1超声波在农业中的应用

1.1超声波处理加工的基本原理

超声波处理和加工设备主要由超声波发生器、换能器、超声波聚能器、超声波发生器和换能器之间的匹配电路四部分组成。如图1所示，超声波发生器向超声波换能器提供一定的高频电能，将电能转化为机械能，然后通过超声波聚能器放大机械能，将声能作用于待处理的物质。超声波具有广泛的生物效应，其主要生物效应是空化作用引起的机械效应和热效应。超声波处理和加工的基本原理主要是利用液体动力学的空化。超声空化是指超声波激活气泡的各种动态性能，可能是更有规律、更轻松的稳态空化，也可能是非常强烈和短暂的瞬态空化。瞬态空化泡保温收缩至崩溃瞬间，泡沫可呈现高温和数千个大气压，并伴有强冲击波或射流。由于其机械作用，超声波的辐照可以增强液体媒体质量点的运动，加速质量传输，影响边界层、膜、细胞壁和液泡。超声的空化也会破坏细胞，使酶变性。以下超声波在农业中的一些新应用基本上是按照上述基本原理实现的。

1.2超声测定土壤中的铅[1]

铅是一种对人体有害的元素，是土壤分析中常见的测量元素。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，由于土壤样品取样量大，悬浮液粘度大，不易均匀分散，影响进样。采用超声波处理悬浮液后进样的方法，可使进样顺利，延长悬浮液稳定时间；十二烷基硫酸钠(SDS)增敏可提高悬浮液直接进样火焰原子吸收光谱法的灵敏度。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

早在前苏联，超声波处理种子的应用就有很多研究。根据外国文献，少量的超声波会刺激细胞分裂，中等量的超声波会抑制细胞分裂，大量的超声波会导致细胞死亡。上个世纪，有人用超声波对菠菜和卷心菜种子进行实验。实验结果表明，当白菜种子用超声波处理1分钟或2分钟时，其种子发芽率为92%~96%，未用超声波处理的白菜种子发芽率为88%。菠菜种子用超声波处理1分钟后，出土率为85%，未用超声波处理的菠菜种子出土率为40%[2]。未来用超声波处理的种子增产也比较明显。小麦幼苗低频脉冲超声波变异较明显。超声波照射的水培变异幼苗出现率为8.57±8.25%，对照自然变异出现率为1.00±1.28%；田间种植变异幼苗率为18%；.21±2.54%，对照自然变异出现率为14%.58±2.59%。咸农68小麦单株粒重超亲本家系55.17%，超亲达1%显著占超亲家系87.50%。经照射的四方穗小麦，单株粒重超亲家系69.23%，达到1%显著水平的超亲家系占77%.78[3]。

1.4超声对植物生长的影响

与其他环境应力一样，超声波作为一种应力形式，对植物的生长发育有重要影响。近年来，在超声治疗下，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、组织和分裂生长的影响到对植物作用机理的讨论，取得了许多成果。超声波会影响植物或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，温和的超声波可以促进生根[4]。植物细胞经过超声波处理后，出现了一致现象，即低剂量、短时间温和处理可显著加速和诱导植物细胞分裂，刺激细胞生长，加速原生质体蛋白质合成；处理时间延长，处理剂量增加会产生负面和不可恢复的影响。采用超声波对保鲜液进行处理，可延缓插花的新鲜度，增加最大花茎，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加强植物的一些生理生化指标，促进植物的生长发育。

1.5超声对植物呼吸的影响

植物呼吸作用的研究一直是植物生理学研究的热点，特别是对农作物来说，其呼吸作用的大小直接关系到产量，因此其研究对农业发展具有重要的理论和现实意义。1975年AlbuE研究发现低频超声波(25)kHz)蔬菜加工后，一年生植物（如西红柿和黄瓜）的呼吸强度下降，两年生植物（如卷心菜和洋葱）的呼吸强度上升[7]。从那时起，我们可以推测，使用超声波处理相关作物可以增加作物的产量。

1.6超声波犁田

传统的犁需要沉重的机器牵引，不仅会压实深层土壤，使其无法保持水分和营养；翻土会被风雨侵蚀。这对许多农民来说是一个主要的心脏病。此外，由于反复耕作，植物的根和腐烂的残留植物被翻出地面，它们会散发出二氧化碳气体。约旦的农业机械工程师奈达•阿布哈德发明了使用超声波松土的实验结果显示，松土可达土壤深度20cm。这完全满足了一般作物松土的深度。

1.7超声处理植物根系[8]

糖是植物的主要成分之一，可溶性糖主要是指单糖和低聚糖。磷酸单糖在植物细胞中的含量不高，但它们是光合作用和呼吸作用的主要中间产物，在代谢过程中非常重要。超声刺激后，根系中的可溶性糖含量约为对照组的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。超声刺激后，根系中的可溶性蛋白增加35.3%。高水平的可溶性蛋白质含量保证了细胞强烈的分裂生长能力，说明植物根系细胞经过超声刺激后分裂强，生长能力强。

1.8超声除虫[9]

250用于促进蚕卵孵化W-CFS超声波发生器（中原电子仪器厂生产）与自己的清洗槽相匹配。果实中有昆虫的栗子浸泡在自来水中，19岁.5~20.5kHz下，开机处理15min,去水晾干，保存2周。切开板栗果实检查，长10年，长10周。mm大约6只幼虫仍然存活，而6只幼虫仍然存活mm以下幼虫死亡。随着处理时间的延长，昆虫的死亡率基本相同。此外，有些人用类似的方法和设备处理蚕卵（约半分钟），直接结果是蚂蚁蚕的孵化时间基本相同；跟踪结果是蚕茧的抽丝率高于同一条件下生长的成虫。有些人试图用超声波处理水果（苹果、梨等）中的害虫，但大多数都失败了。

2需要解决的问题

超声波在农业中的应用是一个相对较早的研究领域，但尚未推广使用，仍处于探索阶段。进一步发展应主要从以下几个方面进行。

2.1理论研究改进问题

超声波产生的生物效应不仅与生物组织辐射的总剂量有关，还与空间和时间照射剂量的分配有关。对于不同的生物组织，这些关系是不同的。由于影响因素很多，一些实验结果的重复性不尽如人意，规律性还有待探索，因此在这方面还有很多工作要做。

2.2放大问题

目前，虽然超声波产生的生物效应已应用于小处理，但大多属于实验室研究，缺乏放大中间数据；反映过程的定量描述没有标准化和定量规模，因此在超声波刺激生物的生物效应和机理中，反应动力学和反应器的放大设计仍需要做大量、充分的研究工作。

2.3协同性问题

虽然超声波在农业生产中具有很大的优势，但超声波对生物体的作用是多方面的，这取决于超声波的频率、强度和作用时间。高强度超声波会破碎细胞，使酶失活。低强度超声波能促进细胞生长，增加酶活性，使超声波在农业中的应用具有双重性。因此，为了使超声波处理生物体从理论角度更加合理，超声波处理应与其他处理技术相结合，技术可行，经济合理。