淺談電氣栽培技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景

陳淑嫻

（廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)，廣西 南寧 530007）

相關(guān)研究表明，人類生存的地球周邊被大氣層所包圍，大氣環(huán)境受紫外線等外界電離作用后產(chǎn)生大量正離子和自由電子，繼而形成巨大的電場，因此地球上的一切生物均是在這樣的電場環(huán)境中生長。由于在生物體內(nèi)包含著大量的電活動，因此環(huán)境電場的產(chǎn)生與變化必將會對生長帶來重大影響。由此可以推斷出：若能有效利用電場作用，便可以人為地控制農(nóng)作物生長［1］。在傳統(tǒng)農(nóng)作物種植業(yè)中，化學(xué)肥料以及農(nóng)藥的使用是確保農(nóng)作物生長發(fā)展的要素。然而，隨著生活質(zhì)量的不斷提高，人們的健康環(huán)保理念與食品安全意識也在逐步增強(qiáng)，對于綠色、安全、天然、無公害農(nóng)產(chǎn)品的需求也在日趨增多。因此，相較于傳統(tǒng)農(nóng)藥消殺、肥料灌溉等化學(xué)農(nóng)業(yè)種養(yǎng)方式，現(xiàn)代物理農(nóng)業(yè)工程技術(shù)成為近年來發(fā)展的趨勢，它主要通過使用聲、光、電、磁等物理技術(shù)方法來提高植物光合作用效率以及對病蟲害的抵御能力，減少對農(nóng)業(yè)環(huán)境及耕地的污染［2］。電氣栽培技術(shù)作為其中一項新興的現(xiàn)代物理農(nóng)業(yè)技術(shù)，則是利用電場作用人為控制作物生長趨勢，加速農(nóng)作物代謝活動，抑制空氣和土壤中的細(xì)菌和病毒，從而有效促進(jìn)農(nóng)作物高效優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)［3］。

1 電氣栽培技術(shù)概述

依據(jù)過往研究成果顯示，電氣栽培技術(shù)目前主要涵蓋以下三個方面：土壤電處理技術(shù)，空間電場調(diào)控技術(shù)，帶電栽培技術(shù)。［4-8］

1.1 土壤電處理技術(shù)

土壤電處理技術(shù)，是指通過利用預(yù)埋在土壤中的兩塊極板通電所產(chǎn)生的電流在土壤中引起電化學(xué)反應(yīng)和電擊殺效應(yīng)來改善土壤環(huán)境和營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，消滅引起植物生長障礙的土壤微生物，促進(jìn)作物根系生長繁殖的技術(shù)［4］。該技術(shù)可避免化學(xué)藥劑對土壤的傷害以及土壤微生物病原菌的大量繁殖、土壤中的某些營養(yǎng)元素缺失等問題，對土壤起到了很好的改良作用。

1.2 空間電場調(diào)控技術(shù)

空間電場則是由一個可控的直流高壓電源、若干個穿線絕緣子和電極線組成。該技術(shù)以掛在溫室棚頂?shù)碾姌O線作為正極，地面設(shè)施和植株等作為負(fù)極［5］。當(dāng)電極線中施以高電壓時，則會形成一個由天空指向地面的正向空間電場。電場對空氣放電后產(chǎn)生的臭氧、氮氧化物等可以凈化植物生長環(huán)境，有效避免病害借由空氣傳播，同時，該空間電場的變化還會影響作物內(nèi)部光合作用速度，影響鈣離子等營養(yǎng)元素的吸收速度、方向等，實現(xiàn)一個可以促進(jìn)植物根系生長和預(yù)防植物病害的空間電場的自動調(diào)控系統(tǒng)［6，7，9］。

1.3 帶電栽培技術(shù)

帶電栽培技術(shù)即是將作物種植于帶有萬伏以上電壓的栽培槽中，栽培槽內(nèi)放置營養(yǎng)液，使得作物本身帶有高電位。利用帶電作物產(chǎn)生電排斥力，避免空氣中病原微生物的靠近，且植物葉緣尖端的高壓電場電離空氣后所產(chǎn)生的圍繞在植物周邊的微量強(qiáng)氧化劑臭氧和二氧化氮，也可刺激微小害蟲失活，減少了作物受外來蟲害的破壞，也就減少了農(nóng)藥、殺蟲劑等化學(xué)品的使用，為環(huán)境保護(hù)和食品安全提供了可靠的保障［8］。除此之外，該項技術(shù)還可有效凈化空氣、消除霧霾、降低疫病發(fā)生率等，促進(jìn)作物生長。

2 電氣栽培技術(shù)的研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

早在18世紀(jì)中葉，國外學(xué)者便發(fā)現(xiàn)了電生物學(xué)效應(yīng)，即電場對動物、人體的生長發(fā)育程度帶有一定的影響，但它對植物的生長是否有效，學(xué)術(shù)界持有懷疑態(tài)度。由于各國研究的品種對象和處理條件各異，使得呈現(xiàn)出的效果懸殊，支持與反對的聲音始終存在，對此評價也是褒貶不一，具有一定爭議性，因此在很長一段時間內(nèi)，該項技術(shù)的應(yīng)用在國外并沒有得到有效重視和高速發(fā)展。而后，隨著技術(shù)的進(jìn)步及研究的深入，關(guān)于電氣栽培的應(yīng)用潛能逐漸明朗，相關(guān)研究成果陸續(xù)涌現(xiàn)。

2.1.1 作物生長效應(yīng)影響

國外關(guān)于電場對作物生長效應(yīng)方面的影響做了許多研究。20世紀(jì)60年代，Sidaway等［10］通過實驗發(fā)現(xiàn)一定強(qiáng)度的電場作用能夠提高種子的發(fā)芽率。1963年賓夕法尼亞州立大學(xué)材料科學(xué)實驗室的Murr［11］在NATURE雜志中發(fā)表文章，指出電磁場作為一種無殘留、無毒的刺激物，能夠?qū)χ参锓N子的萌發(fā)、生長、發(fā)育、產(chǎn)量等產(chǎn)生影響。Minucci等［12］運用靜電處理使得小麥種子發(fā)芽率提高90%。而英國倫敦帝國學(xué)院的植物學(xué)家安德魯·戈茲沃西［13］在進(jìn)行電氣栽培試驗時，發(fā)現(xiàn)用1~2MA的電流處理過的煙草組織培養(yǎng)物，其再生出芽頻率比未經(jīng)處理的高出5倍。Isobe等［14］利用500 kV/m電場對干燥的牽?；ǚN子進(jìn)行60分鐘的處理后發(fā)現(xiàn)，種子細(xì)胞膜組織受到破壞，其發(fā)芽率比未處理種子發(fā)芽率低50%。Takaki等［15］將刺激香菇的電壓由90 kV增加到125 kV，香菇產(chǎn)量降低了40.6%。Songnuan等［16］采用納秒脈沖電場對擬南芥菜根部處理后得出，在處理后的第二周，尤其是在10 kV/cm的場強(qiáng)下，葉面積的增大效果最為顯著，增加了80%。Klink等［17］使用電場處理加拿大伊樂藻后，植物體內(nèi)錳元素和鎳元素的含量降低，鉛含量和鋅含量有所提高。

2.1.2 作物病蟲害防治

在防治作物病蟲害方面，韓國、法國分別在2006年和2009年引進(jìn)空間電場技術(shù)作用于蔬菜溫室，在對系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤使用一段時間后，對其預(yù)防病蟲害的成效給予積極評價［18］；韓國和巴西在2009年也開始土壤連作電處理試驗，主要用于防治根結(jié)線蟲和進(jìn)行土壤改良［18］。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國最早從事電場生物效應(yīng)研究的是北京大學(xué)，在1958年便開始應(yīng)用電場刺激作物生長［19］。自此，關(guān)于電氣栽培技術(shù)的國內(nèi)研究成果層出不窮。

2.2.1 作物生長效應(yīng)影響

電場對作物的生長效應(yīng)，主要包括種子發(fā)芽特性、幼苗生長特性及時效性、愈傷組織的形成等方面。電場處理可明顯影響作物的生理生化過程，對作物生育性狀及質(zhì)量、種子萌發(fā)活力等產(chǎn)生影響。李曉靜等［20］對不同電場強(qiáng)度及不同區(qū)域茄子種子的千粒重、發(fā)芽率及電導(dǎo)率等進(jìn)行研究，結(jié)果表明高壓靜電場能提高茄子種子的活力和幼苗生長勢。楊相飛等［21］研究得出空間電場對黃瓜育苗生長速度具有促進(jìn)作用。朱世秋等［9］研究得出帶電栽培加速了植物對二氧化碳的吸收，促進(jìn)了植物的光合作用。顧積志等［22］利用30 kV、50 kV和90 kV的空間電場進(jìn)行豆芽生產(chǎn)試驗，得出空間電場對豆芽有較好的增產(chǎn)、提質(zhì)作用，豆芽產(chǎn)量增幅分別達(dá)到28.7%、22.1%、16.4%。胡建芳等［23］采用高壓電場處理高粱種子，得出其可提高種子內(nèi)α-淀粉酶活性，促進(jìn)種子萌發(fā)。周娜娜等［24］研究得出空間電場可促進(jìn)蔬菜生長并提高蔬菜品質(zhì)。李美清等［25］研究得出2.25 kV/cm高壓靜電場處理對番茄產(chǎn)量提高23%。然而，并非施加任意電場強(qiáng)度均能對作物產(chǎn)生積極效果，黃洪云等［26］用不同高壓靜電場強(qiáng)度和時間的組合處理番茄種子，得出一定的場強(qiáng)處理番茄種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)都有不同程度的提高，最佳處理條件為350 kV/m×30 min，當(dāng)電場處理條件為500 kV/m×30 min時，番茄幼苗根長、苗高、鮮重、干重均減到最小值。

2.2.2 作物病蟲害防治

電氣栽培技術(shù)防治作物病蟲害的原理在于通過對大氣電場施加高壓，使得正負(fù)極間形成空間電場，氧氣在電場作用下被激發(fā)并在電極間產(chǎn)生臭氧等氧化物，從而除掉空氣中大部分細(xì)菌病毒，但對作物生長不產(chǎn)生危害。同時電場作用可加速溫室內(nèi)水分蒸發(fā)，這樣可有效預(yù)防因高濕和結(jié)露引起的病害，并且能夠抑制粉塵的飛揚，隔絕氣傳病害的氣流傳播渠道［27］。相關(guān)研究表明，空間電場對于除了白粉病外的病害的抵御能力基本可以達(dá)到100%［28］。2000—2001年，山東壽光農(nóng)業(yè)高科技示范園區(qū)通過使用空間電場系統(tǒng)進(jìn)行黃瓜栽種，使得黃瓜的灰霉病得到了明顯控制，且有效確保了后續(xù)再無疾病發(fā)生［29］；2002年四川省雙流縣通過使用空間電場在葡萄園內(nèi)進(jìn)行試驗后發(fā)現(xiàn)，試驗園區(qū)無黑痘病、白粉病、霜霉病等常見病害的發(fā)生傳播，且病害發(fā)生率遠(yuǎn)低于其他農(nóng)藥使用區(qū)［30］；許世芬等［31］則將不同品種黃瓜幼苗分別置于空間電場和普通溫室中觀察得出，空間電場可有效控制黃瓜白粉病，平均綜合防效在47%以上；楊青等［32］據(jù)此原理發(fā)明了一種新型電氣裝置，可殺死瓜絹螟、茶尺蠖、煙蚜等害蟲，滅蟲效果均達(dá)到了63%以上。

2.2.3 作物生長環(huán)境優(yōu)化

二氧化碳、土壤、空氣、光照強(qiáng)度等是作物在地球上生長的天然環(huán)境因子。要想促進(jìn)農(nóng)作物生長，可以通過適當(dāng)調(diào)節(jié)環(huán)境中的二氧化碳濃度、延長光照時間、改善土壤質(zhì)量、調(diào)節(jié)空氣溫濕度等環(huán)境條件，以達(dá)到增強(qiáng)作物代謝作用。而相關(guān)研究表明，適宜的電場作用往往也可以優(yōu)化上述自然環(huán)境，為作物創(chuàng)造最佳的生長條件。陳淑英等［33］以大麥為種植對象，研究后得出空間電場可有效抑制大麥根系周邊土壤水分的蒸發(fā)，從而保證苗鮮質(zhì)量，促進(jìn)株高增長；高占文等［34］應(yīng)用空間電場促生技術(shù)栽培小果番茄，不僅可以增加CO2的供應(yīng)量促進(jìn)光合作用，還能使土壤因聚水效應(yīng)保持濕潤，同時可促進(jìn)空氣中氮肥的形成，為果實發(fā)育營造優(yōu)質(zhì)生長環(huán)境，使得小果番茄產(chǎn)量提高30%~70%。

2.3 小結(jié)

由國內(nèi)外研究現(xiàn)狀看出，電氣栽培技術(shù)對農(nóng)作物種植所產(chǎn)生的正向效應(yīng)已得到驗證。電場在一定閾值范圍內(nèi)對作物具有促生效果，電壓強(qiáng)度的大小不同都會引起作物不同甚至相反的生長效應(yīng)［35］。不同閾值范圍的電場條件可促進(jìn)作物生長，也可抑制作物生長。適宜的電場處理，才能對作物自身的形態(tài)指標(biāo)以及生理生化的各項指標(biāo)產(chǎn)生一定的促進(jìn)作用，增加作物自身鉀離子、鈣離子、葉綠素、蛋白質(zhì)等物質(zhì)的含量，提高其光合效率、抗鹽抗旱性，加速其長勢［36］。加之電場又可影響作物生長的微環(huán)境（二氧化碳濃度、空氣濕度、土壤濕度等），有效預(yù)防作物病蟲害發(fā)生，為促進(jìn)農(nóng)業(yè)高產(chǎn)提供一項可參考的技術(shù)。

3 電氣栽培技術(shù)的發(fā)展前景

電氣栽培技術(shù)目前已主要應(yīng)用于番茄、葡萄、甜瓜、黃瓜、豆芽等溫室果蔬作物栽培，以期減少化肥農(nóng)藥的使用，預(yù)防病蟲害的侵襲，優(yōu)化作物生長環(huán)境，改善作物品質(zhì)，提高產(chǎn)量。自20世紀(jì)90年代以來，由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院主導(dǎo)的電氣栽培在全國范圍內(nèi)廣泛開展，通過在蔬菜大棚中布置空間電場使得化肥農(nóng)藥等使用量有效減少20%，殺蟲劑使用減少70%以上，而蔬菜的產(chǎn)量則在原有基礎(chǔ)上提高了20%~30%［37］。除此之外，作為我國現(xiàn)代物理農(nóng)業(yè)工程技術(shù)應(yīng)用最早的城市天津市，也率先將空間電場應(yīng)用于黃瓜生產(chǎn)，使得黃瓜在同比面積下增產(chǎn)31%，農(nóng)藥使用量和成本均有所降低，每公頃增收9705元［38］。遼寧省大連市先后在金州七頂山付家農(nóng)業(yè)高科技園區(qū)、甘井子區(qū)辛寨子博士園等進(jìn)行多年的溫室作物栽培應(yīng)用并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，總體節(jié)省農(nóng)藥費用70%以上，減少30%以上的氮肥使用量，能確保作物產(chǎn)量提高20%以上［5］。山東壽光農(nóng)業(yè)高科技示范園區(qū)將電場應(yīng)用于黃瓜灰霉病防治，在不使用任何殺菌劑和農(nóng)藥下，使得灰霉病在三天內(nèi)得到了有效控制［39］。設(shè)施與技術(shù)的投入使用，推動了生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會效益穩(wěn)步提升。

2021年第22屆國際蔬菜科技博覽會上展示了來自國內(nèi)外400多家單位通過根際帶電栽培技術(shù)所繁殖的包含辣椒、黃瓜等在內(nèi)的4000多個優(yōu)良品種。該項技術(shù)再一次成為當(dāng)年技術(shù)亮點，通過模擬自然界存在的大氣電場，將植物帶負(fù)電，栽培槽帶正電，從而形成正向電場，促進(jìn)營養(yǎng)元素吸收的同時，為防治疾病和害蟲提供了物理解決方案，有效規(guī)避化學(xué)農(nóng)藥殘留對公眾安全所帶來的威脅，這一安全無公害的物理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式［40］，將成為綠色種植發(fā)展的新趨勢，具有顯著的應(yīng)用價值和推廣優(yōu)勢。

盡管大量研究成果表明，目前國內(nèi)外對該項技術(shù)的應(yīng)用持樂觀態(tài)度，但由于電場生物效應(yīng)復(fù)雜，研究技術(shù)和設(shè)備有限，前期電場搭建投入成本較多等原因，使得該項技術(shù)還未得到廣泛普及和全面覆蓋，其在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用潛能還未得到充分發(fā)掘，未來發(fā)展前景廣闊。因此，應(yīng)該充分發(fā)揮利用包括靜電物理、作物栽培、設(shè)施農(nóng)業(yè)等多領(lǐng)域的優(yōu)勢，各學(xué)科相互協(xié)作融合進(jìn)行更多深入研究［1］。相信隨著我國農(nóng)業(yè)科技化水平的不斷提高，人們對電場生物效應(yīng)機(jī)制認(rèn)識的不斷加深，此項技術(shù)將在未來得到不斷發(fā)展完善和推廣應(yīng)用，在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。