1超聲波在農業中的應用

1.1超聲波處理與加工的基本原理

超聲波處理與加工設備主要是由四個部分組成:超聲波發生器、換能器、超聲波聚能器及超聲波發生器和換能器之間的匹配電路。如圖1所示,超聲波發生器產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化成機械能,然后通過超聲波聚能器將機械能放大,將聲能作用在待處理的物質上。超聲波的生物效應應用十分廣泛,其主要的生物效應是源于空化作用引起的機械效應和熱效應等。超聲波處理與加工的基本原理主要是利用液體動力學的空化現象。超聲空化是指超聲波激活氣泡的各種動力表現,這些表現可能是較為有規律而緩和的穩態空化或者是很激烈而短暫的瞬態空化。瞬態空化泡絕熱收縮至崩潰瞬間,泡內可呈現高溫和幾千個大氣壓的高壓,并伴有強大的沖擊波或射流等。超聲波的輻照因其機械作用,能使液體媒質質點運動增強,質量傳輸加速,還能影響邊界層、膜、細胞壁和液泡。超聲的空化作用還能破壞細胞并使酶變性等。以下所舉的超聲波在農業中的一些新應用基本上都是循著上述的基本原理而實現的。

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樣的缺點。采用先用超聲波處理懸浮液后進樣的方法,可使進樣順利和使懸浮液穩定時間延長;十二烷基硫酸鈉(SDS)增敏可以提高懸浮液直接進樣火焰原子吸收光譜法測定的靈敏度。該方法快速、簡單、準確,適用于各種土壤樣品中鉛的測定。

1.3超聲處理種子

應用超聲波處理種子,早在前蘇聯就已有了不少研究。根據外國文獻所載,少量的超聲波能刺激細胞分裂,中等量的超聲波會抑制細胞分裂,大量的能引起細胞死亡。在上世紀,就有人用超聲波對菠菜和白菜種子進行實驗。其實驗結果顯示,在對白菜種子用超聲波處理1分鐘和2分鐘時,其種子的發芽率為92%~96%,而未用超聲波處理的白菜種子發芽率為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也比較顯著。低頻脈沖超聲波對小麥幼苗變異較明顯。經超聲波照射的水培變異幼苗,出現率為8.57±8.25%,對照的自然變異出現率為1.00±1.28%;田間種植變異幼苗出現率為18.21±2.54%,對照的自然變異出現率為14.58±2.59%。經照射的咸農68小麥單株粒重超過親本的家系達55.17%,超親達1%顯著水準占超親家系87.50%。經照射的四方穗小麥,單株粒重超親家系達69.23%,達到1%顯著水準的超親家系占77.78[3]。

1.4超聲處理對植物生長的影響

與其他環境應力一樣,超聲波作為應力的一種作用形式,對植物的生長發育有重要的影響。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,從對植物細胞、組織、分裂生長的影響研究到對超聲處理對植物作用機理的探討,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生根[4]。植物細胞經超聲波處理,出現了一致現象,即低劑量、短時間的溫和處理能明顯加速和誘導植物細胞的分裂,刺激細胞生長,加速原生質體的蛋白合成;而處理時間延長,處理劑量加大則會造成負面的不可恢復的影響。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]。可見,一定頻率和強度的超聲波處理可以強化植物的一些生理生化指標,促進植物的生長發育。

1.5超聲處理對植物呼吸作用的影響

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

1.6超聲波犁田

傳統的翻地犁需要笨重的機器牽引,這不僅會壓實深層的土壤,使其不能保持水分和養料;而且翻起的地表土會被風和雨水侵蝕。這是許多農民的一大心病。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,他們會散發出二氧化碳氣體。約旦的農機工程師奈達•阿布哈德發明了利用超聲波松土。他的實驗結果顯示:松土可達土壤深度20cm。這完全滿足了一般農作物的松土深度。

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物,在代謝過程中極為重要。經超聲波刺激后,根系中的可溶性糖含量比對照組高大約29.6%。豐富的蛋白質是細胞進行一系列生理活動的物質基礎,經過超聲波刺激后,根系中的可溶性蛋白增加了35.3%,高水平的可溶性蛋白質含量保證了細胞旺盛的分裂生長能力,這說明了經過超聲波刺激后,植物根部細胞分裂旺盛,生長能力強。

1.8超聲除蟲[9]

及促進蠶卵孵化用250W-CFS超聲波發生器(中原電子儀器廠出品)匹配自帶的清洗槽,果實內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,開機處理15min,結束后去水晾干,保存2周。切開板栗果實檢查,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備處理過蠶卵(約半分鐘內),直接結果是蟻蠶的孵化時間達到基本一致;追蹤結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

超聲波應用于農業是一個相對較早的研究領域,但目前還沒有推廣使用,仍處于探索階段,要使之進一步發展應主要從以下幾個方面努力。

2.1理論研究完善問題

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

2.2放大問題

目前,有關超聲波產生的生物效應,雖然已在處理量小的情況下應用,但大多屬于實驗室研究,還缺乏放大使用的中間數據;反映過程的定量化描述,還沒有規范化和定量化的尺度,故在超聲波刺激生物的生物效應及機理、反應動力學和反應器的放大設計仍需要做大量的、充分的研究工作。

2.3協同性問題

雖然超聲波在農業生產方面具有極大優勢,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、強度和作用時間。高強度的超聲波會破碎細胞,使酶失活。而低強度的超聲波可以促進細胞生長,增加酶活性,這使得超聲波在農業中的應用具有雙重性。所以,要使超聲處理生物體從理論角度來看更合理,應將超聲處理與其它處理技術聯合使用,這樣從技術上可行,經濟上更為合理。

3超聲波在農業中應用的前景展望

3.1新型高效換能器的出現

磁致伸縮材料是傳統的超聲換能器材料,由于其性能穩定、功率容量大及機械強度好等優點,至今仍在一些特殊領域被繼續應用,但也有換能器的能量轉換效率較低、激發電路復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模推廣應用,在一個時期內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,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域中獲得廣泛的應用[10]。目前,超聲換能器的工作頻率從常用的低頻率(20kHz)發展到較高頻率(幾百千甚至數兆赫茲數量級),且換能器的工作頻率也從單一的工作頻率發展到多個工作頻率。另外,由于材料科學與技術的發展,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實的基礎。這些新型高效的換能器的成功研制必將使超聲技術的應用范圍擴大。

3.2超聲技術在農業中的應用將有新的發展與提高

隨著超聲技術在農業中的應用逐步開展,對探索大功率、高頻、高聲強和低頻不同脈沖超聲(此類設備儀器須帶有超聲參量的自動控制程序)等條件下,作物誘變育種效應的研究,提出更有效的實驗依據和手段。同時,超聲也可與遠紅外線輻射育種和處理農作物種子[11]的技術結合起來進行,以誘發突變,從中選育出優良變異個體,通過一系列育種程序,培育新品種,國外已有了這種試驗,效果還算不錯;超聲在藥材種植生產上的應用前途和潛力還很大,對促進國家藥材生產的發展具有較大的實際意義;超聲為農、林、牧業上的人工增雨方面也作出了一定的貢獻[12]。目前在國內對超聲波在農業中的應用,尚未引起有關方面的足夠重視。但從許多實驗實踐證明,超聲波在農業中應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。根據國內外已有的太空試驗結果,作者預計,如果在地面用超聲處理過的種子再帶到太空去使其發芽生長,很可能會有更為神奇的結果出現。我們完全可以相信,用不了多長的時間,新型超聲技術將會在為我國的社會主義農業現代化服務,提高農業生產率(豐產豐收)中,起到特有的作用。