超聲波在農業中的應用及前景
超聲波是指頻率高於人類聽覺上限的聲波。超聲波在自然界也是廣泛存在的，只是人耳聽不到而已。超聲波可以很容易的進入海水、地層、人體以及很多固體和液體，幾乎可以穿透任何物質。因此，與光波和電磁波相比，超聲波在收集材料內部信息方面有其獨特的能力。更重要的是，具有更高聲頻或強度的超聲波能量可用於改變物質的某些狀態或對生物的發育和生長產生壹些重要影響。本文結合相關研究課題，簡要報道了超聲波在農業中的壹些新應用及其前景。
1超聲波在農業中的應用
1.1超聲波處理和加工的基本原理。
超聲波加工處理設備主要由超聲波發生器、換能器、超聲波集中器和超聲波發生器與換能器之間的匹配電路四部分組成。如圖1所示，超聲波發生器產生壹定的高頻電能，並提供給超聲波換能器。通過超聲波換能器將電能轉化為機械能，然後通過超聲波集中器將機械能放大，使得聲能作用於待處理的物質。超聲波處理和加工的基本原理主要是利用流體動力學的空化現象。超聲空化是指超聲激活氣泡的各種動力學表現，可以是規則而溫和的穩態空化，也可以是非常強烈而短暫的瞬態空化。瞬態空化氣泡絕熱收縮至潰滅時刻，氣泡可呈現數千個大氣壓的高溫高壓，並伴有強大的沖擊波或噴流。由於其機械作用，超聲波輻射可以增強液體介質中的粒子運動和加速傳質，同時也影響邊界層、膜、細胞壁和液泡。超聲波空化也能破壞細胞和使酶變性。下面提到的壹些超聲波在農業上的新應用，基本都是遵循上述基本原理實現的。
1.2超聲波測定土壤中鉛
鉛是壹種對人體有害的元素。它是土壤分析中的壹個常量元素。將懸浮液直接註入土壤中用火焰原子吸收光譜法測定鉛時，由於土壤樣品取樣量大，懸浮液乳液粘度大，不易分散均勻，影響取樣的特性。在取樣前用超聲波處理懸浮液的方法，可以使取樣順利進行，使懸浮液長期穩定。十二烷基硫酸鈉(sDS)的增感作用可以提高火焰原子吸收光譜法直接采樣懸浮液的靈敏度。該方法快速、簡便、準確。適用於各種土壤樣品中鉛的測定。
1.3超聲波處理對種子發芽率的影響
超聲波處理可以影響種子的發芽率，這種影響具有種屬特異性。發現在溫和的超聲波處理條件下可以獲得較高的種子發芽率。當超聲波處理時間超過最大值時，種子胚的死亡率會增加，種子的發芽能力自然下降。因此，在討論超聲波處理對種子萌發的影響時，不同的處理條件，如超聲波處理的強度和持續時間，都會對種子萌發產生不同程度的影響，從而導致不同的結果。
1.4超聲波處理對植物生長的影響
像其他環境壓力壹樣，超聲波也是壹種壓力。它對植物的生長發育有著重要的影響。超聲波處理可以影響植物或某些器官的存活和生長。對器官生長影響的研究應以根為重點，溫和的超聲波處理能促進生根。超聲波處理植物細胞後，有壹個壹致的現象，即低劑量、短時間的溫和處理能明顯加速和誘導植物細胞分裂，刺激細胞生長，加速原生質體的蛋白質合成；但如果延長治療時間，增加治療劑量，就會造成負面的、不可逆的影響。用超聲波處理保鮮液可以明顯增加切花菊、康乃馨等植物的鮮重，延緩鮮重開始下降的天數，增加最大花莖，延長瓶插壽命。可見，壹定頻率和強度的超聲波處理可以強化植物的某些生理生化指標，促進其生長發育。
1.5超聲波處理對植物呼吸的影響
植物呼吸作用的研究壹直是植物生理學研究的熱點，特別是對於農作物來說，其呼吸作用直接關系到產量，因此其研究對農業的發展具有重要的理論和現實意義。1975中的AlbuE研究發現，蔬菜經過低頻超聲波(25kHz)處理後，壹年生植物(如番茄、黃瓜)的呼吸強度下降，而二年生植物(如白菜、洋蔥)的呼吸強度上升。從此可以推測，超聲波處理相關作物可以提高作物產量。
1.6超聲波犁耕
傳統犁需要重型機器牽引，不僅壓實了深層土壤，而且使其無法保持水分和養分；而且翻起的表土會被風雨侵蝕。這是很多農民的壹大煩惱。此外，由於反復翻耕，植物和腐爛植物的根被翻出地表，它們會排放二氧化碳氣體。約旦農機工程師Nida？阿布哈德發明了利用超聲波來松土。他的實驗結果表明，松土可以達到20厘米的深度。這完全滿足壹般作物的松土深度。
1.7植物根部的超聲波處理
糖是植物中的主要成分之壹，可溶性糖主要指單糖和寡糖。單糖磷酸在植物細胞中含量不高，但它們是光合作用和呼吸作用過程中的主要中間產物。在代謝過程中極其重要。經聲波刺激後，根中可溶性糖含量比對照組高29.6%左右。豐富的蛋白質是細胞進行壹系列生理活動的物質基礎。聲波刺激後，根中可溶性蛋白增加了35.3%，高水平的可溶性蛋白含量保證了細胞旺盛的分裂和生長能力。這說明聲波刺激後，植物的根細胞分裂旺盛，生長能力強。
1.8超聲波殺蟲促進蠶種孵化
使用250W-CFS超聲波發生器(由中原電子儀器廠生產)來匹配獨立的清洗槽。19.5 ~ 20.5 kHz，水果中帶蟲的板栗在清洗槽中用自來水浸泡，開機15分鐘。之後，在水中晾幹，保持兩個星期。板栗果實剖開時，約10mm長的幼蟲存活，6mm以下的幼蟲死亡。延長處理後，昆蟲死亡率基本相同。另外，也有人用類似的方法和設備處理過蠶卵(半分鐘左右)，直接結果是螞蟻蠶的孵化時間基本壹致:跟蹤結果顯示，相同條件下長大的成蟲所結蠶繭的繅絲率提高；也有嘗試用超聲波處理水果(如蘋果、梨)中的害蟲，但在當時的條件下做了壹些小實驗後，大部分都失敗了。
2需要解決的問題
超聲波在農業上的應用是壹個比較早的研究領域，但還沒有普及，還處於探索階段。為進壹步開發其應用價值，應從以下幾個方面努力:
2.1理論研究與完善
超聲波的生物效應不僅與被照射生物組織的總劑量有關，還與照射劑量在空間和時間上的分布有關。這些關系對於不同的生物組織是不同的。由於影響因素較多，目前得到的壹些實驗結果的重復性不盡如人意，規律性還有待探索，因此在這方面還有大量的工作要做。
2.2放大問題
目前，雖然超聲波產生的生物效應已在少量治療中得到應用，但大部分屬於實驗室研究，還缺乏用於放大的中間數據，反映過程的定量描述。目前還沒有壹個標準化和定量化的尺度，因此在超聲刺激的生物學效應和機理、反應動力學以及反應器的放大設計等方面還需要大量和充分的研究工作。
2.3協同問題
雖然超聲波在農業生產中有很大的優勢，但它對生物體的影響是多方面的，這取決於它的頻率、強度和作用時間。高強度超聲波會破壞細胞並使酶失活。低強度超聲波可以促進細胞生長和提高酶活性，這使得超聲波在農業中的應用具有雙重性。因此，為了使超聲波處理生物體在理論上更加合理，超聲波處理應該與其他處理技術相結合，這樣在技術上是可行的，在經濟上也更加合理。
3超聲波在農業中的應用前景
3.1新型高效變頻器的出現
磁致伸縮材料是壹種傳統的超聲換能器材料。由於其性能穩定、功率容量高、機械強度好，目前仍在壹些特殊領域使用，但也存在能量轉換效率低、勵磁電路復雜、材料加工困難等缺點。隨著壓電陶瓷材料的大規模推廣應用。在壹段時間內，磁致伸縮材料有被壓電材料取代的跡象。然而，隨著壹些新型磁性材料的出現，如鐵氧體、稀土超磁致伸縮材料和鐵磁流體換能器材料，磁致伸縮換能器引起了人們的關註。可以預見，隨著材料加工技術的提高和成本的降低，壹些新型磁致伸縮材料將廣泛應用於水聲和超聲領域。目前，超聲換能器的工作頻率已經從常用的低頻(20kHz)發展到更高的頻率(幾百千赫甚至幾兆赫)，換能器的工作頻率也從單壹工作頻率發展到多個工作頻率。此外，新型稀土超磁致伸縮材料的研制成功也為新型磁致伸縮換能器的發展奠定了堅實的基礎。這些新型高效換能器的研制成功必將擴大超聲技術的應用範圍。
3.2超聲波技術在農業上的應用將有新的發展和提高。
超聲波的生物效應不僅與被照射生物組織的總劑量有關，還與照射劑量在空間和時間上的分布有關。這些關系對於不同的生物組織是不同的。同時，超聲波還可以結合遠紅外輻射育種和作物種子處理技術進行誘變，從中選擇優良的突變個體，通過壹系列育種程序培育新品種。國外已經進行了這種實驗，效果還不錯；超聲波在藥材種植和生產中的應用前景和潛力還是很大的，對促進國家藥材生產的發展有很大的現實意義:超聲波在農林牧業的人工增雨方面也有壹定的貢獻。目前國內超聲波農業的應用還沒有被引用。
引起有關方面的足夠重視。然而，許多實驗實踐證明，超聲波在農業中應用的可能性和多樣性是很大的，它已經顯示出它的威力和廣闊的前景。根據國內外現有的空間測試結果。作者預測。如果把地面上經過超聲波處理的種子拿到太空中發芽生長，很可能會出現更神奇的結果。我們完全可以相信，用不了多久，超聲波新技術將在服務中國社會主義農業現代化和提高農業生產率方面發揮獨特的作用。