淺談電氣栽培技術的研究現狀與發展前景

陳淑嫻

（廣西農業職業技術大學，廣西 南寧 530007）

相關研究表明，人類生存的地球周邊被大氣層所包圍，大氣環境受紫外線等外界電離作用后產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境中生長。由于在生物體內包含著大量的電活動，因此環境電場的產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作物生長［1］。在傳統農作物種植業中，化學肥料以及農藥的使用是確保農作物生長發展的要素。然而，隨著生活質量的不斷提高，人們的健康環保理念與食品安全意識也在逐步增強，對于綠色、安全、天然、無公害農產品的需求也在日趨增多。因此，相較于傳統農藥消殺、肥料灌溉等化學農業種養方式，現代物理農業工程技術成為近年來發展的趨勢，它主要通過使用聲、光、電、磁等物理技術方法來提高植物光合作用效率以及對病蟲害的抵御能力，減少對農業環境及耕地的污染［2］。電氣栽培技術作為其中一項新興的現代物理農業技術，則是利用電場作用人為控制作物生長趨勢，加速農作物代謝活動，抑制空氣和土壤中的細菌和病毒，從而有效促進農作物高效優質生產［3］。

1 電氣栽培技術概述

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

1.1 土壤電處理技術

土壤電處理技術，是指通過利用預埋在土壤中的兩塊極板通電所產生的電流在土壤中引起電化學反應和電擊殺效應來改善土壤環境和營養結構，消滅引起植物生長障礙的土壤微生物，促進作物根系生長繁殖的技術［4］。該技術可避免化學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 空間電場調控技術

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。該技術以掛在溫室棚頂的電極線作為正極，地面設施和植株等作為負極［5］。當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生的臭氧、氮氧化物等可以凈化植物生長環境，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部光合作用速度，影響鈣離子等營養元素的吸收速度、方向等，實現一個可以促進植物根系生長和預防植物病害的空間電場的自動調控系統［6，7，9］。

1.3 帶電栽培技術

帶電栽培技術即是將作物種植于帶有萬伏以上電壓的栽培槽中，栽培槽內放置營養液，使得作物本身帶有高電位。利用帶電作物產生電排斥力，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生的圍繞在植物周邊的微量強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，也就減少了農藥、殺蟲劑等化學品的使用，為環境保護和食品安全提供了可靠的保障［8］。除此之外，該項技術還可有效凈化空氣、消除霧霾、降低疫病發生率等，促進作物生長。

2 電氣栽培技術的研究現狀

2.1 國外研究現狀

早在18世紀中葉，國外學者便發現了電生物學效應，即電場對動物、人體的生長發育程度帶有一定的影響，但它對植物的生長是否有效，學術界持有懷疑態度。由于各國研究的品種對象和處理條件各異，使得呈現出的效果懸殊，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，該項技術的應用在國外并沒有得到有效重視和高速發展。而后，隨著技術的進步及研究的深入，關于電氣栽培的應用潛能逐漸明朗，相關研究成果陸續涌現。

2.1.1 作物生長效應影響

國外關于電場對作物生長效應方面的影響做了許多研究。20世紀60年代，Sidaway等［10］通過實驗發現一定強度的電場作用能夠提高種子的發芽率。1963年賓夕法尼亞州立大學材料科學實驗室的Murr［11］在NATURE雜志中發表文章，指出電磁場作為一種無殘留、無毒的刺激物，能夠對植物種子的萌發、生長、發育、產量等產生影響。Minucci等［12］運用靜電處理使得小麥種子發芽率提高90%。而英國倫敦帝國學院的植物學家安德魯·戈茲沃西［13］在進行電氣栽培試驗時，發現用1~2MA的電流處理過的煙草組織培養物，其再生出芽頻率比未經處理的高出5倍。Isobe等［14］利用500 kV/m電場對干燥的牽牛花種子進行60分鐘的處理后發現，種子細胞膜組織受到破壞，其發芽率比未處理種子發芽率低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年引進空間電場技術作用于蔬菜溫室，在對系統進行跟蹤使用一段時間后，對其預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，主要用于防治根結線蟲和進行土壤改良［18］。

2.2 國內研究現狀

我國最早從事電場生物效應研究的是北京大學，在1958年便開始應用電場刺激作物生長［19］。自此，關于電氣栽培技術的國內研究成果層出不窮。

2.2.1 作物生長效應影響

電場對作物的生長效應，主要包括種子發芽特性、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量、種子萌發活力等產生影響。李曉靜等［20］對不同電場強度及不同區域茄子種子的千粒重、發芽率及電導率等進行研究，結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的空間電場進行豆芽生產試驗，得出空間電場對豆芽有較好的增產、提質作用，豆芽產量增幅分別達到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α-淀粉酶活性，促進種子萌發。周娜娜等［24］研究得出空間電場可促進蔬菜生長并提高蔬菜品質。李美清等［25］研究得出2.25 kV/cm高壓靜電場處理對番茄產量提高23%。然而，并非施加任意電場強度均能對作物產生積極效果，黃洪云等［26］用不同高壓靜電場強度和時間的組合處理番茄種子，得出一定的場強處理番茄種子的發芽勢、發芽率、發芽指數、活力指數都有不同程度的提高，最佳處理條件為350 kV/m×30 min，當電場處理條件為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，使得正負極間形成空間電場，氧氣在電場作用下被激發并在電極間產生臭氧等氧化物，從而除掉空氣中大部分細菌病毒，但對作物生長不產生危害。同時電場作用可加速溫室內水分蒸發，這樣可有效預防因高濕和結露引起的病害，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到100%［28］。2000—2001年，山東壽光農業高科技示范園區通過使用空間電場系統進行黃瓜栽種，使得黃瓜的灰霉病得到了明顯控制，且有效確保了后續再無疾病發生［29］；2002年四川省雙流縣通過使用空間電場在葡萄園內進行試驗后發現，試驗園區無黑痘病、白粉病、霜霉病等常見病害的發生傳播，且病害發生率遠低于其他農藥使用區［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］據此原理發明了一種新型電氣裝置，可殺死瓜絹螟、茶尺蠖、煙蚜等害蟲，滅蟲效果均達到了63%以上。

2.2.3 作物生長環境優化

二氧化碳、土壤、空氣、光照強度等是作物在地球上生長的天然環境因子。要想促進農作物生長，可以通過適當調節環境中的二氧化碳濃度、延長光照時間、改善土壤質量、調節空氣溫濕度等環境條件，以達到增強作物代謝作用。而相關研究表明，適宜的電場作用往往也可以優化上述自然環境，為作物創造最佳的生長條件。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，從而保證苗鮮質量，促進株高增長；高占文等［34］應用空間電場促生技術栽培小果番茄，不僅可以增加CO2的供應量促進光合作用，還能使土壤因聚水效應保持濕潤，同時可促進空氣中氮肥的形成，為果實發育營造優質生長環境，使得小果番茄產量提高30%~70%。

2.3 小結

由國內外研究現狀看出，電氣栽培技術對農作物種植所產生的正向效應已得到驗證。電場在一定閾值范圍內對作物具有促生效果，電壓強度的大小不同都會引起作物不同甚至相反的生長效應［35］。不同閾值范圍的電場條件可促進作物生長，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指標以及生理生化的各項指標產生一定的促進作用，增加作物自身鉀離子、鈣離子、葉綠素、蛋白質等物質的含量，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境（二氧化碳濃度、空氣濕度、土壤濕度等），有效預防作物病蟲害發生，為促進農業高產提供一項可參考的技術。

3 電氣栽培技術的發展前景

電氣栽培技術目前已主要應用于番茄、葡萄、甜瓜、黃瓜、豆芽等溫室果蔬作物栽培，以期減少化肥農藥的使用，預防病蟲害的侵襲，優化作物生長環境，改善作物品質，提高產量。自20世紀90年代以來，由中國農業科學院主導的電氣栽培在全國范圍內廣泛開展，通過在蔬菜大棚中布置空間電場使得化肥農藥等使用量有效減少20%，殺蟲劑使用減少70%以上，而蔬菜的產量則在原有基礎上提高了20%~30%［37］。除此之外，作為我國現代物理農業工程技術應用最早的城市天津市，也率先將空間電場應用于黃瓜生產，使得黃瓜在同比面積下增產31%，農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業高科技園區、甘井子區辛寨子博士園等進行多年的溫室作物栽培應用并取得了良好的經濟效益，總體節省農藥費用70%以上，減少30%以上的氮肥使用量，能確保作物產量提高20%以上［5］。山東壽光農業高科技示范園區將電場應用于黃瓜灰霉病防治，在不使用任何殺菌劑和農藥下，使得灰霉病在三天內得到了有效控制［39］。設施與技術的投入使用，推動了生態、經濟、社會效益穩步提升。

2021年第22屆國際蔬菜科技博覽會上展示了來自國內外400多家單位通過根際帶電栽培技術所繁殖的包含辣椒、黃瓜等在內的4000多個優良品種。該項技術再一次成為當年技術亮點，通過模擬自然界存在的大氣電場，將植物帶負電，栽培槽帶正電，從而形成正向電場，促進營養元素吸收的同時，為防治疾病和害蟲提供了物理解決方案，有效規避化學農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業生產方式［40］，將成為綠色種植發展的新趨勢，具有顯著的應用價值和推廣優勢。

盡管大量研究成果表明，目前國內外對該項技術的應用持樂觀態度，但由于電場生物效應復雜，研究技術和設備有限，前期電場搭建投入成本較多等原因，使得該項技術還未得到廣泛普及和全面覆蓋，其在農業上的應用潛能還未得到充分發掘，未來發展前景廣闊。因此，應該充分發揮利用包括靜電物理、作物栽培、設施農業等多領域的優勢，各學科相互協作融合進行更多深入研究［1］。相信隨著我國農業科技化水平的不斷提高，人們對電場生物效應機制認識的不斷加深，此項技術將在未來得到不斷發展完善和推廣應用，在設施農業領域發揮更大作用。