空間電場防病促生系統(tǒng)的設(shè)計與試驗

孫濱洪，郭 輝

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，烏魯木齊 830052）

空間電場防病促生技術(shù)可有效減少化學(xué)肥料和農(nóng)藥的使用，促進(jìn)植物生長，提高作物的品質(zhì)和產(chǎn)量。空間電場防病促生系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分是直流高壓發(fā)生器，其輸出電壓的穩(wěn)定性直接影響空間電場效果。為此，基于高壓靜電放電原理設(shè)計一套空間電場防病促生裝置，并以“日本銀鳳”番茄品種為試驗對象，在整個結(jié)果期間進(jìn)行對比試驗，檢測其對番茄果實品質(zhì)和產(chǎn)量影響，以期為空間電場防病促生技術(shù)提供適用裝置。

1 空間電場防病促生裝置的設(shè)計

1.1 空間電場防病促生裝置的組成

空間電場防病促生裝置主要由10～50 kV可調(diào)式直流高壓發(fā)生器、0～250 V可調(diào)變壓器、ZYT16G微電腦時控開關(guān)、DZ12-60塑殼空氣開關(guān)（20 A）、電力監(jiān)測儀、14個絕緣子、電極線等組成。該裝置由220 V AC提供電源，在微電腦時控開關(guān)的控制下按照間歇循環(huán)的方式工作，工作20 min休息45 min，通過0～250 kV可調(diào)變壓器控制直流高壓發(fā)生器的輸出電壓，由電極線產(chǎn)生電暈放電，在電極線周圍產(chǎn)生大量帶電粒子、微量臭氧和氮氧化物，形成空間電場。

1.2 直流高壓發(fā)生器的結(jié)構(gòu)

1.2.1 總體結(jié)構(gòu) 可調(diào)式直流高壓發(fā)生器由 220 V AC、24 V環(huán)形變壓器、橋式整流電路、濾波電路、驅(qū)動電路和行輸出變壓器等組成。

該裝置的技術(shù)參數(shù)為：

輸入電壓：220±10 V；

輸入電流：0.4±0.05 A；

頻率：50 Hz；

額定輸入功率：90 W；

輸出電壓：10～53 kV；

日耗電量：0.3 kW/d。

1.2.2 驅(qū)動電路設(shè)計 驅(qū)動電路是直流高壓發(fā)生器的關(guān)鍵部件，決定整套裝置的輸出功率和輸出電壓。驅(qū)動電路如圖1所示。其工作原理為：整流濾波電路輸出的平滑直流電壓經(jīng)過4個穩(wěn)壓二極管鉗位在12 V電壓后，分別送入4個MOS管的GS極，MOS管同時開通，上電瞬間電容C2上端電壓升高；恢復(fù)二極管截止，MOS管Q2、Q3保持開通，MOS管Q1、Q4因失去 VGS而截止；MOS管 Q1、Q4上的 VDS＝0，電容C2下端電壓瞬間升高，MOS管Q2、Q3截止，MOS管Q1、Q4因獲得VGS而導(dǎo)通；4個MOS管在一定時間內(nèi)反復(fù)過程，時間由諧振電容C2的容量決定。整個工作過程中，10 kΩ電阻確保MOS管關(guān)斷；470 Ω電阻限制MOS管的柵極電流；L1電感用于減少電源輸出電流波動，確保提供穩(wěn)定電流。

2 空間電場防病促生裝置應(yīng)用效果試驗

2.1 試驗設(shè)備和條件

試驗地點為新疆五一農(nóng)場設(shè)施農(nóng)業(yè)基地日光溫室大棚試驗區(qū)17號棚，總長84 m，寬 7 m，高3.5 m，面積588 m2；東西走向，彩鋼板結(jié)構(gòu)，頂部有通風(fēng)口和卷簾被。整個溫室內(nèi)角度、高度一致。

溫室內(nèi)的土壤偏堿性，白天相對溫度控制在25～31℃，相對濕度控制在40%～80%，晚上相對溫度控制在13～16℃，相對濕度控制在80%～100%。用雙層塑料將溫室分為試驗組和對照組兩部分。試驗組安裝空間電場防病促生裝置；對照組不安裝空間電場防病促生裝置。兩組植株的灌溉、施肥、管理和收獲條件均相同。

試驗番茄品種為 “云粉168”，2017年5月30日播種，用穴盤的方式育苗，7月8日定植，8月2日進(jìn)入開花期，8月20日進(jìn)入結(jié)果期。

圖1 驅(qū)動電路原理Figure 1 Drive circuit principle

2.2 空間電場安裝方法

試驗組在番茄開花末期安裝空間電場，把空氣開關(guān)、微電腦時控開關(guān)和可調(diào)變壓器固定在門口的墻壁上，把高壓發(fā)生器、14個絕緣子放在內(nèi)墻壁和房頂上，用粗導(dǎo)線將高壓發(fā)生器負(fù)極與埋入土壤0.5 m的接地鐵管相連；將絕緣子固定在棚頂中央，每5 m安裝 1個，架設(shè)高度 2.3 m。

2.3 試驗方法

2.3.1 植株標(biāo)定 從第1壟起，每隔4壟選 1壟，共選出7壟，每壟隨機抽樣7株，統(tǒng)計番茄的單株平均產(chǎn)量和總產(chǎn)量。

2.3.2 果實品質(zhì)測定 10月17—24日采摘后標(biāo)記好的番茄，計算果實的商品率、畸形率和單項不合格率。

在試驗組和對照組各隨機抽選20個番茄果實，用目測法觀察每個番茄果實的外觀，再用游標(biāo)卡尺測量果實的縱徑、橫徑，計算番茄的果形指數(shù)。

2.3.3 產(chǎn)量測定 10月17—24日分別統(tǒng)計當(dāng)天的產(chǎn)量和標(biāo)記植株的單株產(chǎn)量。

2.4 結(jié)果與分析

2.4.1 空間電場對番茄果實品質(zhì)的影響 由表1可以得出：1）試驗組番茄的果實屬于圓形，對照組番茄的果實屬于扁圓形，說明空間電場對番茄的果形有一定影響：2）試驗組番茄屬于特大果屬性，對照組番茄介于大果和特大果之間，趨于大果屬性，說明空間電場對番茄果實的單果質(zhì)量有影響：3）與對照組相比，試驗組的單果質(zhì)量平均增加13.4%，商品率平均提高3.4%，畸形率平均降低 29.7%，由病蟲害、褪色、疤痕、凍傷、皺縮、空腔、裂果、腐爛等引起的單項不合格率平均減少 31.4%。

利用EXCEL軟件中的單因素方差分析試驗數(shù)據(jù)，單果質(zhì)量 P 值＝0.021 883＜0.05；畸形果率 P 值＝0.023 091＜0.05，組間差異均非常顯著；果形指數(shù)、商品率和單項不合格率的P值均大于0.05，組間差異不顯著。在實際生產(chǎn)中，空間電場對番茄果實的單果質(zhì)量和畸形果率有顯著性影響。

表1 空間電場對番茄果實品質(zhì)的影響Table 1 Effect of circuit principle on fruit quality of tomato

2.4.2 空間電場對番茄產(chǎn)量和總產(chǎn)值的影響 試驗組番茄果實的始收期是9月30日，對照組番茄果實的始收期是10月5日。兩組番茄果實的末收期均是11月18日，試驗組比對照組提前5 d成熟，采摘次數(shù)比對照組多了2次，表明空間電場可以延長番茄的采收期。

表2 空間電場對番茄產(chǎn)量的影響Table 2 Effect of circuit principle on tomato yield ld

由表2可以得出：試驗組番茄的單株平均產(chǎn)量為3.4 kg，對照組番茄的單株平均產(chǎn)量為 2.7 kg，比對照組高25%，說明空間電場對番茄果實的單株產(chǎn)量影響較大；對照組番茄的總產(chǎn)量為3 626.6 kg，試驗組番茄的總產(chǎn)量為 4 050.7 kg，比對照組提高 11.7%，說明空間電場對番茄果實的總產(chǎn)量有明顯影響。

直流高壓發(fā)生器通過電極線產(chǎn)生電暈放電，在溫室內(nèi)形成空間電場。根據(jù)電極線的場強分布規(guī)律可知：以電極線為軸時，在垂直于電極線的平面上，距離電極線等相的圓周上場強相同，距離電極線越，遠(yuǎn)場強越小，故電極線對正下方番茄植株的影響較大，對兩邊番茄植株的影響逐漸減小。番茄單株產(chǎn)量高于總產(chǎn)量是由空間電場場強分布不同引起的。

據(jù)調(diào)查，10月7—29日新疆烏魯木齊市北園春批發(fā)市場西紅柿的價格在 3.0～3.8 元/kg 之間，10 月30 日—11 月 18 日期間番茄的價格在 2.5～3.0 元/kg之間。根據(jù)番茄采摘情況可知：以平均3.0元/kg計算，試驗組番茄的高產(chǎn)期在10月11—24日，處于單價最高時期，對照組番茄的總產(chǎn)值平均為10 879.8元，試驗組番茄的總產(chǎn)值平均為12 152.1元，比對照組番茄增加 1 272.3元，增長率為 11.7%。

2.4.3 空間電場對日光溫室內(nèi)濕度的影響 冬季日光溫室內(nèi)的濕度范圍為50%～90%，日出后到日落前的相對濕度為70%～90%，晚上到日出前的相對濕度為90%～100%。日光溫室為封閉空間，植物蒸騰作用和土壤水分蒸發(fā)導(dǎo)致室內(nèi)的濕度比大田高很多。傳統(tǒng)的日光溫室除濕方法是晚上點燃高效氯氰菊酯（煙劑，具有強毒性），翌日早上開窗通風(fēng)，平均1次/10 d。該方法可起到除濕作用，但會造成溫度劇烈變化，對番茄植株的生長具有一定負(fù)面影響。

10月25日試驗區(qū)附近晴轉(zhuǎn)多云，最高溫度17℃，最低溫度3℃，上午10：00日光溫室內(nèi)的溫度為16.6℃、濕度為100%。使用空間電場防病促生裝置15 min 后，溫度為 17.6 ℃，濕度為 68.5%，溫度升高 1℃，濕度下降31.5%，霧氣消除。而對照溫室的溫度為17℃、濕度為91.2%，溫度升高0.4℃，濕度下降9.8%。

3 結(jié)論與討論

根據(jù)空間電場的防病促生原理設(shè)計一套空間電場防病促生裝置。裝置應(yīng)用對比試驗結(jié)果顯示，在番茄結(jié)果期間，對番茄單果重、畸形果率、單株產(chǎn)量和總產(chǎn)量均有明顯影響，對果實品質(zhì)和商品率也有一定影響。此外，空間電場防病促生裝置有降濕除霧作用，工作15 min即可降低溫室內(nèi)濕度31.5%，消除霧氣。