空间电场防病促生系统的设计与试验

孙滨洪，郭 辉

（新疆农业大学 机电工程学院，乌鲁木齐 830052）

空间电场防病促生技术可有效减少化学肥料和农药的使用，促进植物生长，提高作物的品质和产量。空间电场防病促生系统中的关键部分是直流高压发生器，其输出电压的稳定性直接影响空间电场效果。为此，基于高压静电放电原理设计一套空间电场防病促生装置，并以“日本银凤”番茄品种为试验对象，在整个结果期间进行对比试验，检测其对番茄果实品质和产量影响，以期为空间电场防病促生技术提供适用装置。

1 空间电场防病促生装置的设计

1.1 空间电场防病促生装置的组成

空间电场防病促生装置主要由10～50 kV可调式直流高压发生器、0～250 V可调变压器、ZYT16G微电脑时控开关、DZ12-60塑壳空气开关（20 A）、电力监测仪、14个绝缘子、电极线等组成。该装置由220 V AC提供电源，在微电脑时控开关的控制下按照间歇循环的方式工作，工作20 min休息45 min，通过0～250 kV可调变压器控制直流高压发生器的输出电压，由电极线产生电晕放电，在电极线周围产生大量带电粒子、微量臭氧和氮氧化物，形成空间电场。

1.2 直流高压发生器的结构

1.2.1 总体结构 可调式直流高压发生器由 220 V AC、24 V环形变压器、桥式整流电路、滤波电路、驱动电路和行输出变压器等组成。

该装置的技术参数为：

输入电压：220±10 V；

输入电流：0.4±0.05 A；

频率：50 Hz；

额定输入功率：90 W；

输出电压：10～53 kV；

日耗电量：0.3 kW/d。

1.2.2 驱动电路设计 驱动电路是直流高压发生器的关键部件，决定整套装置的输出功率和输出电压。驱动电路如图1所示。其工作原理为：整流滤波电路输出的平滑直流电压经过4个稳压二极管钳位在12 V电压后，分别送入4个MOS管的GS极，MOS管同时开通，上电瞬间电容C2上端电压升高；恢复二极管截止，MOS管Q2、Q3保持开通，MOS管Q1、Q4因失去 VGS而截止；MOS管 Q1、Q4上的 VDS＝0，电容C2下端电压瞬间升高，MOS管Q2、Q3截止，MOS管Q1、Q4因获得VGS而导通；4个MOS管在一定时间内反复过程，时间由谐振电容C2的容量决定。整个工作过程中，10 kΩ电阻确保MOS管关断；470 Ω电阻限制MOS管的栅极电流；L1电感用于减少电源输出电流波动，确保提供稳定电流。

2 空间电场防病促生装置应用效果试验

2.1 试验设备和条件

试验地点为新疆五一农场设施农业基地日光温室大棚试验区17号棚，总长84 m，宽 7 m，高3.5 m，面积588 m2；东西走向，彩钢板结构，顶部有通风口和卷帘被。整个温室内角度、高度一致。

温室内的土壤偏碱性，白天相对温度控制在25～31℃，相对湿度控制在40%～80%，晚上相对温度控制在13～16℃，相对湿度控制在80%～100%。用双层塑料将温室分为试验组和对照组两部分。试验组安装空间电场防病促生装置；对照组不安装空间电场防病促生装置。两组植株的灌溉、施肥、管理和收获条件均相同。

试验番茄品种为 “云粉168”，2017年5月30日播种，用穴盘的方式育苗，7月8日定植，8月2日进入开花期，8月20日进入结果期。

图1 驱动电路原理Figure 1 Drive circuit principle

2.2 空间电场安装方法

试验组在番茄开花末期安装空间电场，把空气开关、微电脑时控开关和可调变压器固定在门口的墙壁上，把高压发生器、14个绝缘子放在内墙壁和房顶上，用粗导线将高压发生器负极与埋入土壤0.5 m的接地铁管相连；将绝缘子固定在棚顶中央，每5 m安装 1个，架设高度 2.3 m。

2.3 试验方法

2.3.1 植株标定 从第1垄起，每隔4垄选 1垄，共选出7垄，每垄随机抽样7株，统计番茄的单株平均产量和总产量。

2.3.2 果实品质测定 10月17—24日采摘后标记好的番茄，计算果实的商品率、畸形率和单项不合格率。

在试验组和对照组各随机抽选20个番茄果实，用目测法观察每个番茄果实的外观，再用游标卡尺测量果实的纵径、横径，计算番茄的果形指数。

2.3.3 产量测定 10月17—24日分别统计当天的产量和标记植株的单株产量。

2.4 结果与分析

2.4.1 空间电场对番茄果实品质的影响 由表1可以得出：1）试验组番茄的果实属于圆形，对照组番茄的果实属于扁圆形，说明空间电场对番茄的果形有一定影响：2）试验组番茄属于特大果属性，对照组番茄介于大果和特大果之间，趋于大果属性，说明空间电场对番茄果实的单果质量有影响：3）与对照组相比，试验组的单果质量平均增加13.4%，商品率平均提高3.4%，畸形率平均降低 29.7%，由病虫害、褪色、疤痕、冻伤、皱缩、空腔、裂果、腐烂等引起的单项不合格率平均减少 31.4%。

利用EXCEL软件中的单因素方差分析试验数据，单果质量 P 值＝0.021 883＜0.05；畸形果率 P 值＝0.023 091＜0.05，组间差异均非常显著；果形指数、商品率和单项不合格率的P值均大于0.05，组间差异不显著。在实际生产中，空间电场对番茄果实的单果质量和畸形果率有显著性影响。

表1 空间电场对番茄果实品质的影响Table 1 Effect of circuit principle on fruit quality of tomato

2.4.2 空间电场对番茄产量和总产值的影响 试验组番茄果实的始收期是9月30日，对照组番茄果实的始收期是10月5日。两组番茄果实的末收期均是11月18日，试验组比对照组提前5 d成熟，采摘次数比对照组多了2次，表明空间电场可以延长番茄的采收期。

表2 空间电场对番茄产量的影响Table 2 Effect of circuit principle on tomato yield ld

由表2可以得出：试验组番茄的单株平均产量为3.4 kg，对照组番茄的单株平均产量为 2.7 kg，比对照组高25%，说明空间电场对番茄果实的单株产量影响较大；对照组番茄的总产量为3 626.6 kg，试验组番茄的总产量为 4 050.7 kg，比对照组提高 11.7%，说明空间电场对番茄果实的总产量有明显影响。

直流高压发生器通过电极线产生电晕放电，在温室内形成空间电场。根据电极线的场强分布规律可知：以电极线为轴时，在垂直于电极线的平面上，距离电极线等相的圆周上场强相同，距离电极线越，远场强越小，故电极线对正下方番茄植株的影响较大，对两边番茄植株的影响逐渐减小。番茄单株产量高于总产量是由空间电场场强分布不同引起的。

据调查，10月7—29日新疆乌鲁木齐市北园春批发市场西红柿的价格在 3.0～3.8 元/kg 之间，10 月30 日—11 月 18 日期间番茄的价格在 2.5～3.0 元/kg之间。根据番茄采摘情况可知：以平均3.0元/kg计算，试验组番茄的高产期在10月11—24日，处于单价最高时期，对照组番茄的总产值平均为10 879.8元，试验组番茄的总产值平均为12 152.1元，比对照组番茄增加 1 272.3元，增长率为 11.7%。

2.4.3 空间电场对日光温室内湿度的影响 冬季日光温室内的湿度范围为50%～90%，日出后到日落前的相对湿度为70%～90%，晚上到日出前的相对湿度为90%～100%。日光温室为封闭空间，植物蒸腾作用和土壤水分蒸发导致室内的湿度比大田高很多。传统的日光温室除湿方法是晚上点燃高效氯氰菊酯（烟剂，具有强毒性），翌日早上开窗通风，平均1次/10 d。该方法可起到除湿作用，但会造成温度剧烈变化，对番茄植株的生长具有一定负面影响。

10月25日试验区附近晴转多云，最高温度17℃，最低温度3℃，上午10：00日光温室内的温度为16.6℃、湿度为100%。使用空间电场防病促生装置15 min 后，温度为 17.6 ℃，湿度为 68.5%，温度升高 1℃，湿度下降31.5%，雾气消除。而对照温室的温度为17℃、湿度为91.2%，温度升高0.4℃，湿度下降9.8%。

3 结论与讨论

根据空间电场的防病促生原理设计一套空间电场防病促生装置。装置应用对比试验结果显示，在番茄结果期间，对番茄单果重、畸形果率、单株产量和总产量均有明显影响，对果实品质和商品率也有一定影响。此外，空间电场防病促生装置有降湿除雾作用，工作15 min即可降低温室内湿度31.5%，消除雾气。