземных роботах позволяют создавать карты с высоким разрешением и широким полем зрения, предоставляя данные о высоте местности, влажности почвы и состоянии сельскохозяйственных культур в реальном времени. Полученные данные анализируются алгоритмами искусственного интеллекта для принятия дальнейших действий.

Воздействие на окружающую среду
Сельское хозяйство является одним из основных источников выбросов парниковых газов (почти 13,5%). Методы точного земледелия с использованием лазерных систем позволяют сократить применение химических веществ и минимизировать воздействие на окружающую среду.
Ученые из Индии, Австралии и Саудовской Аравии сравнили исследования точного и традиционного выравнивания почвы на полях сахарного тростника за 6 лет. Они установили, что точное выравнивание демонстрировало преимущества. Результаты показали более высокую энергетическую продуктивность, эффективность землепользования и более низкие выбросы парниковых газов по сравнению с традиционным выравниванием.

Проблемы и инновационные решения в сфере лазерных технологий для сельского хозяйства
Несмотря на многообещающие преимущества, повсеместное внедрение лазерных технологий в сельское хозяйство затруднено рядом проблем.

Необходимость регулярной калибровки лазерных источников и датчиков являются препятствием, так как со временем их производительность снижается.
С социально-экономической точки зрения, внедрение новых технологий часто сталкивается со скептицизмом в отношении экономической выгоды.

Однако, внедрение лазерных технологий в сельское хозяйство дает существенные преимущества, включая точное земледелие, более высокую урожайность и повышенную эффективность использования ресурсов.

Исследования в области новых лазерных технологий способствуют технологическому прогрессу, повышая эффективность и рентабельность землепользования. Благодаря повышению осведомленности населения и инновациям в данной области, внедрение лазерных технологий может быть ускорено, что откроет новые горизонты устойчивого роста производительности в сельском хозяйстве.