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摘要：高壓靜電技術(shù)發(fā)展迅速，在工業(yè)中應(yīng)用較多，現(xiàn)逐步進入農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。本文系統(tǒng)闡述了高壓靜電技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用與發(fā)展前景，主要包括：高壓靜電對病蟲害的防治、靜電場作用下農(nóng)產(chǎn)品和食品的加工以及靜電場力對動植物生物效應(yīng)的影響和高壓靜電作用下的分離、分選。同時對高壓靜電技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的作用、發(fā)展趨勢進行了探討和展望。

關(guān)鍵詞：高壓靜電；農(nóng)業(yè)；現(xiàn)狀；發(fā)展前景

0引言

近幾十年來，農(nóng)業(yè)的增收增產(chǎn)雖然帶來了較高的經(jīng)濟效益，但是也付出了環(huán)境污染和資源浪費的代價。農(nóng)田環(huán)境污染[1]、土壤肥力下降以及農(nóng)作物品質(zhì)的降低不但會影響人們的身體健康，而且會影響農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。為了解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式帶來的不利影響，將高壓靜電技術(shù)運用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中[3]，已經(jīng)在生物效應(yīng)、靜電選種等領(lǐng)域已經(jīng)取得了豐碩的成果。高壓靜電技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用也是農(nóng)業(yè)科技工作者研究的重點。高壓靜電技術(shù)在工業(yè)中用于微小顆粒物的非金屬材料與金屬分離較多，近年來正逐步進入農(nóng)業(yè)的各個領(lǐng)域，經(jīng)學(xué)者們理論研究及試驗，將改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)方式。本文對高壓靜電技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用進行簡要介紹。

1高壓靜電對病蟲害的防治

我國耕地面積居世界第四位，病蟲害也相對較多，病蟲害一直是影響農(nóng)業(yè)收成、制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素，病蟲害防治難度也相應(yīng)較大，這也就導(dǎo)致了農(nóng)藥的使用量也相應(yīng)增加，農(nóng)藥過量使用不僅會增加經(jīng)濟成本、降低農(nóng)作物產(chǎn)量，還會對環(huán)境造成污染[4]。使用無人機撒藥不僅可以提高農(nóng)藥的利用率，降低農(nóng)藥對土壤的污染，還能有效降低人工成本[5]。高壓靜電滅蟲技術(shù)采用光誘、色誘、味誘三種物理方法和高壓靜電對害蟲進行滅殺[6]，在畜牧養(yǎng)殖過程中使用高壓靜電技術(shù)滅蟲無需使用殺蟲劑。兩種技術(shù)的應(yīng)用使農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)藥殘留大幅度降低，對生態(tài)環(huán)境污染也有所降低。

1.1無人機撒藥

20世紀40年代國外學(xué)者Hampe首次將靜電技術(shù)與農(nóng)藥噴灑結(jié)合并進行試驗。20世紀90年代末Carlton[6]等對航空領(lǐng)域靜電噴霧進行系統(tǒng)研究試驗，最終得到霧滴平均直徑、電極電壓、噴頭處壓力等參數(shù)的最佳值。隨后，Kirk[7]等對霧滴漂移參數(shù)進行研究與試驗，結(jié)果表明，使用航空靜電系統(tǒng)對農(nóng)作物作業(yè)可以減少農(nóng)藥使用量以及加快霧滴沉降速度，但對蟲害的防治效果及霧滴漂移并未有明顯改善。我國20世紀70年代才開始對航空靜電噴霧展開研究，包括霧滴直徑、荷電量等關(guān)鍵指標。張軍[8]等對靜電場下霧化霧滴的粒經(jīng)以及分布規(guī)律進行研究。王亞濤等對多旋翼無人機靜電噴霧的流量、電壓等數(shù)值進行試驗分析，無人機裝置如圖1。茹煜[9]等設(shè)計了一套靜電噴霧系統(tǒng)并以Y5B農(nóng)用飛機為基礎(chǔ)對霧滴的附著情況、運動軌跡等參數(shù)進行試驗，結(jié)果表明該系統(tǒng)可降低農(nóng)藥使用量、提高霧滴分布均勻度。周立新[10]等對噴灑裝置的主要部件進行研究，并通過對水稻分蘗期進行試驗得出無人機撒藥既保留了人工撒藥的優(yōu)點又更好地改進了其中的不足，對于中、小地塊的作業(yè)有良好的效果。國外對靜電噴霧理論做了大量的研究以及試驗，已經(jīng)是一套相對完善的設(shè)備。在國內(nèi)，高壓靜電噴霧技術(shù)也將取代傳統(tǒng)的撒藥方式，雖然有一些植保無人機的靜電噴霧裝置正在推廣應(yīng)用，但是由于我國南北差異、地理環(huán)境不盡相同，各地區(qū)科研人員需研制出具有各自特點的靜電噴霧裝置，再根據(jù)實驗效果對裝置進行改進，為后續(xù)科研提供科學(xué)參考依據(jù)。

1.2靜電殺蟲技術(shù)

鹿元香[11]等用靜電殺蟲器對不同作物做了大量試驗，試驗表明靜電滅蟲效果因害蟲種類的不同而不同。蘇育珍[12]等設(shè)計了靜電殺蟲系統(tǒng)流程圖，如圖2，殺蟲原理為通過不同害蟲對不同波長的的光具有趨向性這一特點對害蟲進行引誘，再通過定時器輸出不同的信號對電路進行控制，最后結(jié)合高壓靜電以及電網(wǎng)，通過可控光集中滅蟲。這也為高壓靜電殺蟲技術(shù)提供了理論支持和技術(shù)支撐。西北農(nóng)林科技大學(xué)朱琳[13,14]利用高壓靜電技術(shù)對茶樹害蟲茶尺蠖和茶小綠葉蟬進行滅殺，在一定的高壓靜電場下滅殺效率分別為64.3%~71.1%、2.3%~12.8%，對黃瓜害蟲滅殺效果也較好。隋俊杰[15]等通過對靜電滅蟲燈誘蟲技術(shù)的試驗得出，該裝置能有效減少害蟲種群的數(shù)量，對營腐類微小飛翔昆蟲和斜紋夜蛾的滅殺效果最好。AndriessenRob[16]利用高壓靜電網(wǎng)和殺蟲顆粒降低蚊子的生存率，且對蚊子抗藥性的壁壘有了關(guān)鍵性的突破。大連市農(nóng)業(yè)機械化技術(shù)推廣站韓志斌對多種害蟲進行滅殺，收到了不錯的效果，為今后靜電殺蟲發(fā)展提供了思路。目前國內(nèi)外靜電殺蟲技術(shù)在畜牧業(yè)以及溫室大棚的推廣處于起步階段，裝置也處于試用階段，并沒有大范圍推廣應(yīng)用。因害蟲種類不同，這需要科技工作者對不同昆蟲進行大量試驗，從而確定對不同害蟲的滅殺參數(shù)，為大規(guī)模推廣應(yīng)用提供技術(shù)參考。

2靜電場用于農(nóng)產(chǎn)品和食品加工

靜電技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品的加工和處理領(lǐng)域有著較好的發(fā)展前景，目前處于起步階段。靜電技術(shù)主要應(yīng)用在保鮮和干燥方面；果蔬保鮮的關(guān)鍵在于抑制果蔬呼吸、抑制水分流失、防止細菌感染以及減緩熟化。果蔬的保鮮方法有通風(fēng)庫貯藏保鮮、冷庫貯藏保鮮、塑料薄膜保鮮、靜電技術(shù)保鮮、短波紫外線保鮮等[17]。農(nóng)產(chǎn)品干燥的關(guān)鍵在于將物質(zhì)中的水分經(jīng)加工受熱蒸發(fā)之后祛除，物質(zhì)干燥的過程中既有水分的轉(zhuǎn)移也有熱量的傳遞。我國現(xiàn)代干燥技術(shù)從20世紀50年代發(fā)展至今，目前國內(nèi)外干燥技術(shù)有常規(guī)干燥、高溫干燥、除濕干燥、太陽能干燥、微波干燥、熱泵除濕—太陽能聯(lián)合干燥[18]以及目前新型的高壓靜電干燥技術(shù)。利用靜電技術(shù)不僅可以殺菌消毒，還可以保證農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)，以滿足人們生產(chǎn)、生活需要。

2.1農(nóng)產(chǎn)品的保鮮

吉林大學(xué)馬中蘇[19]等根據(jù)靜電涂敷的特性，將柵網(wǎng)式靜電涂敷技術(shù)首次運用到農(nóng)產(chǎn)品以及食品的保鮮上，并對其做了大量的試驗。吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院袁洪印[20,21]通過使用柵網(wǎng)式靜電涂敷技術(shù)對農(nóng)產(chǎn)品不同尺寸、形狀等進行試驗，經(jīng)過尋優(yōu)處理，得到最優(yōu)噴涂參數(shù)。PendarMohammadReza[22]等研究了影響靜電噴涂效率的因素，包括施加電壓、帶電霧滴以及被噴涂物體等，探究出對噴涂干擾最大的因素。宋慧慧[23]等利用靜電感應(yīng)將冰箱空間內(nèi)的電荷進行重新分布，將重新分布后的電荷拉近與冰箱中有效節(jié)點的距離，從而實現(xiàn)最低電場值的提高以及空間電場的分布均勻性，達到提高保鮮效果的目的，保鮮原理如圖3。利用靜電技術(shù)保鮮可以有效的延長產(chǎn)品的保質(zhì)期，這在人們越來越注重環(huán)保節(jié)能的今天有著非常廣闊的應(yīng)用前景。因原理以及對靜電場影響因素較多等問題，應(yīng)用于保鮮領(lǐng)域的靜電技術(shù)目前還處于探索階段，需要經(jīng)過大量試驗確定最優(yōu)參數(shù)以達到更好的保鮮效果。

2.2農(nóng)產(chǎn)品的干燥

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)梁運章[24]等提出了一種全新的干燥方法：靜電干燥法，屬于國內(nèi)外首創(chuàng)，并通過對胡蘿卜片進行干燥，得出在40℃環(huán)境下靜電干燥比75℃環(huán)境下普通干燥速度提高80%，在同等條件下通過對馬鈴薯片干燥，干燥速度提高144%。胡蘿卜的干燥對比如表1。郭軍[25]等對免疫初乳乳清進行靜電干燥試驗，發(fā)現(xiàn)與真空干燥效果相差不大，但是成本相對較低，雖然在其他領(lǐng)域靜電干燥效果較好，但在免疫初乳乳清方面還有待更深一步的研究。邢茹[26]等人對馬鈴薯、甘藍等農(nóng)產(chǎn)品進行對比試驗發(fā)現(xiàn)同等效果下時間縮短了30%~40%，通過對比靜電干燥后的維生素C含量發(fā)現(xiàn)比傳統(tǒng)干燥高出43.5%和138.4%，效果明顯優(yōu)于常見的干燥方法。白亞鄉(xiāng)[27]等提出對于熱敏性物質(zhì)使用靜電干燥的優(yōu)勢以及如何在提高效率的同時降低消耗。高壓靜電技術(shù)在干燥方面的應(yīng)用在國內(nèi)外較為少見，低能耗、低成本、高效率是靜電干燥成為研究熱門的原因。靜電干燥過程中不會產(chǎn)生熱量，因此對熱敏物質(zhì)的干燥有很高的利用價值；干燥過程利用高電壓、小電流，因此能耗相對較低[28]；靜電干燥過程中會產(chǎn)生臭氧，具有一定的殺菌效果。隨著高壓電技術(shù)發(fā)展，制造靜電干燥裝置成本大大降低，相比之下，靜電干燥各方面都優(yōu)于真空干燥，有著廣闊的發(fā)展前景。

3高壓靜電對動植物生物效應(yīng)的影響

高壓靜電場對動物的體征以及禽類胚胎孵化有一定的影響，高壓靜電場對種子內(nèi)部酶活性以及生長發(fā)育有一定的影響，國內(nèi)對此也有諸多研究。

3.1靜電場對動物生物效應(yīng)的影響

孫丕海[29]等對海魚、淡水魚等進行靜電處理，結(jié)果表明在電壓等參數(shù)合理的情況下，會使魚卵孵化率和成活率提高，進入魚苗期生長速度也相對增加。試驗表明，小白鼠在50kV/m的電場下，試驗體增重18.1%~19.5%。董振勇[30]等通過試驗證明了高壓靜電場在合理參數(shù)下可以明顯提高綿羊精子存活率以及活躍度。高壓靜電場會對動物產(chǎn)生益處，但因影響因素過多，研究深度并不夠，對此的研究還需加大力度。

3.2靜電場對植物生物效應(yīng)的影響

黃洪云[31]等在高壓靜電場作用下對大豆種子呼吸強度和酶活性進行了測定，試驗發(fā)現(xiàn)在相同浸種時間下，經(jīng)高壓靜電處理過后的種子呼吸強度和電導(dǎo)率都有提升，電場強度達到200kV/m時，種子內(nèi)的ATP含量、脫氫酶活性達到峰值，電場強度達到40kV/m時酸性磷酸酶活性達到峰值，試驗表明高壓靜電處理可改善種子的多個指標。徐佳楠[32]等對經(jīng)高壓靜電場處理后的菠菜種子進行試驗分析，得出當電場強度為50kV時，菠菜種子的發(fā)芽率等參數(shù)都有明顯的提高。候志宏[33]等對黃瓜、玉米以及放置一年后的棉花種子進行靜電處理，發(fā)現(xiàn)在同等條件下，發(fā)芽率高達96%。試驗表明，經(jīng)高壓靜電處理后種子呼吸強度增強、發(fā)芽速率快，減少了種子在土壤里的時間，能有效防止種子在土壤中遭受病蟲害的侵蝕。靜電作用還對植株生長有正面影響。李亞嬌[34]等對甘草苗期進行高壓靜電處理，試驗得出經(jīng)處理后的甘草株高明顯高于未處理的甘草，說明靜電處理可以促進植株的生長。王淑惠[35]等對小麥進行靜電處理，產(chǎn)量相比未處理的小麥產(chǎn)量增加12.6%。靜電對動植物生物效應(yīng)影響的研究雖初見成效并在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到一定范圍的應(yīng)用，但對研究內(nèi)容、對象還不夠深入、廣泛。后續(xù)研究不僅要考慮主觀因素，還要考慮環(huán)境等客觀因素。

4高壓靜電分選

目前，高壓靜電分離技術(shù)主要應(yīng)用于工業(yè)微小顆粒物非金屬材料與金屬的分離，對于片狀碎膜、殘茬等混合物未見相關(guān)研究，并且不同形狀碎膜、不同介質(zhì)的介電參數(shù)不同，導(dǎo)致高壓靜電作用后的電介質(zhì)極化特性不同。

4.1高壓靜電對種子的分選

靜電分選技術(shù)是通過靜電場力、重力、離心力對種子的作用以及種子介電常數(shù)將種子劃分不同等級?？得鬧36]等研制出一套靜電分選裝置，研究、分析出高壓靜電作用下種子分選、分級的原理，并進行了田間試驗。WangJ[37]等將研磨裝置和靜電分選裝置相結(jié)合提取蛋白質(zhì)，經(jīng)過初期試驗，在連續(xù)3次進行靜電分離后，粉末狀蛋白質(zhì)含量高達65%，高于以往的分離技術(shù)。徐江[38]等利用高壓靜電技術(shù)對水稻種子進行分選，試驗結(jié)果表明當高壓靜電處于4000V（DC）時，分選出的水稻種子相對較高。丁愛真[39]等使不同種子從30cm高度自由落下，通過不同種子在靜電場作用下形成的不同軌跡實現(xiàn)種子分選，而且在電場力的作用下，種子內(nèi)各種酶的活性出現(xiàn)不同程度的提升、種子發(fā)芽率也提高5%~8%。這證明了高壓靜電場作用下不僅可以對種子品質(zhì)進行分選，還可以對種子內(nèi)部產(chǎn)生影響，提高酶的活性以及種子的出苗率。

4.2高壓靜電對混合物的分選

高壓靜電技術(shù)目前逐步進入農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，石河子大學(xué)郭淑霞[40]等研制了高壓靜電自勉殘膜分離裝置，用于分離回收后籽棉中混雜的殘膜，如圖4。理論狀態(tài)下，殘膜的分離率能達到90%以上，實現(xiàn)了在高壓靜電場下籽棉與殘膜高效分離。該研究也為高壓靜電作用下膜-雜分離提供理論支撐和技術(shù)支持。徐愛英[41]等針對新疆棉田殘膜難以回收利的問題，在高壓靜電場作用下進行地膜吸附研究，得到在高壓靜電場條件下殘膜—土壤分離裝置吸附殘膜的效率及對應(yīng)電場的強度?？搽s[42]等對棉種在靜電場的作用下的電場參數(shù)進行優(yōu)化，得到更優(yōu)的分離參數(shù)，實現(xiàn)了更好的分離效果。喂料口8.毛刷9.殘膜回收箱10.鏈輪11.籽棉出口擋板12.籽棉收集箱高壓靜電技術(shù)不論是在種子分選還是混合物分離應(yīng)用中，都有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α８邏红o電技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用很多尚未成熟，特別在靜電式殘膜膜雜分離方面的研究，取得的成果比較少。存在著理論研究不足，試驗不充分等問題，有待進一步完善。

5結(jié)論

高壓靜電因具有獨有的性質(zhì)，使其在工業(yè)領(lǐng)域有著較為完善的發(fā)展，目前也已經(jīng)逐步進入農(nóng)業(yè)中的各個領(lǐng)域，在無人機撒藥、靜電滅蟲器、種子分選方面都已實際應(yīng)用到生產(chǎn)中，得到了較好的反響。經(jīng)理論完善以及大量試驗，高壓靜電在保鮮領(lǐng)域也占有一席之地，經(jīng)試驗得出靜電干燥效果優(yōu)于真空干燥，且效率高、消耗低；在高壓靜電場對動物的影響試驗中還未見明顯成果；試驗研究在生物質(zhì)研究以及增強種子活性方面也有建樹；在膜—雜分離技術(shù)方面還有待提高，目前該技術(shù)僅處于理論階段，并沒有運用到實際中。高壓靜電技術(shù)成本相對較低且具有高效、快速的優(yōu)點，在農(nóng)業(yè)各個領(lǐng)域都有應(yīng)用，但是就目前來說，很多高壓靜電技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用還處于起步階段，還需要專家學(xué)者的共同努力，工作重點應(yīng)該放在原理的研究、適用條件等，還要考慮到溫度、濕度等環(huán)境因素的影響，為以后靜電技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的發(fā)展、推廣提供理論支撐和技術(shù)支持。

作者:李軒甫 邢劍飛 胡燦 王龍 郭文松 賀小偉 王旭峰 單位:塔里木大學(xué)機械電氣化工程學(xué)院 新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)校 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室