农药的使用在粮食蔬菜的种植过程中发挥着重要作用,我国农药的不合理使用影响了农业可持续发展,造成部分农产品农药残留超标,并可能引发农产品质量安全问题。2015年2月17日,农业农村部下发《到2020年农药使用量零增长行动方案》,使得农药利用率提高,用药量下降。据统计,2018年我国农药使用量有所下降,折百量在30万t左右[1],其中,杀虫剂的总体用量减少,杀菌剂的总体用量持平,种子处理剂的用量增加。由此可见,农业生产过程中要想摆脱对农药的依赖还有很长的路要走,而臭氧技术为减少农药的使用量提供了一种新的解决方案。

臭氧(O3)又称超氧,是氧气(O2)的同素异形体,常温下可以自行还原为氧气,呈淡蓝色,具有鱼腥味,易溶于水[2]。臭氧具有广谱、高效、快速的杀菌功能,是目前已知的最强氧化剂,其杀菌能力比氯强600～3 000倍[3]。自1840年被发现后,臭氧被广泛应用于水处理、食品杀菌保鲜、医疗卫生等领域。人为产生臭氧的方法主要有紫外线照射法、电解法、放射化学法和介质阻挡放电法[4]。介质阻挡放电法又称电晕放电法,在高频高压的电场中通入氧气,氧气分子被高能电子分解为氧原子,每3个氧原子经过碰撞形成臭氧分子。该方法能耗低、产量大,因此,工业和农业上多用此法合成臭氧。臭氧灭菌机理在于:臭氧在还原为氧气的过程中会分解出一个单氧原子,这个单氧原子极活泼、具有强烈的氧化作用,与引起作物病害的细菌、真菌、病毒接触后,会与其细胞壁的脂类双键反应,破环其细胞壁和细胞膜,导致胞内汁液流失,同时作用于细胞内部的蛋白质、氨基酸、多糖等,使细胞迅速失活[5]。臭氧对农业害虫的杀伤作用来源于多方面:一是臭氧通过害虫的气门或体壁进入虫体,氧化细胞壁中的不饱和脂肪酸,促使虫体的体液流失[6];二是臭氧渗透到细胞膜内,导致细胞分解死亡[7];三是分解虫体内葡萄糖代谢所需要的葡糖氧化酶,促使细胞死亡[8]。臭氧杀虫与农药杀虫的机理不同,不会因为多次使用而使农业害虫产生抗药性。

目前,臭氧技术已在农业领域的诸多方面得到了应用。例如,土壤熏蒸、作物病虫害防治、种子处理、果蔬贮藏保鲜、畜牧场消毒除臭等方面,均是利用了臭氧广谱、高效、无残留的杀菌特点,尤其是在粮食作物仓储过程中,臭氧更是发挥了重要作用。在臭氧技术得到研究应用以及发展农药控制与替代技术的背景下,研制新型臭氧植保机械是一个值得探索的新方向。因此,本文对臭氧技术及臭氧植保机械在农业领域的研究应用现状进行了梳理,以期为研制基于臭氧技术的植保机械提供参考。

1、臭氧技术在农业中的应用

1.1土壤熏蒸杀虫灭菌

臭氧作为土壤熏蒸剂使用,能够有效减少土壤中病菌数量,增加土壤营养成分,可显著增加草莓、番茄、马铃薯等作物的产量。尤其是对于大棚蔬菜,常年连种重茬导致土传病源长期积累,影响蔬菜种植和产量。Msayleb等[9]研究了使用臭氧气体熏蒸土壤对线虫的杀灭作用,结果表明,使用1 125 mg剂量的臭氧处理土壤样品,线虫死亡率达到95%,且在使用臭氧进行土壤熏蒸之前,先对土壤进行灌溉会得到更好的效果;Mitsugi等[10]的试验结果也证明了,使用臭氧气体熏蒸土壤能够有效灭杀线虫,研究认为用臭氧作为土壤消毒剂是可行的;周真真等[11]将臭氧作为土壤熏蒸剂防控蔬菜土传真菌病害,研究离体条件下臭氧熏蒸处理对黄瓜枯萎病菌(Fuarium oxysporum F. sp. cucumerinum)、立枯丝核菌(Rhizoctonia solani)和甘蓝枯萎病菌(Fusarium oxysporum F. sp. conglutinans)3种土传病原真菌菌丝生长和孢子萌发的抑制作用,结果表明,臭氧不仅能显著抑制病原菌的菌丝生长,而且能使菌丝发生卷曲、菌丝隔膜消失、原生质体溶解等现象,在抑制孢子萌发方面也有明显效果。这说明,利用臭氧对土壤杀菌消毒、防治作物土传病虫害是可行的。

1.2作物病虫害防治

臭氧在粮食作物病虫害防治中的应用主要集中于对储粮害虫的防治,国内外研究人员对此进行了大量研究。Bonjour等[12]研究了臭氧熏蒸对储藏小麦主要害虫的防治效果,结果证明,臭氧能够有效防治储藏小麦中的一些储粮害虫和病菌。臭氧对常见的玉米象(Sitophilus zeamais)[13]、谷蠧(Rhyzopertha dominica)[14]、赤拟谷盗(Tribolium castaneum Herbst)[15]等储粮害虫均有防治作用;孟宪兵[16]在山东滨州国家粮食储备库进行了相关试验,利用高效臭氧发生器装置结合环流熏蒸技术对粮食进行杀虫处理,结果表明,常温下臭氧浓度为30 mL·m-3时,分别需要3、6、7、7 d杀死粮食中的玉米象、谷蠧、赤拟谷盗、锈赤扁谷盗(Cryptolestes ferrugineus Stephens),成虫校正死亡率达到100%,在此条件下,对虫卵和各种霉菌的灭杀率也达到100%。

臭氧在经济作物病虫害防治中的应用主要集中于对设施蔬菜病虫害的防治。防治措施包括浇灌、熏蒸和喷施,研究证明,臭氧能够有效防治大棚中西红柿、黄瓜、草莓等果蔬的病虫害。Fujiwara等[17]研究了喷洒臭氧水对黄瓜白粉病的防治效果,证明了喷施臭氧水是控制黄瓜叶片白粉病的一个可行性选择;李毅等[18]做了臭氧水及气体在设施蔬菜病虫害防治中的应用效果实验,探究了臭氧水浇灌防治土传病害、臭氧气体防治设施蔬菜主要病虫害的效果,结果表明,利用臭氧水浇灌土壤,对发病初期的土传病害有抑制作用;释放臭氧气体对黄瓜霜霉病、白粉病、角斑病及灰霉病均具有防治效果;沈建生等[3]研究了臭氧水对大棚葡萄主要病害的防治效果,结果表明,在葡萄生长的不同时期喷施不同浓度臭氧水,对葡萄霜霉病、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浓度。此外,臭氧水浇灌能够提高马铃薯幼苗的抗逆性,提高植株对Fe的吸收效果[19];能够提高韭菜幼苗的光合作用、抗逆能力和营养品质[20]。

1.3种子处理

在作物种植之前,利用臭氧对种子进行处理,能够提高种子的发芽率和表面微生物抑制率[21]。有学者研究了臭氧处理对辣椒、番茄和黄瓜种子萌发的影响,结果表明,以120 mg·m-3的臭氧处理辣椒种子30 min,表面微生物抑制率达到98%,50 mg·m-3臭氧处理辣椒种子30 min,能够增强种子的超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、过氧化物酶(peroxidase,POD)活性,降低丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量,提高种子发芽率和发芽势;臭氧处理对番茄种子的发芽率影响不明显;使用160 mg·m-3的臭氧处理黄瓜种子效果最好,发芽率达到96.5%,SOD、POD活性均值达到最高,MDA含量最小[22,23]。阎世江等[24]利用臭氧气体对黄瓜种子进行处理,研究了臭氧对黄瓜种子发芽及活性成分的影响,结果表明,低浓度臭氧气体处理能够促进种子发芽,高浓度臭氧气体处理则抑制种子发芽。

1.4果蔬贮藏保鲜

臭氧技术的出现为解决果蔬保鲜问题提供了新方法,用臭氧处理果蔬和冷库,能够延长果蔬贮存期,其原理是利用臭氧的强氧化性,杀灭果蔬表面和冷库中的微生物,去除有毒物质[25]。且臭氧能够消除果蔬呼吸产生的乙烯,降低呼吸强度[26]。Cayuela等[27]研究了臭氧处理对控制葡萄采后腐烂的效果,结果证明,在葡萄冷藏期间连续或间歇使用臭氧是一种控制葡萄腐烂简单可行的处理方法;季丽丽等[28]研究了不同浓度臭氧气体处理对西葫芦贮藏品质的影响,结果表明,用6.201 mg·m-3浓度的臭氧气体处理西葫芦,其保鲜效果最好;徐冬颖等[29]研究表明,臭氧处理对采后菠菜具有很好的贮运保鲜效果;唐超等[30]研究表明,喷浇臭氧水能使草莓贮藏期间的Vc、可溶性糖、可溶性蛋白、总酸含量的下降速度变缓慢。

1.5畜牧场消毒除臭

随着我国畜牧业由散养到集约化养殖的发展,畜禽疫情的控制已越来越重要。与传统消毒剂、抗生素和疫苗相比,利用臭氧对畜禽舍消毒,不仅能够杀灭各种病菌,而且还能除臭。研究证明,臭氧浓度达到30.3 mg·m-3时,猪舍内杀菌率为100%;臭氧浓度达到28.3 mg·m-3时,鸡舍空气中杀菌率为100%[31]。使用臭氧对畜禽舍消毒除臭,不仅经济高效,而且剩余臭氧可分解为氧气,使用方便、安全、无污染,因此具有良好的发展前景。

除上述应用领域之外,臭氧技术在农药残留降解、水产消毒、生物垃圾处理等领域也得到广泛研究和应用。例如,张宁[32]的研究表明,臭氧对蔬菜中残留农药有较好的降解作用;陶雷等[33]设计了一种水产养殖增氧、臭氧消毒一体机,同时具备了消毒和增氧功能;张真和[34]介绍了一种移动式臭氧生物垃圾处理装备,将菜田生物垃圾利用臭氧进行处理后还田,具有快速、安全等优点。

2、臭氧植保机械在农业上的应用

2.1背负式臭氧植保机械

背负式臭氧水喷雾器是将臭氧发生器与传统背负式喷雾器相结合产生的一种新型植保器械[35],其臭氧产生方法主要是电解法和介质阻挡放电法。利用介质阻挡放电法生产臭氧的喷雾器在市面有售,但尚未形成大的市场。由于人工背负的重量有限,这就限制了臭氧发生器体积和重量,会影响臭氧产量,导致臭氧水浓度低。厂家针对这一问题,主要通过两种途径解决:一是增加干燥剂,在空气进入臭氧发生器前,先经干燥,降低空气湿度,提高生产臭氧的浓度;二是增加曝气装置或气液混合装置,增加臭氧溶于水的量,使臭氧水浓度升高。但在实际使用过程中,背负式臭氧水喷雾器的杀虫灭菌效果以及剩余臭氧是否会对使用者产生危害仍有待研究。

2.2固定式臭氧植保机械

固定式臭氧设备在农业中主要应用于设施蔬菜病虫害防治,将臭氧应用于设施蔬菜病虫害防治,具有一定优势。首先,在大棚密闭和高温环境下,有利于臭氧扩散,可将臭氧浓度保持在一定水平,杀虫灭菌效果好;其次,在大棚中使用臭氧气体,避免了人与臭氧直接接触,使用方便、安全。柴立平[36]研究了智能臭氧发生器对温室黄瓜病害防治效果,结果证明,利用臭氧杀菌能够大大减少使用杀菌剂的种类和用量;李毅等[18]使用西安德润生物技术有限责任公司生产的农业综合防控机对防治设施蔬菜病虫害做了研究,证明臭氧在设施蔬菜病虫害防治上具有良好的应用效果和前景。目前,固定式臭氧设备在市场中占有很大比重,但专门生产农用固定式臭氧设备的厂家数量少。随着设施蔬菜种植面积不断增长,以及对病虫害绿色防控技术的需求,固定式臭氧设备在设施蔬菜中的应用将会越来越广泛。

2.3自走式臭氧植保机械

利用臭氧杀虫灭菌已经在设施蔬菜中得到应用,但尚未见到将臭氧与露地蔬菜或果园植保作业机械相结合的案例。为此,山东理工大学基于臭氧植保技术开展了自走式地面植保机械的研究,设计了喷施臭氧水的高压电离风送式植保拖拉机和喷杆式AGV系统植保车[37,38]。将臭氧能够快速杀虫灭菌、无污染的特性运用到大田作物和果园的植保作业中,利用风送式的喷雾方式将臭氧水用于果园中,不仅能够起到防治病虫害的作用,还能够提高水果的品质。利用高压电离喷杆式AGV系统植保车,可在大田作物和露天蔬菜的种植过程中喷施臭氧水。同时,基于AGV系统的植保车能够沿规定导引路径行驶,使用方便、经济、灵活。

2.4臭氧植保飞机

近年来,伴随农业航空产业的迅速发展,植保无人机已在现代高效农业中得到了大规模应用。与人工施药和地面机械施药相比,植保无人机施药具有作业效率高、农药利用率高、环境污染少、人药分离、劳动强度低等优势[39]。伴随现代高效农业对绿色、生态植保机械的重大需求,将臭氧植保技术与植保无人机相结合无疑是一个崭新的、值得探索的重要方向。为此,山东理工大学进行了前瞻性研究,解决了臭氧水制备、喷施装置与现有无人机的挂载匹配、臭氧水在无人机飞行工况下的防治效果发挥等一系列技术难题后,设计了基于臭氧水的免农药植保无人机和基于臭氧水的空地结合航空植保作业系统。研究采用了两种技术方案:一是“空地结合”,在地头制取臭氧水,加装到普通植保无人机药箱后,再进行航空喷施;二是“边制边喷”,直接用臭氧水制备装置替换传统植保无人机药箱,实现农药替代基础上的航空喷施。

3、臭氧技术在农业领域的应用优势及制约因素

3.1臭氧技术在农业领域的应用优势

①高效。

臭氧对病虫害的消杀作用是瞬时、触杀性的,在一定浓度条件下,短时间内可将农业病虫害杀灭,对引起植物病害的多种病菌均有消杀作用。因此,臭氧是一种广谱、高效的杀菌灭虫剂。

②无残留。

由于臭氧极不稳定性,且在水中的分解速度比在空气中更快,常温下臭氧可自行分解为氧气,无任何残留,不会对周围环境造成污染。

③使用方便、成本低。

与喷施农药相比,释放臭氧杀虫更为方便[13]。制备臭氧的原料只需空气和水,因此,利用臭氧技术杀虫灭菌,使用成本主要集中在用电和设备折旧方面[26]。虽然臭氧发生器价格高,但对于常年种植果蔬的农户来说,每年的平均使用成本低。

④提质增产。

草莓、葡萄和韭菜等果蔬经过臭氧处理后,其品质有明显的提升,还可降解表面的农药残留,使果实大、色泽鲜艳、口感好[40,41]。在使用臭氧杀虫灭菌的过程中,会产生少量的氮氧化物,氮氧化物遇水反应后具有氮肥的功效,可提高果蔬的产量。

3.2臭氧技术在农业领域的制约因素

臭氧作为一种绿色杀菌剂,尚未在农业中得到大规模的研究和应用,其原因主要有以下几方面。

①臭氧浓度不易控制。

随着国内外臭氧技术的不断发展,臭氧和臭氧水的浓度能够满足农业上杀虫灭菌的浓度要求,但臭氧或臭氧水的浓度太小达不到杀虫灭菌的效果,浓度太大又会烧伤作物[13]。且不同作物、不同生长期对臭氧浓度的敏感度不同,增加了臭氧的使用难度。

②臭氧使用环境复杂。

臭氧在高温环境下会迅速还原为氧气,温度越高,臭氧杀虫灭菌效果越差;在高湿环境下易与水汽发生反应,还原为氧气,大棚中使用臭氧最好在夜间或者遮阳帘未拉起之前。

③臭氧植保机械投入高。

目前,作为臭氧植保机械核心部件的臭氧发生器市场价格偏高,臭氧植保机械的一次性投入高,但日常使用成本低,常年使用能够省去大量农药使用成本。随着材料和工艺的不断进步,臭氧产生技术也随之发展,降低臭氧植保机械成本成为可能,必将会促进臭氧植保在农业上的推广应用。

4、展望

臭氧技术在农业上具有广阔的应用前景,其在作物病虫害防治、种子处理、果蔬储藏保鲜、农药残留降解、生物垃圾处理等领域能够发挥重要作用,对提升果蔬品质也有一定效果。在使用过程中,需要根据作物和病虫害对臭氧的耐受程度进行臭氧浓度调节,不同环境、不同作物、不同病虫害下的最佳臭氧使用浓度,还需进一步开展试验研究;且高浓度的臭氧对作物生长代谢、产量和病虫害生长发育、繁殖的影响需要进一步明确。

在农药用量控制与替代趋势引导下,基于臭氧技术研发多种类型的臭氧植保机械已成为研究热点。其中,背负式、固定式臭氧植保机械已在设施蔬菜、露地蔬菜种植领域得到推广应用,而自走式臭氧植保机械、臭氧植保飞机也成为值得探索的新研究方向。在解决好臭氧水制备喷施一体化、无人机挂载匹配、臭氧水在复杂工况下防效发挥等问题后,上述臭氧植保机械必将能为现代高效农业发展提供全新的植保解决方案。

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基金:山东省引进顶尖人才“一事一议”专项经费项目(鲁政办字[2018]27号);中央引导地方科技发展专项资金(山东)项目;全国第三批农村综合改革标准化试点项目(国标委发[2018]66号);国家现代农业标准化区域服务与推广平台项目(NBFW-3-2018);淄博市重点研发计划项目(2019ZBXC053).