温室空间电场/CO2 同补理论与实践

2006年12月1日

    无公害植物产品既是保障消费者健康权益的初始环节，又是提高生产者经济效益的基础。就目前设施农业生产状况而言，全球各国设施植物产品生产均面临着化学农药污染及不良环境造成的产量与品质低下三大问题。针对以上问题，一些发达国家进行了大量的研究，但是能够真正用于生产实践当中的保障技术，特别是低成本保障技术仍然很少，而中国国家自然科学基金资助的项目“低温低光强低CO2浓度下植物快速生长的电场条件的研究”和“静电场促生水培设备的多因子调控设计理论的研究及应用”，二项研究原本是用于解决植物在设施环境条件下生长速度问题的，但在近十几年，这两项研究已发展为一种全新的无公害设施植物产品生产保障理论及技术，这一理论就是空间电场与高浓度CO2同时补充的产量倍增效应理论，简称空间电场/CO2同补理论，以此理论开发的技术在无公害设施植物产品生产保障及促进方面有着非常重要的用途。下面就空间电场/CO2同补理论及其应用作以阐述。

    空间电场/CO2同补理论随着空间电场/CO2同补理论研究的不断深入，设施植物产品生产中的一系列环境难题的控制技术已获得了理论和技术上的突破，空间电场/CO2同补理论及技术已开始在实际生产中应用。

空间电场调节植物生长的基本原理

    地球与电离层之间的大气电场强度时刻都在每米几百伏到几十万伏之间变动。变化的大气电场同阳光一样也是植物生长不可缺少的环境因子，它对植物生长发育的调控作用也符合电动力学的许多规律。植株体内离子响应电流的大小由空气的电学参数及栽培基质、植株体本身的电学参数的变化决定，也就是环境中任一因子的变化都会影响植株体内离子肥料的浓度和分布。因此，特殊变化的空间电场及作用于该空间电场中的环境因子的变化均可改变植株吸收离子养料和同化物的运输状态。只要空间电场变化，植株的各种生理活动状态均将发生改变。因此，设置特定变化的空间电场即能对植物的吸收、同化物的运输及多种生理活动进行调控。

    研究证明：空间电场调控植物生长是通过Ca2+和HCO3-进行的，即电钙调理论和电碳调理论。利用植物输送HCO3-和Ca2+量的空间电场可控性，调控空间电场能够显著促进植物的光合作用并提高植物生物产量，增加果实的含糖量以及提高果实的贮运硬度指标。另一方面，由于建立空间电场的电极线的放电作用能够将空气中的N2转化为植物能够吸收利用的氮氧化物，故空间电场对植物生长具有显著的促进作用。

    在空间电场环境中，植物生长对CO2的需求高于普通环境中的20%以上，高浓度的CO2与空间电场的结合均比单独使用任一种技术获得的增产效果显著，尤其是对收获物为生物量的叶菜类、根菜类植物产品的增产贡献能达到70%以上，这是两项国家自然科学基金项目研究出的空间电场/CO2同补的倍增效应。

空间电场/CO2同补控制病害发展的基本原理

    空间电场能够控制的主要病害包括温室气传病害、生理性病害。空间电场与CO2进行同补时，除了气传病害、生理性病害以外，对土传病害、病毒病的预防也有明显的效果。空间电场/CO2同补的防病机理依存于空间电场及其产生的空间泄露电流和流过土壤的微电流、微量臭氧、高能带电粒子对空气和土壤中的病原微生物的杀灭机理以及自身生长旺盛带来的高抗病力，其中的许多机理过程虽还不清楚，但防治植物病害的效果却是肯定的。

空间电场预防气传病害的机理

    对气传病害发生影响最大的是设施内的湿度条件，有的气传病害在多湿多雾条件下发生，有的气传病害在干燥条件下发生，但常见气传病害多发生于前者环境下。湿度条件对病害的发生影响很大，喜湿的番茄疫病、黄瓜细菌性角斑病及霜霉病等，在相对湿度96%以上时容易侵染发病，但白粉病会在湿度达到50～80%时发生。因此，控制空气湿度、雾气和空气病原微生物是预防气传病害的基本方向。在温室内建立的空间电场能够保持温室空气长期处于洁净、明亮状态，空气中的雾气、空气微生物均会在空间电场的作用下除掉、杀死、灭活，塑料薄膜处新产生的雾气以及成熟的真菌向空气中发射的孢子也均会受到空间电场和空间电极线产生的高能带电粒子的作用而不能扩散传播。另一方面，随着空间电场的不断作用，各种依靠空气传播的病害源的毒害作用均会逐渐降低，直至被控制在安全限度以内

土传病害及其空间电场控制机理

    对土传病害的发生影响最大的是降低地力的连作和较低的地温，番茄的枯萎病、褐色根腐病以及茄子黄萎病等都是在这种土壤条件下发生的。对于传统的防治方法来讲，土传病害与地上部病害不同，发病后很少有有效的治疗方法，但采用空间电场/CO2控制技术可以有效地防治土传病害，空间电场控制技术防治土传病害的机理包括以下4个过程：

◎由空间电极和土壤之间建立的直流高压空间电场和变化空间电场产生的土壤电流，可使土壤中的非游离态的矿物质营养游离化，进而提高土壤肥力，使蔬菜健壮生长，增强对病原菌的抵抗力。同时空间电场在土壤中产生的微电流能够分解一些有机酸，进而降低根系分泌物的毒害作用。
◎ 变化的空间电场可以调控植物细胞中的Ca2+浓度，胞液中Ca2+浓度的变化可以调节植株对土壤肥料的吸收能力和激活植株的其它生理机能，进而增强对病原菌的抵抗力。
◎ 空间电场变化产生的土壤电流可杀死土壤中的一些病原菌。
◎ 空间电场促进了植物对CO2的吸收以及碳水化合物向根区的转运，能够显著提高根系的活力。

病毒性病害及其空间电场控制机理

采用空间电场/CO2同补技术可以有效地防治一些病毒性病害，其防治机理与下列因素有关：
◎ 变化的空间电场提高了蔬菜抗低温、寡照的能力。
◎ 直流空间电场电离空气产生的臭氧、高能带电粒子能够杀死或灭活植株和土壤表面以及空气中的病毒。
◎ 变化的空间电场产生的土壤电流可杀死土壤中的一些病毒。
◎ 空间电场有效地减少了其它病害对植株造成的伤害，阻断了病毒侵染植株的渠道。
◎ 空间电场环境中植物对CO2的强烈吸收以及土壤养分有效性的提高，增强了植物的抗病力。

生理病害及其空间电场控制机理

设施内植物生理病害发生原因很多，大部分病害都与植物的生理障碍有关。利用空间电场/CO2同补防治植物生理障碍的机理包括：
◎ 光合作用促进机理：空间电场可以加快植株对CO2的吸收速度，降低光补偿点，增强植株在弱光条件下的光合作用强度。
◎ 空间电场在土壤中形成微弱电流，活化土壤肥力普遍提高蔬菜在空间电场作用下对其它离子肥料的吸收能力。
◎ 营养物质输送促进机理：空间电场可以调控植物细胞中的Ca2+浓度，Ca2+浓度的变化会使植株的各种生理活动过程也发生变化，包括激素调节过程、光调节过程、重力调节过程的变化。这些过程的变化激活了植株的各种生理机能，促进了同化产物和矿物质营养肥料的输送。
◎ 生长点、根系处茎—土界面的热效应：由于植物尖端会在空间电场中对空气放电，因此可通过热成象仪观测到生长点、根系处茎－土界面的热集中效应，这两个热效应能够改变植物顶端和根系的生理状况，且对植物顶端细胞的增殖和根系的活力有正向促进作用。