郦都会所:生物磁学在农作物生产中的应用

1.1.1          生物磁学在农作物生产中的应用[1]

　　生物磁学是近几十年发展起来的一门研究磁性、磁场与生物特性和生命活动之间相互联系及相互影响的边缘学科。目前，已在医学、农业、环保及生物工程等领域得到较广泛应用。 在农业科学领域内，磁场和磁化水处理农作物及其产生的磁生物效应已引起人们的关注， 这方面的研究不但提供了农作物增产的新途径,也丰富了生物磁学研究的内容, 已成为生物磁学中一个十分活跃的领域。 但由于其作用的复杂性和广泛性, 作用的微观机理还不很清楚， 应用技术还有待于大量探索和突破。 因此， 进一步开展生物磁学在农作物上的应用研究，不仅在理论上有重要意义， 而且在生产上也有重大的应用价值。

1.1.1.1     应用研究概况

生物磁效应早在我国古代就被人们认识并最先应用于医学领域［1］。到了近代，生物磁现象引起了国外的广泛注意和研究,并逐渐形成了一门新兴边缘学科［1,2］。60年代生物磁学得到了深入发展和广泛应用，国外开始了磁化水和磁场在农业上的应用［2,3］。我国于70年代中期也开始了磁化水浸种和灌溉试验［4～6］；80年代开始了磁场处理种子和磁性肥料的研究［7～9］，并在分子水平上探讨磁效应的作用机理［10～13］；90年代后开始注重磁处理对作物抗旱性和抗寒性的系统研究［14～16］，同时，用于大面积农业生产的磁性肥料投放市场。另一方面,磁性材料的研究也取得了很大突破，自80年代中期以来，先后研制成了磁化种子器（乌兰巴拉，1986，内蒙）、磁化喷雾器（张泽民等，1988，河南）、磁种子处理机［2］、磁性犁［17］和磁学实验仪［18］,为生物磁学在农业上的应用研究和实际生产提供了便利条件。　　

生物磁学在农业上的应用研究范围涉及到主要粮食作物、果树、蔬菜、食用菌和家畜、家禽饲养等方面。在农作物上的应用，主要有磁场直接处理作物种子，磁化水浸种和灌溉，磁性肥料3种方法。研究的层次不但涉及到作物的个体生长发育和群体的产量增加，而且涉及到细胞水平、酶水平和基因表达、分子构象等变化的探讨。世界上对此研究较多的国家有俄罗斯、美国、印度等国，国内研究较多的省份有贵州、陕西、福建、四川、辽宁、河南、湖北、吉林等省。

1.1.1.2     磁处理对作物生长发育和产量的影响

1.1.1.2.1　     磁场的影响　　

磁场处理是指利用适当强度的磁场在作物播前处理种子，或者在浸种、发芽、育苗和生长的某些过程中施加一定的磁场。其中磁场处理作物种子是近20多年来生物磁学中研究较多的内容。大量的研究表明，磁场处理对农作物生长发育和增产有一定的促进作用。小麦种子经磁场处理后可使发芽势提高21%，发芽率提高28.2%，幼苗高度和根长分别增长25.3%和38.5%，产量增加8.1%～23.3%［19～21］。磁场处理玉米后，苗期的根数和根重比对照生长快，株高、茎粗、茎叶鲜重及叶面积与对照相比都有显著差异，穗粒重和百粒重分别增加 57.3%和 5.7%［22］。脉动磁场处理高粱种子后，可使发芽率、芽长、根长分别增加13.7%、11.2%和13.8%,使高粱早出苗1～2 d,千粒重提高11.62%［23］。磁场处理在油菜、大麦、甜菜、花生、大豆、水稻、棉花等作物上也有类似效应［5,8,20,24～26］。

磁场处理不但影响作物的生长发育和产量，而且还影响到子代种子的品质。赖光新和国兴民［27］报道，经磁场处理种子，收获后的麦类、大豆籽粒的蛋白质、氨基酸含量分别增加1.3%～2.0%和1.4%～42.1%。张绍武等［28,29］报道，磁场处理后，小麦、玉米籽粒中赖氨酸的含量也发生了明显改变。

1.1.1.2.2　     磁化水的影响

磁化水是指将普通水静置于磁场或以一定的流速垂直地经过磁场的水。前者称为静态磁化水，后者称为动态磁化水。磁化水在农作物上的应用，近20年来，在国外发展很快。利用磁化水浸种和灌溉，能增加甜菜、向日葵、番茄、胡萝卜和大葱等作物的产量［1～4］。我国用磁化水浸种和灌溉，在大多数作物上表现出显著的增产效应。王书良［30］用磁化水浸种和灌溉玉米，产量提高7.22%～15.08%。水稻利用磁水浸种、灌秧和大田，其发芽势显著提高，分蘖率、株高和千粒重明显增加，产量增加8%～23%［5,12,31］。我们用磁化水浸种使小麦种子的发芽势、一级分蘖数、次生根数、株高、有效穗数和千粒重分别提高了12.2%、13.7%、70.3%、10.2%、17.1%和4.3%，增产6.0%～24.4%；玉米增产6.0%～17.5%［32］。磁化水对其他农作物和蔬菜也有明显的增产作用，可使大豆、甘薯、花生、油菜分别增产40%、87.5%、22.5%和11.1%；蔬菜增产10.1～57%［1,4,5,33］。　　

磁化水还可改进某些作物的品质。国家计量所用磁化水种植的水稻，粗蛋白含量增加1.2%，赖氨酸含量提高0.04%［1］。桂林市用磁水浇灌甘蔗，含糖量增加30%，增产25%［4］。

1.1.1.2.3　     磁性肥料的影响

磁性肥料是农业上应用较多的一种磁性材料。它是以作物生长发育所需的营养元素为主，加以适量的粉煤灰和少量的磁性物质作成的肥料，通称为磁化肥。利用磁化肥可使小麦次生根增加36%，千粒重增加2.5 g，单产增加10.2%［34］;使玉米的千粒重和产量分别增加3.5 g和25.5%［35］；在水稻、棉花、大白菜、果树等作物上也有增产报道［9］。

1.1.1.3     磁处理增产的生物学原因

1.1.1.3.1　     　促进种子萌发　

磁处理能显著提高大多数作物种子的发芽势和发芽率，使萌发时呼吸速率提高4～5倍［7,8,20］。发芽势的高低直接反映种子生活力的强弱，表明萌发过程中吸涨、代谢、酶促反应的强弱快慢。显然，磁处理加速了这些过程的启动和进程。发芽率越高,种子播后出苗率越高；出苗越早，越有利于根系的生长和壮苗的形成。　　

我们的研究表明，磁水浸种后小麦发芽势的提高幅度大于发芽率的幅度，种子根的伸长大于根数的增加。表明磁处理对种子萌发的作用，主要在“吸胀”到“露白”阶段，并主要促进已有组织器官量的增长，而对新组织器官生成的作用较小［36,37］。不同作物和不同品种，磁处理萌发的效应不同。大致的趋势为：大豆、花生等油料种子的磁效应高于小麦、玉米等淀粉种子；陈种子的磁效应大于新种子；种皮坚硬的种子大于种皮薄的种子［8,25,38,39］。我们的研究还表明，磁场和磁化水共同作用效果大于磁水浸种的效果，又大于磁场直接处理干种子的效果（另文发表）。

1.1.1.3.2　     促进根系和幼苗生长　　

磁处理后，作物幼苗的种子根和次生根数显著增加［7,9,17,21,36］。进一步研究表明磁场能增加细胞有丝分裂的频率，提高根尖区RNA的含量，促进根伸长区细胞体积增大和胚根的伸长［40,41］。龚富生等［42］用磁水处理玉米种子和幼苗后，叶片中硝酸还原酶活性提高，NO3-的吸收率增加，幼苗的氮代谢增强，体内吲哚乙酸氧化酶的活性降低，这对叶内吲哚乙酸水平的提高有利，因而茎叶的生长加速。田文勋等［12,31］用磁化水浸泡水稻种子可明显地增强稻种的吸水能力，用磁化水培育稻苗显著地促进稻苗对N、P、K的吸收。由于吸收水分和养分的能力加强，以致叶面积增大，叶绿素含量增加，光合作用加强［12,25,30,36］。幼苗积累较多的有机物质，反过来又促进壮苗的形成和分蘖的增多［12,36］，这就为生殖生长奠定了坚实的基础。

1.1.1.3.3　     提高抗逆性

刘思春等［15］通过模拟全生育期干旱的盆栽试验的结果表明，磁处理后小麦叶组织内的含水量、自由水和束缚水的含量都随磁场强度的增强而增大，干旱胁迫时的保水力增强。我们的研究表明，低场强磁水浸种时，小麦植株的根冠比和幼苗的糖分含量提高，在人为和自然干旱胁迫下，叶内脯氨酸含量明显增加，细胞膜透性降低，叶片保水力增强，并且干旱年份的增产率显著大于正常年份［36］。有关研究还表明，磁场和磁水增强作物幼苗的抗逆性，与超氧化物岐化酶、过氧化氢酶和谷胱甘肽等自由基清除剂的活性和浓度有关［13,43,44］。

此外，同一作物不同类型的品种，磁处理对其抗旱性的影响不同。我们的研究表明，在低场强磁水浸种时，抗旱、抗寒性强的小麦品种增产幅度大于喜水弱冬性的品种；高场强磁水浸种时效果则相反［36］。习岗等人［45］从酶活力、蛋白质含量和幼苗活力等方面也指出了这一点。磁处理还可以提高小麦、玉米和水稻的抗寒性［5,12,16］，并引起高粱子代出现白化苗现象［23］。

1.1.1.3.4　     改善经济性状　　

磁处理对作物经济性状的作用因具体因子和不同作物而异。小麦、玉米、水稻、高梁、豌豆、大豆等作物经磁处理后，每株粒数和粒重都显著增加［27,30～35］，其中小麦和水稻单位面积的有效穗数也明显增多［12,31,36］。我们的研究表明，磁水浸种在小麦上以每公顷有效穗数的增加最显著，其次是千粒重，穗粒数则不显著；在玉米上主要是每穗粒数和千粒重的增加，干旱条件下也可增加多穗型品种的每株果穗数［32］。磁处理也能增加植株的高度。在磁场处理后的土壤上播种小麦，出苗20d后，苗高比对照增加21.6%～19.1%［21］。磁水浸种后的玉米，成熟时株高比对照增加4.5～8.0 cm［30,32］；小麦施磁化肥后株高也明显增加［9,34］。

1.1.1.4     磁效应的作用机理

1.1.1.4.1　     磁场及磁化水性质的改变　　

任何物质，小到离子、电子，大到宇宙都具有一定的磁场。同样，由核酸和蛋白质等多分子系统构成的生物体也具有磁场。在地球这个大磁场中，生物体内能量的传递和物质的交换都与体内电荷行为有关，外界磁场的变化必然影响生物体的新陈代谢。这是磁场效应的基本原理［1］。水在普通情况下，分子电流呈紊乱分布而使水表现为中性。当水分子受到磁场作用时，分子电流出现规律性分布，水分子及水中的杂质离子(如Ca2＋等)便获得磁能［46］。磁水的电导率、渗透压、表面张力与粘度、溶解氧的含量、pH值、pH化学位移及光学性能均发生变化［1,8,44］，从而引起一系列的生物学效应。

1.1.1.4.2　     种子和体内酶活性的变化

在分子水平上研究磁生物学效应的结果表明，磁处理可以影响作物体内多种酶的活性。例如，小麦、水稻和玉米等作物种子经磁处理后，总淀粉酶活性提高3.82%～32.65%，α-淀粉酶提高7.87%～70.2%，过氧化氢酶提高27.97%～63.5%［17,30,43,45］。Aksyonov等人［38］应用低频磁场对小麦种子进行短时间处理后，种子中酯酶由抑制状态向活性状态转变， 并促进种子休眠的解除。 磁处理后， 作物体内过氧化物酶同工酶的带数增加1～2个， 酶谱的染色深度加深［10,13,19］; 超氧化物歧化酶同工酶活性增强［43,44,47］。 我们的研究表明， 小麦经磁水浸种后， 幼苗和幼穗中的过氧化物酶同工酶活性都有增强［36］。 磁处理对酶的影响与磁处理后酶分子的空间构象变化［48］、酶结构中金属原子的顺磁性和酶蛋白半导体性变化有关［44］。酶活性及数量的变化反映了磁处理对作物基因的表达。

1.1.1.4.3　     其他代谢物质的变化　　

作物经磁处理后，由于酶活性的变化，加快了体内生化物质的代谢。薛毓华等［11］用磁场和磁化水处理小麦和番茄种子，发现磁处理使幼苗体内的AMP、ATP和DNA的含量明显提高。磁处理对光合作用的影响，与磁场对光系统Ⅰ的原初反应和光系统Ⅱ的荧光产量变化有关［44］，促进生长的机理可能与提高早期代谢中的氧化磷酸化有关［39］。同时，种子和幼苗体内的一些有机酸、激素、氨基酸含量也发生变化［8,20,27,42］。这些变化最后引起植株可溶性蛋白质和糖分含量的提高［5,21,27,45］。

1.1.1.4.4　     改良土壤

用磁化水灌溉和施用磁化肥，能使土壤酶的活性增强，土壤中根瘤菌、固氮菌、无机磷细菌等细菌的数量明显增多，从而改善土壤有效养分状况，提高肥力，增加作物对水分和养分的吸收能力［1,5］。据报道，磁化水灌溉的大豆地比对照区的根瘤菌、固氮菌多3倍［4］。陈铁平［9］认为，磁化肥的增产机理是营养组分全面合理和独特的剩磁作用。　　

总之，磁处理可以从电子、分子到细胞的各个层次以及在基因、酶、激素等各个方面对作物施加影响。李国凤等［10］认为，磁作用的基本模式可能是磁场→基因→酶→代谢→结构与功能。当然，由于生物磁学的复杂性和作物对象的多样性，磁生物效应的机理还需进一步深入研究。

1.1.1.5     问题及展望

磁处理对作物有促进种子萌发、幼苗生长和增产的作用，但对不同作物或品种的具体性状和理化指标的作用效果不完全相同甚至相反。多数报道认为，磁处理能促进种子萌发，使株高和产量增加，生育期缩短。但也有报道指出，磁处理在个别作物上却表现出种子萌发受抑，株高和产量降低，磁效应不但能遗传给子代甚至还引起子代个别性状的变异。这说明磁效应是复杂的。因此，在应用研究中应对具体作物或品种产生正效应的最佳磁处理剂量进行大量探索，才能达到增产增收的效果。目前，国内外对磁场处理的最佳参数，一般认为粮食作物以0.1～0.2 T(特斯拉)为宜，蔬菜类作物以0.2～0.4 T为宜。　　

在磁处理技术参数的研究中，应注意磁处理方式的差异。因为磁场处理方式有恒定磁场、交变磁场和脉动磁场，磁化水又有静态磁化水、一次磁化水、二次磁化水等。处理方式不同，所产生的磁效应也不同。另外，还应考虑磁场强度和磁化时间的关系，即在探讨最佳磁场强度的同时应注意最适的作用时间，以求能达到高效、省时、低成本。此外，参数标准的确定也很重要,多数报道认为生理生化指标中以酶活性变化较灵敏,其次是膜透性和叶片中水分的变化；形态指标中以发芽势、发芽率、根长和产量指标较可靠。对某一作物来说，应尽可能地将上述众多指标结合起来进行综合分析，才能确定磁处理的技术参数。　　

由于磁处理技术具有投资少、节能无污染、简便易行等特点，它有可能成为一种改善作物生理机能，提高抗逆性和产量的实用型农业物理新技术。今后的研究可从下列几个方面深入：

（1）磁处理对酶活性的影响，为搞清磁生物效应提供理论依据；

（2）应用研究中，应开展系统的田间试验；

（3）磁处理与作物抗逆生理（包括抗病性）关系的探讨，重点是抗旱性和抗寒性的研究；

（4）磁性材料和磁处理器生产的研究。国外已有专门的磁处理种子仪器——种子促活机投放市场，国内虽有这方面的仪器，但与实际应用还有较大的差距。

[1] 摘自《植物生理学通讯》