超聲波在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用及前景展望


超聲波是指頻率高于人耳聽(tīng)覺(jué)上限的聲波.在自然界中超聲波也是廣泛存在的,只是人耳聽(tīng)不見(jiàn)而已.超聲波易于進(jìn)入海水、地層、人體及很多固體和液體,幾乎能穿透任何材料.因此,在采集材料內(nèi)部信息方面與光波、電磁波相比,超聲波有其獨(dú)特的本領(lǐng).更重要的是,可以利用較大聲率或較高聲強(qiáng)度的超聲波能量來(lái)改變材料的某些狀態(tài)或?qū)ι锏陌l(fā)育生長(zhǎng)產(chǎn)生某些重要的影響.本文結(jié)合有關(guān)研究課題,簡(jiǎn)要報(bào)道了超聲在在農(nóng)業(yè)中的一些新應(yīng)用及其前景展望.
1超聲在農(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(gè)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,通過(guò)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)化機(jī)械能,然后通過(guò)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.超聲波處理與加工的基本原理主要是利用液體動(dòng)力學(xué)的空化現(xiàn)象.超聲空化是指超聲激活氣泡的各種動(dòng)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(gè)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(dòng)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.以下所舉的超聲在農(nóng)業(yè)中的一些新應(yīng)用基本上都是在循著上述的基本原理而實(shí)現(xiàn)的.
1．2超聲測(cè)定土壤中的鉛
鉛是一種對(duì)人體有害的元素．它是土壤分析中的常測(cè)元素.采用懸浮液直接進(jìn)樣火焰原子吸收光譜法測(cè)定土壤中的鉛時(shí),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)樣的特點(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(shí)間長(zhǎng)：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(cè)定的靈敏度.該方法快速、簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確.適用于各種土壤樣品中鉛的測(cè)定.
1．3超聲處理對(duì)種子萌發(fā)率的影響
超聲處理可以影響種子的萌發(fā)率．且這種影響具有種的特異性.研究發(fā)現(xiàn)在溫和的超聲處理?xiàng)l件下可以得到較高的種子萌發(fā)率．而延長(zhǎng)超聲處理的時(shí)間．處理時(shí)間超過(guò)其承受的最大值之后,種子胚的死亡率就會(huì)升高,種子的萌發(fā)力自然就會(huì)下降：因此．在討論超聲處理對(duì)種子萌發(fā)的影響時(shí),不同的處理?xiàng)l件如超聲處理的強(qiáng)度大小及處理時(shí)間長(zhǎng)短都會(huì)不同程度影響種子的萌發(fā),導(dǎo)致結(jié)果有所差異.
1．4超聲處理對(duì)植物生長(zhǎng)的影響
與其他環(huán)境應(yīng)力一樣,超聲作為應(yīng)力的一種作用形式.對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育有重要的影響.超聲處理可以影響植物體或者某些器官的生存和生長(zhǎng).對(duì)器官生長(zhǎng)影響的研究要集中在根上,溫和的超聲處理能促進(jìn)生根嘲.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(shí)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(zhǎng),加速原生質(zhì)體的蛋白合成；而處理時(shí)間延長(zhǎng),處理劑量加大則會(huì)造成負(fù)面的不可恢復(fù)的影響.利用超聲波對(duì)保鮮液處理可以明顯增加切花菊、香石竹等植物花枝鮮重,推遲鮮重始降天數(shù),增大最大花莖,延長(zhǎng)插瓶壽命.可見(jiàn),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(zhǎng)發(fā)育.
1．5超聲處理對(duì)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(gè)熱點(diǎn),特別是對(duì)農(nóng)作物來(lái)說(shuō),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(duì)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(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.自此我們可以推測(cè),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(huì)壓實(shí)深層的土壤,使其不能保持水份和養(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)夫的一大心病.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(huì)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(mǎn)足了一般農(nóng)作物的松土深度.
1．7超聲處理植物根系
糖類(lèi)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.單糖的磷酸在植物細(xì)胞中的含量不高,但它們都是光合作用及呼吸作用過(guò)程中的主要中間產(chǎn)物.在代謝過(guò)程中極為重要.經(jīng)聲波刺激后,根系中的可溶性糖含量比對(duì)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(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ),經(jīng)過(guò)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(zhǎng)能力.這說(shuō)明了經(jīng)過(guò)聲波刺激后,植物根部細(xì)胞分裂旺盛,生長(zhǎng)能力強(qiáng).
1．8超聲除蟲(chóng)及促進(jìn)蠶卵孵化
用250W-CFS超聲發(fā)生器(中原電子儀器廠(chǎng)出品)匹配自帶的清洗槽,在19．5~20．5kHz,果實(shí)內(nèi)已生有蟲(chóng)子的板栗被浸在清洗槽里的自來(lái)水中,開(kāi)機(jī)進(jìn)行處理15分鐘.結(jié)束后去水晾干,保存兩周.切開(kāi)板栗果實(shí)檢查,長(zhǎng)10mm左右的幼蟲(chóng)活,而6mm以下的幼蟲(chóng)死亡.加長(zhǎng)時(shí)間處理,蟲(chóng)子的死亡率基本一致.另外,有人曾用類(lèi)似的方法及設(shè)備處理過(guò)蠶卵(約半分鐘內(nèi)),直接結(jié)果是蟻蠶的孵化時(shí)間達(dá)到基本一致：追蹤結(jié)果為同樣條件下長(zhǎng)大的成蟲(chóng)做的蠶繭的抽絲率提高；也曾有人試圖用超聲處理水果(如：蘋(píng)果、梨等)水果中害蟲(chóng),大多在當(dāng)時(shí)條件下做些小實(shí)驗(yàn)后無(wú)果而終.
2有待解決的問(wèn)題
超聲波應(yīng)用于農(nóng)業(yè)是一個(gè)相對(duì)較早的研究領(lǐng)域,但目前還沒(méi)有推廣使用,仍處于探索階段,要進(jìn)一步發(fā)展其應(yīng)用價(jià)值應(yīng)主要從以下幾個(gè)方面努力：
2．1理論研究完善問(wèn)題
超聲產(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(shí)間的分配有關(guān).對(duì)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)性尚不令人滿(mǎn)意,規(guī)律性仍有待摸索,因而這方面的研究尚有大量工作可作.
2．2放大問(wèn)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(guò)程的定量化描述．還沒(méi)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(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器的放大設(shè)計(jì)仍需要做大量的、充分的研究工作.
2．3協(xié)同性問(wèn)題
雖然超聲在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面具有極大優(yōu)勢(shì)．但超聲波對(duì)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(shí)間.高強(qiáng)度的超聲會(huì)破碎細(xì)胞,使酶失活.而低強(qiáng)度的超聲可以促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng),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(lái)看更合理,應(yīng)將超聲處理與其他處理技術(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,但其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(gè)時(shí)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(jiàn),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.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(幾百千赫茲甚至數(shù)兆赫茲數(shù)量級(jí)),且換能器的工作頻率也從單一的工作頻率發(fā)展到多個(gè)工作頻率.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
超聲產(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(shí)間的分配有關(guān).對(duì)于不同生物組織,這些關(guān)系有所不同.同時(shí),超聲也可與遠(yuǎn)紅外線(xiàn)輻射育種和處理農(nóng)作物種子的技術(shù)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行四,以誘發(fā)突變,從中選育出優(yōu)良變異個(gè)體,通過(guò)一系列育種程序,培育新品種,國(guó)外已有了這種試驗(yàn),效果還算不錯(cuò)；超聲在藥材種植生產(chǎn)上的應(yīng)用前途和潛力還很大．對(duì)促進(jìn)國(guó)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).目前在國(guó)內(nèi)超聲農(nóng)業(yè)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遠(yuǎn)大廣闊前景.根據(jù)國(guó)內(nèi)外已有的太空試驗(yàn)結(jié)果.作者預(yù)計(jì).如果在地面用超聲處理過(guò)的種子再帶到太空去使其發(fā)芽生長(zhǎng)．很可能會(huì)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(zhǎng)的時(shí)間,新型超聲技術(shù)將會(huì)在為我國(guó)的社會(huì)主義農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化服務(wù),提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率中,起到特有的作用.