馬 榮 趙龍慶 何 超

(1. 西南林業(yè)大學土木工程學院，云南 昆明 650224；2. 西南林業(yè)大學汽車與交通學院，云南 昆明 650224)

黃粉蟲 (Tenebriomolitor) 俗稱面包蟲，在昆蟲分類學上隸屬于鞘翅目，擬步行蟲科，粉甲蟲屬 (擬步行蟲屬)。鞘翅目是昆蟲綱中乃至動物界種類最多、分布最廣的第一大目，較為常見且對林業(yè)危害較大的蛀干害蟲，如天牛 (Cerambycidae)、小蠹 (Scolytidae)、象甲 (Curculionidae) 等都屬于鞘翅目。蛀干害蟲對園林樹木的危害嚴重，主要以幼蟲蛀食枝干進行危害，引起樹體生長勢衰弱，嚴重時會使被害枝干甚至全株枯死，且危害較隱蔽不易被發(fā)現(xiàn)，危害性極大[1-2]。

脈沖電場 (PEF) 改變生物行為或殺滅微生物的概念在1967年首次由Hamihon和Sale提出，在細胞膜兩側施加外部電場時，會產(chǎn)生跨膜電位[3]。關于HPEF的作用機理，經(jīng)各國學者研究，形成了細胞膜穿孔效應、電磁機理模型、電崩解、電解產(chǎn)物效應、臭氧效應等觀點[4]。與傳統(tǒng)的殺菌滅蟲方式相比，高壓脈沖電場的非熱物理處理技術，具有處理時間短、溫升小、低能環(huán)保和滅殺效果明顯等特點，目前已在食品殺菌、污水處理等領域得到了一定的研究成果[5-12]，形成較為成熟的技術。近年國內(nèi)在電殺蟲領域的相關研究發(fā)現(xiàn)，高壓脈沖電流可殺死松材線蟲，且寄主植物組織對電流具有一定抗性[7-8]，在土壤殺蟲的研究中也有一定效果[9]。高壓脈沖電場 (HPEF) 作為一種新興的物理殺蟲殺菌技術，已具備較為成熟的理論及應用的嘗試。因此本實驗以黃粉蟲幼蟲為代表研究電場對以鞘翅目幼蟲為主的蛀干害蟲的殺滅條件及作用效果。

1 實驗裝置與方法

以J1210型高壓發(fā)生器教學儀作為脈沖高壓電源，該儀器可產(chǎn)生5、10、20 kV和50 kV電壓的高頻電脈沖。該發(fā)生器輸入端接220 V、50 Hz市電，主要由儲電電容器、放大器和基本控制電路、輸出選擇開關組成。電容器將輸入電能儲存并瞬間釋放從而產(chǎn)生高壓，連續(xù)的儲能放電循環(huán)構成高壓脈沖。

實驗中將高壓脈沖電施加在由絕緣材料制成的處理室的兩端電極上，如圖1所示。絕緣處理室主要由聚苯乙烯泡沫材料構成，處理室為四方體空間，正上方不封閉用以實驗操作和觀察。在處理室兩對稱側面放置電極，電極間距離可調(diào)，實驗以環(huán)境空氣作為介質(zhì)。本實驗中分別設定電極間距為2、3、4、5 cm，高壓脈沖電通過擊穿兩電極間空氣構成回路。極板選用石墨電極板，極針選用金屬釘。

圖1高壓脈沖電源
Fig.1 High voltage pulse power supply

實驗對象選取寬度為1.5～2.0 mm，長度均在2～2.5 cm之間，且活性良好的幼蟲，將黃粉蟲幼蟲自由放置在處理室中，施加電場觀察其狀態(tài)并在實驗后1 h觀察活性及有無假死現(xiàn)象。實驗中設定不同電壓和電極間距下的放電時長分別為5、15、30 s和60 s。用以測試放電時長、電壓及電極間距對殺滅效果的影響。每一固定電極間距，電壓大小和放電時長下各選取10只幼蟲進行實驗，當實驗后判定幼蟲死亡并無假死現(xiàn)象，則計算致死率，結果用百分數(shù)表示。

2 高壓脈沖電場殺滅黃粉蟲實驗

2.1 板-板電極

將2塊石墨電極板平行固定在處理室兩端，為測定電極間距對環(huán)境空氣介質(zhì)下黃粉蟲的致死效果，分別設定電極板間距為2、3、4 cm和5 cm。表1～4分別為不同放電時長下的黃粉蟲致死率。

表1 板-板電極5 s放電時長致死率Table 1 Lethal rate of 5 s discharge time on plane-plane electrode %

表2 板-板電極15 s放電時長致死率Table 2 Lethal rate of 15 s discharge time on plane-plane electrode %

表3 板-板電極30 s放電時長致死率Table 3 Lethal rate of 30 s discharge time on plane-plane electrode %

表4 板-板電極60 s放電時長致死率Table 4 Lethal rate of 60 s discharge time on plane-plane electrode %

從以上分析結果可知，當電極間距小于黃粉蟲長度時 (2 cm)，通電時電極與蟲體間電弧明顯，各級電壓及放電時長的致死率均為100%；當電極間距略大于黃粉蟲長度時 (3 cm)，除5 kV級脈沖電壓外，其余各級電壓及放電時長致死率也均達到100%，電極與蟲體間產(chǎn)生電弧也較為明顯。當電極間距較寬時，短時間 (5 s) 放電致死率為0；4 cm電極間距時，在10、20、50 kV檔有較低的致死率，實驗中出現(xiàn)不同程度的短時間假死現(xiàn)象；當電極長度達到黃粉蟲長度2倍時則致死率均為0，此時電極與蟲體間無明顯電弧產(chǎn)生。通電時長達到15 s之后對黃粉蟲致死率無明顯影響。

由此可知，對于板-板電極，電極間距大于蟲體長度時，5 kV放電電壓對黃粉蟲的致死效果不明顯，電極間距達到蟲體2倍以上時對黃粉蟲幾乎無殺滅效果。當電壓高于10 kV且維持15 s以上較長的放電時長則殺滅效果較為理想。

2.2 針-針電極

將2根金屬釘 (有尖端) 作為放電電極對稱固定在處理室兩端，同樣設定極針放電尖端的間距為2、3、4 cm和5 cm，不同放電時長對黃粉蟲的殺滅效果見表5～8。

表5 針-針電極5 s放電時長致死率Table 5 Lethal rate of 5 s discharge time on needle-needle electrode %

表6 針-針電極15 s放電時長致死率Table 6 Lethal rate of 15 s discharge time on needle-needle electrode %

表7 針-針電極30 s放電時長致死率Table 7 Lethal rate of 30 s discharge time on needle-needle electrode %

表8 針-針電極60 s放電時長致死率Table 8 Lethal rate of 60 s discharge time on needle-needle electrode %

從表中結果可見，當電極間距小于黃粉蟲長度時 (2 cm)，通電時電極與蟲體間出現(xiàn)較為明顯的電弧，但由于蟲體有顯著的抽搐現(xiàn)象使蟲體與電極間距變化，導致在電壓較低為5 kV時致死率較低，電壓較高時則殺滅效果明顯；當電極間距略大于黃粉蟲長度時 (3 cm)，5 kV級電壓致死率為0，其余各級電壓及放電時長致死率均為100%且電極與蟲體間產(chǎn)生電弧較明顯。當電極間距較寬時有較高的比率出現(xiàn)短時間假死現(xiàn)象，短時間 (5 s) 放電致死率為0；4 cm電極間距時，在10、20、50 kV檔有較低的致死率；5 cm電極間距僅在較長放電時間且電壓為50 kV時存在較低的致死率。通電時長在15 s后各電場環(huán)境下的致死率有略微提高。

相比板-板電極而言，采用針-針電極放電時在電極間距較長時依然對黃粉蟲有殺滅效果，這是由于采用針-針電極時，極針尖端的電荷十分密集，使尖端附近的電場強度更大。當電極表面有電荷堆積時，電荷密度與導體表面的形狀有關，在凹的部位電荷密度接近零，在平緩的部位較小，在尖的部位最大[13]，因此極針的電荷密度要高于極板，針-針電極間電場強度也更高。但由于實驗中放電時黃粉蟲的抽搐現(xiàn)象導致蟲體與電極間距變化，當施加的脈沖電壓較低時，殺滅效果有所降低。

2.3 針-板電極

分別設置兩端電極為金屬釘和石墨板，構成針-板電極。設定極針尖端和極板間距為2、3、4 cm和5 cm，放電時長分別為5、15、30、60 s。測得對黃粉蟲殺滅效果如表9～12所示。

表9 針-板電極5 s放電時長致死率Table 9 Lethal rate of 5 s discharge time on needle-plane electrode %

表10 針-板電極15 s放電時長致死率Table 10 Lethal rate of 15 s discharge time on needle-plane electrode %

表11 針-板電極30 s放電時長致死率Table 11 Lethal rate of 30 s discharge time on needle-plane electrode %

表12 針-板電極60 s放電時長致死率Table 12 Lethal rate of 60 s discharge time on needle-plane electrode %

由以上結果可知，針-板電極對黃粉蟲的殺滅效果相比板-板電極和針-針電極而言較好，其在5 kV電壓檔的殺滅效果明顯高于前述2種電極形式。隨著放電時間的延長，在60 s放電時長時，除采用5 kV在5 cm電極間距外，各電壓檔下不同電極間距時均有一定的殺滅效果。

可以確定針-板電極的形式對于以空氣為介質(zhì)的電場殺蟲效果在上述3種電極形式中最優(yōu)，因其結合了極針和極板的優(yōu)點：極針可將電荷集中于較小區(qū)域提高電場強度；極板可提高電極產(chǎn)生面積，當蟲體被電擊產(chǎn)生抽搐體位發(fā)生變化時對位置的適應性較好。

3 結論與討論

由以上實驗可得出結論如下：1) 放電電壓增高可導致電場強度增大，在一定范圍的電場環(huán)境中可提高對黃粉蟲的殺滅效果。同時電極的間距也影響電場強度大小，同樣電壓下電極間距越近則電場強度越大，對蟲體的致死率越高。2) 針電極放電時針尖端使電荷聚集可提高電場強度，板電極可適應較寬的電場范圍。3種電極組合方式中，針-板電極形成的電場處理室對黃粉蟲的殺滅效果最好。3) 不同電場環(huán)境下通電時間達到一定時長后對黃粉蟲的殺滅效果提高并不明顯。5 s的短時間放電對黃粉蟲致死率相對較低；放電時間延長至15 s之后致死率相對穩(wěn)定；60 s放電時長的殺滅效果最好，從能耗和效率考慮15 s為最佳時間。

由于實驗采用小功率高壓脈沖放電設備，整體電場強度不高。當兩端均為板電極時，兩電極板之間會形成相對均勻的電場，但電場強度較弱；而當電極板變?yōu)闃O針后，產(chǎn)生火花放電，電場形成區(qū)域為兩電極之間較窄的 “紡錘形”，由于陽極極針針尖電荷集中，與陰極形成的區(qū)域間電場強度較高；針-板電極以針電極為陽極，板電極為陰極，此時形成較微弱的電暈放電形式，此種放電形式在陽極周圍由于電荷集中可形成較強電場，陰極的板電極使電場分布更加均勻。

在平行布置的板電極處理室中，蟲體一端會與極板接觸距離較近的某一區(qū)域產(chǎn)生可見的電弧放電現(xiàn)象，蟲體受電擊產(chǎn)生抽搐時蟲體與極板間的電弧位置也隨即改變，證明此種電極對蟲體位置適應性較好，缺點是電場強度低殺滅效果較弱；在對稱布置的針-針電極處理室中，蟲體的一端只與金屬針尖端產(chǎn)生電弧放電現(xiàn)象，由于極針位置固定，電場存在于較窄的放電區(qū)域內(nèi)，只有當蟲體置于兩電極之間時才產(chǎn)生抽搐現(xiàn)象，當蟲體位置改變后，有可能導致蟲體與電極間距超過可以產(chǎn)生電弧的距離而無法達到電擊效果。而本研究采用的針-板電極形式可改善上述2種電極處理室的缺陷，其對黃粉蟲的殺滅效果也最好，其形成的電暈電場在水處理、食品殺菌等領域被證明有較好的應用效果[14-15]。

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