李明

超過(guò)95%的日本農(nóng)戶僅在每年的5～12月生產(chǎn)草莓。盡管目前可實(shí)現(xiàn)草莓的周年生產(chǎn)，但由于塑料溫室的溫度管理比較困難，草莓產(chǎn)量較低。另外，周年生產(chǎn)草莓中夏季和冬季的溫度控制，無(wú)毒種苗和農(nóng)藥的購(gòu)買(mǎi)等也會(huì)給農(nóng)戶帶來(lái)一定的負(fù)擔(dān)。人工光植物工廠可避免室外環(huán)境變化的影響，使室內(nèi)環(huán)境終年保持在最佳水平，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)草莓的周年生產(chǎn)。若使用種子繁育草莓，則可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥零使用，提高草莓的安全生產(chǎn)水平。隨著近年來(lái)草莓市場(chǎng)的發(fā)展，草莓成為一種較普通葉菜更有附加值的農(nóng)作物，使用人工光植物工廠生產(chǎn)草莓也獲得了越來(lái)越多的關(guān)注。但熒光燈、LED等人工光植物工廠內(nèi)的人工光源僅包含植物生長(zhǎng)所必須的光，缺少與蜜蜂授粉活動(dòng)相關(guān)的紫外線。紫外線是蜜蜂的導(dǎo)航光波，缺乏紫外線會(huì)造成蜜蜂采蜜的活躍性降低，使得蜜蜂授粉效率低下。由于目前還沒(méi)有草莓專(zhuān)用的人工授粉激素，多使用毛刷等物理方法進(jìn)行人工授粉，授粉效率不高。為解決該問(wèn)題，該研究開(kāi)發(fā)了一種超聲波授粉裝置，來(lái)實(shí)現(xiàn)植物工廠內(nèi)草莓的高效人工授粉。

當(dāng)有物體阻擋超聲波時(shí)，與超聲波傳播方向相對(duì)應(yīng)的物體表面就會(huì)產(chǎn)生壓力。超聲波可由超聲波換能器產(chǎn)生。但是單個(gè)超聲波換能器所產(chǎn)生的聲波輻射壓強(qiáng)較小。因此，需要將幾百個(gè)超聲波換能器組合在一起，構(gòu)成相控陣，通過(guò)合理控制每個(gè)換能器的相位，將所有換能器產(chǎn)生的超聲波聚焦于空間上的某一點(diǎn)，即可產(chǎn)生數(shù)十毫牛的力。通過(guò)管理每個(gè)換能器的相位，則可以轉(zhuǎn)換超聲波相控陣的作用位置。該研究所開(kāi)放裝置的相控陣的長(zhǎng)度為17 cm，包含285個(gè)換能器，可產(chǎn)生40 kHz的超聲波頻率，在空間所產(chǎn)生的最大壓力為16 mN。壓力的大小可通過(guò)脈沖調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)。

根據(jù)測(cè)試研究，發(fā)現(xiàn)草莓花朵的典型震動(dòng)頻率為30 Hz。該研究將超聲波相控陣的聲波頻率調(diào)整為30 Hz，并進(jìn)行了試驗(yàn)。整個(gè)試驗(yàn)在人工光植物工廠內(nèi)進(jìn)行，所使用的光源為熒光燈。使用草莓種子育苗，育苗時(shí)間為50天。定植后35天開(kāi)始授粉。試驗(yàn)組使用非接觸式超聲波授粉裝置授粉，對(duì)照組使用震動(dòng)授粉器授粉。在定植后55天開(kāi)始收獲果實(shí)，共持續(xù)20天。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)照組和試驗(yàn)組的花芽數(shù)和花蕾數(shù)無(wú)顯著差異。與對(duì)照組相比，試驗(yàn)組的坐果率為59%，除去重量不足或尺寸較小的果實(shí)后，該處理的收獲率可達(dá)到89%；而對(duì)照組的坐果率為73%，但是收獲率僅為35%。此外，試驗(yàn)組草莓果實(shí)總重量是對(duì)照組的2倍，但是兩種處理的單顆草莓果實(shí)重量沒(méi)有顯著差異。

綜合以上分析結(jié)果，新開(kāi)發(fā)的非接觸式超聲波授粉裝置相較傳統(tǒng)授粉方法對(duì)草莓生產(chǎn)更有利。在植物工廠內(nèi)有較為廣闊的應(yīng)用前景。

（摘譯自：Hiroshi SHIMIZU， Takayuki HOSHI， Nakamura Kenji， et al. Development of a non-contact ultrasonic pollination device [J]. Environmental Control in Biology， 2015， 53（2）： 85-88.）