浅谈电气栽培技术的研究现状与发展前景

陈淑娴

（广西农业职业技术大学，广西 南宁 530007）

相关研究表明，人类生存的地球周边被大气层所包围，大气环境受紫外线等外界电离作用后产生大量正离子和自由电子，继而形成巨大的电场，因此地球上的一切生物均是在这样的电场环境中生长。由于在生物体内包含着大量的电活动，因此环境电场的产生与变化必将会对生长带来重大影响。由此可以推断出：若能有效利用电场作用，便可以人为地控制农作物生长［1］。在传统农作物种植业中，化学肥料以及农药的使用是确保农作物生长发展的要素。然而，随着生活质量的不断提高，人们的健康环保理念与食品安全意识也在逐步增强，对于绿色、安全、天然、无公害农产品的需求也在日趋增多。因此，相较于传统农药消杀、肥料灌溉等化学农业种养方式，现代物理农业工程技术成为近年来发展的趋势，它主要通过使用声、光、电、磁等物理技术方法来提高植物光合作用效率以及对病虫害的抵御能力，减少对农业环境及耕地的污染［2］。电气栽培技术作为其中一项新兴的现代物理农业技术，则是利用电场作用人为控制作物生长趋势，加速农作物代谢活动，抑制空气和土壤中的细菌和病毒，从而有效促进农作物高效优质生产［3］。

1 电气栽培技术概述

依据过往研究成果显示，电气栽培技术目前主要涵盖以下三个方面：土壤电处理技术，空间电场调控技术，带电栽培技术。［4-8］

1.1 土壤电处理技术

土壤电处理技术，是指通过利用预埋在土壤中的两块极板通电所产生的电流在土壤中引起电化学反应和电击杀效应来改善土壤环境和营养结构，消灭引起植物生长障碍的土壤微生物，促进作物根系生长繁殖的技术［4］。该技术可避免化学药剂对土壤的伤害以及土壤微生物病原菌的大量繁殖、土壤中的某些营养元素缺失等问题，对土壤起到了很好的改良作用。

1.2 空间电场调控技术

空间电场则是由一个可控的直流高压电源、若干个穿线绝缘子和电极线组成。该技术以挂在温室棚顶的电极线作为正极，地面设施和植株等作为负极［5］。当电极线中施以高电压时，则会形成一个由天空指向地面的正向空间电场。电场对空气放电后产生的臭氧、氮氧化物等可以净化植物生长环境，有效避免病害借由空气传播，同时，该空间电场的变化还会影响作物内部光合作用速度，影响钙离子等营养元素的吸收速度、方向等，实现一个可以促进植物根系生长和预防植物病害的空间电场的自动调控系统［6，7，9］。

1.3 带电栽培技术

带电栽培技术即是将作物种植于带有万伏以上电压的栽培槽中，栽培槽内放置营养液，使得作物本身带有高电位。利用带电作物产生电排斥力，避免空气中病原微生物的靠近，且植物叶缘尖端的高压电场电离空气后所产生的围绕在植物周边的微量强氧化剂臭氧和二氧化氮，也可刺激微小害虫失活，减少了作物受外来虫害的破坏，也就减少了农药、杀虫剂等化学品的使用，为环境保护和食品安全提供了可靠的保障［8］。除此之外，该项技术还可有效净化空气、消除雾霾、降低疫病发生率等，促进作物生长。

2 电气栽培技术的研究现状

2.1 国外研究现状

早在18世纪中叶，国外学者便发现了电生物学效应，即电场对动物、人体的生长发育程度带有一定的影响，但它对植物的生长是否有效，学术界持有怀疑态度。由于各国研究的品种对象和处理条件各异，使得呈现出的效果悬殊，支持与反对的声音始终存在，对此评价也是褒贬不一，具有一定争议性，因此在很长一段时间内，该项技术的应用在国外并没有得到有效重视和高速发展。而后，随着技术的进步及研究的深入，关于电气栽培的应用潜能逐渐明朗，相关研究成果陆续涌现。

2.1.1 作物生长效应影响

国外关于电场对作物生长效应方面的影响做了许多研究。20世纪60年代，Sidaway等［10］通过实验发现一定强度的电场作用能够提高种子的发芽率。1963年宾夕法尼亚州立大学材料科学实验室的Murr［11］在NATURE杂志中发表文章，指出电磁场作为一种无残留、无毒的刺激物，能够对植物种子的萌发、生长、发育、产量等产生影响。Minucci等［12］运用静电处理使得小麦种子发芽率提高90%。而英国伦敦帝国学院的植物学家安德鲁·戈兹沃西［13］在进行电气栽培试验时，发现用1~2MA的电流处理过的烟草组织培养物，其再生出芽频率比未经处理的高出5倍。Isobe等［14］利用500 kV/m电场对干燥的牵牛花种子进行60分钟的处理后发现，种子细胞膜组织受到破坏，其发芽率比未处理种子发芽率低50%。Takaki等［15］将刺激香菇的电压由90 kV增加到125 kV，香菇产量降低了40.6%。Songnuan等［16］采用纳秒脉冲电场对拟南芥菜根部处理后得出，在处理后的第二周，尤其是在10 kV/cm的场强下，叶面积的增大效果最为显著，增加了80%。Klink等［17］使用电场处理加拿大伊乐藻后，植物体内锰元素和镍元素的含量降低，铅含量和锌含量有所提高。

2.1.2 作物病虫害防治

在防治作物病虫害方面，韩国、法国分别在2006年和2009年引进空间电场技术作用于蔬菜温室，在对系统进行跟踪使用一段时间后，对其预防病虫害的成效给予积极评价［18］；韩国和巴西在2009年也开始土壤连作电处理试验，主要用于防治根结线虫和进行土壤改良［18］。

2.2 国内研究现状

我国最早从事电场生物效应研究的是北京大学，在1958年便开始应用电场刺激作物生长［19］。自此，关于电气栽培技术的国内研究成果层出不穷。

2.2.1 作物生长效应影响

电场对作物的生长效应，主要包括种子发芽特性、幼苗生长特性及时效性、愈伤组织的形成等方面。电场处理可明显影响作物的生理生化过程，对作物生育性状及质量、种子萌发活力等产生影响。李晓静等［20］对不同电场强度及不同区域茄子种子的千粒重、发芽率及电导率等进行研究，结果表明高压静电场能提高茄子种子的活力和幼苗生长势。杨相飞等［21］研究得出空间电场对黄瓜育苗生长速度具有促进作用。朱世秋等［9］研究得出带电栽培加速了植物对二氧化碳的吸收，促进了植物的光合作用。顾积志等［22］利用30 kV、50 kV和90 kV的空间电场进行豆芽生产试验，得出空间电场对豆芽有较好的增产、提质作用，豆芽产量增幅分别达到28.7%、22.1%、16.4%。胡建芳等［23］采用高压电场处理高粱种子，得出其可提高种子内α-淀粉酶活性，促进种子萌发。周娜娜等［24］研究得出空间电场可促进蔬菜生长并提高蔬菜品质。李美清等［25］研究得出2.25 kV/cm高压静电场处理对番茄产量提高23%。然而，并非施加任意电场强度均能对作物产生积极效果，黄洪云等［26］用不同高压静电场强度和时间的组合处理番茄种子，得出一定的场强处理番茄种子的发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数都有不同程度的提高，最佳处理条件为350 kV/m×30 min，当电场处理条件为500 kV/m×30 min时，番茄幼苗根长、苗高、鲜重、干重均减到最小值。

2.2.2 作物病虫害防治

电气栽培技术防治作物病虫害的原理在于通过对大气电场施加高压，使得正负极间形成空间电场，氧气在电场作用下被激发并在电极间产生臭氧等氧化物，从而除掉空气中大部分细菌病毒，但对作物生长不产生危害。同时电场作用可加速温室内水分蒸发，这样可有效预防因高湿和结露引起的病害，并且能够抑制粉尘的飞扬，隔绝气传病害的气流传播渠道［27］。相关研究表明，空间电场对于除了白粉病外的病害的抵御能力基本可以达到100%［28］。2000—2001年，山东寿光农业高科技示范园区通过使用空间电场系统进行黄瓜栽种，使得黄瓜的灰霉病得到了明显控制，且有效确保了后续再无疾病发生［29］；2002年四川省双流县通过使用空间电场在葡萄园内进行试验后发现，试验园区无黑痘病、白粉病、霜霉病等常见病害的发生传播，且病害发生率远低于其他农药使用区［30］；许世芬等［31］则将不同品种黄瓜幼苗分别置于空间电场和普通温室中观察得出，空间电场可有效控制黄瓜白粉病，平均综合防效在47%以上；杨青等［32］据此原理发明了一种新型电气装置，可杀死瓜绢螟、茶尺蠖、烟蚜等害虫，灭虫效果均达到了63%以上。

2.2.3 作物生长环境优化

二氧化碳、土壤、空气、光照强度等是作物在地球上生长的天然环境因子。要想促进农作物生长，可以通过适当调节环境中的二氧化碳浓度、延长光照时间、改善土壤质量、调节空气温湿度等环境条件，以达到增强作物代谢作用。而相关研究表明，适宜的电场作用往往也可以优化上述自然环境，为作物创造最佳的生长条件。陈淑英等［33］以大麦为种植对象，研究后得出空间电场可有效抑制大麦根系周边土壤水分的蒸发，从而保证苗鲜质量，促进株高增长；高占文等［34］应用空间电场促生技术栽培小果番茄，不仅可以增加CO2的供应量促进光合作用，还能使土壤因聚水效应保持湿润，同时可促进空气中氮肥的形成，为果实发育营造优质生长环境，使得小果番茄产量提高30%~70%。

2.3 小结

由国内外研究现状看出，电气栽培技术对农作物种植所产生的正向效应已得到验证。电场在一定阈值范围内对作物具有促生效果，电压强度的大小不同都会引起作物不同甚至相反的生长效应［35］。不同阈值范围的电场条件可促进作物生长，也可抑制作物生长。适宜的电场处理，才能对作物自身的形态指标以及生理生化的各项指标产生一定的促进作用，增加作物自身钾离子、钙离子、叶绿素、蛋白质等物质的含量，提高其光合效率、抗盐抗旱性，加速其长势［36］。加之电场又可影响作物生长的微环境（二氧化碳浓度、空气湿度、土壤湿度等），有效预防作物病虫害发生，为促进农业高产提供一项可参考的技术。

3 电气栽培技术的发展前景

电气栽培技术目前已主要应用于番茄、葡萄、甜瓜、黄瓜、豆芽等温室果蔬作物栽培，以期减少化肥农药的使用，预防病虫害的侵袭，优化作物生长环境，改善作物品质，提高产量。自20世纪90年代以来，由中国农业科学院主导的电气栽培在全国范围内广泛开展，通过在蔬菜大棚中布置空间电场使得化肥农药等使用量有效减少20%，杀虫剂使用减少70%以上，而蔬菜的产量则在原有基础上提高了20%~30%［37］。除此之外，作为我国现代物理农业工程技术应用最早的城市天津市，也率先将空间电场应用于黄瓜生产，使得黄瓜在同比面积下增产31%，农药使用量和成本均有所降低，每公顷增收9705元［38］。辽宁省大连市先后在金州七顶山付家农业高科技园区、甘井子区辛寨子博士园等进行多年的温室作物栽培应用并取得了良好的经济效益，总体节省农药费用70%以上，减少30%以上的氮肥使用量，能确保作物产量提高20%以上［5］。山东寿光农业高科技示范园区将电场应用于黄瓜灰霉病防治，在不使用任何杀菌剂和农药下，使得灰霉病在三天内得到了有效控制［39］。设施与技术的投入使用，推动了生态、经济、社会效益稳步提升。

2021年第22届国际蔬菜科技博览会上展示了来自国内外400多家单位通过根际带电栽培技术所繁殖的包含辣椒、黄瓜等在内的4000多个优良品种。该项技术再一次成为当年技术亮点，通过模拟自然界存在的大气电场，将植物带负电，栽培槽带正电，从而形成正向电场，促进营养元素吸收的同时，为防治疾病和害虫提供了物理解决方案，有效规避化学农药残留对公众安全所带来的威胁，这一安全无公害的物理农业生产方式［40］，将成为绿色种植发展的新趋势，具有显著的应用价值和推广优势。

尽管大量研究成果表明，目前国内外对该项技术的应用持乐观态度，但由于电场生物效应复杂，研究技术和设备有限，前期电场搭建投入成本较多等原因，使得该项技术还未得到广泛普及和全面覆盖，其在农业上的应用潜能还未得到充分发掘，未来发展前景广阔。因此，应该充分发挥利用包括静电物理、作物栽培、设施农业等多领域的优势，各学科相互协作融合进行更多深入研究［1］。相信随着我国农业科技化水平的不断提高，人们对电场生物效应机制认识的不断加深，此项技术将在未来得到不断发展完善和推广应用，在设施农业领域发挥更大作用。