磁化水灌溉對農作物生長發育影響的研究進展

周浩 邱先進 徐建龍

（1長江大學農學院，434025，湖北荊州；2中國農業科學院作物科學研究所，100081，北京）

磁化水是普通水以一定的流速通過磁化水機進行水循環、切割磁力線而形成的。在農業上，磁化水應用于綠色有機種植，通過磁化水浸種育秧，可提高出苗率及成活率，并且幼苗的株高、莖粗和根長等均有明顯的變化[1-2]。在大田灌溉中，經磁化水處理后，農作物具有生長周期短、果實顆粒飽滿、產量、品質和營養成分提高、鹽堿地修復、重金屬污染得到改善和口感好等效果[3-4]。

國外在1930年首次報道了磁場可促進植物地上部的生長，而我國在農業生產上開始應用磁化水是在20世紀70年代中期，主要集中于水稻、小麥、玉米、大豆、蕎麥、甜菜、黃瓜和番茄等農作物及花卉等觀賞植物[5-6]。

1 磁化水的磁化機理

磁化水處理方法是一種具有經濟和環境雙重效益的物理方法，磁化水處理器應用了“法拉第”電磁場理論，水作為導體通過磁場時切割磁力線，產生電力勢，發生物理變化，進而產生電能，此時水被磁化，稱之為磁化水[7]。有研究[8-9]表明，經磁化水處理后，水的物理性質、化學性質以及內部結構都發生了變化，表現為表面張力降低、黏度增加、分子能更少、活化能更高、水更穩定等特點。磁化后的水pH和EC值也有升高或降低的變化，并且氫鍵發生斷裂，密度和吸光度逐漸增加[10]。水體結構的改變是應用了“布朗運動”的分子特性原理，在供水系統加裝儀器設備時，高速、持續產生微小高壓水柱撞擊金屬內壁，使通過設備的水分子結構發生鏈接性的改變，進而大分子團變為小分子團，更有利于植物的吸收[11]。

根據安裝方式的不同，磁化水處理設備可分為內磁式和外磁式。常用設備屬于內磁式，即水經管內部流動，優點是操作簡單、投資少，缺點是不能調節磁場的強度，而精密連接電流的儀器設備更有利于對作物發揮作用[12]。目前，磁化水已經在農業、工業、醫學研究和生物學研究等方面有了廣泛的應用[10]。

2 磁化水處理器的不同效應

許多研究者相繼開發了高能水或磁化水處理設備裝置的專利產品，其中芽期和苗期試驗所用的磁化水處理設備簡單，易操作，只需將磁化水設備安裝于水龍頭，便可使普通水流出時產生磁化作用[13]。該設備操作起來簡單，但其磁化機理還未定論。因此，研究者們進行大量探索，尋求更多的理論支撐，以獲得磁化水對農作物增產增收的效果[11]。目前，有報道磁化水在種子萌發、秧苗生長和大田栽培應用中可起到滅菌殺毒、抗病蟲害、提高產量和品質、改良土壤特性的效果，但多數研究結果顯示，其作用并無一致性的規律，磁化水處理效果不明顯[14]。在小麥[15]、黃瓜[16]和玉米[17]的研究中發現，磁化水處理后種子發芽、幼苗生長與對照相比無顯著性差異，總體上影響不大。

不同規格的設備、水流速度、磁場強度及磁化時間等因素在應用于不同作物和品種時產生的影響也不盡相同，達到的效果各有差異。朱練峰等[5]采用F型變頻磁化水發生儀，通過磁化水灌溉可增加水稻產量，改善稻米品質，提高生產效益。類似地，王全九等[18]發現，外置永磁式磁化器對土壤特性產生影響，能起到改良土壤的作用。

3 磁化水對農作物生長發育的影響

磁化水應用于農作物，全生育期包括從種子萌發、秧苗生長、營養生長、生殖生長到成熟收獲全過程，通過磁化水處理后，檢測土壤理化特性、葉綠素含量、根系性狀、產量及品質等一系列性狀，比較磁化水處理與對照的差異特征，研究其對農作物和土壤特性的影響。

3.1 對土壤特性的影響

磁化水對土壤特性的影響主要集中于含水量、鹽分、結構、重金屬離子的含量和微生物菌群等方面[19]。磁化水活化技術對改良土壤理化性質、降低土壤鹽漬化、保水保肥及增產增收具有促進作用[20]。有研究[21-22]證明，磁化水產生的磁場梯度比磁場強度本身更重要，其對不同土壤結構的滲透能力影響不同，經過磁化灌溉的累積水滲透率和最終滲透率均比非磁化灌溉高。重金屬污染的存在依然是一個嚴峻的問題，在水稻生長發育過程中，施肥或噴施農藥使得鉛（Pb）和鎘（Cd）等重金屬富集于根系，并經過主莖和葉片大量帶入植株體內，最終殘留于稻米中[4]，嚴重影響了人們的健康。通過灌溉水凈化重金屬Cd的研究[23]發現，利用灌溉水工藝處理，對農作物的土壤修復和后期稻米品質發揮了有效協同作用。并且用磁化水滴灌，經過淋洗作用可降低土壤中的鹽分，改善植物生長的土壤條件，有效促進水稻對K+、Ca2+和Mg2+等離子的吸收[24-25]。

適宜的磁場強度對土壤的固氮能力有促進作用，能夠增加土壤有機質，改善土壤結構，有效降解土壤鹽分含量，確保土壤水分在作物根系中得到充分利用，有利于作物的生長發育[26-29]。磁化水處理還在黃瓜[30]種植土壤中起到不易板結及肥料均勻吸收的效果，還能改良土壤，增強棉花[31]的耐鹽堿力，提高玉米[32]對重金屬Cd污染的耐受性。研究[33-34]顯示，經過磁化水灌溉可以提高植物對Cd的修復效率，以及土壤中的無機離子K+、Na+、Ca2+和Mg2+等的含量，有利于植物與土壤的物質交換。

3.2 對種子萌發的影響

磁化水處理會影響作物種子發芽和幼苗的生長。研究[35-36]證明，經過磁化水浸種的水稻種子，種子發芽率和萌發系數明顯提高。此外，磁場處理水稻種子，經水分極性運輸攜帶較多的微量元素，如Fe、Mg、Zn等物質，有利于種子萌發，出苗率齊，達到秧苗素質高、種苗后期生長健壯等效果[37]，并且對經過磁化水浸泡的小麥[38]、玉米[39]、大蔥[40]、大麥[41]和生菜[42]等種子都產生了明顯的影響。磁化水處理對農作物種子萌發和幼苗生長的促進作用可能是由于其刺激了植物的初始生長，激發了種子內物質的活性，從而表現出萌發相關參數的提高[43-44]。

3.3 對生長指標的影響

經過磁化水處理后，植株的形態等各項指標均發生著明顯的變化，不同磁化處理對其都有一定的影響，主要表現在株高、根長、莖粗、劍葉面積和干物質重量等的變化上。磁化水處理可有效促進水稻秧苗生長，在營養生長期增加植株干物質積累，促進有效分蘗的發生[45]。不同磁化水的吸水梯度能夠明顯提高秧苗氮的利用率，結合葉面施肥，水稻的株高、穗長、葉長和鮮重得到了顯著提高[46-47]。此外，磁化水可促進黃瓜[48]和棉花[49]的株高、莖粗和葉面積不同程度的增長，可增加豇豆葉片、莖、根鮮、干重和總生物量[50]。有證據[51-52]表明，在磁場和電磁場作用下，磁化水對植物的形態發生、種子萌發以及幼苗生長發育產生積極的影響，而且磁場強弱會影響植物從吸水到初始生長的過程，進而對根系和植株發育產生影響，這或許正是磁化水灌溉對農作物影響的重要機制。

3.4 對葉片葉綠素含量的影響

磁化水處理大多數農作物，能有效提高葉片中的葉綠素含量，即提高SPAD值，從而直接影響光合利用效率。不同磁場強度的磁化水作用于水稻時，可使植株健壯，葉片濃綠，功能葉片維持時間較久[53]。研究[54]還發現，磁化水灌溉處理可顯著提高冬棗的葉片葉綠素含量和地上部鮮重。在薄荷[55]、番茄[56]、生菜[57]和馬鈴薯[58]的應用中發現，磁場下可誘導葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和總葉綠素含量發生變化。

3.5 對根系性狀的影響

磁化水灌溉對農作物根系生長具有促進作用，可有效影響根系的活力，使光合產物在根系中得到轉運。水稻植株生長健壯離不開根系吸收和供應的營養物質，而且根系周圍微生物菌群、分泌物和根系群體等的積累促進了植物體本身能量的運輸。經磁化水育秧后的秧苗，根系生長好，表現為根體積、最長根長及根數的增加[59]。經過磁化水灌溉的番茄根系發育快，健壯發達，吸收能力強，有效促進其生長發育[60]。在施氮條件下，磁化水灌溉對于葡萄[61]和桑樹[62]根系的形態建成具有明顯的促進作用。

3.6 對產量及品質的影響

衡量作物產量的指標為單株產量或單位面積產量，不同作物的產量構成因素不同。從水稻育秧開始使用磁化水，經移栽后再用磁化水灌溉，表現為分蘗能力增強、出穗早、成熟快和產量增加[63]。通過不同階段磁化水的灌溉，水稻葉片的葉綠素含量提高，從而促進光合產物的積累。田間合理有效施肥配合灌溉磁化水提供了充足的大量和微量營養元素，有效促進分蘗的發生，有助于后期干物質的積累，從而促進籽粒的灌漿和結實[64]。磁化水灌溉提高農作物產量和品質的生物學機制，可能主要是磁化水能使部分水分子氫鍵斷裂，水中極性分子由大分子團變為小分子團，表面張力減小，從而提高了水中溶氧量和其向植株根系運輸的能力，有助于維持作物根系和莖的功能，促進其對營養的吸收，最終提高產量和改善稻米品質[65]。不同作物品種、環境因子及地塊的試驗結果為磁化水灌溉的生物學機制提供了不同程度的參考。在磁化水灌溉處理下，土壤肥料中的養分吸收、利用與轉化輸送到作物體內，使水稻[66]、玉米[27]、棉花[28]、冬小麥[67]、生菜[68]和甜菜[69]等干物質積累量增多，進而提高了營養品質（表1）。

表1 磁化水灌溉對農作物產量的影響Table 1 Effects of magnetized water irrigation on crop yield

4 磁化水對農作物生理特性的影響

磁化水對農作物所表現出的生理活性特征主要集中于種子萌發階段，磁化水浸種可使植物在物質吸收、轉化、運輸及各種能量代謝中酶活性、可溶性糖與還原糖、離子吸收、抗逆性和光合生理特性上產生差異。通過磁化水處理試驗，刺激種子萌發的生理生化機能，加速苗期植株生長，使其在特定的環境下適應不同生物學效應，促進其穩定生長[72-73]。

4.1 對酶活性的影響

磁化水處理明顯有助于種子萌發，其可能的原因是由于磁化水處理后刺激了種子中貯藏淀粉的轉運，破除種皮的韌性；再者，在同一磁場強度下，同一品種的α-淀粉酶和β-淀粉酶活性效果不同；且經磁化水處理后，其水體含有的溶解氧和過氧化物酶促進了種子萌發時的呼吸速率[74-75]。研究[2]還發現，磁化水提高了硝酸還原酶的活性，保持了細胞膜的透性，使得植株肥料吸收與利用率增加，并且對過氧化物酶（同工酶）、淀粉酶和脂肪酶產生了影響，使水稻葉片和莖稈等外觀發生變化。適宜的磁場強度和作用時間處理大豆[76]和甜瓜[77]，可刺激植株體內β-淀粉酶、酸性磷酸酶和多酚氧化酶等活性的改變，以及生理生化及代謝作用增強，從而促進種子萌發和幼苗生長。

4.2 對可溶性糖與還原糖的影響

植物生長過程中還原糖可為植物體提供能量，磁化水浸種后，種子內部會吸脹，隨吸水程度增高，生理活性發生改變，其中還原糖含量有所提高[46]。磁化水處理時間的長短會直接影響植物體內的生長物質。通過磁化水處理的小麥，其葉片中的總可溶性糖含量和脯氨酸濃度提高[78]。此外，以磁化水浸泡洋蔥種子，種子的吸脹加快，此時由淀粉轉化為可溶性糖的過程是種子萌發速率產生變化的關鍵時刻，有利于可溶性糖含量的增加[79]。

4.3 對抗逆性的影響

經不同磁場強度的水處理，硝酸還原酶活性提高，使得細胞膜受低溫傷害程度減小，水稻葉片失水速度減慢，由此增強了水稻的耐冷性[80]。此外，將磁化水結合葉面施肥，能增強水稻的抗倒伏性及對稻瘟病和稻紋枯病的抗性水平[47]。

4.4 對離子吸收的影響

通過磁化水處理，磁場可將植物體對離子的選擇性吸收轉變為離子主動吸收，植物供能主要依靠葉面施肥或根外施肥，而無機養分幾乎都是通過根從土壤中獲得，且根系吸收營養元素以離子態的形式貯存于土壤溶液中，研究者以磁化水處理小麥[81]和谷子[82]，發現植株體內 N+、P+、K+、Ca2+和 Mg2+等礦質元素含量增加了。

4.5 對光合生理特性的影響

磁化水處理后，植物的葉綠體依靠水中電力勢梯度吸收養分離子，經過酶的催化，加強了光合作用暗反應，使水稻植株獲得更好的營養生長[83]。磁化水處理番茄刺激了赤霉素含量的增加，進而提高葉綠素濃度，有利于光合作用和同化物的積累，促進其更好地生長[84-85]。韋業等[61]利用磁化水灌溉葡萄，結果增加了其葉片凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率，促進葉片在施氮條件下的氣體交換和碳同化，由此提高了葉片在光反應中氮素的高效利用與氮代謝，以及葉綠體的均衡分配。此外，在磁化水灌溉豇豆研究中，磁化水增加了葉片中的氣孔導度，提高了光合作用效率，從而增加了植物總生物量[50]。

5 展望

磁化水處理技術在農業生產上的應用在國內外已經有了一定的研究基礎，發現磁化水浸種、灌溉和水培幼苗處理對農作物具有一定的生物學效應，在田間大面積試驗中也獲得不少成效，主要表現為增加水稻分蘗數，提高葉片葉綠素含量，促進籽粒灌漿，增加產量，改善稻米品質，同時起到改良土壤的作用。雖然已有試驗表明，磁化水灌溉技術對水稻及其他農作物的生長發育有積極的影響，但在品種大面積推廣中仍有許多限制因素，主要原因有3點：（1）在試驗過程中使用不同公司生產的儀器設備，磁化水的磁場強弱需要控制在一定范圍內才能發揮明顯效果，超過一定范圍會有抑制作用；（2）磁化水對農作物的作用機理不清晰，磁化參數難以選擇，試驗操作方法和標準也不統一，試驗效果難以保證；（3）在干旱地區，應用磁化水灌溉需配套膜下滴灌和漫灌方式，設備控制的最佳磁化水的流速、處理時間及磁場強度還有待探索。將來磁化水灌溉在農業生產上的操作應著重以下3點：（1）進一步規范、統一標準，提高不同試驗的可比性和可信度；（2）深入探究磁化水作用的生理和分子機制，為研究應用磁化水促進水稻及其他農作物大面積增產增收提供更多的科學理論和技術支撐；（3）進一步優化磁化水灌溉技術，提高生物學效應，促進大面積的推廣應用。