基于音波技術(shù)的玉米催熟和驅(qū)蟲(chóng)研究

艾 祎，常英杰，張忠?guī)?，雷靜雅

（武漢商學(xué)院，湖北 武漢 430000）

玉米是我國(guó)主要的糧食作物之一，玉米產(chǎn)量穩(wěn)定是保障我國(guó)糧食安全的關(guān)鍵。玉米生產(chǎn)效率高的特點(diǎn)毋庸置疑，但隨著生活水平的提高，有時(shí)還是會(huì)出現(xiàn)玉米供不應(yīng)求的現(xiàn)象，市面上玉米品質(zhì)參差不齊，甚至很多玉米存在農(nóng)藥殘留超標(biāo)、害蟲(chóng)啃食籽粒的現(xiàn)象。因此，研究玉米催熟和驅(qū)蟲(chóng)技術(shù)十分必要。

1 傳統(tǒng)玉米催熟方法及其弊端

1.1 國(guó)內(nèi)常用的傳統(tǒng)玉米催熟技術(shù)

1）去除病株和無(wú)效株。每次檢查玉米長(zhǎng)勢(shì)時(shí)將病株和無(wú)效株拔除，避免病毒轉(zhuǎn)移，為害健康植株，也可以避免無(wú)效株與健康植株?duì)帄Z養(yǎng)分和水分，造成資源浪費(fèi)。

2）放秋壟噴微肥。在8 月底左右放秋壟，噴灑微肥如磷酸二氫鉀等，清除底部的葉片，使植株吸收養(yǎng)分，促進(jìn)玉米早熟。

3）剝皮曬棒。在玉米灌漿末期，當(dāng)玉米粒長(zhǎng)到合適大小時(shí)，將玉米棒的外層苞衣?lián)荛_(kāi)，可以使其得到充足的光照，透氣性更好，籽粒不會(huì)因缺氧而腐爛，縮短玉米生長(zhǎng)周期。

1.2 化學(xué)催熟技術(shù)

1）乙烯催熟是廣為人知的一種方法，在果實(shí)成熟期自身也會(huì)釋放乙烯。乙烯可以促進(jìn)RNA 和蛋白質(zhì)的合成，加速玉米呼吸作用。當(dāng)農(nóng)作物中乙烯含量增加時(shí)，果實(shí)中的有效成分將催化果實(shí)生長(zhǎng)。乙烯也可以增強(qiáng)酶的活性，酶也具有催化作用，其催化效率大約是無(wú)機(jī)催化劑的107～1013倍，催化也是在較溫和的條件下發(fā)生，不會(huì)出現(xiàn)因植物體pH 值過(guò)高或過(guò)低而導(dǎo)致化學(xué)藥劑失活的現(xiàn)象。植物體內(nèi)的酶最適pH 值為4.5～6.5，最適噴霧為300～500 mg/kg。乙烯催化玉米提前進(jìn)入成熟期，大大提高了生產(chǎn)效率。乙烯與音波的融合，人為控制乙烯的釋放，并不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害［1］。

2）施用玉米催化劑能有效催化玉米成熟，常用的玉米生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑種類(lèi)豐富。施用玉米健壯素450 mL/hm2兌水300 kg/hm2，均勻噴施在玉米的上部頂心，可提高玉米的抗倒伏能力和產(chǎn)量，適用于干旱地區(qū)種植玉米。使用質(zhì)量濃度為6～10 mg/L胺鮮酯藥液浸泡種子12～24 h，撈出種子曬干后播種，以提高玉米的質(zhì)量和產(chǎn)量，促進(jìn)玉米早熟。在玉米抽雄前，均勻噴灑0.01 mg/kg 蕓苔素內(nèi)酯，減少玉米生長(zhǎng)但不結(jié)果實(shí)的情況，加快玉米成熟的速度。不同地區(qū)、不同品種的玉米，對(duì)生長(zhǎng)條件的需求不同，要根據(jù)實(shí)際情況和需求，使用適合的生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑［2］。

1.3 傳統(tǒng)催熟技術(shù)的弊端

清除無(wú)效株難免會(huì)損傷到健康植株，會(huì)造成玉米減產(chǎn)，此過(guò)程也會(huì)消耗大量人力、物力，無(wú)法實(shí)現(xiàn)資源利用最大化；噴灑肥料，可能會(huì)造成環(huán)境污染和農(nóng)藥殘留，清洗不到位后直接食用，將危害人體健康；玉米剝皮后將玉米粒露在自然環(huán)境中，很可能會(huì)吸引鳥(niǎo)類(lèi)啄食而導(dǎo)致玉米粒損傷，降低農(nóng)民種植收益。

2 音波催熟技術(shù)

2.1 音波技術(shù)

音波技術(shù)是按照生產(chǎn)需求設(shè)計(jì)出有規(guī)律頻率的機(jī)械波，發(fā)射信號(hào)與目標(biāo)對(duì)象產(chǎn)生共振。例如，利用超聲波將眼鏡縫隙中難以看到的灰塵清洗干凈，并且不會(huì)磨損眼鏡鏡片；雷達(dá)也是如此，發(fā)射無(wú)線電波（電磁波）來(lái)檢測(cè)目標(biāo)位置和情況［3］；聽(tīng)音樂(lè)助眠也是運(yùn)用了音波骨傳導(dǎo)刺激腦部神經(jīng)，使人放松的原理。

2.2 音波技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

音波技術(shù)引入農(nóng)業(yè)種植，使農(nóng)作物的產(chǎn)量穩(wěn)定，成熟后的農(nóng)作物品質(zhì)更好，更有可能實(shí)現(xiàn)有機(jī)食品的全面覆蓋，農(nóng)戶(hù)不會(huì)因?yàn)榄h(huán)境等因素而擔(dān)心農(nóng)作物的收成，也大大地減少了化學(xué)藥劑對(duì)環(huán)境的污染。音波技術(shù)的運(yùn)用可以減少生產(chǎn)投入成本，只需要每天進(jìn)行監(jiān)測(cè)，便能實(shí)現(xiàn)農(nóng)戶(hù)增產(chǎn)增收、帶動(dòng)農(nóng)村的經(jīng)濟(jì)發(fā)展的目的。因此，亟須將更多的資源投入到科技研發(fā)，為農(nóng)業(yè)增收提供更多技術(shù)支撐。

2.3 音波催熟技術(shù)

近年來(lái)，有新聞報(bào)道，農(nóng)戶(hù)為提高產(chǎn)量，施用違禁化學(xué)藥劑和過(guò)量催熟劑，對(duì)人體和環(huán)境產(chǎn)生極其嚴(yán)重的危害。因此，引入物理因素如聲、電、磁，可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的安全性。有科學(xué)家證明，給奶牛聽(tīng)音樂(lè)可以讓其進(jìn)入放松的狀態(tài)，并且刺激大腦釋放激素，顯著提高了產(chǎn)奶量，這種方法也同樣適用于植物。根據(jù)植物內(nèi)部經(jīng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)理論，植物在溫度適宜和養(yǎng)分充足的條件下生長(zhǎng)是因?yàn)橹参锟梢园l(fā)出和接收音波，音波就是一種以頻率為表現(xiàn)形式的機(jī)械波，獲取適宜的環(huán)境因素和營(yíng)養(yǎng)成分發(fā)出的音波來(lái)分析設(shè)計(jì)音波的頻率，從而產(chǎn)生共振，進(jìn)而使玉米內(nèi)部細(xì)胞運(yùn)動(dòng)加快，加速玉米對(duì)營(yíng)養(yǎng)的吸收和玉米的生長(zhǎng)發(fā)育，提高玉米生產(chǎn)效率，并保持其品質(zhì)穩(wěn)定，不用擔(dān)心農(nóng)作物表面有化學(xué)藥劑殘留，保證食品安全。

2.3.1 作用機(jī)理

糖類(lèi)和蛋白質(zhì)是植物生長(zhǎng)不可或缺的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，通過(guò)音波有規(guī)律的頻率輻射可以提高植物體內(nèi)糖類(lèi)和蛋白質(zhì)含量。運(yùn)用音波催熟技術(shù)，可以提高農(nóng)作物本身細(xì)胞的流動(dòng)性和細(xì)胞壁的通透性。鈉離子、鉀離子、鈣離子都是植物生長(zhǎng)需要的金屬離子，其跨膜運(yùn)輸方式都是主動(dòng)運(yùn)輸，不僅需要載體蛋白的協(xié)助，還需要消耗細(xì)胞內(nèi)化學(xué)反應(yīng)所釋放的能量。而音波輻射也是一種能量，能為主動(dòng)運(yùn)輸提供能量，協(xié)助金屬離子的運(yùn)輸，從而促進(jìn)釋放農(nóng)作物自身產(chǎn)生的催熟劑如乙烯，達(dá)到加快果實(shí)成熟、提高產(chǎn)量的目的。

2.3.2 音波定位玉米成熟度分析

玉米氣味隨著玉米成熟度的變化而變化，成熟度越高，脂香味越大。音波定位是根據(jù)音波的傳播速度和傳播距離來(lái)決定的，但有時(shí)玉米播種不規(guī)則，通過(guò)高階信道盲辨識(shí)算法求傳播距離，會(huì)受玉米種植密度、晝夜溫差等因素的影響。因此，可采用等溫定位法和變步長(zhǎng)精細(xì)法對(duì)玉米成熟度進(jìn)行定位分析。定位到的玉米通過(guò)高通量表型測(cè)量系統(tǒng)，將玉米的特征通過(guò)圖像在計(jì)算機(jī)上呈現(xiàn)出來(lái)，成熟度的提高會(huì)使反映出的數(shù)據(jù)即水平距離、最遠(yuǎn)兩點(diǎn)距離、垂直距離、表面積、周長(zhǎng)、圓度這6 個(gè)表型特征值增大。運(yùn)用音波定位法分析玉米成熟度十分便捷，還可以將其運(yùn)用于判斷玉米是否被污染，成本較低，不會(huì)對(duì)玉米有任何損傷，也不用進(jìn)行預(yù)處理試驗(yàn)［4］。

3 玉米催熟技術(shù)調(diào)整

3.1 玉米生理特性

玉米根系具有吸收水分和養(yǎng)分、固氮、參與新陳代謝、合成氨基酸和一些活性物質(zhì)的作用，最適玉米根生長(zhǎng)的溫度是20～40 ℃，地表溫度為20～24 ℃，土壤水分保持在60%～70%。玉米對(duì)土壤中養(yǎng)分吸收遵循鉀＞氮＞鈣＞鎂＞磷的順序。觀察玉米莖從下到上是否逐漸變細(xì)，節(jié)的長(zhǎng)度從中間到兩邊是否逐漸變短可以判斷玉米品種的優(yōu)劣，優(yōu)質(zhì)玉米近地表的1～2 個(gè)節(jié)間粗短、彎曲。玉米適合在溫度較高的環(huán)境生長(zhǎng)，溫度越高則莖稈生長(zhǎng)越快，莖稈生長(zhǎng)的最適溫度在24～28 ℃。葉的作用是儲(chǔ)存營(yíng)養(yǎng)成分和保護(hù)莖稈，要控制好溫度和水分，減少葉片水分的蒸發(fā)，避免葉片干枯變黃。玉米種子的胚由胚芽、胚軸、胚根、子葉組成，胚乳為玉米種子發(fā)芽生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，提取出來(lái)的淀粉就儲(chǔ)存在胚乳里面［5］。

3.2 催熟技術(shù)的影響因素

植物細(xì)胞呼吸作用和光合作用是促進(jìn)植物生長(zhǎng)的2 個(gè)重要過(guò)程。相同體積的空氣，壓力越大，溫度就越低，即空氣密度越大溫度越高，運(yùn)用音波技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)控制溫度。

1）細(xì)胞呼吸作用。玉米在最適溫度條件下，細(xì)胞呼吸作用強(qiáng)度最大，溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞呼吸速率下降。呼吸速率提高，可以促使細(xì)胞氧化釋放出更多的能量，加快玉米成熟。玉米成熟后也可以運(yùn)用音波技術(shù)降低環(huán)境溫度，有利于更好地儲(chǔ)存玉米，達(dá)到保鮮的目的，提高生產(chǎn)效益，促進(jìn)玉米產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)效發(fā)展。

2）光合作用。有效的光合作用能起到催熟的作用［6］。玉米葉片將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，然后形成有機(jī)化合物，供給玉米生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)。當(dāng)溫度高于最適溫度，會(huì)導(dǎo)致酶鈍化或者變性，也會(huì)導(dǎo)致葉綠體損傷，降低了光合速率；溫度過(guò)高也會(huì)導(dǎo)致葉片失水過(guò)多而枯萎死亡，能有效接收到光源的葉片越來(lái)越少，進(jìn)而導(dǎo)致光合效率低下，不利于玉米的生長(zhǎng)。

4 玉米驅(qū)蟲(chóng)技術(shù)

4.1 國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的玉米驅(qū)蟲(chóng)技術(shù)

如今普遍使用的是藥物驅(qū)蟲(chóng)，侵染玉米的害蟲(chóng)有棉鈴蟲(chóng)、玉米螟、黏蟲(chóng)等?？稍诔樾矍霸陂_(kāi)口處施用辛硫磷顆粒劑。敵百蟲(chóng)是常見(jiàn)的有機(jī)磷酸脂類(lèi)藥物，在玉米的穗期，可將適量敵百蟲(chóng)和水混合攪勻噴灑在葉片和莖稈表面。

選取抗病性能優(yōu)良的玉米種子，在播種前，玉米種子要進(jìn)行藥水浸泡殺菌的工藝過(guò)程，讓其在生長(zhǎng)前就具備抗病、抗蟲(chóng)的能力。土壤肥沃對(duì)玉米的生長(zhǎng)有非常大的促進(jìn)作用，需要不定時(shí)對(duì)土壤增施鉀肥，防止土壤滋生細(xì)菌，降低玉米被污染的可能性。

4.2 藥物驅(qū)蟲(chóng)的弊端

雖然人們對(duì)綠色農(nóng)產(chǎn)品的需求量越來(lái)越大，但許多企業(yè)無(wú)法承擔(dān)有機(jī)農(nóng)藥產(chǎn)生的高成本，而是使用一些低成本的低質(zhì)量農(nóng)藥［7］。驅(qū)蟲(chóng)藥物的不當(dāng)使用很可能會(huì)污染土壤、水源，并且隨著害蟲(chóng)種類(lèi)的增多、繁殖數(shù)量的增加［8］，單一的驅(qū)蟲(chóng)藥劑很可能無(wú)法起到良好的驅(qū)蟲(chóng)效果，加量使用也會(huì)嚴(yán)重污染玉米，對(duì)人體健康產(chǎn)生威脅。若針對(duì)每種害蟲(chóng)設(shè)計(jì)不同的驅(qū)蟲(chóng)劑會(huì)造成資源浪費(fèi)，增加了生產(chǎn)成本。

4.3 音波驅(qū)蟲(chóng)技術(shù)

音波驅(qū)蟲(chóng)技術(shù)是設(shè)計(jì)所需要頻率的音波，用發(fā)射器傳播到農(nóng)田，旨在損傷害蟲(chóng)的聽(tīng)力系統(tǒng)和本身自帶的生物電磁場(chǎng)，通過(guò)音波干擾，破壞害蟲(chóng)的正常生理活動(dòng)。通過(guò)了解玉米螟、黏蟲(chóng)、葉螨等害蟲(chóng)的天敵，例如寄生蜂、七星瓢蟲(chóng)、鳥(niǎo)類(lèi)等，通過(guò)模仿天敵運(yùn)動(dòng)發(fā)出的聲音的頻率，使害蟲(chóng)遠(yuǎn)離農(nóng)田；或者研究害蟲(chóng)可接受的音波頻率的范圍，1～480 Hz的音波振動(dòng)可以將農(nóng)作物表面的30%～40%的害蟲(chóng)驅(qū)趕離開(kāi)；更刺激的音波，例如高于20 000 Hz 可以讓害蟲(chóng)難以忍受，刺激其神經(jīng)導(dǎo)致生理功能喪失，無(wú)法繁殖、進(jìn)食和休眠，從而造成其死亡。高于20 000 Hz 超出了人耳能聽(tīng)到的范圍，用此頻段進(jìn)行驅(qū)蟲(chóng)，不會(huì)對(duì)人類(lèi)的正常生活產(chǎn)生任何影響。

音波驅(qū)蟲(chóng)技術(shù)能更方便、快捷地根據(jù)環(huán)境和害蟲(chóng)種類(lèi)的不同，改變音波的頻率，可以結(jié)合人工智能和計(jì)算機(jī)編程自動(dòng)計(jì)算出適宜的音波頻率數(shù)據(jù)。音波驅(qū)蟲(chóng)的使用期限也較長(zhǎng)，在田地里放置太陽(yáng)能板來(lái)充電，可節(jié)約電能。一旦玉米被有毒的害蟲(chóng)啃食，就會(huì)在玉米上殘留有毒物質(zhì)，消費(fèi)者若沒(méi)有清洗徹底便食用，可能危害身體健康［9］。音波驅(qū)蟲(chóng)技術(shù)的應(yīng)用既可以讓農(nóng)民少使用甚至不使用化學(xué)藥劑，提高玉米的品質(zhì)，也可以讓消費(fèi)者更放心地購(gòu)買(mǎi)玉米產(chǎn)品。藥物驅(qū)蟲(chóng)只針對(duì)施用過(guò)藥的特定部位，而音波驅(qū)蟲(chóng)技術(shù)可以全方位、大面積覆蓋。音波驅(qū)蟲(chóng)技術(shù)為農(nóng)業(yè)發(fā)展注入新的活力，發(fā)展前景廣闊。

5 結(jié)束語(yǔ)

與化學(xué)催熟技術(shù)相比，音波催熟技術(shù)具有更廣闊的發(fā)展前景，其可以更好地利用資源獲得更多的產(chǎn)量?；瘜W(xué)藥劑需要根據(jù)不同的品種進(jìn)行多次試驗(yàn)，易造成資源浪費(fèi)；而音波催熟僅通過(guò)方便、快捷的網(wǎng)絡(luò)測(cè)算設(shè)計(jì)頻率就可以達(dá)到較好的驅(qū)蟲(chóng)效果，只需電力支持便可開(kāi)展工作，目前我國(guó)電力技術(shù)發(fā)展迅速，水力和風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展完備，不用擔(dān)心聲波驅(qū)蟲(chóng)技術(shù)在使用過(guò)程中因斷電而中斷。同時(shí)，音波不會(huì)帶來(lái)危害和污染。音波驅(qū)蟲(chóng)技術(shù)的推廣，大大擴(kuò)寬了音波的應(yīng)用范圍，發(fā)揮音波多重效用，減少資源浪費(fèi)。催熟和驅(qū)蟲(chóng)技術(shù)相結(jié)合使玉米生長(zhǎng)環(huán)境變得更加優(yōu)越，從而實(shí)現(xiàn)玉米高質(zhì)、高產(chǎn)。