萬文昌， 石明明， 張 彬， 茆學(xué)華

(1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) a.電氣與電子工程學(xué)院; b.理學(xué)院, 上海 201418;2.杭州彬康農(nóng)業(yè)科技有限公司，杭州 310000; 3.杭州三得農(nóng)業(yè)科技有限公司，杭州 310000)

為貫徹落實(shí)中國第十三個五年計(jì)劃的部署，2016年10月，在李克強(qiáng)總理簽訂的“《全國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化(2016-2020)》”的規(guī)劃中提到提高信息化水平和技術(shù)裝備以及著力進(jìn)行農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型和升級，將加速農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程[1]。此外，2015年由中國國務(wù)院發(fā)布的《中國制造2025》[2]中提到鼓勵企業(yè)引進(jìn)高科技設(shè)備，這有利于推動了我國激光制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。激光的發(fā)明[3-4]在20世紀(jì)的重大科學(xué)技術(shù)發(fā)明中，能夠與計(jì)算機(jī)、原子能和半導(dǎo)體相提并論，雖然我國激光與國際上相比起步稍晚，但我國激光技術(shù)發(fā)展迅猛，目前的激光技術(shù)躍居世界前列。激光從誕生之初憑借著優(yōu)異的性能應(yīng)用在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)藥等各個領(lǐng)域[5-7]，并取得良好的效果。

可見光(波長380～760 nm)是植物進(jìn)行光合作用固定二氧化碳[8]、釋放氧氣維持著大氣中氣體的轉(zhuǎn)換平衡的重要因素，特別是光質(zhì)對植物的發(fā)育[9]、物質(zhì)代謝和基因調(diào)控[10-12]均有促進(jìn)作用。在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中，我國北方的冬天太陽入射角度低、植物單位面積的光能量不足、日照時間短，自然光無法滿足植物對光的需求而且受到惡劣天氣的影響，導(dǎo)致植物的生長速度過慢。人們使用溫室大棚雖然能解決溫度問題[13]，但改變不了植物單位面積的受照光強(qiáng)。因此如何促進(jìn)植物的高效生長、提高作物產(chǎn)量[14-17]的問題一直備受關(guān)注。研究者研制出的一種植物補(bǔ)光燈，解決了溫室大棚作物生長這一關(guān)鍵的問題。目前用于植物照明的光源主要為LED植物燈、熒光燈、鹵素?zé)?，技術(shù)手段上只能通過增加燈的功率來擴(kuò)大植物受照面積，但產(chǎn)生的光對植物生長并沒有取得更好的效果，功率的增加必定會引發(fā)散熱問題，會加速LED、鹵素?zé)?、熒光燈的老化，影響了植物燈的使用壽命。為解決上述植物燈存在的問題，需要一種輻照能量強(qiáng)、單燈功耗低、單色性好、覆蓋面積廣的新型光源。激光植物燈具有激光定向發(fā)光、極高的亮度、高的功率密度、較好的單色性、極高的輻射能流等優(yōu)異的光學(xué)性能，植物生長過程中使用激光相燈，能將適宜的光子攝入植物細(xì)胞并增加植物細(xì)胞的生物能，提高有關(guān)光合作用酶的活性并加快植物的生理代謝[18-120]，從而使得植物的光合效率提高，進(jìn)一步促進(jìn)了植物的高效生長。另外，激光和LED一樣還能改變植物的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)以提高農(nóng)作物的品質(zhì)。作為新型的植物補(bǔ)光燈，激光植物燈具有許多優(yōu)良的性能：覆蓋面積廣、體積小、壽命長、功耗低、光譜更精準(zhǔn)。本文將從激光器的發(fā)展歷程及激光對植物產(chǎn)生的效應(yīng)進(jìn)行闡述，探討激光植物燈在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用以及對未來的展望。

圖1 啁啾脈沖放大技術(shù)[24]

1 激光器

“受激輻射”概念于1917年由愛因斯坦提出，1960年5月15日，科學(xué)家梅曼(T.H.Maiman)在加利福尼亞州成功研制了世界上首臺激光器。1961年,中國首臺激光器在長春被中科院長春光機(jī)所研制成功。1964年10月，錢學(xué)森建議將“LASER”的中文名定為激光，不僅能反映出“受激輻射”的科學(xué)含義，同時在國內(nèi)的科學(xué)界認(rèn)知程度相對較高并沿用至今。脈沖式激光器和連續(xù)波激光器[21]是根據(jù)激光的輸出方式不同進(jìn)行分類，而根據(jù)工作介質(zhì)的不同又可分為“固體、液體和氣體激光器”。

1.1 脈沖式激光器

脈沖式激光器是指單個脈沖寬度<0.25 s、具有一定工作周期的激光器，擁有較大的輸出功率。自世界上首臺激光器-紅寶石激光器實(shí)現(xiàn)了脈沖寬度為幾十ns的短脈沖輸出以來，脈沖式激光器經(jīng)歷了調(diào)Q激光器、鎖模激光器以及啁啾脈沖放大技術(shù)3個階段，這3次技術(shù)縮短了脈沖寬度的技術(shù)革新階段[19]。

調(diào)Q技術(shù)是調(diào)Q激光器的核心技術(shù)，根據(jù)調(diào)Q方式的不同可分為主動調(diào)Q和被動調(diào)Q，國內(nèi)外對調(diào)Q技術(shù)的研究主要集中在20世紀(jì)60～90年代。Kovacs等[22]率先通過轉(zhuǎn)鏡技術(shù)實(shí)現(xiàn)了調(diào)Q開關(guān)CO2激光器的脈沖激光輸出，得到了脈沖寬度為300 ns、峰值功率為10 kW的激光輸出。相位鎖定技術(shù)在1964年首次在氦氖激光器上得到應(yīng)用,1968年人們開始了橫向和縱向鎖模的研究探討。20世紀(jì)70年代后，主加被動鎖模、同步鎖模等技術(shù)的發(fā)展比較迅速，目前使用鎖模技術(shù)可以將鈦摻雜藍(lán)寶石固體激光器產(chǎn)生的激光脈沖寬度壓縮到了飛秒(10-15s)級。然而從激光器應(yīng)用方面考慮，激光器將要向更高能量輸出、更短脈寬以及更高的功率發(fā)展[23]，但激光增益介質(zhì)飽和度和破壞閾值都會限制調(diào)Q技術(shù)、鎖模技術(shù)的發(fā)展，很難再進(jìn)一步提升激光的性能。因此實(shí)現(xiàn)超短、超強(qiáng)的脈沖激光器的核心技術(shù)為啁啾脈沖放大技術(shù)[24]，如圖1所示。將時分復(fù)制脈沖放大技術(shù)與啁啾脈沖放大技術(shù)相結(jié)合是繼續(xù)提高脈沖能量以實(shí)現(xiàn)高功率的有效手段之一[25]。2013年，Guichard等[26]將單路啁啾脈沖放大系統(tǒng)輸出的400 fs的脈沖經(jīng)時分復(fù)制脈沖放大技術(shù)復(fù)制處理后，進(jìn)行輸出壓縮，獲得了脈沖寬度為71 fs、峰值功率為86 mW、脈沖能量為7.5 μJ的脈沖。此技術(shù)的出現(xiàn)，表明脈寬阿秒(10-18s)級將在不久會實(shí)現(xiàn)。

1.2 連續(xù)波激光器

連續(xù)波激光器是指以不同連續(xù)激勵工作方式的固體激光器、氣體激光器及半導(dǎo)體激光器。各能級的粒子數(shù)及腔內(nèi)輻射場均具有穩(wěn)定分布，其工作特點(diǎn)是可以在一段較長的時間范圍內(nèi)以連續(xù)方式持續(xù)進(jìn)行輸出，可持續(xù)輸出一定功率，其具有較好的單色性、相干性和穩(wěn)定性，以及結(jié)構(gòu)簡單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于生物領(lǐng)域。He-Ne激光器作為該類激光器的代表，孟菁等[27]使用He-Ne激光器(輻射計(jì)量為5 mW·mm-2，波長為632.8 nm)對水稻進(jìn)行照射，結(jié)果顯示，He-Ne激光器提高了水稻在高濃度鹽離子環(huán)境下的適應(yīng)性，在一定程度上能降低鹽脅迫對水稻的負(fù)面影響。較高劑量的He-Ne激光器誘變能促進(jìn)分蔥的生長[28]，激光的照射還能提高Rubisco活化酶的活性[29]。CO2激光器的平均輸出功率在氣體激光器中排在前列，CO2激光器照射小麥也能通過提升酶的活性來增強(qiáng)小麥的抗旱性[30]，而且具有造價成本低、發(fā)出的紅外光易被許多物質(zhì)吸收、能量轉(zhuǎn)換率高等優(yōu)點(diǎn)，所以該激光在農(nóng)作物育種、通信、醫(yī)療和工業(yè)加工等方面廣泛應(yīng)用。

圖2 不同He-Ne激光處理下可溶性糖及可溶性蛋白質(zhì)對比[32]

2 激光的植物效應(yīng)

光是植物生長發(fā)育的過程中不可或缺的因素，并且還能起到一定的調(diào)節(jié)作用。而激光對植物的生長發(fā)育、植物的生理代謝活動有一定的影響。有研究顯示，激光的輻照強(qiáng)度和輻照時間決定了激光對植物的作用，低劑量的激光對植物的發(fā)育有一定的正面作用，而高劑量的激光則會出現(xiàn)誘變效應(yīng)。激光對植物體感化機(jī)理較大，但大致可以經(jīng)由激光在光化學(xué)效應(yīng)、遺傳效應(yīng)兩方面對植物產(chǎn)生的作用加以思量。

2.1 激光對植物的光化學(xué)效應(yīng)

植物在光的作用下能激活植物組織或細(xì)胞，從而引起的化學(xué)反應(yīng)，稱為光化學(xué)效應(yīng)。只有被植物體充分利用的光照才有可能對植物體產(chǎn)生影響，被吸收的光可能會加速植物體內(nèi)產(chǎn)生某些生物化學(xué)反應(yīng)。激光作用于植物體后，有機(jī)體吸收了高能量密度的光子，可能發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)。

激光作用于植物體代謝的機(jī)制很有可能為酶受光產(chǎn)生反應(yīng)引起酶的光激活。齊智等[31]研究發(fā)現(xiàn)，使用He-Ne激光器輻照可加速玉米幼苗的可溶性蛋白質(zhì)的合成，改變蠶豆(ViciafabaL.)超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、過氧化氫酶(peroxidase,POD)，推斷出被激光輻照過的種子的萌發(fā)速度會加快的可能原因是，激光刺激了植物體內(nèi)某些酶的表達(dá)，進(jìn)而誘導(dǎo)了種子的萌發(fā)和幼苗的發(fā)育。李曉陽等[32]使用一定劑量的He-Ne激光器照射擬南芥種子，通過對一些指標(biāo)的測定(可溶性蛋白質(zhì)、糖、葉綠素和MDA含量)，發(fā)現(xiàn)適量He-Ne激光的輻照時間(4 min)可以顯著提升酶的活性從而提高可溶性糖和蛋白質(zhì)的含量(見圖2)、葉綠素的含量(見表1)，說明適量的激光對生物體的光效應(yīng)可以促進(jìn)種子的萌發(fā)。

2.2 激光對植物的遺傳效應(yīng)

一般認(rèn)為，激光對生物作用機(jī)制與其受到的光、壓力、熱、電磁和生物刺激效應(yīng)有關(guān)。有研究稱，0.632 8 μm的He-Ne激光照射的植物中都產(chǎn)生了自由基[33]，這是由于多光子作用產(chǎn)生的，同時也使得不同波長的激光可能會對同一生物體產(chǎn)生共振作用[34]。從而更容易產(chǎn)生“共振”作用使DNA鍵斷裂，導(dǎo)致生物體內(nèi)染色體發(fā)生基因突變、染色體結(jié)構(gòu)的改變或關(guān)鍵性遺傳物質(zhì)發(fā)生改變。

表1 He-Ne激光處理下葉綠素含量的變化[32]

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同列不同小寫字母表示不同處理之間在0.05水平存在顯著差異(n=3)。a代表一個處理組，b代表為一個處理組，ab表示 CK與L1、L3、L4有無顯著差異，與L2、L5有顯著差異。若一個字母處理為a，則與一切包含a的無顯著差異，和所有不包含a的具有顯著出差異(b、c、d同理)。若為多個字母如cd，則與一切既不包含c也不包含d的處理有顯著差異，和包含了c或者d的無顯著差異。

從激光育種機(jī)理研究，使用激光輻照能加快染色體之間的交換，誘導(dǎo)了染色體和染色單體的變異。有研究顯示，在受激光輻照的染色體中，染色體間發(fā)生鏈接，直至分裂后期以1.2 μm的距離分開，并始終保持原來的空間形態(tài)。另有研究發(fā)現(xiàn)，激光輻射還能讓染色體內(nèi)的DNA的氫鍵斷裂，或者通過激發(fā)DNA中合成酶來誘導(dǎo)DNA雙鏈解開，進(jìn)而誘發(fā)DNA的修復(fù)合成。He-Ne激光器可降低被UV-B輻照的小麥根尖細(xì)胞染色體數(shù)目[35],緩解UV-B輻照對胚總RNA合成的抑制，促進(jìn)種子DNA的修復(fù)合成速率，有助于修復(fù)被UV-B損傷的植物DNA[36]。相關(guān)研究有助于驗(yàn)證激光作用植物的光化學(xué)反應(yīng)及遺傳效應(yīng)機(jī)制。

圖3 不同劑量He-Ne激光、Nd∶YAG激光輻照對不同品種的水稻的發(fā)芽勢[40]

3 激光在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)主要是將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)從天然的環(huán)境因素到利用自然，使用科學(xué)技術(shù)手段來改造自然環(huán)境以獲取高生產(chǎn)率為目的。而在所有的環(huán)境因素中，光是影響植物發(fā)育、形態(tài)構(gòu)建和物質(zhì)積累的因素之一[37]。由于激光對植物具有生物效應(yīng)，因此激光可應(yīng)用于誘變育種，自20世紀(jì)70年代初，我國在激光突變育種進(jìn)行了研究，目前無論是在農(nóng)作物領(lǐng)域(糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物)還是在水產(chǎn)以及微生物領(lǐng)域都獲得了豐碩的研究成果。下面將從糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物兩方面進(jìn)行論述。

3.1 糧食作物

3.1.1 水稻

鑒于水稻在我國的經(jīng)濟(jì)地位，備受青睞。目前用于植物補(bǔ)光的激光器包括He-Ne激光器、CO2激光器、N2激光器、Ar+激光器以及激光二極管。

激光對水稻種子的誘變及生長發(fā)育的影響：焦順吉等[38]使用鈦寶石飛秒激光照射龍稻5號水稻種子，發(fā)現(xiàn)種子的發(fā)芽情況受不同劑量的激光調(diào)控，結(jié)果表明，SOD酶和POD酶的突變可能是水稻幼苗受激光的影響產(chǎn)生了基因突變。王晟宇等[39]利用He-Ne激光(功率1.2 mW，波長632.8 nm)分別輻射20粒云恢290、會粳17號、明兩優(yōu)527、兩優(yōu)1259種子，輻照時間分別為0,15,20,25,30,35 min，結(jié)果表明，激光輻照對水稻種子的萌發(fā)有較大的誘導(dǎo)作用，在一定程度上可以促進(jìn)水稻種子的萌發(fā)和幼苗的生長。王一波等[40]分別利用He-Ne(波長632.8 nm)、Nd∶YAG(波長532 nm)激光對3種水稻種子(黔優(yōu)207、茂優(yōu)601、汕優(yōu)聯(lián)合2號)進(jìn)行輻照，實(shí)驗(yàn)得出(見圖3)，一定劑量的2種激光對不同品種水稻的發(fā)芽率以及發(fā)芽勢均有顯著提高,且不同品種的水稻對激光的敏感性不同導(dǎo)致所需要的激光劑量也不相同，研究表明一定劑量的激光可以促進(jìn)水稻的發(fā)育以及提高水稻的突變率。

激光對提高水稻的抗逆性：馬曉麗等[41]選用水稻9311作為對照、將耐鹽海稻86作為實(shí)驗(yàn)對象，利用0.5%的氯化鈉模擬鹽脅迫，使用He-Ne激光(輻照劑量5 mW·mm-2,波長為632.8 nm)進(jìn)行照射，結(jié)果顯示適量的He-Ne激光輻照一定程度上能緩解鹽脅迫對水稻產(chǎn)生的負(fù)面影響，其中水稻9311的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)最為明顯，表明一定劑量的Ne-He激光可以提高水稻在高鹽離子環(huán)境的適應(yīng)性。朱培良等[42]使用波長為118.8 μm的亞毫米波對水稻進(jìn)行輻照，研究得出功率(2～5 W)與輻照時間為60 min使水稻后代的抗病突變率達(dá)到了38.0%。也說明合適劑量的激光輻照量能提高水稻后代的抗病突變率，對促進(jìn)我國水稻發(fā)展有重要意義。

3.1.2 小麥

近年來，由于臭氧層減薄導(dǎo)致增強(qiáng)UV-B輻照，破壞植物的葉綠體結(jié)構(gòu)和功能。激光可以修復(fù)小麥的損傷及提高其細(xì)胞器中酶的活性：根據(jù)研究[43-44],合適劑量的激光輻照可修復(fù)被增強(qiáng)UV-B損傷的小麥葉片，提高PAL、POD及Na+/K+-ATP酶的活性。常阿麗等[45]研究表明，選用“ML7113”小麥幼苗為實(shí)驗(yàn)研究對象，采用He-Ne激光(5 mW·mm-2)和增強(qiáng)UV-B[10.8 kJ/(m2·d)-1]輻射以及2種激光混合輻照處理，使用葉綠素?zé)晒鈨x測定，經(jīng)不同天數(shù)處理后，幼苗葉綠素?zé)晒馓匦缘淖兓?，結(jié)果得出小麥在較低的Ne-He激光器輻照后，在一定程度上修復(fù)小麥幼苗葉綠素?zé)晒饨?jīng)UV-B輻照后造成的損傷。

激光可以提高小麥的抗逆性：分別以不同輻照強(qiáng)度的He-Ne激光器對小麥(受到低溫脅迫)進(jìn)行輻照，結(jié)果顯示，處理時間為2 min、輻照劑量為20.8 J時，顯著提高CAT、SOD和POD，3種酶的活性從而提高了小麥的抗寒性。有研究顯示，利用CO2激光與外源NO在低溫下也可對小麥進(jìn)行保護(hù)[46]。李金亭等[47]用He-Ne激光預(yù)處理被鎘脅迫的小麥，經(jīng)過預(yù)處理可通過緩解鎘脅迫對小麥的生長抑制、促進(jìn)酶和非酶類的氧化劑的生成、降低產(chǎn)生脂質(zhì)過氧化物的量，以提高小麥在鎘脅迫環(huán)境中的適應(yīng)性。使用激光在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，減輕了環(huán)境對小麥帶來的影響。

3.2 經(jīng)濟(jì)作物

3.2.1 棉花

棉花的生長不僅受溫度、光照、水分和養(yǎng)分等壞境因素的影響，還受激光、激素等物理、化學(xué)技術(shù)的影響。許玉璋等[48]使用不同種的He-Ne激光器對四組秦棉一號進(jìn)行試驗(yàn)，探究激光對棉花生長發(fā)育規(guī)律的影響。不同的激光處理對棉花生育期的影響如表2所示，不同激光處理對棉鈴的影響如表3所示。研究表明，用20 mW 10′He-Ne激光器處理的棉花，比對照組現(xiàn)蕾期和吐絮期分別提前6、10 d，伏桃比對照組高出37.3%，棉花的成熟周期得到縮短和產(chǎn)量得以提高。

3.2.2 花生

花生作為我國主要經(jīng)濟(jì)作物之一，但由于UV-B輻照產(chǎn)生的影響，使花生的幼苗的光合速率，水分利用率和酶的活性降低，導(dǎo)致一直以來花生的生長受到制約使其產(chǎn)量受到約束。高曉玲等[49],使用He-Ne激光器(MSHN-A-B450MM波長為632.8 nm，輸出功率為30 mW,光斑直徑6 mm)照射被UV-B輻照的植物種子的胚，結(jié)果如表4，實(shí)驗(yàn)表明，Ne-He激光對UV-B輻照過的花生幼苗具有明顯的修復(fù)效應(yīng)，并且He-Ne激光通過激發(fā)酶的活性，以提高幼苗的氣孔張開、水分利用率和凈光合速率，對花生的增產(chǎn)具有重要的作用。為研究不同劑量，不同波長對花生的影響，歐琳等[50]研究了Kr+、Ar+、YAG、LD等不同激光器對花生幼苗的影響，研究表明，輻照劑量為23/cm2的情況下，在較大的功率密度下(實(shí)驗(yàn)為1.28 W/cm2),長波長的激光對花生種子的發(fā)育具有將較強(qiáng)的促進(jìn)作用，在較小的功率密度下(實(shí)驗(yàn)為0.128/cm2)，短波長的激光對花生幼苗的生長有顯著的促進(jìn)作用。

表2 不同激光處理對棉花生育期(月/日)的影響[48]

表3 不同激光處理對株鈴的影響[48]

表4 紫外線和激光輻射對花生的效應(yīng)[49]

4 結(jié) 語

目前我國高新激光器技術(shù)主要應(yīng)用于軍事、工業(yè)、航天航空等方面，但是激光對植物的所需光波長、單位面積受照強(qiáng)度、輻照時間的研究數(shù)據(jù)較少，例如將激光應(yīng)用在種子處理、幼苗發(fā)育、植物的生物效應(yīng)以及激光的作用機(jī)制的研究，雖然國內(nèi)在激光處理對部分植物的抗輻射、耐鹽性、抗旱性的研究取得了很好的成績，而且激光在誘變育種、激光提高植物的抗逆性、增加農(nóng)作物的產(chǎn)量具有較強(qiáng)的促進(jìn)作用，但是不成規(guī)模。并且近幾年我國物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、生物技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展，為激光對植物的研究提供了分析捷徑，未來可通過激光與高新技術(shù)相結(jié)合的方式以加快激光對植物的作用機(jī)理研究的速度。