李軒甫，邢劍飛，胡 燦，王 龍，郭文松，賀小偉，王旭峰※

（1．塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆阿拉爾843300；2．新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

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(jì)效益，但是也付出了環(huán)境污染和資源浪費(fèi)的代價(jià)。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(yùn)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(diǎn)。

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(jìn)入農(nóng)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，經(jīng)學(xué)者們理論研究及試驗(yàn)，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(jìn)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(jì)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(jī)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(jìn)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(jī)撒藥

20世紀(jì)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(jìn)行試驗(yàn)。20世紀(jì)90年代末Carlton[6]等對航空領(lǐng)域靜電噴霧進(jìn)行系統(tǒng)研究試驗(yàn)，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(jìn)行研究與試驗(yàn)，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(jì)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(biāo)。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(jìn)行研究。王亞濤等對多旋翼無人機(jī)靜電噴霧的流量、電壓等數(shù)值進(jìn)行試驗(yàn)分析，無人機(jī)裝置如圖1。茹煜[9]等設(shè)計(jì)了一套靜電噴霧系統(tǒng)并以Y5B農(nóng)用飛機(jī)為基礎(chǔ)對霧滴的附著情況、運(yùn)動(dòng)軌跡等參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，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(jìn)行研究，并通過對水稻分蘗期進(jìn)行試驗(yàn)得出無人機(jī)撒藥既保留了人工撒藥的優(yōu)點(diǎn)又更好地改進(jìn)了其中的不足，對于中、小地塊的作業(yè)有良好的效果。

圖1 多旋翼植保無人機(jī)靜電噴霧系統(tǒng)1.RTK差分天線模塊2.供電電源3.感應(yīng)環(huán)懸架4.感應(yīng)環(huán)5.離心噴頭6.靜電發(fā)生器7.藥箱

國外對靜電噴霧理論做了大量的研究以及試驗(yàn)，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(jī)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(diǎn)的靜電噴霧裝置，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)效果對裝置進(jìn)行改進(jìn)，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(yàn)，試驗(yàn)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(jì)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(diǎn)對害蟲進(jìn)行引誘，再通過定時(shí)器輸出不同的信號對電路進(jìn)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(jìn)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(yàn)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。Andriessen Rob[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(jī)械化技術(shù)推廣站韓志斌對多種害蟲進(jìn)行滅殺，收到了不錯(cuò)的效果，為今后靜電殺蟲發(fā)展提供了思路。

圖2 靜電殺蟲系統(tǒng)流程圖

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(jìn)行大量試驗(yàn)，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(xì)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(jì)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(yùn)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(yàn)。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(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)過尋優(yōu)處理，得到最優(yōu)噴涂參數(shù)。Pendar Mohammad Reza[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(jìn)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(diǎn)的距離，從而實(shí)現(xiàn)最低電場值的提高以及空間電場的分布均勻性，達(dá)到提高保鮮效果的目的，保鮮原理如圖3。

圖3 電場保鮮原理

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(yàn)確定最優(yōu)參數(shù)以達(dá)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(yùn)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(jìn)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(jìn)行靜電干燥試驗(yàn)，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(lán)等農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)同等效果下時(shí)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(shí)降低消耗。

表1 胡蘿卜條的兩種干燥方法試驗(yàn)數(shù)據(jù)

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(jià)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(dòng)植物生物效應(yīng)的影響

高壓靜電場對動(dòng)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(dòng)物生物效應(yīng)的影響

孫丕海[29]等對海魚、淡水魚等進(jìn)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(jìn)入魚苗期生長速度也相對增加。試驗(yàn)表明，小白鼠在50 kV/m的電場下，試驗(yàn)體增重18.1%～19.5%。董振勇[30]等通過試驗(yàn)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(dòng)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(qiáng)度和酶活性進(jìn)行了測定，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在相同浸種時(shí)間下，經(jīng)高壓靜電處理過后的種子呼吸強(qiáng)度和電導(dǎo)率都有提升，電場強(qiáng)度達(dá)到200 kV/m時(shí)，種子內(nèi)的ATP含量、脫氫酶活性達(dá)到峰值，電場強(qiáng)度達(dá)到40 kV/m時(shí)酸性磷酸酶活性達(dá)到峰值，試驗(yàn)表明高壓靜電處理可改善種子的多個(gè)指標(biāo)。徐佳楠[32]等對經(jīng)高壓靜電場處理后的菠菜種子進(jìn)行試驗(yàn)分析，得出當(dāng)電場強(qiáng)度為50 kV時(shí)，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(jìn)行靜電處理，發(fā)現(xiàn)在同等條件下，發(fā)芽率高達(dá)96%。試驗(yàn)表明，經(jīng)高壓靜電處理后種子呼吸強(qiáng)度增強(qiáng)、發(fā)芽速率快，減少了種子在土壤里的時(shí)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(jìn)行高壓靜電處理，試驗(yàn)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(jìn)植株的生長。王淑惠[35]等對小麥進(jìn)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(dòng)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(jìn)行了田間試驗(yàn)。Wang J[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(yàn)，在連續(xù)3次進(jìn)行靜電分離后，粉末狀蛋白質(zhì)含量高達(dá)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(jìn)行分選，試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)高壓靜電處于4 000 V（DC）時(shí)，分選出的水稻種子相對較高。丁愛真[39]等使不同種子從30 cm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(shí)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(jìn)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(jìn)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(dá)到90%以上，實(shí)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(jìn)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(qiáng)度?？搽s[42]等對棉種在靜電場的作用下的電場參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到更優(yōu)的分離參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了更好的分離效果。

圖4 高壓靜電籽棉殘膜分離裝置1.電機(jī)2.皮帶3.輸送帶4.極板間距調(diào)節(jié)部件5.電極間距調(diào)節(jié)部件6.上極板7.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?。高壓靜電技術(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(yàn)不充分等問題，有待進(jìn)一步完善。

5 結(jié)論

高壓靜電因具有獨(dú)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(jìn)入農(nóng)業(yè)中的各個(gè)領(lǐng)域，在無人機(jī)撒藥、靜電滅蟲器、種子分選方面都已實(shí)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(yàn)，高壓靜電在保鮮領(lǐng)域也占有一席之地，經(jīng)試驗(yàn)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(dòng)物的影響試驗(yàn)中還未見明顯成果；試驗(yàn)研究在生物質(zhì)研究以及增強(qiáng)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(yùn)用到實(shí)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(diǎn)，在農(nóng)業(yè)各個(gè)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(diǎn)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。