11:55 م
الانتاج النباتي -
كتب الزراعة
كتاب : تطبيقات الليزر في الهندسة الزراعية
تواجه الزراعة في القرن الحادي والعشرين تحديات متعددة بما في ذلك زيادة الطلب على الغذاء ، وندرة المياه ، وتغير المناخ ، وقيود موارد الطاقة ، وفقدان الأراضي الصالحة للزراعة بسبب التحضر . من المتوقع أنه على مدار الثلاثين عامًا القادمة ، سينمو عدد سكان العالم بنسبة ~ 25 ٪ (الأمم المتحدة ، 2017) وهذا يستدعي الحاجة إلى تبني تقنيات جديدة وموفرة للطاقة وصديقة للبيئة وغير مدمرة لتحسين الكمية ، جودة وسلامة المنتجات الزراعية لأن الطرق التقليدية لن تكون كافية لإطعام العالم. هناك ثلاث طرق رئيسية لمعالجة الطلب المتزايد على الغذاء ، أي زيادة الأراضي الصالحة للزراعة ، وتعزيز غلة المحاصيل / الإنتاجية ، وتقليل خسائر ما بعد الحصاد .
إن إضافة أراضٍ زراعية جديدة ليست عملية لأن التوسع الحضري المفرط بسبب الضغط السكاني وفقدان موارد المياه العذبة للري قد أدى إلى تقلص الأراضي الزراعية. هناك العديد من الجهود جارية لتقليل تلف المحاصيل المحصودة ، لكن التخفيف من الخسائر وحده لن يكون كافياً ما لم نزيد الإنتاج. في سعينا لزيادة غلة المحاصيل ، تم التركيز حتى الآن على تربية أصناف عالية الغلة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن استخدام واقيات المحاصيل في الحقل مثل لقد أثرت المبيدات الكيميائية ومبيدات الفطريات ومبيدات الأعشاب سلبًا على بيئتنا مما تسبب في مخاوف واسعة النطاق. لذلك ، فإن إدخال تقنيات غير كيميائية جديدة في الإنتاج الزراعي أمر مرغوب فيه للغاية . ومن المثير للاهتمام ، أن تعزيز تحمل النبات ضد الضغوط الحيوية وغير الحيوية كوسيلة لزيادة الإنتاج ظل إلى حد كبير منطقة غير مستكشفة. يمكن أن يوفر الاكتشاف المبكر للضغوط الحيوية / اللاأحيائية وقتًا كافيًا للمزارعين لاتخاذ تدابير علاجية وتقليل الخسائر المقابلة. الليزر ، اختصار لتضخيم الضوء عن طريق الانبعاث المحفز للإشعاع ، هو جهاز بصري يمكنه توليد ضوء أحادي اللون ومتماسك للغاية.
تم تطوير أول ليزر يعمل بواسطة ميمان (1960) وسرعان ما أطلق عليه لقب "حل يبحث عن مشكلة" . على مدى العقود الماضية ، تم استخدام الليزر في مختلف مجالات العلوم والتكنولوجيا مثل الطب ، ومعالجة المواد ، والاتصالات ، إلخ. أثبتت الأبحاث الحديثة أن استخدام الليزر يمكن أن يؤدي إلى تطورات رائدة في مجال إنتاج الأغذية الزراعية . الهدف من هذه المقالة هو مراجعة بعض التطبيقات الهامة لتقنية الليزر في قطاع الزراعة والتحقيق في كيفية / ما إذا كان هذا الفرع من العلوم يمكنه تقديم حلول للعديد من التحديات الزراعية. تناقش المراجعة الشاملة المقدمة للأدبيات الموجودة عملية وتطبيقات خمس تقنيات مختلفة تعتمد على الليزر. التحفيز الحيوي بالليزر ، LIDAR ، تسوية الأرض بالليزر ، مطيافية التألق بالليزر (LIF) ، مطيافية رامان. علاوة على ذلك ، يتم تسليط الضوء على تحديات الأنظمة المختلفة وتحديد المجالات المحتملة للدراسات المستقبلية.
الليزر هو أداة بصرية يمكنها توفير ضوء متماسك أحادي اللون عبر التضخيم البصري باستخدام الانبعاث المحفز للإشعاع الكهرومغناطيسي. تتكون أنظمة الليزر عادةً من وسيط نشط ومصدر للطاقة ورنان بصري. مصدر الطاقة (مصدر المضخة) ينشط نظام الليزر ويحدث عمل الليزر في وسيط الكسب داخل الرنان البصري. يمكن تصنيف الليزر بناءً على وسيط التشغيل إلى أربع فئات رئيسية وهي الحالة الصلبة (على سبيل المثال Nd: YAG) وأشباه الموصلات (مثل الصمام الثنائي لليزر (LD)) والغاز (على سبيل المثال He-Ne و Ar) والصبغة (السائل) (مثل رودامين 6G). يعود الاستخدام الأولي لليزر في العلوم الزراعية إلى أكثر من 50 عامًا عندما كان وايلد وآخرون. (1969) و Paleg و Aspinall (1970) أبلغا عن التأثيرات المحتملة لضوء الليزر في تحسين نمو النبات وتطوره باستخدام ليزر الياقوت و He-Ne ، على التوالي. منذ ذلك الحين ، استكشف العديد من الباحثين استخدام تقنية الليزر في الزراعة. عادةً ما يحدث امتصاص الضوء في النباتات من خلال مكونات المستقبلات الضوئية مثل phytochromes و cryptochromes و phototropins وما إلى ذلك. تمتص عناصر المستقبلات الضوئية هذه الضوء بشكل أساسي في نطاق 600-750 و 500-630 و 320-500 نانومتر على التوالي . إذا تطابق طيف ضوء الليزر الساقط مع الأطوال الموجية المرغوبة للمستقبلات الضوئية ، يحدث امتصاص للضوء. يمكن أن يؤدي تحويل الطاقة الضوئية الممتصة إلى طاقة كيميائية إلى بدء عمليات فسيولوجية وكيميائية حيوية (تُعرف أيضًا باسم التحفيز الحيوي) داخل البذور مما يعزز الإنبات ويحسن المقاومة ضد عوامل الإجهاد المختلفة.
تشير مراجعة الدراسات السابقة ذات الصلة إلى أن ليزر He-Ne كان مصدر الإشعاع الأكثر استخدامًا في دراسات التحفيز الحيوي هذه. علاوة على ذلك ، تسمح مصادر الليزر بدراسة التفاعل بين الضوء أحادي اللون والبنية الجزيئية للنباتات من خلال تقنيات التحليل الطيفي المختلفة مثل LIF و Raman الطيفي. في التحليل الطيفي LIF ، تمتص جزيئات النبات ضوء الليزر ، عادةً في الأشعة فوق البنفسجية (UV) أو النطاق المرئي (مثل 355 ، 532 ، 630 نانومتر ، إلخ) ، ثم تبعث ضوءًا تلقائيًا بطول موجي أطول (بشكل رئيسي ~ 440 ، 520 ، 690 ، و 740 نانومتر) (بوشمان وآخرون ، 2000). توفر أطياف التألق المنبعثة وسيلة لتقييم الخصائص الفسيولوجية والكيميائية للنباتات. في التحليل الطيفي لرامان ، تؤثر فوتونات الليزر على الخلايا المكونة للنبات مما يؤثر على اهتزازاتها الجزيئية أو دورانها وتغيير الجزيئات الاستقطاب.
يوفر التشتت غير المرن الناتج للفوتونات المصحوب بتحول في الطاقة معلومات حول التركيب الجزيئي للحليلة. يمكن استخدام أطوال موجات الليزر المختلفة (λL) من الأشعة فوق البنفسجية المرئية إلى الأشعة تحت الحمراء القريبة في التحليل الطيفي لرامان . ومع ذلك ، فإن شدة إشارة تشتت رامان تتناسب مع λL-4 مما قد يشجع عملية الليزر ذات الطول الموجي المنخفض (جونز وآخرون ، 2019 ؛ ماكريري ، 2000 ؛ تشين وآخرون ، 2017). من ناحية أخرى ، تصدر العديد من العينات إشارة مضان أقوى بكثير تحت إضاءة الليزر المرئية بالأشعة فوق البنفسجية. في مثل هذه الحالات ، تجعل الخلفية الفلورية غير المرغوب فيها في ظاهرة رامان اكتشاف إشارة رامان الأضعف أمرًا صعبًا للغاية. من هذا المعنى ، فإن مصادر الليزر حول 785 نانومتر شائعة في مطياف رامان لأنها يمكن أن توفر توازنًا جيدًا بين المشكلات المذكورة أعلاه. من ناحية أخرى ، يمكن استخدام تقنية LIDAR للحصول على معلومات طبوغرافية وتركيبية للهدف عن طريق تشعيع نبضات الليزر على عينة وتسجيل الوقت للعودة / التحول الطوري للإشارة المنعكسة .
تعد أشعة الليزر القريبة من الأشعة تحت الحمراء والأخضر من مصادر إشعاع LIDAR الشائعة لرسم خرائط لارتفاعات قاع الأرض والبحر / النهر ، على التوالي. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام الليزر لأداء مهام ضبط دقيقة في الحقول الزراعية ، وهو أمر مفيد لإدارة الموارد بكفاءة . تكشف مراجعة شاملة للأدبيات أنه على مدار العقود القليلة الماضية ، تم استكشاف معلمات مختلفة من الليزر (مثل وسيط الكسب ، وقوى الليزر ، وأنماط التشغيل (الموجة أو النبض المستمر) ، وأوقات التعرض ، وما إلى ذلك) في البحوث الزراعية لمختلف التطبيقات. تشتمل أكثر أنواع الليزر المستخدمة شيوعًا على صمامات ليزر ثنائية مع L في النطاق المرئي والأشعة تحت الحمراء (650 ، 660 ، 785 نانومتر ، وما إلى ذلك) ، ليزر He-Ne مع λL من 632.8 نانومتر ، و Nd: YAG مع λL من 1064 نانومتر وكذلك 532 و 355 نانومتر (تضاعف التردد وثلاثة أضعاف التردد ، على التوالي). في القسم التالي ، سيتم مناقشة تطبيقات التقنيات المعتمدة على الليزر في الزراعة بمزيد من التفصيل. ومع ذلك ، فإن الهدف من هذه المراجعة ليس إجراء تحليل تقني متعمق للتقنيات / النتائج المختلفة ، ولكن بدلاً من ذلك ، معالجة المسارات المختلفة التي تقدمها تقنية الليزر في تعزيز الإنتاج الزراعي. يتم توفير وفرة من المراجع ذات الصلة لمزيد من المقالات المحددة ، حيثما ينطبق ذلك.
--------------------
-----------------------------
ليست هناك تعليقات: