深度学习激光除草技术对比传统除草剂在三种蔬菜生产系统中的效能研究

这篇综述系统评估了基于深度学习（DL）的激光除草技术在美国东北部三种蔬菜（甜菜、菠菜、豌豆）生产中的表现。研究表明，激光除草对直立型一年生杂草（如藜Chenopodium album和豚草Ambrosia artumisiifolia）的控制效果等同或优于常规除草剂（S-甲草胺、苯达松和甜菜宁），但对马齿苋（Portulaca oleracea）和禾本科杂草效果较弱。激光处理使杂草覆盖减少≥45%，密度降低≥66%，最终生物量减少≥97%，同时作物损伤≤1%且生物量增加≥30%。该技术为应对除草剂抗性、劳动力短缺等挑战提供了非化学解决方案，但需优化多环境适用性和商业化速度。

　　

摘要

2024年在美国新泽西州和纽约州开展的田间试验首次对比了商用激光除草系统（Carbon Robotics Autonomous LaserWeeder?）与传统除草方案在甜菜（Beta vulgaris）、菠菜（Spinacia oleracea）和豌豆（Pisum sativum）生产中的表现。试验采用随机区组设计，评估了激光单用或与S-甲草胺（S-metolachlor）联用对杂草控制、作物生长及产量的影响。

背景

传统蔬菜生产依赖除草剂和耕作，但面临抗性发展（北美已报道30例抗性杂草）、作物药害和劳动力短缺等挑战。激光除草通过CO₂激光（150W×8模块）精准破坏杂草分生组织，配合深度学习算法（Nvidia GPU驱动）实现实时识别，定位精度达1mm。

结果

新泽西豌豆试验：激光处理对藜和豚草的控制率达95-99%，显著优于吡啶特（27-64%）。两轮激光处理使杂草生物量减少97%，而苯达松+咪草烟组合导致豌豆减产9%。
新泽西菠菜试验：激光三次处理使杂草密度降低95-98%，而S-甲草胺单用仅降低73%。激光处理组菠菜单株重达71g，比除草剂组高28%。
纽约多作物试验：激光对藜的控制效果（95%）超过S-甲草胺单用（77%），但马齿苋因连续出苗和匍匐生长特性，控制率降至70%。联用S-甲草胺和激光使杂草生物量减少99%。

讨论

技术优势：

1. 分生组织精准靶向：对2叶期以下杂草最有效，能量需求0.1-2J/mm²（CO₂激光）。
2. 作物安全：豌豆、菠菜损伤≤1%，而S-甲草胺导致甜菜出苗率降低56%（纽约强降雨引发土壤板结）。
3. 环境友好：减少化学残留和土壤扰动。

局限性：

• 对禾本科杂草（如狗尾草Setaria spp.）效果较差（75%控制率），因其分生组织受叶片保护。
• 处理速度较慢（13-33s/m），需配合播前除草剂提升效率。

结论

激光除草在蔬菜系统中展现出替代传统除草剂的潜力，尤其适合抗性杂草管理。未来需优化不同环境（如塑料栽培）下的应用参数，并评估新型二极管激光系统（2025年商用）的经济性。研究得到美国新泽西州农业试验站和纽约蔬菜研究委员会资助。