静电场技术在设施农业中的应用现状与前景

人类和各种生物赖以生存的地球本身是一个巨大的低压正向静电场，简称大气电场。静电场技术的应用就是来源于对大气电场的研究。地球电离层相对于地面有360 kV 的正电势， 这个正电势会使大气电离层与地球表面间的空间形成强大的大气电场。由于大气中的宇宙射线、地壳放射物质、电子碰撞等原因使大气层中部分气体电离，产生大约100~500 个/cm³ 的空气离子，在地球大气电场的作用下，大量的空气离子沿着电场的方向迁移运动，产生微量离子流，从大气中经过地面上的建筑物、动物、植物等后流归于地壳。经测定，晴天大陆地面上电场强度为120 V/m，海洋上为130 V/m，植物体细胞内外存在70~80 mV 的电位差。地球上的一切生物都是在这个大气电场的作用下繁衍生息，并在长期的进化过程中逐渐适应了自然电场环境，演化出与之相对应的生理特征。环境电场的改变，必然对构成生物体物质的电荷分布、排列、运动发生作用，从而影响生物体的生命活动。

作为大气电流的重要通路之一，植物受到大气电场的影响是必然的。植物的许多生命活动如养分运输、能量的转换、信息传递等都需要电荷的运动辅助来完成。因此，环境电场的改变必然会影响植物的形态结构和生长发育。研究表明，用接地金属网屏蔽植物后，发现被屏蔽的植物的生长速度变得缓慢，新陈代谢受到抑制且抗病能力大大下降，由此证明，大气电场是植物生长不可缺少的重要条件。研究已经表明，大气电场并不是促进植物生长的最佳电场，而依据大气电场原理在植物生长空间内构建的可调控外加静电场，在电场剂量合适的情况下，可以对植物生长发育产生各种有益的生物学效应。

对植物生长的影响及其作用机理

静电场调控植物生长影响机制的研究表明，外加静电场对植物会产生明显的生物学效应。经适当剂量静电场处理后的植物种子（如小麦、绿豆、油菜、黄瓜等）能显著提高其活力、发芽势和发芽率等。静电场处理的植株可以提高其光合速率、促进生长，增强代谢活性、促进根部对离子的吸收、并能防治病害等。

静电场对种子活性的影响及其作用机理

利用静电场处理植物种子以提高其活力是静电生物效应研究最早、范围最广的领域，涉及的植物有经济作物、大田作物、药用植物、蔬菜、水果、苗木等。适宜强度的静电场处理能提高大部分种子的发芽率，增加种皮透性。由于静电场会对种子的酶蛋白分子结构和生物膜产生影响，从而提高了种子内多种酶的活性和种子活力。静电场还可以使种子内部的水分离解，加速种子萌发过程储藏物质的分解、转化和再利用，使幼苗生长旺盛，能充分调动种子自我调节能力，从而提高种子生长过程对营养物质的吸收和能量物质的转化利用。

静电场对植物光合器官的影响及其作用机理

静电场对植物光合器官和功能有显著影响。在静电场作用下，叶片的光合速率及呼吸速率都明显高于对照，其中光合速率要比呼吸速率增加的幅度大。静电场的能量有可能部分代替叶绿素合成过程中光的作用，从而提高植物叶绿素的合成效率，使静电场作用下的叶绿素总量高于传统栽培。静电场还可以通过改变植物膜结构和酶活性来影响其光合能力。

静电场对CO2 吸收能力的影响及其作用机理

静电场对植物CO₂ 吸收能力的影响受到电场极性的影响。植物吸收空气中CO₂的一般过程是CO₂ 首先通过扩散和质流进入叶片背面气孔，然后再水解为HCO₃^-阴离子。当电场强度变化率E(t)>0 时或高强度空间电场场强方向指向地面时，叶片气孔中的HCO₃^- 阴离子受驱动迅速穿越胞壁进入叶肉细胞，依据扩散和质流的原理，空气中的CO₂ 就会迅速涌入，这一过程将会表现出密闭空间空气中的CO₂ 浓度迅速降低，同时，根区土壤中的HCO₃^- 阴离子同根系排出的大量阳离子相交换而进入植物体内。当电场强度变化率E (t)3^- 阴离子受驱动迅速向根区及根区土壤中输运，土壤中大量的阳离子也同其交换而进入植物体内，同时，植物体内也有少量的HCO₃^- 阴离子受驱动而由叶片背面气孔中排出，以上过程将表现为密闭空间空气中的CO₂ 浓度略有增加而植物体内HCO₃^- 阴离子量的减少幅度却很大。

静电场对植物离子的影响及其作用机理

静电场对植物离子的吸收具有一定的促进作用。静电场产生的电流电位差可以改变细胞的膜电位，不但影响了细胞膜的通透性，引起植物体内离子的重新分布，还改善了细胞吸收和运转物质的能力，进而影响植物对肥料离子的吸收和运输。静电场对植物体内Ca²⁺ 和HCO₃^- 的分布及其运输方向具有调控作用。一种可能的原因是静电场下根系活力提高，呼吸速率增大，根部放出的CO₂ 增多， CO₂ 和H₂O 结合而产生H⁺ 和HCO₃^-，并随着H⁺ 浓度的增加， H⁺ 与土壤中阳离子交换的速度增大。另外一个可能的原因是静电场中较高的蒸腾作用加速了植物对营养离子如Ca²⁺ 的吸收。在静电场作用下，空气被电离成许多自由离子和电子，空气中的水汽被高速运动的离子和电子碰撞后获得电荷，在电场库伦力的作用下发生聚水作用，提高了空气的水蒸气饱和压差（VPD）进而影响了植物的蒸腾作用。

静电场对防治病虫害方面的影响及其作用机理

静电场的上悬电极与棚室壁面、地面之间会形成电晕电场，在电晕电场中，氧气被激发形成亚稳定的臭氧。臭氧具有杀菌作用，并且臭氧与电场的驱动特性相结合，能除掉空气中大部分的细菌、病毒，也可使一些植物病毒钝化，但对蔬菜生长不产生危害。静电场中高能带电粒子和臭氧能有效地分解有机肥料、农药和腐烂植物放出的异味气体而保持室内空气清新。电晕电场还可以使温室中的气体电离，使漂浮在温室中的尘粒获得电荷，向电场两极定向移动，达到除尘的目的。同时电场作用及电场产生的电晕风可以加速水分蒸发，从而消除温室中的水雾，降低湿度，对由高湿和结露引起的病害有极显著的预防作用。静电场在土壤中形成的微弱电流，能十分有效地抑制土壤中细菌、线虫病及病毒的发展。同时，对土壤中非游离态的营养物质有很强的解离作用可大幅度提高土壤肥力，这为增强蔬菜等农作物的抗逆境能力提供物质基础。

静电场在设施农业中应用实

静电场技术存在结构简单、成本低廉等优点，适用于大规模的农业生产。目前，在国内主要用于设施园艺增产及其病虫害预防、果蔬保鲜和环境安全型畜禽舍等。静电场在设施农业中的应用技术主要有：静电处理种子、空间电场防病促生技术、带电栽培技术等。

高压静电场的应用

用于处理种子的静电场由可调的直流高压电源、金属板等组成。高压静电场发生装置可使用一台输出高压且可以连续调节的高压静电电源， 把高压输出端和零线端分别与有机玻璃或其他绝缘材料隔离开的两块圆形平行金属薄板相连接， 两块带电的平行金属薄板中间，形成了一个电场强度大小可以调节的均匀静电场， 把植物种子均匀撒布在下金属板上， 即可对植物种子进行静电场处理，见图1。

用于植物栽培的静电场由可调的直流高压电源、金属网、木电极、绝缘子和电极线等组成。植物生长区域设置人工高压静电场的方法有多种形式，其中一种常用形式是在植物生长区域的上方，用绝缘支架架设一副用细金属丝构成的屏网， 其高度可以调节，用一台输出高压数值可以调节的高压静电电源， 使其高压输出端与金属丝屏网联接， 零线输出端接地，即在植物生长区域设置了一个人工高压静电场， 电场强度的调控既可以通过调节高压电源的输出高压， 也可以通过调节

屏网高度。相关原理见图2 所示。

空间电场

空间电场发生装置是由可调的直流高压电源、穿线绝缘子、悬挂绝缘子和电极线等组成的。其产生是以温室、食用菌房等室内悬挂的带有电极线的绝缘子为电极正极，地面、墙壁、棚梁、植株、菌垛等接地设施为电极负极。当电极线通入4 万~5 万V直流高压电源时，正负电极之间就形成了空间电场，应用实例见图3 和图4。目前，在设施农业中应用最多的空间电场装置是由大连农业机械化研究所研制的静电场驱动离子系统，该系统在防治灾害、提高蔬菜等农作物的抗逆境性能等方面有着显著的功能。

植物带电栽培

植物带电栽培装置是由可调的高压电源、控制器、陶瓷绝缘子、木电极等组成。电场发生是通过电隔离装置将带静电的植物与大地隔离开，使空气病原微生物和害虫等受到植物所带静电斥力的作用而不得靠近，从而减少了病虫害的发生和农药使用。带电栽培的应用实例见图5。

静电场技术应用前景

静电场处理会对植物产生正向生物效应已经得到了证实。近年来，静电场对植物产生的生物效应已在许多方面得到研究和开发利用，也已取得了一定成果，但由于静电场生物效应复杂，以及研究设备和技术手段等多方面因素的限制，人们还不能通过已有理论对静电场产生的生物学效应进行全面分析和解释，静电场技术在农业上的应用及潜在功能还没真正充分发掘。因此，需要静电物理、植物生理以及设施农业等多学科协作系统地进行静电场生物效应作用机理的研究。相信随着人们对静电场生物效应作用机制认识的逐步加深，此项技术必将在设施农业领域发挥更大的作用。■

摘自：《农业工程技术 温室园艺》2015年第11期