現代物理農業工程技術發展現狀及展望

張文斌　張龍全　李抗

摘 要：闡述了現代物理農業工程主要技術及其工作原理，對該技術國內外應用研究及進展進行了概述，分析了當前我國發展現代物理農業工程技術存在的主要問題，針對這些問題從加強基礎理論研究、提升裝備研發能力、完善技術效果評價體系和加快示范、推廣等方面提出了對策建議，并對該技術未來發展作了展望。

關鍵詞：現代物理農業工程技術 工作原理 研究進展 存在問題 對策建議

現代物理農業工程技術是物理技術與現代農業的有機結合，是一種高效、清潔、環保的農業技術，符合綠色、生態農業發展方向。現代物理農業工程技術起源于植物生理學、農業物理學、生物物理學和物理農業。研究表明：應用電場、磁場、激光、超聲等具有生物效應的物理因子，通過特定裝備作用于農作物種子及幼苗，最終可獲得高產、優質、無毒農產品[1-4]。

然而由于物理農業技術以物理手段為主要特點，沒有其他農業技術簡明、直觀，在實際應用中缺乏一些應用效果的考量，導致目前各地在推廣應用物理農業工程技術方面進展緩慢。

文章通過對各主要物理農業工程技術工作原理及國內外研究進展進行綜合闡述，以期為該技術的推廣應用提供技術參考。

1 現代物理農業工程主要技術及工作原理簡介

1.1 植物聲頻控制技術

植物聲頻控制技術是近年來發展的一項農業新技術，其基本原理是利用聲頻發生器對植物施加特定頻率的聲波與植物自發聲的頻率相匹配，產生諧振，促進其生長發育，達到增產、優質、抗病的目的。

1.2 空間電場技術

空間電場技術是空間電場防病促生技術系統簡稱，是在空間電場力的作用下，借助空間電場放電產生臭氧、氮氧化物、高能帶電粒子，溫室內的粉塵、霧氣等懸浮物在帶電粒子作用下做定向脫除運動，同時附著在粉塵、霧氣中的大部分病源微生物也會在臭氧、高能帶電離子的雙重作用下被滅殺，隔絕了氣傳病害的傳播渠道，起到防病促生的作用。

1.3 種子磁化技術

磁技術是利用外加的物理因素，對被處理物進行刺激、調動其自身的調節作用，激發內部活力。種子磁化處理技術是在外加磁場作用下，增強種子中酶的功能和活力，調節個體發育中的物質轉化和能量代謝，促進植物根系生長和養分吸收。

1.4 臭氧物理病害防治技術

臭氧是一種強氧化劑，利用臭氧的強氧化性特性，不僅可氧化分解細菌內部葡萄糖所需的酶，使細菌滅活死亡，還能夠透過細胞膜組織，作用于外膜的脂蛋白和內部的脂多糖，使細菌發生通透性畸變而溶解死亡。溫室病害臭氧防治技術的原理是對抽入機內的空氣進行高電壓放電而使空氣臭氧化，借助擴散系統釋放臭氧來實現氣傳病害的預防和病原微生物的滅殺。

2 現代物理農業工程技術發展概況

現代物理農業工程技術作為由化學農業向生態、可持續農業全面過渡轉型的主要途徑（另一種是生物工程），得到了各國的高度重視，聯合國已明確提出了“物理農業”的概念。

2.1 國外發展概況

目前現代物理農業工程在國外發達國家都有研究和應用，主要涵蓋種植業、畜牧業等。

聲頻控制技術方面：法國人切諾伊，她用聲波處理的方法提高了啤酒廠大麥的發芽率；美國人Daniel系統地研究了植物細胞壁的力學性質，并闡述了外界應力與細胞生長之間的關系；美國D·Carlson公司采用高頻聲波（4000～6000 Hz）處理作物、D·R·Carlson則研究了聲波與化學肥料聯合作用下植物的生長發育問題[5]。空間電場研究方面：2006年、2009年韓國、法國在溫室中引入了空間電場系統以驗證其在促進作物生長和防治病害方面的作用；日本在20世紀90年代便開展了空間放電提高香菇產量的試驗，并有一款用于香菇生產的放電器在市場銷售；美國于2001年開展了雞舍電凈化技術的試驗，主要用于排氣系統電凈化以控制養雞舍布氏桿菌病；日本于2008年開展了針對口蹄疫控制方面的豬舍的空氣電凈化試驗[6]。磁技術方面：20世紀70年代，日本、前蘇聯便開始了對種子經過磁場處理后的生物學效應研究；日本Pham Thanh Van等用恒定磁場裝置處理蝴蝶蘭球莖，得出磁場處理2～7周后球莖增值量增大，S極比N極效果更為明顯[7]。

2.2 國內發展概況

國內現代物理農業技術在2007年之后逐步形成，大致可分為2大部分：一類是物理技術正向化，利用物理技術機理提高農產品產量和品質；一類是物理技術逆向化，利用物理學原理對病源微生物和害蟲進行滅殺。

在促進作物生長、提高農產品品質和質量方面：侯天偵及其團隊通過對植物聲學特性研究得出該技術可顯著促進設施蔬菜的生長發育、提早開花結果、增加產量、提高抗病蟲害能力[4]；楊桂娟、白亞鄉利用高壓靜電場處理大麥、甜菜、玉米等農作物種子后，得出不同劑量的靜電場均能提高干種子及發芽種子的趨弱發光強度[1]；李旭英、劉濱疆等通過研究空間電場對植物吸收CO2和生長速度的影響，得出空間電場的極性對植物吸收CO2的速度有顯著影響[8]；鄭世英等用可變電磁場處理器對小麥種子進行處理試驗得出了發芽率、發芽指數、活力指數與磁場強度、處理時間之間的相互關系[9]；周清、曲英華等研究了聲頻處理對草莓生長性狀及葉綠素光系統Ⅱ的熒光參數的影響，得出：聲頻處理35d后，草莓的開花數、結果數、葉綠素含量及葉片光合作用能力均有所提高[10]。

在改善農業生產環境方面：馬正義、劉濱疆研究了土壤根結線蟲的電處理方法；大連市農業機械化技術推廣站研制的空間電場/ CO2同補控制病害系統在促進植物CO2吸收的同時，控制空氣傳播病害；谷玉環研究認為空間電場防病促生系統能在地面與電極線間建立起自動循環間隙工作的空間電場，實現對病菌和害蟲滅殺[11]；蘇州市農業機械技術推廣站采用臭氧發生器對設施大棚內西紅柿、黃瓜、西葫蘆等作物開展了病害防治效果試驗研究。

3 現代物理農業工程技術發展存在的主要問題

雖然現代物理農業工程技術在我國部分地區已經開始小范圍推廣應用，但是直到現在仍未大規模推廣應用，究其原因主要存在以下幾個方面的問題。

3.1 對現代物理農業工程技術的認識還不夠

現代物理農業工程技術在國內起步時間不長，農業主管部門、科技人員和農民對其應用效果的認識程度有待提高；另外現代物理農業工程技術多是以“看不到、摸不著”的方式作用于作業對象、缺乏一些效果的考量，不同于化肥、農藥等以比較直觀的方式作用于作物本身，更不像傳統的聯合收割機、插秧機等產生“立竿見影”的作業效果，一定程度上限制了這項技術的推廣應用。

3.2 現代物理農業工程技術裝備研發落后

目前大部分現代物理農業裝備生產企業規模小、研發能力弱、生產工藝工裝水平落后、缺乏嚴格的質量控制體系，產品質量穩定性差，制約了現代物理農業的整體發展。

3.3 現代物理農業工程技術工作原理與作物生長間的內在關系尚未理清

雖然國內外相關文獻中均有借助現代物理農業工程技術提高被試作物產量和品質等方面的研究報道，但是具體作用機理尤其是與作物間內在的物理關系還都處于探索、研究階段。如我國聲學第一人侯天偵教授首先提出了“植物經絡學說”，并研制了植物聲頻發生器應用于大田和溫室生產，但是植物聲頻特性與植物生長間的內在關系還處于研究的初級階段，有待從理論上進行嚴格的論證。

3.4 對現代物理農業工程技術在農業上的應用效果尚存在爭議

以設施作物病害臭氧物理防治技術為例，雖然臭氧作為強氧化劑在水質處理、化學氧化、食品加工保鮮和醫療衛生領域已有較高水平的研究與設備開發，但其在設施大棚內作物病害防治效果目前還存在較大的爭議。楊宇紅、馮蘭香研究認為臭氧防治溫室蔬菜苗期意義不大，成株期防治效果需進一步研究確認；劉迪林、蔡杰明確質疑了臭氧防治溫室病害理論，認為溫室中使用臭氧防治病蟲害是個錯誤。因存在諸多爭議，政府主管部門在推廣應用現代物理農業工程技術過程中格外謹慎，目前尚未出臺相應的國家標準。

4 對策建議

4.1 加強基礎理論研究

現代物理農業工程技術是現代物理學、材料學、植物學及農學領域的育種、栽培、土壤和遺傳等多學科交叉和綜合而成的一門新生學科，應從基礎理論研究著手，加強各學科間技術機理研究，理清其內在作用原理，為現代物理農業工程技術發展提供理論依據。

4.2 提升裝備研發和生產能力

裝備是技術實現的載體，現代物理農業工程技術的發展離不開先進、適用、安全、可靠的裝備支持。為此國家相關部門應制定嚴格的生產、使用技術標準，出臺相應的扶持政策，引導生產企業提升裝備研發和生產能力，努力為用戶提供性能優良、技術先進、質量可靠的裝備。

4.3 完善技術效果評價體系

目前現代物理農業工程技術及裝備在應用過程中存在的各種爭議，歸根結底還是缺乏相應的技術效果評價體系。現代物理農業工程技術效果評價體系是保障該技術發展的重要組成。技術部門應當盡快出臺相應的技術使用效果評判標準、統一裝備使用作業質量，為主管部門對現代物理農業工程技術裝備形成有效監管提供參照。

4.4 加快推進成熟技術裝備的示范、推廣

通過產、學、研、推之間的相互協作和聯合，依托現代物理農業技術示范工程，建立科技示范基地、產業園區，擴大技術推廣渠道，強化技術培訓和宣傳力度，加快推進成熟技術裝備的示范、推廣。5 結論和展望

現代物理農業工程技術作為一門新興的、多學科交叉融合的學科，尚處于發展起步階段，還存在很多亟需解決的問題：如在技術研究上，基礎理論研究還比較薄弱；在裝備研發上，生產企業良莠不齊，總體處于較低水平；在認識上，人們對現代物理農業工程技術的認識程度普遍不高；在評價體系上，缺乏相應的技術應用評價體系。這都需要不斷地在實踐中進行研究和總結，并上升到理論，并由理論指導實踐，只有如此不斷的往復、螺旋式前進，才能將這項技術逐步豐富和完善，進而推動我國現代農業健康可持續發展。

參考文獻

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[11] 馬正義， 劉濱疆， 張清江. 土壤根結線蟲的電處理方法[J]. 農機科技推廣，2006（10）：36.

Abstract：This paper expounds the main technology and working principle of modern physical agricultural engineering technology， summarizes the research progress of this technology at home and abroad， analyses the main existing problems. Aiming at these problems， puts forward some corresponding countermeasures， such as strengthening the basic theory research， improving the capabilities of equipment research and development， perfecting the evaluation system of technical effect， and promoting the demonstration of the technology. At last prospects for the future development of the technology.

Key words： Modern physical agricultural engineering technology； working principle； research progress； problems； countermeasures