嘉宾
简介
仲崇山（1973年8月出生）中国农业大学信息与电气工程学院（博士，副教授、硕士生导师）。本硕博分别就读与武汉大学、华北电力大学、中国农业大学。已从事近20年的高电压技术的教学和科研工作，主持和参加国家自然科学基金、863、公益性行业专项、国家与地方科技支撑、企业横向等多项科研课题、发表论文多篇。目前主要研究方向和兴趣是：等离子体与脉冲电场在农业中的新应用、电磁场与电力系统过电压数值计算、植保机械自动控制系统。
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呵呵，咱们很多老百姓把“高电压”叫“高压电”，可能有些不从事这个专业的朋友还有点小害怕！其实，我们的身边随处可见“高电压技术”在为我们服务，大家能跟我先做个小互动吗？
答案：没有没有用到高电压的，有点绕！
高电压技术在农业中的应用属于物理农业范畴，主要有三件武器：
1）（非平衡）等离子体（Non-equilibrium Plasma）
2）高压脉冲电场（PET，Pulsed Electric Field）
3）高压静电场（High Voltage Electrostatic Field）
可能还有其他，总结得不够全面，仅供参考！其应用又与生物电磁场密不可分。电压高并不是高电压技术的全部，强电场才是高电压技术最根本的特征，有时电压很低也会发生特殊物理过程。比如我们插电源插头时产生的电火花，电压并不高，但插座和插头距离足够小的时候，电场强度高到足以击穿它们之间的空气。（场强与距离成反比，与电压成正比）
但多数情况下，的确需要很高的电压才能产生强电场。从低电压到高电压，电磁现象从量变到质变，所以就会带来很多特殊的工程和技术问题，需要用专门的高电压技术方法来解决。
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1.（非平衡）等离子体（Non-equilibrium Plasma）
在农业中的应用
等离子在农业中的应用，想必大家并不陌生，如：等离子种子处理、猪舍禽舍空气净化、等离子粪道除臭、臭氧消毒等，国内外很多专家学者、相关企业已经进行了大量的工作。
但“等离子农业”（Plasma Agriculture）这个概念尚未完全形成，研究和推广工作尚属于较为分散的状态。我们发现首届“等离子农业”国际会议即将于2016年3月在位于美国费城的Drexel University召开，标志着Plasma Agriculture等离子农业经过多年的积累逐步成体系，并终于迎来了新的国际研究热潮。我们对参会发言的国家和机构进行了梳理，如图所示
从图中可以清楚发现，美国、日本、德国、韩国参与最为积极，其他积极参加的主要是欧洲国家。比较遗憾的是中国没有单位参加。在此也希望国内单位今后要积极参与国际交流合作。为了方便大家了解这些比较活跃的研究机构，我们对所有参会论文单位进行了整理，如下表：
“等离子农业”国际会议拟定的主题与我们系统查阅过的2012-2016的国内外主要期刊论文基本是吻合的，但并不完整。
“等离子农业”几乎涵盖了作物从种子到餐桌的全部过程之中，如图以农作物生产消费环节为例：
概括起来主要包括以下几个topics：
1） 种子处理；
2） 生长促进；
3） 作物病害防治；
4） 农产品清洗消毒；
5） 农产品储藏和货架期延长。
当然还有土壤无害化、大棚防滴水膜、养殖场空气净化、粪便干燥除臭等。对于农机企业，可能还会用到耕作器具硬度提高、车辆内饰质量提升的应用。但由于时间有限，下面我只能做部分介绍，请谅解。结合等离子的基本常识，介绍几个应用：
1.1等离子的基本常识和应用
等离子体（Plasma）是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态，广泛存在于宇宙中，常被视为是物质的第四态
等离子的分类方法很多，比如分为：
1） 热平衡等离子体。一般存在于恒星或者核聚变，温度极高。
2） 非平衡冷等离子体。
我们在农业中应用的就是非平衡等离子体，或者叫非热等离子体Non-thermal Plasma。
农业中应用非平衡等离子体一般通过施压高电压，人工气体放电来产生。为什么叫非平衡等等离子呢？是因为放电产生的气体宏观温度比较低，甚至接近室温，但内部的电子温度却高达10000K，即粒子温度分布不平衡。
但这么高的电子温度足可以使被处理对象发生化学键断裂，表面物理变性、蛋白质改性等物理化学变化。基于这些等离子的物理概念，就不难理解等离子在农业中应用的原理了。下面按照农业生产消费环节的应用的研究新进展做一些简单介绍。
1.2等离子表面处理在设施农业“防滴水膜”中的应用
基本原理就是：高能的自由电子使高压聚乙烯表面层发生刻蚀而形成新的性能（如减量，吸湿性，增深性，粘合性……等）；或引起交联，接枝和聚合。简单说就是：改变了塑料薄膜表面的粗糙度，使其更加亲水，不易形成水珠起雾，水汽被薄膜吸收并沿薄膜流下。
塑料大棚薄膜起雾会使棚内光照减弱，影响作物生长，现在除雾的手段喷涂防雾剂，但容易失效，等离子体处理表面处理生产的“防滴水膜”不失为一种选择，但目前价格较高，随着技术成熟、产量提高，成本会进一步下降。
1.3 等离子放电臭氧土壤消毒应用研究
利用介质阻挡放电产生的臭氧对土壤中的微生物，病虫害进行杀灭，对土壤中的有害物质进行降解等。国内外这方面研究都比较多，这里仅列举了近3年代表性论文，如图所示：
土壤消毒是一种高效快速杀灭土壤中真菌、细菌、线虫、杂草、土传病毒、地下害虫、啮齿动物的技术，但目前比较多的采用化学药剂方法，其副作用不言而喻。
日本熊本大学（Kumamoto University）从2006年开始研究采用等离子放电产生臭氧进行土壤消毒的基础研究。主要研究了臭氧土壤消毒气体渗透过程、土壤酸性物质改变已经微生物的杀灭效果，但还处于实验室阶段，且处理效率很低。
西北农林大学的ChengWang等人也研究用臭氧和自由基等等在土壤中的传播过程，研究也表明土壤有机物和金属氧化物组织臭氧的传播，潮湿的土壤更有利于臭氧的渗透。
山西省运城市夏县农机局的丁东合在论文《臭氧防治土壤病虫害成套技术》中提出：通过10余年的反复试验、研究,探索出一套以臭氧、渗灌和生物肥为主的综合物理生物技术，并指出放电产生的氮氧化物对作物伤害很大，故应采用纯氧放电产生臭氧。
臭氧水的制取如果采用曝气的方式吸收率很低，对周围空气污染大。采用气液混合泵可以大形成的气泡水可以大大提高臭氧溶解度，但气液混合泵的价格往往比较高，且通常为三相供电。
1.4 等离子种子处理
等离子体处理种子已经被广泛了解，国内外学者已经进行了多年大量的研究，我们对国内近年发表的论文进行了统计，统计了被等离子处理过的种子，如下图
小麦、玉米、水稻、大豆被研究得最多。采取的等离子放电形式也很多，根据处理气压可以分为：高真空（100pa以下），低气压（几千帕）和大气压。
采用的电源也分为：射频电源（MHz）、微波电源(MHz~GHz)、高频电源（kHz）。
等离子处理的气体也分为：空气、氮气、氩气等。
低气压和高真空需要专门的真空设备，与一般的真空设备不同，这种设备需要将高电压引入到真空室，由于真空和低气压下放电电压很低，所以对绝缘结构的设计有一定要求。
我们设计了一种等离子种子处理实验平台，可以进行多种气压、多种气体，多种处理电极的研究，气压最低可到10Pa以下。实验还在开展过程中。等离子种子处理作用机理主要是：高温的自由电子是种子表面发生变性，显微镜下可见种子表面粗糙度增加，亲水性增加，这样有利于种子萌发时吸收水分，所以可以有跟高的发芽率，发芽速度和抗旱效果。
这一现象可以从等离子具有表面处理的效果上解释。同时等离子中的自由电子和自由基还会改变种子酶等活性物质，改变种子的基因表达活力，关于这方面的机理还在继续深入研究，已经取得相当丰富的成果。等离子处理种子还会杀死种子表面的致病菌，从而提高种子的健康水平
在应用中，主要难点是低气压高真空需要专门的密封设备，一次处理的量有限，但已经有可以自动批量处理的等离子处理机产品。在大气压下处理种子对设备要求低，所以现在大气压等离子种子处理也越来越受到重视。大气压下的阻挡放电通常需要介质阻挡（DBD）放电来保证放电均匀。
不过大家放心：“等离子种子处理”不是“等离子育种”！！其作用比较温和，因此通常不会改变种子的基因。
1.5等离子灌溉用水处理促进作物生长应用研究
关于等离子处理的作物灌溉用水美国Drexel University等离子体研究所的Dayonna P. Park和Friedman等以及日本岩手大学的Takaki等人研究较为有代表性，且其即将在2016年3月的首届等离子国际会议上介绍最新进展，值得关注。
中国农大高压实验室物理农业课题组也在同步开展这项研究。
下图为Drexel University的等离子灌溉水处理助生长的工作原理
下图是其发布的处理效果（未经实地考证，暂且相信）
需要说明的是，等离子促生长的处理方式不是传统的臭氧水，而是通过滑动弧放电（Gliding Arc）产生的空气放电。
滑动弧放电产生的也是一种非平衡等离子体，它可以在0.05-12个大气压下产生很高的电子温度但保持比较低的气体温度，还有一点重要，空气滑动弧放电的主要产物是氮氧化物Nox，臭氧很少，这与传统的DBD介质阻挡放电有本质区别。即：此等离子水非彼等离子水，它不是一种臭氧水。
滑动弧放电放电几乎可以将80%左右的电能用于电化学反应，具有较高的效率，也广泛应用于空气净化等方面。
上图为Drexel University研制的等离子植物促生长系统，该系统具有很好的便携性。
我们也制作了一套滑动弧等离子灌溉用水处理系统样机，目前正在研制第二代实验样机，并进行作物生长实验，由于起步较晚，与国外还有一定差距，正在努力赶超。
日本岩手大学关于等离子生长促进的研究基于的是“水中等离子放电”，即放电直接在灌溉水里发生。即向水中吹气泡，然后放电。实验作物为白菜和油菜（Chinese cabbage; Brassica campestris）。
上图为28天后，实验对照结果：左边的为不处理对照组；中间的为每天处理10分钟；右侧的为每天处理20分钟。统计图为干重的变化，看出29天后，每天处理20分钟的作物干重为不处理的8倍。
等离子对灌溉水的处理，在设施农业中具有非常好的应用前景，具有较高的研究价值。
1.6 等离子农产品的包装保鲜延长货架期应用
由于非平衡等离子体中自由电子的温度非常高，再加上含有的自由基等活性物质，可以在很短的时间内对微生物进行杀灭，但是气体温度可以较低。利用这个特性，可以将等离子体用于农产品（水果、蔬菜）等进行消毒灭菌、保鲜处理，同时不破坏果蔬的营养和外观
下图为德国Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V.研究所展示的等离子对农产皮处理的照片
即将在2016年《Current Applied Physics》发表的韩国Chonbuk National University大学A-Young Moon等人论文《Feasibility study of atmospheric-pressure plasma treated air gas package for grape's shelf-life improvement》，对等离子葡萄包装前等离子体处理进行了研究。方法是采用30kHz的等离子炬吹入葡萄包装袋。
结果显示：微生物在开始的几天急剧减少，与此同时糖度等营养植保没有明显变化，研究再次证明了等离子提高新鲜水果蔬菜货架期的可行性。此类研究非常多，也非常活跃，通常在头两天微生物的数量都会减少100或者1000倍以上。
1.7 等离子体鸡粪便恶臭气体处理
等离子再废弃处理方面的应用已经比较成熟，大家平时有没有发现，口罩可以挡住雾霾，却无法挡住气味。对于家禽养殖，鸡粪干燥等工作，臭气污染一直是个很突出生态问题。
以较具代表性的鸡禽粪便废气为例，主要成分为硫化氢，氨气，甲基胺、甲硫醇、硫化甲基、有机酸、醇及粪臭素等各种臭味物質及大量水汽。恶臭气体的排放对工厂周边环境带来了污染，环境需要进行有效的治理，以达到地区规定的排放标准。
等离子恶臭气体处理近些年已经逐渐得到重视，并开展应用。以8000m3/h禽粪便处理过程恶臭气体治理系统为例
1.（非平衡）等离子体（Non-equilibrium Plasma）
在农业中的应用
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2. 高压脉冲电场（PET,Pulsed Electric Fields）在农业中的应用
2.1 高压脉冲电场农业应用的机理
下面我再简单介绍一下，高压脉冲电场（PET）在农业中的应用，提到高压脉冲电场不得不提到一个名词：电穿孔（Electoporation），这是一个生物物理学名词。由于我对生物物理学不是很熟悉，理解偏颇之处还请各位专家指正！
生命是细胞组成的，生命的本质特征是细胞的新陈代谢，即细胞内外物质交换。但如果有某种力量改变了这种细胞内外的物质交换过程，就可能促进动植物生长或者杀死微生物。脉冲电场（PET）就具备这种力量，起作用在微观上就是电穿孔（Electoporation），如图：
脉冲电场的电穿孔效应分为两种情况：
（1） 缓脉冲、弱电场。通常只会引起细胞外膜穿孔，细胞内部电场为0。
（2） 陡脉冲，强电场。也会导致细胞内部流过电流，并出现破坏。
下图是的陡脉冲电场作用的葡萄细胞的显微照片
2.2 高压脉冲电场对农作物生长的促进作用
这里主要介绍日本熊本大学Tsuyoshi senoda等的论文《Growth Control of Leaf Lettuce Using Pulsed Electric Field.》发表在2014年10月的IEEE Transactions on Plasma Science
通过对根部进行70ns的若干脉冲刺激，每个生菜植株每天受到100次脉冲刺激，20天以后结果如下：
研究表明在0.4kV/cm的脉冲电场作用下，生菜生长速度远大于无处理的植株，用电穿孔理论解释：合适的脉冲电场，产生了合适的电穿孔，加速了细胞的新陈代谢。但从图中可见，过犹不及，2.0kV/cm植株生长严重受到抑制。而且出现了黄叶子。
极低频电场对种子和植株处理方面也有很多研究成果，如西安理工大学的习岗教授这方面进行了深入的研究，并取得了很多很好的研究成果。这里引用习岗老师极低频脉冲电场对绿豆幼苗生长影响的论文从研究成果。对绿豆种子每天用100kV/h，处理10h，脉冲0.2Hz，脉宽80ms
中国农业大学高压实验室也在开展此项研究，设计了高压脉冲电源，可以获得ns级的高压脉冲，实验还在开展中。
2.3 脉冲电场在食品加工也的应用研究
基于脉冲电场作用下细胞的电穿孔效应，在食品加工业，可以将脉冲电场用于：
（1） 液体材料的非热灭菌处理
（2） 提高有用物质的提取效率。
液体非热杀菌的研究已经进行多年，脉冲电厂的杀菌率是极高的，是一种非常有效的方法。但该技术仍然没有进入商业应用，主要原因还在于电源的成本，当处理量很大的时候，电源和处理室的成本就难以接受了。
由于脉冲电场可以引起细胞内膜穿孔，利用该效应，在物体压榨提取之前，如果对样品用高压脉冲处理一段时间，可以提高物质提取的效率。例如：脉冲电场和高压放电处理芝麻种子的实验研究。
2.4 高压静电场（PET,Pulsed Electric Fields）在农业中的应用
高压静电场通常指：高压直流HVDC和高压交流HVAC电压引起的电场。
高压静电场在农业上应用的研究已经有很多年，主要包括：种子萌发，作物生长等方面。
国内有大量的专家学者开展这方面的研究，比如大连市农机推广站刘滨疆研究研究员的空间电场，中国农大的朱世秋副教授的高压静电对番茄种子生物效应的研究等等，篇幅有限，不一一列举。
这里简单介绍一种日本Kinki University 近畿大学利用高压静电驱除和捕获设施农业飞虫的新应用。
在温室的通风口放置这样的静电屏，实验观测害虫很多靠近的害虫，受静电场影响，直接飞离而不进入温室。有些飞虫被吸附到电极上而被饿死。每个电极外面覆盖一层聚乙烯材料。
结束语：
1）高电压技术在农业中的应用是一种典型的交叉学科，在现代物理农业工程中具有举足轻重的作用。我国在这方面开展的工作与国外差距其实并不大，甚至有些方面我们还是领先的。
2）应该按照交叉学科的研究方法开展研究，组成跨学科、跨单位的研究团队，共享实验室和实验基地，支持研究生的联合培养。
3）对现有成果进行梳理，对技术比较成熟，效果比较好的应用方面开展标准制定，设备研发，从实用角度出发，将成本降到用户可接受的水平。