基于臭氧技术的林业病虫害防治效果研究_赵博文.pdf

林业科技情报2023 Vol.55 No.1*作者简介:赵博文(1990)，男，汉族，辽宁沈阳人，本科，高级工程师，研究方向:林业相关。基于臭氧技术的林业病虫害防治效果研究赵博文*(辽宁省林业发展服务中心，沈阳 110031)摘要 为减少林业病虫害造成的经济损失，确保林业病虫害防治效果，提出基于臭氧技术的林业病虫害防治效果研究。利用制氧机、气液混合泵、灌溉装置和自动控制装置共同组成实验系统。将病虫害防治效果研究分为四个过程，设置每个过程的具体任务。利用光化学法制取臭氧气体，通过改变电源频率调节臭氧水浓度，采用 PID 控制技术自适应控制灌溉流量大小。研究结果可知，在浓度为 610 mg/L 的臭氧水灌溉下，树木生长速度较快，病株率始终保持较低水平，证明臭氧技术对病虫害防治具有突出效果。关键词 臭氧技术;林业病虫害;防治效果;PID 控制;光化学法中图分类号:S895文献标识码:A文章编号:10093303(2023)01003204esearch on the Control Effect of Forest Diseases and InsectPests Based on Ozone TechnologyZhao Bowen*(Liaoning Forestry Development Service Center，Shenyang 110031，China)Abstract:In order to reduce the economic losses caused by forestry diseases and insect pests，ensure the effect offorestry disease and insect pest control，a research on forestry disease and insect pest control effect based on ozonetechnology is proposed The experimental system is composed of an oxygen generator，a gasliquid mixing pump，an irrigation device and an automatic control device The research on pest control effect is divided into four proces-ses，and the specific tasks of each process are set Ozone gas is produced by photochemical method，the concentra-tion of ozone water is adjusted by changing the frequency of the power supply，and PID control technology is used toadaptively control the size of the irrigation flow The results showed that under the ozone water irrigation with a con-centration of 610 mg/L，the trees grew faster，The diseased plant rate has always remained at a low level，whichproves that ozone technology has outstanding effects on pest controlKey words:Ozone technology;forestry pests and diseases;control effect;PID control;photochemical method林业病虫害属于一种自然灾害13，会造成严重经济损失。现阶段，我国病害防治工作主要依靠喷洒农药的方式。但由于农药使用缺乏规范性，会使土壤和水源受到污染，导致其他植物遭到破坏。因此，病虫害防治问题已经刻不容缓。林业病虫害防治工作已经受到人们高度重视，当地林业部门也制定了切实可行的措施，尽量减少大规模病虫害发生。但防治过程中忽略了土壤的重要性。而臭氧具有较强的氧化作用46，能够起到快速杀菌、消毒的作用，消除土壤中的病虫害，预防病害发生和传播，且不会造成二次污染。为了探究此种防治方法的可行性，该文设计了臭氧技术下林业病虫害的防治效果实验，通过实验结果证明该方法具有一定推广前景。232023 Vol.55 No.1林业科技情报1基于臭氧技术的林业病虫害防治效果研究11实验概况与实验设备设计111实验概况实验地点:某高校院内两处丛林，主要树木类型为水杉与银杏，树木大小不一，实验季节为夏季。112实验设备臭氧水灌溉系统分为臭氧水制作设备7 与自动灌溉设备8，整体架构如图 1 所示。图 1实验装置整体结构图在选取各设备时，要综合衡量性能指标，考虑成本等因素，保证安全的前提下，最大程度提高经济效益。(1)制氧机:本次实验利用佳环臭氧设备公司生产的型号为 HY014 的制氧机，将空气作为原料，无须其他辅助材料，成本较低，自动化程度高，且结构简单，便于保养和维护，制氧浓度高达 90%以上。(2)气液混合设备:选用 40QY06 型号的气液混合泵，能够将臭氧气体和水混合，生成臭氧水溶液，其他参数性质如表 1 所示。表 1气液混合泵具体参数表参数类型具体数值平均扬程50 m平均流量8 m3/h电机最大功率4 kW最大转速2 500 r/min(3)灌溉系统:本次灌溉系统的设计由水源、水泵、过滤器、阀门和微喷头等设备组成。其中微喷头能够起到调节水流大小，减少水源浪费。(4)自动控制系统:控制系统中微处理器和传感器是核心设备，选择过程中应格外注意设备性能。微处理器:型号为 S3C44B0X，能够有效处理环境信息，结合处理结果控制对应设备。该处理器能降低系统整体成本，主要包括控制器、系统管理器和定时器等设备，具体参数如表 2 所示。表 2微处理器具体参数表参数类型具体数值精度10bit线性误差1LSB平均转换速度120ksps电压范围025 V输入带宽0100 Hz功耗情况较低传感器:主要作用是监控臭氧气体浓度，确保土壤杀菌过程中达到理想效果，同时保证操作人员的安全。为尽量减少传感器误差，延长使用寿命，该文选用 U 型臭氧浓度传感器，主要技术指标如表3 所示。表 3传感器性能指标参数类型具体情况监测范围1300 mg/L分辨率02 mg/L通信形式S485最大使用年限3 年适宜温度25 50 灵敏度0512 uA/ppm负载电阻10 输出方式线性输出12实验过程设计在实验开始前，确保两块实验丛林的土壤湿度为 25%，初始湿度相同。将其中一块丛林划分为若干个小区域，分别利用臭氧浓度为 2、4、6、8、10 和12 的臭氧水进行灌溉。另外一块丛林则不灌溉，让树木自然生长。在每个小区域中均挑选一棵树木做出标记，再标记出若干个树叶，测量树叶的面积。具体步骤如下:(1)工作人员对整个实验装置做初始化处理，通过计算机键盘输入系统指令，开启臭氧制取装置，设置不同浓度的臭氧水，并将消毒灌溉时间设33林业科技情报2023 Vol.55 No.1置为 15 个小时。(2)消毒完成后，通过传感器捕捉臭氧气体的浓度值，并与设定好的安全浓度值对比，如果实际浓度值高于设定值，则启动排风扇排除臭氧气体，直到符合标准为止。(3)灌溉工作结束后，将相关环境参数在 LED屏幕上显示，工作人员可实时了解植物生长状况，便于参数及时调整。(4)经过一个月的生长周期后，装置停止工作，分析研究两处丛林的不同之处。13实验相关技术实验过程中，一些技术是需要特别注意的，如果操作不当不仅会影响防治效果，还会造成一定危险9，因此必须按照相关操作要求完成如下相关技术。131臭氧气体制取技术臭氧是氧气通过高压电离处理生成的，制取过程中需保证氧气量充足。通常情况下，臭氧制取方式以气源为主，但是这种方法效率较低，如果操作不当会夹杂其他气体，产生有毒气体，对操作人员的能力要求极高。因此，该文设计一种基于光化学法的制取方式。发生器在紫外线作用下使氧气 O2分解成臭氧，这与大气上层的臭氧生成机理相同。当紫外线波长=185 nm 时效率最高，O2的吸收性能最强，反应过程可通过如下公式表示:O2+hrO+O(1)O2+O+MO3+M(2)公式中，hr 代表紫外线光量子，M 指所有存在惰性的物体，例如反应器具、二氧化碳分子等。132臭氧水浓度调节技术结合植物的生长时间来调整臭氧水浓度，主要是对臭氧气体出气量的控制，决定出气量大小的因素是氧气量与电离效果，调整电源频率可改变电离效果10。因此，高压电源是臭氧水浓度调节的核心，它能够提供外接电压，确保氧气转换为臭氧。此外，要尽可能提高调节效率，这就要求高压电源必须与整个系统功能配套。调整过程中具体注意事项如下:将初始电离频率设置在 26 kHz 左右即可，最高峰不超过 8 kV;为确保输出最佳阻抗，必须使高压输出和臭氧管中的气体发生谐振效应;须设置过压、过流等安全保护措施，使电路能够长期可靠运行。133灌溉流量大小控制技术在上述实验设备设计过程中，选用了气液混合泵来实现流量控制。因此，需要通过一定技术实现混合压力调节。现阶段，在控制领域，应用最广的是 PID 控制技术，也称为比例、积分、微分控制。该技术已经有七十多年的历史，是一项成熟的技术，具有结构简单、性能稳定、使用方便等特点。如果被控目标的结构与参数无法完全获取时，不能构建精确的数学模型，这时其他控制技术必须依赖人工经验，但 PID 控制技术则不用完全已知目标参数，根据系统误差，通过比例、积分和微分操作就能确定控制变量。将流量、压力、浓度作为系统输入参数，利用传感器将参数变换为统一标准信号再输入到调节器中。调节器将这些数据与设定值对比，并将差值经过 PID计算传输到执行机构，达到自动调节的目的。2防治效果分析经过为期一个月的测试过程，分别分析两种丛林的生长状况，将之前做过标记的树木作为主要分析目标，以株高、叶面积、茎粗为实验指标，则在不同臭氧水浓度下，这些树木的变化情况如表 4 所示。表 4不同树木的生长变化情况表臭氧水浓度(mg/L)指标株高(cm)茎粗(cm)单叶面积(cm2)0+01+001+022+02+003+034+02+002+036+06+007+078+08+008+0810+10+009+10120+001+001432023 Vol.55 No.1林业科技情报分析表 4 中的数据可知，在不使用臭氧技术即臭氧水浓度为 0 mg/L 时，树木的株高、茎粗和叶片面积没有出现明显变化;当臭氧水浓度低于 6 mg/L时，树木指标变化情况也不明显，但是比不使用臭氧防虫技术的树木要生长得稍微快一些;当臭氧浓度为 6 mg/L、8 mg/L 和 10 mg/L 时，三个指标均出现明显改变，树木生长速度有所提高;在臭氧浓度为 12 mg/L 时，各项指标基本没有太大变化，说明此时的臭氧浓度太高，不适合树木生长。上述结果表明，当臭氧浓度在 610 mg/L 之间时，臭氧技术能够达到很好的病虫害防治效果，只有在无病害情况下，数据才能提高生长速度，叶面积才会不断变大。另外，从整体上分析了两种丛林的病株率，结果如图 2 所示。图 2不同丛林病株率示意图分析图 2 可以看出，使用臭氧技术的丛林病株率随时间的增长没有出现明显的上升趋势，而未使用臭氧技术的丛林病株率较高，受到病害影响大。这是因为通过臭氧水灌溉的方式对土壤进行杀菌消毒，从根本上解决病虫害问题，降低病株率。3结论近年来，臭氧病虫害防治技术已经成为众多学者的研究热点。为了测试该方法的有效性，该文提出基于臭氧技术的林业病虫害防治效果研究。选取研究对象，设置实验设备与方法，分析防治过程中的主要技