静电技术在农业中应用及发展

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摘要：高压静电技术发展迅速，在工业中应用较多，现逐步进入农业领域。本文系统阐述了高压静电技术在农业领域中的应用与发展前景，主要包括：高压静电对病虫害的防治、静电场作用下农产品和食品的加工以及静电场力对动植物生物效应的影响和高压静电作用下的分离、分选。同时对高压静电技术在农业中的作用、发展趋势进行了探讨和展望。

关键词：高压静电；农业；现状；发展前景

0引言

近几十年来，农业的增收增产虽然带来了较高的经济效益，但是也付出了环境污染和资源浪费的代价。农田环境污染[1]、土壤肥力下降以及农作物品质的降低不但会影响人们的身体健康，而且会影响农业的可持续发展[2]。为了解决传统农业生产方式带来的不利影响，将高压静电技术运用到农业生产中[3]，已经在生物效应、静电选种等领域已经取得了丰硕的成果。高压静电技术在农业中的应用也是农业科技工作者研究的重点。高压静电技术在工业中用于微小颗粒物的非金属材料与金属分离较多，近年来正逐步进入农业的各个领域，经学者们理论研究及试验，将改变传统农业的生产方式。本文对高压静电技术在农业领域中的应用进行简要介绍。

1高压静电对病虫害的防治

我国耕地面积居世界第四位，病虫害也相对较多，病虫害一直是影响农业收成、制约农业发展的重要因素，病虫害防治难度也相应较大，这也就导致了农药的使用量也相应增加，农药过量使用不仅会增加经济成本、降低农作物产量，还会对环境造成污染[4]。使用无人机撒药不仅可以提高农药的利用率，降低农药对土壤的污染，还能有效降低人工成本[5]。高压静电灭虫技术采用光诱、色诱、味诱三种物理方法和高压静电对害虫进行灭杀[6]，在畜牧养殖过程中使用高压静电技术灭虫无需使用杀虫剂。两种技术的应用使农产品的农药残留大幅度降低，对生态环境污染也有所降低。

1.1无人机撒药

20世纪40年代国外学者Hampe首次将静电技术与农药喷洒结合并进行试验。20世纪90年代末Carlton[6]等对航空领域静电喷雾进行系统研究试验，最终得到雾滴平均直径、电极电压、喷头处压力等参数的最佳值。随后，Kirk[7]等对雾滴漂移参数进行研究与试验，结果表明，使用航空静电系统对农作物作业可以减少农药使用量以及加快雾滴沉降速度，但对虫害的防治效果及雾滴漂移并未有明显改善。我国20世纪70年代才开始对航空静电喷雾展开研究，包括雾滴直径、荷电量等关键指标。张军[8]等对静电场下雾化雾滴的粒经以及分布规律进行研究。王亚涛等对多旋翼无人机静电喷雾的流量、电压等数值进行试验分析，无人机装置如图1。茹煜[9]等设计了一套静电喷雾系统并以Y5B农用飞机为基础对雾滴的附着情况、运动轨迹等参数进行试验，结果表明该系统可降低农药使用量、提高雾滴分布均匀度。周立新[10]等对喷洒装置的主要部件进行研究，并通过对水稻分蘖期进行试验得出无人机撒药既保留了人工撒药的优点又更好地改进了其中的不足，对于中、小地块的作业有良好的效果。国外对静电喷雾理论做了大量的研究以及试验，已经是一套相对完善的设备。在国内，高压静电喷雾技术也将取代传统的撒药方式，虽然有一些植保无人机的静电喷雾装置正在推广应用，但是由于我国南北差异、地理环境不尽相同，各地区科研人员需研制出具有各自特点的静电喷雾装置，再根据实验效果对装置进行改进，为后续科研提供科学参考依据。

1.2静电杀虫技术

鹿元香[11]等用静电杀虫器对不同作物做了大量试验，试验表明静电灭虫效果因害虫种类的不同而不同。苏育珍[12]等设计了静电杀虫系统流程图，如图2，杀虫原理为通过不同害虫对不同波长的的光具有趋向性这一特点对害虫进行引诱，再通过定时器输出不同的信号对电路进行控制，最后结合高压静电以及电网，通过可控光集中灭虫。这也为高压静电杀虫技术提供了理论支持和技术支撑。西北农林科技大学朱琳[13,14]利用高压静电技术对茶树害虫茶尺蠖和茶小绿叶蝉进行灭杀，在一定的高压静电场下灭杀效率分别为64.3%~71.1%、2.3%~12.8%，对黄瓜害虫灭杀效果也较好。隋俊杰[15]等通过对静电灭虫灯诱虫技术的试验得出，该装置能有效减少害虫种群的数量，对营腐类微小飞翔昆虫和斜纹夜蛾的灭杀效果最好。AndriessenRob[16]利用高压静电网和杀虫颗粒降低蚊子的生存率，且对蚊子抗药性的壁垒有了关键性的突破。大连市农业机械化技术推广站韩志斌对多种害虫进行灭杀，收到了不错的效果，为今后静电杀虫发展提供了思路。目前国内外静电杀虫技术在畜牧业以及温室大棚的推广处于起步阶段，装置也处于试用阶段，并没有大范围推广应用。因害虫种类不同，这需要科技工作者对不同昆虫进行大量试验，从而确定对不同害虫的灭杀参数，为大规模推广应用提供技术参考。

2静电场用于农产品和食品加工

静电技术在农产品的加工和处理领域有着较好的发展前景，目前处于起步阶段。静电技术主要应用在保鲜和干燥方面；果蔬保鲜的关键在于抑制果蔬呼吸、抑制水分流失、防止细菌感染以及减缓熟化。果蔬的保鲜方法有通风库贮藏保鲜、冷库贮藏保鲜、塑料薄膜保鲜、静电技术保鲜、短波紫外线保鲜等[17]。农产品干燥的关键在于将物质中的水分经加工受热蒸发之后祛除，物质干燥的过程中既有水分的转移也有热量的传递。我国现代干燥技术从20世纪50年代发展至今，目前国内外干燥技术有常规干燥、高温干燥、除湿干燥、太阳能干燥、微波干燥、热泵除湿—太阳能联合干燥[18]以及目前新型的高压静电干燥技术。利用静电技术不仅可以杀菌消毒，还可以保证农产品的品质，以满足人们生产、生活需要。

2.1农产品的保鲜

吉林大学马中苏[19]等根据静电涂敷的特性，将栅网式静电涂敷技术首次运用到农产品以及食品的保鲜上，并对其做了大量的试验。吉林农业大学工程技术学院袁洪印[20,21]通过使用栅网式静电涂敷技术对农产品不同尺寸、形状等进行试验，经过寻优处理，得到最优喷涂参数。PendarMohammadReza[22]等研究了影响静电喷涂效率的因素，包括施加电压、带电雾滴以及被喷涂物体等，探究出对喷涂干扰最大的因素。宋慧慧[23]等利用静电感应将冰箱空间内的电荷进行重新分布，将重新分布后的电荷拉近与冰箱中有效节点的距离，从而实现最低电场值的提高以及空间电场的分布均匀性，达到提高保鲜效果的目的，保鲜原理如图3。利用静电技术保鲜可以有效的延长产品的保质期，这在人们越来越注重环保节能的今天有着非常广阔的应用前景。因原理以及对静电场影响因素较多等问题，应用于保鲜领域的静电技术目前还处于探索阶段，需要经过大量试验确定最优参数以达到更好的保鲜效果。

2.2农产品的干燥

内蒙古农业大学梁运章[24]等提出了一种全新的干燥方法：静电干燥法，属于国内外首创，并通过对胡萝卜片进行干燥，得出在40℃环境下静电干燥比75℃环境下普通干燥速度提高80%，在同等条件下通过对马铃薯片干燥，干燥速度提高144%。胡萝卜的干燥对比如表1。郭军[25]等对免疫初乳乳清进行静电干燥试验，发现与真空干燥效果相差不大，但是成本相对较低，虽然在其他领域静电干燥效果较好，但在免疫初乳乳清方面还有待更深一步的研究。邢茹[26]等人对马铃薯、甘蓝等农产品进行对比试验发现同等效果下时间缩短了30%~40%，通过对比静电干燥后的维生素C含量发现比传统干燥高出43.5%和138.4%，效果明显优于常见的干燥方法。白亚乡[27]等提出对于热敏性物质使用静电干燥的优势以及如何在提高效率的同时降低消耗。高压静电技术在干燥方面的应用在国内外较为少见，低能耗、低成本、高效率是静电干燥成为研究热门的原因。静电干燥过程中不会产生热量，因此对热敏物质的干燥有很高的利用价值；干燥过程利用高电压、小电流，因此能耗相对较低[28]；静电干燥过程中会产生臭氧，具有一定的杀菌效果。随着高压电技术发展，制造静电干燥装置成本大大降低，相比之下，静电干燥各方面都优于真空干燥，有着广阔的发展前景。

3高压静电对动植物生物效应的影响

高压静电场对动物的体征以及禽类胚胎孵化有一定的影响，高压静电场对种子内部酶活性以及生长发育有一定的影响，国内对此也有诸多研究。

3.1静电场对动物生物效应的影响

孙丕海[29]等对海鱼、淡水鱼等进行静电处理，结果表明在电压等参数合理的情况下，会使鱼卵孵化率和成活率提高，进入鱼苗期生长速度也相对增加。试验表明，小白鼠在50kV/m的电场下，试验体增重18.1%~19.5%。董振勇[30]等通过试验证明了高压静电场在合理参数下可以明显提高绵羊精子存活率以及活跃度。高压静电场会对动物产生益处，但因影响因素过多，研究深度并不够，对此的研究还需加大力度。

3.2静电场对植物生物效应的影响

黄洪云[31]等在高压静电场作用下对大豆种子呼吸强度和酶活性进行了测定，试验发现在相同浸种时间下，经高压静电处理过后的种子呼吸强度和电导率都有提升，电场强度达到200kV/m时，种子内的ATP含量、脱氢酶活性达到峰值，电场强度达到40kV/m时酸性磷酸酶活性达到峰值，试验表明高压静电处理可改善种子的多个指标。徐佳楠[32]等对经高压静电场处理后的菠菜种子进行试验分析，得出当电场强度为50kV时，菠菜种子的发芽率等参数都有明显的提高。候志宏[33]等对黄瓜、玉米以及放置一年后的棉花种子进行静电处理，发现在同等条件下，发芽率高达96%。试验表明，经高压静电处理后种子呼吸强度增强、发芽速率快，减少了种子在土壤里的时间，能有效防止种子在土壤中遭受病虫害的侵蚀。静电作用还对植株生长有正面影响。李亚娇[34]等对甘草苗期进行高压静电处理，试验得出经处理后的甘草株高明显高于未处理的甘草，说明静电处理可以促进植株的生长。王淑惠[35]等对小麦进行静电处理，产量相比未处理的小麦产量增加12.6%。静电对动植物生物效应影响的研究虽初见成效并在农业领域得到一定范围的应用，但对研究内容、对象还不够深入、广泛。后续研究不仅要考虑主观因素，还要考虑环境等客观因素。

4高压静电分选

目前，高压静电分离技术主要应用于工业微小颗粒物非金属材料与金属的分离，对于片状碎膜、残茬等混合物未见相关研究，并且不同形状碎膜、不同介质的介电参数不同，导致高压静电作用后的电介质极化特性不同。

4.1高压静电对种子的分选

静电分选技术是通过静电场力、重力、离心力对种子的作用以及种子介电常数将种子划分不同等级。康敏[36]等研制出一套静电分选装置，研究、分析出高压静电作用下种子分选、分级的原理，并进行了田间试验。WangJ[37]等将研磨装置和静电分选装置相结合提取蛋白质，经过初期试验，在连续3次进行静电分离后，粉末状蛋白质含量高达65%，高于以往的分离技术。徐江[38]等利用高压静电技术对水稻种子进行分选，试验结果表明当高压静电处于4000V（DC）时，分选出的水稻种子相对较高。丁爱真[39]等使不同种子从30cm高度自由落下，通过不同种子在静电场作用下形成的不同轨迹实现种子分选，而且在电场力的作用下，种子内各种酶的活性出现不同程度的提升、种子发芽率也提高5%~8%。这证明了高压静电场作用下不仅可以对种子品质进行分选，还可以对种子内部产生影响，提高酶的活性以及种子的出苗率。

4.2高压静电对混合物的分选

高压静电技术目前逐步进入农业领域，石河子大学郭淑霞[40]等研制了高压静电自勉残膜分离装置，用于分离回收后籽棉中混杂的残膜，如图4。理论状态下，残膜的分离率能达到90%以上，实现了在高压静电场下籽棉与残膜高效分离。该研究也为高压静电作用下膜-杂分离提供理论支撑和技术支持。徐爱英[41]等针对新疆棉田残膜难以回收利的问题，在高压静电场作用下进行地膜吸附研究，得到在高压静电场条件下残膜—土壤分离装置吸附残膜的效率及对应电场的强度。坎杂[42]等对棉种在静电场的作用下的电场参数进行优化，得到更优的分离参数，实现了更好的分离效果。喂料口8.毛刷9.残膜回收箱10.链轮11.籽棉出口挡板12.籽棉收集箱高压静电技术不论是在种子分选还是混合物分离应用中，都有着巨大的发展潜力。高压静电技术在农业领域中的应用很多尚未成熟，特别在静电式残膜膜杂分离方面的研究，取得的成果比较少。存在着理论研究不足，试验不充分等问题，有待进一步完善。

5结论

高压静电因具有独有的性质，使其在工业领域有着较为完善的发展，目前也已经逐步进入农业中的各个领域，在无人机撒药、静电灭虫器、种子分选方面都已实际应用到生产中，得到了较好的反响。经理论完善以及大量试验，高压静电在保鲜领域也占有一席之地，经试验得出静电干燥效果优于真空干燥，且效率高、消耗低；在高压静电场对动物的影响试验中还未见明显成果；试验研究在生物质研究以及增强种子活性方面也有建树；在膜—杂分离技术方面还有待提高，目前该技术仅处于理论阶段，并没有运用到实际中。高压静电技术成本相对较低且具有高效、快速的优点，在农业各个领域都有应用，但是就目前来说，很多高压静电技术在农业中的应用还处于起步阶段，还需要专家学者的共同努力，工作重点应该放在原理的研究、适用条件等，还要考虑到温度、湿度等环境因素的影响，为以后静电技术在农业中的发展、推广提供理论支撑和技术支持。

作者:李轩甫 邢剑飞 胡灿 王龙 郭文松 贺小伟 王旭峰 单位:塔里木大学机械电气化工程学院 新疆维吾尔自治区普通高等学校 现代农业工程重点实验室