农业超声波应用前景

1超声波在农业中的应用

1.1超声波处理与加工的基本原理

超声波处理与加工设备主要是由四个部分组成:超声波发生器、换能器、超声波聚能器及超声波发生器和换能器之间的匹配电路。如图1所示,超声波发生器产生一定高频电能提供给超声换能器,由超声换能器将电能量转化成机械能,然后通过超声波聚能器将机械能放大,将声能作用在待处理的物质上。超声波的生物效应应用十分广泛,其主要的生物效应是源于空化作用引起的机械效应和热效应等。超声波处理与加工的基本原理主要是利用液体动力学的空化现象。超声空化是指超声波激活气泡的各种动力表现,这些表现可能是较为有规律而缓和的稳态空化或者是很激烈而短暂的瞬态空化。瞬态空化泡绝热收缩至崩溃瞬间,泡内可呈现高温和几千个大气压的高压,并伴有强大的冲击波或射流等。超声波的辐照因其机械作用,能使液体媒质质点运动增强,质量传输加速,还能影响边界层、膜、细胞壁和液泡。超声的空化作用还能破坏细胞并使酶变性等。以下所举的超声波在农业中的一些新应用基本上都是循着上述的基本原理而实现的。

1.2超声测定土壤中的铅[1]

铅是一种对人体有害的元素,它是土壤分析中的常测元素。采用悬浮液直接进样火焰原子吸收光谱法测定土壤中的铅时,由于土壤样品的取样量大,使得悬乳液的粘度大、不易分散均匀而影响进样的缺点。采用先用超声波处理悬浮液后进样的方法,可使进样顺利和使悬浮液稳定时间延长;十二烷基硫酸钠(SDS)增敏可以提高悬浮液直接进样火焰原子吸收光谱法测定的灵敏度。该方法快速、简单、准确,适用于各种土壤样品中铅的测定。

1.3超声处理种子

应用超声波处理种子,早在前苏联就已有了不少研究。根据外国文献所载,少量的超声波能刺激细胞分裂,中等量的超声波会抑制细胞分裂,大量的能引起细胞死亡。在上世纪,就有人用超声波对菠菜和白菜种子进行实验。其实验结果显示,在对白菜种子用超声波处理1分钟和2分钟时,其种子的发芽率为92%~96%,而未用超声波处理的白菜种子发芽率为88%。在对菠菜种子用超声波处理1分钟后,其出土率为85%,而未用超声波处理的菠菜种子出土率为40%[2]。用超声波处理的种子在日后增产也比较显著。低频脉冲超声波对小麦幼苗变异较明显。经超声波照射的水培变异幼苗,出现率为8.57±8.25%,对照的自然变异出现率为1.00±1.28%;田间种植变异幼苗出现率为18.21±2.54%,对照的自然变异出现率为14.58±2.59%。经照射的咸农68小麦单株粒重超过亲本的家系达55.17%,超亲达1%显著水准占超亲家系87.50%。经照射的四方穗小麦,单株粒重超亲家系达69.23%,达到1%显著水准的超亲家系占77.78[3]。

1.4超声处理对植物生长的影响

与其他环境应力一样,超声波作为应力的一种作用形式,对植物的生长发育有重要的影响。近年来,在超声处理下,从对植物生长变化的宏观观察到对植物生理生化的研究,从对植物细胞、组织、分裂生长的影响研究到对超声处理对植物作用机理的探讨,均取得了很多的成效。超声处理可以影响植物体或者某些器官的生存和生长。对器官生长影响的研究主要集中在根上,温和的超声处理能促进生根[4]。植物细胞经超声波处理,出现了一致现象,即低剂量、短时间的温和处理能明显加速和诱导植物细胞的分裂,刺激细胞生长,加速原生质体的蛋白合成;而处理时间延长,处理剂量加大则会造成负面的不可恢复的影响。利用超声波对保鲜液处理,能使插花推迟鲜重始降时间,增大最大花茎,延长插花寿命[5,6]。可见,一定频率和强度的超声波处理可以强化植物的一些生理生化指标,促进植物的生长发育。

1.5超声处理对植物呼吸作用的影响

关于植物呼吸作用的研究一直是植物生理学研究的一个热点,特别对农作物来说,其呼吸作用的大小直接关系到产量的高低,所以它的研究对农业的发展具有十分重要的理论和实际意义。1975年AlbuE研究发现低频率超声波(25kHz)处理蔬菜之后,一年生植物(如番茄和黄瓜)的呼吸强度下降,而两年生植物(如卷心菜和洋葱)的呼吸强度上升[7]。自此我们可以推测,利用超声处理相关的农作物可以提高作物的产量。

1.6超声波犁田

传统的翻地犁需要笨重的机器牵引,这不仅会压实深层的土壤,使其不能保持水分和养料;而且翻起的地表土会被风和雨水侵蚀。这是许多农民的一大心病。此外,由于多次的翻犁,植物的根以及腐烂的残留植物被翻出地表,他们会散发出二氧化碳气体。约旦的农机工程师奈达•阿布哈德发明了利用超声波松土。他的实验结果显示:松土可达土壤深度20cm。这完全满足了一般农作物的松土深度。

1.7超声处理植物根系[8]

糖类是植物体内的主要成分之一,可溶性糖主要指的是单糖和低聚糖。磷酸单糖在植物细胞中的含量不高,但它们都是光合作用及呼吸作用过程中的主要中间产物,在代谢过程中极为重要。经超声波刺激后,根系中的可溶性糖含量比对照组高大约29.6%。丰富的蛋白质是细胞进行一系列生理活动的物质基础,经过超声波刺激后,根系中的可溶性蛋白增加了35.3%,高水平的可溶性蛋白质含量保证了细胞旺盛的分裂生长能力,这说明了经过超声波刺激后,植物根部细胞分裂旺盛,生长能力强。

1.8超声除虫[9]

及促进蚕卵孵化用250W-CFS超声波发生器(中原电子仪器厂出品)匹配自带的清洗槽,果实内已生有虫子的板栗浸在清洗槽里的自来水中,在19.5~20.5kHz下,开机处理15min,结束后去水晾干,保存2周。切开板栗果实检查,长10mm左右的幼虫仍存活,而6mm以下的幼虫死亡。加长处理时间,虫子的死亡率基本一致。另外,有人曾用类似的方法及设备处理过蚕卵(约半分钟内),直接结果是蚁蚕的孵化时间达到基本一致;追踪结果为比同样条件下长大的成虫做的蚕茧的抽丝率提高。也曾有人试图用超声处理水果(苹果、梨等)中害虫,但大多无果而终。

2有待解决的问题

超声波应用于农业是一个相对较早的研究领域,但目前还没有推广使用,仍处于探索阶段,要使之进一步发展应主要从以下几个方面努力。

2.1理论研究完善问题

超声波产生的生物效应不仅与生物组织受辐照的总剂量有关,更重要的是与照射剂量在空间与时间的分配有关。对于不同生物组织,这些关系有所不同。由于影响因素很多,目前取得的一些实验结果重复性尚不能令人满意,规律性仍有待探索,因而这方面的研究尚有大量工作要做。

2.2放大问题

目前,有关超声波产生的生物效应,虽然已在处理量小的情况下应用,但大多属于实验室研究,还缺乏放大使用的中间数据;反映过程的定量化描述,还没有规范化和定量化的尺度,故在超声波刺激生物的生物效应及机理、反应动力学和反应器的放大设计仍需要做大量的、充分的研究工作。

2.3协同性问题

虽然超声波在农业生产方面具有极大优势,但超声波对生物体的作用是多方面的,这决定于超声波的频率、强度和作用时间。高强度的超声波会破碎细胞,使酶失活。而低强度的超声波可以促进细胞生长,增加酶活性,这使得超声波在农业中的应用具有双重性。所以,要使超声处理生物体从理论角度来看更合理,应将超声处理与其它处理技术联合使用,这样从技术上可行,经济上更为合理。

3超声波在农业中应用的前景展望

3.1新型高效换能器的出现

磁致伸缩材料是传统的超声换能器材料,由于其性能稳定、功率容量大及机械强度好等优点,至今仍在一些特殊领域被继续应用,但也有换能器的能量转换效率较低、激发电路复杂以及材料加工较困难等不足之处。随着压电陶瓷材料的大规模推广应用,在一个时期内磁致伸缩材料有被压电材料替代的迹象。然而,随着一些新型的磁致材料的出现,如铁氧体、稀土超磁致伸缩材料以及铁磁流体换能器材料等,磁致伸缩换能器又受到了人们的重视。可以预见,随着材料加工工艺的提高以及成本的降低,一些新型的磁致伸缩材料将在水声以及超声等领域中获得广泛的应用[10]。目前,超声换能器的工作频率从常用的低频率(20kHz)发展到较高频率(几百千甚至数兆赫兹数量级),且换能器的工作频率也从单一的工作频率发展到多个工作频率。另外,由于材料科学与技术的发展,新型的压电材料也被研制出来。此外,新型的稀土超磁致伸缩材料的成功研制也为新型的磁致伸缩换能器的研制打下了坚实的基础。这些新型高效的换能器的成功研制必将使超声技术的应用范围扩大。

3.2超声技术在农业中的应用将有新的发展与提高

随着超声技术在农业中的应用逐步开展,对探索大功率、高频、高声强和低频不同脉冲超声(此类设备仪器须带有超声参量的自动控制程序)等条件下,作物诱变育种效应的研究,提出更有效的实验依据和手段。同时,超声也可与远红外线辐射育种和处理农作物种子[11]的技术结合起来进行,以诱发突变,从中选育出优良变异个体,通过一系列育种程序,培育新品种,国外已有了这种试验,效果还算不错;超声在药材种植生产上的应用前途和潜力还很大,对促进国家药材生产的发展具有较大的实际意义;超声为农、林、牧业上的人工增雨方面也作出了一定的贡献[12]。目前在国内对超声波在农业中的应用,尚未引起有关方面的足够重视。但从许多实验实践证明,超声波在农业中应用的可能性和多样性的潜力是很大的,它已显示出其威力和广阔前景。根据国内外已有的太空试验结果,作者预计,如果在地面用超声处理过的种子再带到太空去使其发芽生长,很可能会有更为神奇的结果出现。我们完全可以相信,用不了多长的时间,新型超声技术将会在为我国的社会主义农业现代化服务,提高农业生产率(丰产丰收)中,起到特有的作用。