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超聲波是如何應用在農業(yè)的
超聲波在農業(yè)中的應用及前景展望
超聲波是指頻率高于人耳聽覺上限的聲波。在自然界中超聲波也是廣泛存在的，只是人耳聽不見而已。超聲波易于進入海水、地層、人體及很多固體和液體，幾乎能穿透任何材料。因此，在采集材料內部信息方面與光波、電磁波相比，超聲波有其*的本領。更重要的是，可以利用較大聲率或較高聲強度的超聲波能量來改變材料的某些狀態(tài)或對生物的發(fā)育生長產生某些重要的影響。本文結合有關研究課題，簡要報道了超聲在在農業(yè)中的一些新應用及其前景展望。
1超聲在農業(yè)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(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，通過超聲波發(fā)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。超聲波處理與加工的基本原理主要是利用液體動力學的空化現(xiàn)象。超聲空化是指超聲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，泡內可呈現(xiàn)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。以下所舉的超聲在農業(yè)中的一些新應用基本上都是在循著上述的基本原理而實現(xiàn)的。
1．2超聲測定土壤中的鉛
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特點。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(wěn)定時間長：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超聲處理對種子萌發(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)在溫和的超聲處理條件下可以得到較高的種子萌發(fā)率．而延長超聲處理的時間．處理時間超過其承受的值之后，種子胚的死亡率就會升高，種子的萌發(fā)力自然就會下降：因此．在討論超聲處理對種子萌發(fā)的影響時，不同的處理條件如超聲處理的強度大小及處理時間長短都會不同程度影響種子的萌發(fā)，導致結果有所差異。
1．4超聲處理對植物生長的影響
與其他環(huán)境應力一樣，超聲作為應力的一種作用形式。對植物的生長發(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。對器官生長影響的研究要集中在根上，溫和的超聲處理能促進生根嘲。植物細胞經超聲波處理，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)，增大花莖，延長插瓶壽命?？梢?，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(fā)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，特別是對農作物來說，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(yè)的發(fā)展具有十分重要的理論和實際意義。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)的呼吸強度下降，而兩年生植物(如卷心菜和洋蔥)的呼吸強度上升。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(tǒng)的翻地犁需要笨重的機器牽引，這不僅會壓實深層的土壤，使其不能保持水份和養(yǎng)料；而且翻起的地表土會被風和雨水侵蝕。這是許多農夫的一大心病。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，他們會散發(fā)出二氧化碳氣體。約旦的農機工程師奈達?阿布哈德發(fā)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*了一般農作物的松土深度。
1．7超聲處理植物根系
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。單糖的磷酸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。在代謝過程中為重要。經聲波刺激后，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超聲除蟲及促進蠶卵孵化
用250W-CFS超聲發(fā)生器(中原電子儀器廠出品)匹配自帶的清洗槽，在19．5~20．5kHz，果實內已生有蟲子的板栗被浸在清洗槽里的自來水中，開機進行處理15分鐘。結束后去水晾干，保存兩周。切開板栗果實檢查，長10mm左右的幼蟲活，而6mm以下的幼蟲死亡。加長時間處理，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(如：蘋果、梨等)水果中害蟲，大多在當時條件下做些小實驗后無果而終。
2有待解決的問題
超聲波應用于農業(yè)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，要進一步發(fā)展其應用價值應主要從以下幾個方面努力：
2．1理論研究完善問題
超聲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令人滿意，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(shù)據，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(xié)同性問題
雖然超聲在農業(yè)生產方面具有大優(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、強度和作用時間。高強度的超聲會破碎細胞，使酶失活。而低強度的超聲可以促進細胞生長，增加酶活性，這使得超聲波在農業(yè)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，應將超聲處理與其他處理技術聯(lián)合使用，這樣從技術上可行，經濟上更為合理。
3超聲在農業(yè)中應用的前景展望
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、功率容量大及機械強度好等優(yōu)點，至今仍在一些特殊領域被繼續(xù)應用，但其也有換能器的能量轉換效率較低、激發(fā)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(guī)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(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?？梢灶A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。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)，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。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(yè)中的應用將有新的發(fā)展與提高
超聲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。同時，超聲也可與遠紅外線輻射育種和處理農作物種子的技術結合起來進行四，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，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(fā)展具有較大的實際意義：超聲為農、林、牧業(yè)上的人工增雨方面也作出了一定的貢獻。目前在國內超聲農業(yè)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，超聲農業(yè)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遠大廣闊前景。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(fā)芽生長．很可能會有更為神奇的結果出現(xiàn)。我們*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(yè)現(xiàn)代化服務，提高農業(yè)生產率中，起到*的作用。