農(nóng)業(yè)超聲波應(yīng)用前景

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1超聲波在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

1.1超聲波處理與加工的基本原理

超聲波處理與加工設(shè)備主要是由四個部分組成:超聲波發(fā)生器、換能器、超聲波聚能器及超聲波發(fā)生器和換能器之間的匹配電路。如圖1所示,超聲波發(fā)生器產(chǎn)生一定高頻電能提供給超聲換能器,由超聲換能器將電能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能,然后通過超聲波聚能器將機(jī)械能放大,將聲能作用在待處理的物質(zhì)上。超聲波的生物效應(yīng)應(yīng)用十分廣泛,其主要的生物效應(yīng)是源于空化作用引起的機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)等。超聲波處理與加工的基本原理主要是利用液體動力學(xué)的空化現(xiàn)象。超聲空化是指超聲波激活氣泡的各種動力表現(xiàn),這些表現(xiàn)可能是較為有規(guī)律而緩和的穩(wěn)態(tài)空化或者是很激烈而短暫的瞬態(tài)空化。瞬態(tài)空化泡絕熱收縮至崩潰瞬間,泡內(nèi)可呈現(xiàn)高溫和幾千個大氣壓的高壓,并伴有強(qiáng)大的沖擊波或射流等。超聲波的輻照因其機(jī)械作用,能使液體媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動增強(qiáng),質(zhì)量傳輸加速,還能影響邊界層、膜、細(xì)胞壁和液泡。超聲的空化作用還能破壞細(xì)胞并使酶變性等。以下所舉的超聲波在農(nóng)業(yè)中的一些新應(yīng)用基本上都是循著上述的基本原理而實(shí)現(xiàn)的。

1.2超聲測定土壤中的鉛[1]

鉛是一種對人體有害的元素,它是土壤分析中的常測元素。采用懸浮液直接進(jìn)樣火焰原子吸收光譜法測定土壤中的鉛時,由于土壤樣品的取樣量大,使得懸乳液的粘度大、不易分散均勻而影響進(jìn)樣的缺點(diǎn)。采用先用超聲波處理懸浮液后進(jìn)樣的方法,可使進(jìn)樣順利和使懸浮液穩(wěn)定時間延長;十二烷基硫酸鈉(SDS)增敏可以提高懸浮液直接進(jìn)樣火焰原子吸收光譜法測定的靈敏度。該方法快速、簡單、準(zhǔn)確,適用于各種土壤樣品中鉛的測定。

1.3超聲處理種子

應(yīng)用超聲波處理種子,早在前蘇聯(lián)就已有了不少研究。根據(jù)外國文獻(xiàn)所載,少量的超聲波能刺激細(xì)胞分裂,中等量的超聲波會抑制細(xì)胞分裂,大量的能引起細(xì)胞死亡。在上世紀(jì),就有人用超聲波對菠菜和白菜種子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在對白菜種子用超聲波處理1分鐘和2分鐘時,其種子的發(fā)芽率為92%~96%,而未用超聲波處理的白菜種子發(fā)芽率為88%。在對菠菜種子用超聲波處理1分鐘后,其出土率為85%,而未用超聲波處理的菠菜種子出土率為40%[2]。用超聲波處理的種子在日后增產(chǎn)也比較顯著。低頻脈沖超聲波對小麥幼苗變異較明顯。經(jīng)超聲波照射的水培變異幼苗,出現(xiàn)率為8.57±8.25%,對照的自然變異出現(xiàn)率為1.00±1.28%;田間種植變異幼苗出現(xiàn)率為18.21±2.54%,對照的自然變異出現(xiàn)率為14.58±2.59%。經(jīng)照射的咸農(nóng)68小麥單株粒重超過親本的家系達(dá)55.17%,超親達(dá)1%顯著水準(zhǔn)占超親家系87.50%。經(jīng)照射的四方穗小麥,單株粒重超親家系達(dá)69.23%,達(dá)到1%顯著水準(zhǔn)的超親家系占77.78[3]。

1.4超聲處理對植物生長的影響

與其他環(huán)境應(yīng)力一樣,超聲波作為應(yīng)力的一種作用形式,對植物的生長發(fā)育有重要的影響。近年來,在超聲處理下,從對植物生長變化的宏觀觀察到對植物生理生化的研究,從對植物細(xì)胞、組織、分裂生長的影響研究到對超聲處理對植物作用機(jī)理的探討,均取得了很多的成效。超聲處理可以影響植物體或者某些器官的生存和生長。對器官生長影響的研究主要集中在根上,溫和的超聲處理能促進(jìn)生根[4]。植物細(xì)胞經(jīng)超聲波處理,出現(xiàn)了一致現(xiàn)象,即低劑量、短時間的溫和處理能明顯加速和誘導(dǎo)植物細(xì)胞的分裂,刺激細(xì)胞生長,加速原生質(zhì)體的蛋白合成;而處理時間延長,處理劑量加大則會造成負(fù)面的不可恢復(fù)的影響。利用超聲波對保鮮液處理,能使插花推遲鮮重始降時間,增大最大花莖,延長插花壽命[5,6]?？梢?一定頻率和強(qiáng)度的超聲波處理可以強(qiáng)化植物的一些生理生化指標(biāo),促進(jìn)植物的生長發(fā)育。

1.5超聲處理對植物呼吸作用的影響

關(guān)于植物呼吸作用的研究一直是植物生理學(xué)研究的一個熱點(diǎn),特別對農(nóng)作物來說,其呼吸作用的大小直接關(guān)系到產(chǎn)量的高低,所以它的研究對農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有十分重要的理論和實(shí)際意義。1975年AlbuE研究發(fā)現(xiàn)低頻率超聲波(25kHz)處理蔬菜之后,一年生植物(如番茄和黃瓜)的呼吸強(qiáng)度下降,而兩年生植物(如卷心菜和洋蔥)的呼吸強(qiáng)度上升[7]。自此我們可以推測,利用超聲處理相關(guān)的農(nóng)作物可以提高作物的產(chǎn)量。

1.6超聲波犁田

傳統(tǒng)的翻地犁需要笨重的機(jī)器牽引,這不僅會壓實(shí)深層的土壤,使其不能保持水分和養(yǎng)料;而且翻起的地表土?xí)伙L(fēng)和雨水侵蝕。這是許多農(nóng)民的一大心病。此外,由于多次的翻犁,植物的根以及腐爛的殘留植物被翻出地表,他們會散發(fā)出二氧化碳?xì)怏w。約旦的農(nóng)機(jī)工程師奈達(dá)•阿布哈德發(fā)明了利用超聲波松土。他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:松土可達(dá)土壤深度20cm。這完全滿足了一般農(nóng)作物的松土深度。

1.7超聲處理植物根系[8]

糖類是植物體內(nèi)的主要成分之一,可溶性糖主要指的是單糖和低聚糖。磷酸單糖在植物細(xì)胞中的含量不高,但它們都是光合作用及呼吸作用過程中的主要中間產(chǎn)物,在代謝過程中極為重要。經(jīng)超聲波刺激后,根系中的可溶性糖含量比對照組高大約29.6%。豐富的蛋白質(zhì)是細(xì)胞進(jìn)行一系列生理活動的物質(zhì)基礎(chǔ),經(jīng)過超聲波刺激后,根系中的可溶性蛋白增加了35.3%,高水平的可溶性蛋白質(zhì)含量保證了細(xì)胞旺盛的分裂生長能力,這說明了經(jīng)過超聲波刺激后,植物根部細(xì)胞分裂旺盛,生長能力強(qiáng)。

1.8超聲除蟲[9]

及促進(jìn)蠶卵孵化用250W-CFS超聲波發(fā)生器(中原電子儀器廠出品)匹配自帶的清洗槽,果實(shí)內(nèi)已生有蟲子的板栗浸在清洗槽里的自來水中,在19.5~20.5kHz下,開機(jī)處理15min,結(jié)束后去水晾干,保存2周。切開板栗果實(shí)檢查,長10mm左右的幼蟲仍存活,而6mm以下的幼蟲死亡。加長處理時間,蟲子的死亡率基本一致。另外,有人曾用類似的方法及設(shè)備處理過蠶卵(約半分鐘內(nèi)),直接結(jié)果是蟻蠶的孵化時間達(dá)到基本一致;追蹤結(jié)果為比同樣條件下長大的成蟲做的蠶繭的抽絲率提高。也曾有人試圖用超聲處理水果(蘋果、梨等)中害蟲,但大多無果而終。

2有待解決的問題

超聲波應(yīng)用于農(nóng)業(yè)是一個相對較早的研究領(lǐng)域,但目前還沒有推廣使用,仍處于探索階段,要使之進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)主要從以下幾個方面努力。

2.1理論研究完善問題

超聲波產(chǎn)生的生物效應(yīng)不僅與生物組織受輻照的總劑量有關(guān),更重要的是與照射劑量在空間與時間的分配有關(guān)。對于不同生物組織,這些關(guān)系有所不同。由于影響因素很多,目前取得的一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性尚不能令人滿意,規(guī)律性仍有待探索,因而這方面的研究尚有大量工作要做。

2.2放大問題

目前,有關(guān)超聲波產(chǎn)生的生物效應(yīng),雖然已在處理量小的情況下應(yīng)用,但大多屬于實(shí)驗(yàn)室研究,還缺乏放大使用的中間數(shù)據(jù);反映過程的定量化描述,還沒有規(guī)范化和定量化的尺度,故在超聲波刺激生物的生物效應(yīng)及機(jī)理、反應(yīng)動力學(xué)和反應(yīng)器的放大設(shè)計仍需要做大量的、充分的研究工作。

2.3協(xié)同性問題

雖然超聲波在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面具有極大優(yōu)勢,但超聲波對生物體的作用是多方面的,這決定于超聲波的頻率、強(qiáng)度和作用時間。高強(qiáng)度的超聲波會破碎細(xì)胞,使酶失活。而低強(qiáng)度的超聲波可以促進(jìn)細(xì)胞生長,增加酶活性,這使得超聲波在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用具有雙重性。所以,要使超聲處理生物體從理論角度來看更合理,應(yīng)將超聲處理與其它處理技術(shù)聯(lián)合使用,這樣從技術(shù)上可行,經(jīng)濟(jì)上更為合理。

3超聲波在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的前景展望

3.1新型高效換能器的出現(xiàn)

磁致伸縮材料是傳統(tǒng)的超聲換能器材料,由于其性能穩(wěn)定、功率容量大及機(jī)械強(qiáng)度好等優(yōu)點(diǎn),至今仍在一些特殊領(lǐng)域被繼續(xù)應(yīng)用,但也有換能器的能量轉(zhuǎn)換效率較低、激發(fā)電路復(fù)雜以及材料加工較困難等不足之處。隨著壓電陶瓷材料的大規(guī)模推廣應(yīng)用,在一個時期內(nèi)磁致伸縮材料有被壓電材料替代的跡象。然而,隨著一些新型的磁致材料的出現(xiàn),如鐵氧體、稀土超磁致伸縮材料以及鐵磁流體換能器材料等,磁致伸縮換能器又受到了人們的重視。可以預(yù)見,隨著材料加工工藝的提高以及成本的降低,一些新型的磁致伸縮材料將在水聲以及超聲等領(lǐng)域中獲得廣泛的應(yīng)用[10]。目前,超聲換能器的工作頻率從常用的低頻率(20kHz)發(fā)展到較高頻率(幾百千甚至數(shù)兆赫茲數(shù)量級),且換能器的工作頻率也從單一的工作頻率發(fā)展到多個工作頻率。另外,由于材料科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展,新型的壓電材料也被研制出來。此外,新型的稀土超磁致伸縮材料的成功研制也為新型的磁致伸縮換能器的研制打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。這些新型高效的換能器的成功研制必將使超聲技術(shù)的應(yīng)用范圍擴(kuò)大。

3.2超聲技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用將有新的發(fā)展與提高

隨著超聲技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用逐步開展,對探索大功率、高頻、高聲強(qiáng)和低頻不同脈沖超聲(此類設(shè)備儀器須帶有超聲參量的自動控制程序)等條件下,作物誘變育種效應(yīng)的研究,提出更有效的實(shí)驗(yàn)依據(jù)和手段。同時,超聲也可與遠(yuǎn)紅外線輻射育種和處理農(nóng)作物種子[11]的技術(shù)結(jié)合起來進(jìn)行,以誘發(fā)突變,從中選育出優(yōu)良變異個體,通過一系列育種程序,培育新品種,國外已有了這種試驗(yàn),效果還算不錯;超聲在藥材種植生產(chǎn)上的應(yīng)用前途和潛力還很大,對促進(jìn)國家藥材生產(chǎn)的發(fā)展具有較大的實(shí)際意義;超聲為農(nóng)、林、牧業(yè)上的人工增雨方面也作出了一定的貢獻(xiàn)[12]。目前在國內(nèi)對超聲波在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用,尚未引起有關(guān)方面的足夠重視。但從許多實(shí)驗(yàn)實(shí)踐證明,超聲波在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的可能性和多樣性的潛力是很大的,它已顯示出其威力和廣闊前景。根據(jù)國內(nèi)外已有的太空試驗(yàn)結(jié)果,作者預(yù)計,如果在地面用超聲處理過的種子再帶到太空去使其發(fā)芽生長,很可能會有更為神奇的結(jié)果出現(xiàn)。我們完全可以相信,用不了多長的時間,新型超聲技術(shù)將會在為我國的社會主義農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化服務(wù),提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率(豐產(chǎn)豐收)中,起到特有的作用。