臭氧技術(shù)及臭氧植保機械在農(nóng)業(yè)中的應用

范鑫, 尚德林, 蘭玉彬, 白京波, 韓鑫*

(1.山東理工大學農(nóng)業(yè)工程與食品科學學院, 山東 淄博 255000；2.山東思遠農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司, 山東 淄博 255400)

農(nóng)藥的使用在糧食蔬菜的種植過程中發(fā)揮著重要作用，我國農(nóng)藥的不合理使用影響了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，造成部分農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留超標，并可能引發(fā)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問題。2015年2月17日，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部下發(fā)《到2020年農(nóng)藥使用量零增長行動方案》，使得農(nóng)藥利用率提高，用藥量下降。據(jù)統(tǒng)計，2018年我國農(nóng)藥使用量有所下降，折百量在30萬t左右[1]，其中,殺蟲劑的總體用量減少，殺菌劑的總體用量持平，種子處理劑的用量增加。由此可見，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中要想擺脫對農(nóng)藥的依賴還有很長的路要走，而臭氧技術(shù)為減少農(nóng)藥的使用量提供了一種新的解決方案。

臭氧(O3)又稱超氧，是氧氣(O2)的同素異形體，常溫下可以自行還原為氧氣，呈淡藍色，具有魚腥味，易溶于水[2]。臭氧具有廣譜、高效、快速的殺菌功能，是目前已知的最強氧化劑，其殺菌能力比氯強600～3 000倍[3]。自1840年被發(fā)現(xiàn)后，臭氧被廣泛應用于水處理、食品殺菌保鮮、醫(yī)療衛(wèi)生等領域。人為產(chǎn)生臭氧的方法主要有紫外線照射法、電解法、放射化學法和介質(zhì)阻擋放電法[4]。介質(zhì)阻擋放電法又稱電暈放電法，在高頻高壓的電場中通入氧氣，氧氣分子被高能電子分解為氧原子，每3個氧原子經(jīng)過碰撞形成臭氧分子。該方法能耗低、產(chǎn)量大，因此，工業(yè)和農(nóng)業(yè)上多用此法合成臭氧。臭氧滅菌機理在于：臭氧在還原為氧氣的過程中會分解出一個單氧原子，這個單氧原子極活潑、具有強烈的氧化作用，與引起作物病害的細菌、真菌、病毒接觸后，會與其細胞壁的脂類雙鍵反應，破環(huán)其細胞壁和細胞膜，導致胞內(nèi)汁液流失，同時作用于細胞內(nèi)部的蛋白質(zhì)、氨基酸、多糖等，使細胞迅速失活[5]。臭氧對農(nóng)業(yè)害蟲的殺傷作用來源于多方面:一是臭氧通過害蟲的氣門或體壁進入蟲體，氧化細胞壁中的不飽和脂肪酸，促使蟲體的體液流失[6]；二是臭氧滲透到細胞膜內(nèi)，導致細胞分解死亡[7]；三是分解蟲體內(nèi)葡萄糖代謝所需要的葡糖氧化酶，促使細胞死亡[8]。臭氧殺蟲與農(nóng)藥殺蟲的機理不同，不會因為多次使用而使農(nóng)業(yè)害蟲產(chǎn)生抗藥性。

目前，臭氧技術(shù)已在農(nóng)業(yè)領域的諸多方面得到了應用。例如，土壤熏蒸、作物病蟲害防治、種子處理、果蔬貯藏保鮮、畜牧場消毒除臭等方面，均是利用了臭氧廣譜、高效、無殘留的殺菌特點，尤其是在糧食作物倉儲過程中，臭氧更是發(fā)揮了重要作用。在臭氧技術(shù)得到研究應用以及發(fā)展農(nóng)藥控制與替代技術(shù)的背景下，研制新型臭氧植保機械是一個值得探索的新方向。因此，本文對臭氧技術(shù)及臭氧植保機械在農(nóng)業(yè)領域的研究應用現(xiàn)狀進行了梳理，以期為研制基于臭氧技術(shù)的植保機械提供參考。

1 臭氧技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應用

1.1 土壤熏蒸殺蟲滅菌

臭氧作為土壤熏蒸劑使用，能夠有效減少土壤中病菌數(shù)量，增加土壤營養(yǎng)成分，可顯著增加草莓、番茄、馬鈴薯等作物的產(chǎn)量。尤其是對于大棚蔬菜，常年連種重茬導致土傳病源長期積累，影響蔬菜種植和產(chǎn)量。Msayleb等[9]研究了使用臭氧氣體熏蒸土壤對線蟲的殺滅作用，結(jié)果表明，使用1 125 mg劑量的臭氧處理土壤樣品，線蟲死亡率達到95%，且在使用臭氧進行土壤熏蒸之前，先對土壤進行灌溉會得到更好的效果；Mitsugi等[10]的試驗結(jié)果也證明了，使用臭氧氣體熏蒸土壤能夠有效滅殺線蟲，研究認為用臭氧作為土壤消毒劑是可行的；周真真等[11]將臭氧作為土壤熏蒸劑防控蔬菜土傳真菌病害，研究離體條件下臭氧熏蒸處理對黃瓜枯萎病菌(FuariumoxysporumF. sp.cucumerinum)、立枯絲核菌(Rhizoctoniasolani)和甘藍枯萎病菌(FusariumoxysporumF. sp.conglutinans)3種土傳病原真菌菌絲生長和孢子萌發(fā)的抑制作用，結(jié)果表明,臭氧不僅能顯著抑制病原菌的菌絲生長，而且能使菌絲發(fā)生卷曲、菌絲隔膜消失、原生質(zhì)體溶解等現(xiàn)象，在抑制孢子萌發(fā)方面也有明顯效果。這說明，利用臭氧對土壤殺菌消毒、防治作物土傳病蟲害是可行的。

1.2 作物病蟲害防治

臭氧在糧食作物病蟲害防治中的應用主要集中于對儲糧害蟲的防治，國內(nèi)外研究人員對此進行了大量研究。Bonjour等[12]研究了臭氧熏蒸對儲藏小麥主要害蟲的防治效果，結(jié)果證明，臭氧能夠有效防治儲藏小麥中的一些儲糧害蟲和病菌。臭氧對常見的玉米象(Sitophiluszeamais)[13]、谷蠧(Rhyzoperthadominica)[14]、赤擬谷盜(TriboliumcastaneumHerbst)[15]等儲糧害蟲均有防治作用；孟憲兵[16]在山東濱州國家糧食儲備庫進行了相關(guān)試驗，利用高效臭氧發(fā)生器裝置結(jié)合環(huán)流熏蒸技術(shù)對糧食進行殺蟲處理，結(jié)果表明，常溫下臭氧濃度為30 mL·m-3時，分別需要3、6、7、7 d殺死糧食中的玉米象、谷蠧、赤擬谷盜、銹赤扁谷盜(CryptolestesferrugineusStephens)，成蟲校正死亡率達到100%，在此條件下，對蟲卵和各種霉菌的滅殺率也達到100%。

臭氧在經(jīng)濟作物病蟲害防治中的應用主要集中于對設施蔬菜病蟲害的防治。防治措施包括澆灌、熏蒸和噴施，研究證明，臭氧能夠有效防治大棚中西紅柿、黃瓜、草莓等果蔬的病蟲害。Fujiwara等[17]研究了噴灑臭氧水對黃瓜白粉病的防治效果，證明了噴施臭氧水是控制黃瓜葉片白粉病的一個可行性選擇；李毅等[18]做了臭氧水及氣體在設施蔬菜病蟲害防治中的應用效果實驗，探究了臭氧水澆灌防治土傳病害、臭氧氣體防治設施蔬菜主要病蟲害的效果，結(jié)果表明，利用臭氧水澆灌土壤，對發(fā)病初期的土傳病害有抑制作用；釋放臭氧氣體對黃瓜霜霉病、白粉病、角斑病及灰霉病均具有防治效果；沈建生等[3]研究了臭氧水對大棚葡萄主要病害的防治效果，結(jié)果表明，在葡萄生長的不同時期噴施不同濃度臭氧水，對葡萄霜霉病、灰霉病、炭疽病、白粉病均有良好的防治效果，并且得出了利用臭氧水防治葡萄病害的最佳使用濃度。此外，臭氧水澆灌能夠提高馬鈴薯幼苗的抗逆性，提高植株對Fe的吸收效果[19]；能夠提高韭菜幼苗的光合作用、抗逆能力和營養(yǎng)品質(zhì)[20]。

1.3 種子處理

在作物種植之前，利用臭氧對種子進行處理，能夠提高種子的發(fā)芽率和表面微生物抑制率[21]。有學者研究了臭氧處理對辣椒、番茄和黃瓜種子萌發(fā)的影響，結(jié)果表明，以120 mg·m-3的臭氧處理辣椒種子30 min，表面微生物抑制率達到98%，50 mg·m-3臭氧處理辣椒種子30 min，能夠增強種子的超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、過氧化物酶(peroxidase，POD)活性，降低丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量，提高種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢；臭氧處理對番茄種子的發(fā)芽率影響不明顯；使用160 mg·m-3的臭氧處理黃瓜種子效果最好，發(fā)芽率達到96.5%，SOD、POD活性均值達到最高，MDA含量最小[22-23]。閻世江等[24]利用臭氧氣體對黃瓜種子進行處理，研究了臭氧對黃瓜種子發(fā)芽及活性成分的影響，結(jié)果表明，低濃度臭氧氣體處理能夠促進種子發(fā)芽，高濃度臭氧氣體處理則抑制種子發(fā)芽。

1.4 果蔬貯藏保鮮

臭氧技術(shù)的出現(xiàn)為解決果蔬保鮮問題提供了新方法，用臭氧處理果蔬和冷庫，能夠延長果蔬貯存期，其原理是利用臭氧的強氧化性，殺滅果蔬表面和冷庫中的微生物，去除有毒物質(zhì)[25]。且臭氧能夠消除果蔬呼吸產(chǎn)生的乙烯，降低呼吸強度[26]。Cayuela等[27]研究了臭氧處理對控制葡萄采后腐爛的效果，結(jié)果證明，在葡萄冷藏期間連續(xù)或間歇使用臭氧是一種控制葡萄腐爛簡單可行的處理方法；季麗麗等[28]研究了不同濃度臭氧氣體處理對西葫蘆貯藏品質(zhì)的影響，結(jié)果表明，用6.201 mg·m-3濃度的臭氧氣體處理西葫蘆，其保鮮效果最好；徐冬穎等[29]研究表明，臭氧處理對采后菠菜具有很好的貯運保鮮效果；唐超等[30]研究表明，噴澆臭氧水能使草莓貯藏期間的Vc、可溶性糖、可溶性蛋白、總酸含量的下降速度變緩慢。

1.5 畜牧場消毒除臭

隨著我國畜牧業(yè)由散養(yǎng)到集約化養(yǎng)殖的發(fā)展，畜禽疫情的控制已越來越重要。與傳統(tǒng)消毒劑、抗生素和疫苗相比，利用臭氧對畜禽舍消毒，不僅能夠殺滅各種病菌，而且還能除臭。研究證明，臭氧濃度達到30.3 mg·m-3時，豬舍內(nèi)殺菌率為100%；臭氧濃度達到28.3 mg·m-3時，雞舍空氣中殺菌率為100%[31]。使用臭氧對畜禽舍消毒除臭，不僅經(jīng)濟高效，而且剩余臭氧可分解為氧氣，使用方便、安全、無污染，因此具有良好的發(fā)展前景。

除上述應用領域之外，臭氧技術(shù)在農(nóng)藥殘留降解、水產(chǎn)消毒、生物垃圾處理等領域也得到廣泛研究和應用。例如，張寧[32]的研究表明，臭氧對蔬菜中殘留農(nóng)藥有較好的降解作用；陶雷等[33]設計了一種水產(chǎn)養(yǎng)殖增氧、臭氧消毒一體機，同時具備了消毒和增氧功能；張真和[34]介紹了一種移動式臭氧生物垃圾處理裝備，將菜田生物垃圾利用臭氧進行處理后還田，具有快速、安全等優(yōu)點。

2 臭氧植保機械在農(nóng)業(yè)上的應用

2.1 背負式臭氧植保機械

背負式臭氧水噴霧器是將臭氧發(fā)生器與傳統(tǒng)背負式噴霧器相結(jié)合產(chǎn)生的一種新型植保器械[35]，其臭氧產(chǎn)生方法主要是電解法和介質(zhì)阻擋放電法。利用介質(zhì)阻擋放電法生產(chǎn)臭氧的噴霧器在市面有售，但尚未形成大的市場。由于人工背負的重量有限，這就限制了臭氧發(fā)生器體積和重量，會影響臭氧產(chǎn)量，導致臭氧水濃度低。廠家針對這一問題，主要通過兩種途徑解決：一是增加干燥劑，在空氣進入臭氧發(fā)生器前，先經(jīng)干燥，降低空氣濕度，提高生產(chǎn)臭氧的濃度；二是增加曝氣裝置或氣液混合裝置，增加臭氧溶于水的量，使臭氧水濃度升高。但在實際使用過程中，背負式臭氧水噴霧器的殺蟲滅菌效果以及剩余臭氧是否會對使用者產(chǎn)生危害仍有待研究。

2.2 固定式臭氧植保機械

固定式臭氧設備在農(nóng)業(yè)中主要應用于設施蔬菜病蟲害防治，將臭氧應用于設施蔬菜病蟲害防治，具有一定優(yōu)勢。首先，在大棚密閉和高溫環(huán)境下，有利于臭氧擴散，可將臭氧濃度保持在一定水平，殺蟲滅菌效果好；其次，在大棚中使用臭氧氣體，避免了人與臭氧直接接觸，使用方便、安全。柴立平[36]研究了智能臭氧發(fā)生器對溫室黃瓜病害防治效果，結(jié)果證明，利用臭氧殺菌能夠大大減少使用殺菌劑的種類和用量；李毅等[18]使用西安德潤生物技術(shù)有限責任公司生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)綜合防控機對防治設施蔬菜病蟲害做了研究，證明臭氧在設施蔬菜病蟲害防治上具有良好的應用效果和前景。目前，固定式臭氧設備在市場中占有很大比重，但專門生產(chǎn)農(nóng)用固定式臭氧設備的廠家數(shù)量少。隨著設施蔬菜種植面積不斷增長，以及對病蟲害綠色防控技術(shù)的需求，固定式臭氧設備在設施蔬菜中的應用將會越來越廣泛。

2.3 自走式臭氧植保機械

利用臭氧殺蟲滅菌已經(jīng)在設施蔬菜中得到應用，但尚未見到將臭氧與露地蔬菜或果園植保作業(yè)機械相結(jié)合的案例。為此，山東理工大學基于臭氧植保技術(shù)開展了自走式地面植保機械的研究，設計了噴施臭氧水的高壓電離風送式植保拖拉機和噴桿式AGV系統(tǒng)植保車[37-38]。將臭氧能夠快速殺蟲滅菌、無污染的特性運用到大田作物和果園的植保作業(yè)中，利用風送式的噴霧方式將臭氧水用于果園中，不僅能夠起到防治病蟲害的作用，還能夠提高水果的品質(zhì)。利用高壓電離噴桿式AGV系統(tǒng)植保車，可在大田作物和露天蔬菜的種植過程中噴施臭氧水。同時，基于AGV系統(tǒng)的植保車能夠沿規(guī)定導引路徑行駛，使用方便、經(jīng)濟、靈活。

2.4 臭氧植保飛機

近年來，伴隨農(nóng)業(yè)航空產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，植保無人機已在現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)中得到了大規(guī)模應用。與人工施藥和地面機械施藥相比，植保無人機施藥具有作業(yè)效率高、農(nóng)藥利用率高、環(huán)境污染少、人藥分離、勞動強度低等優(yōu)勢[39]。伴隨現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)對綠色、生態(tài)植保機械的重大需求，將臭氧植保技術(shù)與植保無人機相結(jié)合無疑是一個嶄新的、值得探索的重要方向。為此，山東理工大學進行了前瞻性研究，解決了臭氧水制備、噴施裝置與現(xiàn)有無人機的掛載匹配、臭氧水在無人機飛行工況下的防治效果發(fā)揮等一系列技術(shù)難題后，設計了基于臭氧水的免農(nóng)藥植保無人機和基于臭氧水的空地結(jié)合航空植保作業(yè)系統(tǒng)。研究采用了兩種技術(shù)方案：一是“空地結(jié)合”，在地頭制取臭氧水，加裝到普通植保無人機藥箱后，再進行航空噴施；二是“邊制邊噴”，直接用臭氧水制備裝置替換傳統(tǒng)植保無人機藥箱，實現(xiàn)農(nóng)藥替代基礎上的航空噴施。

3 臭氧技術(shù)在農(nóng)業(yè)領域的應用優(yōu)勢及制約因素

3.1 臭氧技術(shù)在農(nóng)業(yè)領域的應用優(yōu)勢

①高效。臭氧對病蟲害的消殺作用是瞬時、觸殺性的，在一定濃度條件下，短時間內(nèi)可將農(nóng)業(yè)病蟲害殺滅，對引起植物病害的多種病菌均有消殺作用。因此，臭氧是一種廣譜、高效的殺菌滅蟲劑。

②無殘留。由于臭氧極不穩(wěn)定性，且在水中的分解速度比在空氣中更快，常溫下臭氧可自行分解為氧氣，無任何殘留，不會對周圍環(huán)境造成污染。

③使用方便、成本低。與噴施農(nóng)藥相比，釋放臭氧殺蟲更為方便[13]。制備臭氧的原料只需空氣和水，因此，利用臭氧技術(shù)殺蟲滅菌，使用成本主要集中在用電和設備折舊方面[26]。雖然臭氧發(fā)生器價格高，但對于常年種植果蔬的農(nóng)戶來說，每年的平均使用成本低。

④提質(zhì)增產(chǎn)。草莓、葡萄和韭菜等果蔬經(jīng)過臭氧處理后，其品質(zhì)有明顯的提升，還可降解表面的農(nóng)藥殘留，使果實大、色澤鮮艷、口感好[40-41]。在使用臭氧殺蟲滅菌的過程中，會產(chǎn)生少量的氮氧化物，氮氧化物遇水反應后具有氮肥的功效，可提高果蔬的產(chǎn)量。

3.2 臭氧技術(shù)在農(nóng)業(yè)領域的制約因素

臭氧作為一種綠色殺菌劑，尚未在農(nóng)業(yè)中得到大規(guī)模的研究和應用，其原因主要有以下幾方面。

①臭氧濃度不易控制。隨著國內(nèi)外臭氧技術(shù)的不斷發(fā)展，臭氧和臭氧水的濃度能夠滿足農(nóng)業(yè)上殺蟲滅菌的濃度要求，但臭氧或臭氧水的濃度太小達不到殺蟲滅菌的效果，濃度太大又會燒傷作物[13]。且不同作物、不同生長期對臭氧濃度的敏感度不同，增加了臭氧的使用難度。

②臭氧使用環(huán)境復雜。臭氧在高溫環(huán)境下會迅速還原為氧氣，溫度越高，臭氧殺蟲滅菌效果越差；在高濕環(huán)境下易與水汽發(fā)生反應，還原為氧氣，大棚中使用臭氧最好在夜間或者遮陽簾未拉起之前。

③臭氧植保機械投入高。目前，作為臭氧植保機械核心部件的臭氧發(fā)生器市場價格偏高，臭氧植保機械的一次性投入高，但日常使用成本低，常年使用能夠省去大量農(nóng)藥使用成本。隨著材料和工藝的不斷進步，臭氧產(chǎn)生技術(shù)也隨之發(fā)展，降低臭氧植保機械成本成為可能，必將會促進臭氧植保在農(nóng)業(yè)上的推廣應用。

4 展望

臭氧技術(shù)在農(nóng)業(yè)上具有廣闊的應用前景，其在作物病蟲害防治、種子處理、果蔬儲藏保鮮、農(nóng)藥殘留降解、生物垃圾處理等領域能夠發(fā)揮重要作用，對提升果蔬品質(zhì)也有一定效果。在使用過程中，需要根據(jù)作物和病蟲害對臭氧的耐受程度進行臭氧濃度調(diào)節(jié)，不同環(huán)境、不同作物、不同病蟲害下的最佳臭氧使用濃度，還需進一步開展試驗研究；且高濃度的臭氧對作物生長代謝、產(chǎn)量和病蟲害生長發(fā)育、繁殖的影響需要進一步明確。

在農(nóng)藥用量控制與替代趨勢引導下，基于臭氧技術(shù)研發(fā)多種類型的臭氧植保機械已成為研究熱點。其中，背負式、固定式臭氧植保機械已在設施蔬菜、露地蔬菜種植領域得到推廣應用，而自走式臭氧植保機械、臭氧植保飛機也成為值得探索的新研究方向。在解決好臭氧水制備噴施一體化、無人機掛載匹配、臭氧水在復雜工況下防效發(fā)揮等問題后，上述臭氧植保機械必將能為現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)發(fā)展提供全新的植保解決方案。