1.1.1          生物磁學(xué)在農(nóng)作物生產(chǎn)中的應(yīng)用[1]

　　生物磁學(xué)是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一門(mén)研究磁性、磁場(chǎng)與生物特性和生命活動(dòng)之間相互聯(lián)系及相互影響的邊緣學(xué)科。目前，已在醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保及生物工程等領(lǐng)域得到較廣泛應(yīng)用。 在農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，磁場(chǎng)和磁化水處理農(nóng)作物及其產(chǎn)生的磁生物效應(yīng)已引起人們的關(guān)注， 這方面的研究不但提供了農(nóng)作物增產(chǎn)的新途徑,也豐富了生物磁學(xué)研究的內(nèi)容, 已成為生物磁學(xué)中一個(gè)十分活躍的領(lǐng)域。 但由于其作用的復(fù)雜性和廣泛性, 作用的微觀機(jī)理還不很清楚， 應(yīng)用技術(shù)還有待于大量探索和突破。 因此， 進(jìn)一步開(kāi)展生物磁學(xué)在農(nóng)作物上的應(yīng)用研究，不僅在理論上有重要意義， 而且在生產(chǎn)上也有重大的應(yīng)用價(jià)值。

1.1.1.1     應(yīng)用研究概況

生物磁效應(yīng)早在我國(guó)古代就被人們認(rèn)識(shí)并最先應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域［1］。到了近代，生物磁現(xiàn)象引起了國(guó)外的廣泛注意和研究,并逐漸形成了一門(mén)新興邊緣學(xué)科［1,2］。60年代生物磁學(xué)得到了深入發(fā)展和廣泛應(yīng)用，國(guó)外開(kāi)始了磁化水和磁場(chǎng)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用［2,3］。我國(guó)于70年代中期也開(kāi)始了磁化水浸種和灌溉試驗(yàn)［4～6］；80年代開(kāi)始了磁場(chǎng)處理種子和磁性肥料的研究［7～9］，并在分子水平上探討磁效應(yīng)的作用機(jī)理［10～13］；90年代后開(kāi)始注重磁處理對(duì)作物抗旱性和抗寒性的系統(tǒng)研究［14～16］，同時(shí)，用于大面積農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的磁性肥料投放市場(chǎng)。另一方面,磁性材料的研究也取得了很大突破，自80年代中期以來(lái)，先后研制成了磁化種子器（烏蘭巴拉，1986，內(nèi)蒙）、磁化噴霧器（張澤民等，1988，河南）、磁種子處理機(jī)［2］、磁性犁［17］和磁學(xué)實(shí)驗(yàn)儀［18］,為生物磁學(xué)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用研究和實(shí)際生產(chǎn)提供了便利條件?！　?o:p>

生物磁學(xué)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用研究范圍涉及到主要糧食作物、果樹(shù)、蔬菜、食用菌和家畜、家禽飼養(yǎng)等方面。在農(nóng)作物上的應(yīng)用，主要有磁場(chǎng)直接處理作物種子，磁化水浸種和灌溉，磁性肥料3種方法。研究的層次不但涉及到作物的個(gè)體生長(zhǎng)發(fā)育和群體的產(chǎn)量增加，而且涉及到細(xì)胞水平、酶水平和基因表達(dá)、分子構(gòu)象等變化的探討。世界上對(duì)此研究較多的國(guó)家有俄羅斯、美國(guó)、印度等國(guó)，國(guó)內(nèi)研究較多的省份有貴州、陜西、福建、四川、遼寧、河南、湖北、吉林等省。

1.1.1.2     磁處理對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的影響

1.1.1.2.1　     磁場(chǎng)的影響　　

磁場(chǎng)處理是指利用適當(dāng)強(qiáng)度的磁場(chǎng)在作物播前處理種子，或者在浸種、發(fā)芽、育苗和生長(zhǎng)的某些過(guò)程中施加一定的磁場(chǎng)。其中磁場(chǎng)處理作物種子是近20多年來(lái)生物磁學(xué)中研究較多的內(nèi)容。大量的研究表明，磁場(chǎng)處理對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育和增產(chǎn)有一定的促進(jìn)作用。小麥種子經(jīng)磁場(chǎng)處理后可使發(fā)芽勢(shì)提高21%，發(fā)芽率提高28.2%，幼苗高度和根長(zhǎng)分別增長(zhǎng)25.3%和38.5%，產(chǎn)量增加8.1%～23.3%［19～21］。磁場(chǎng)處理玉米后，苗期的根數(shù)和根重比對(duì)照生長(zhǎng)快，株高、莖粗、莖葉鮮重及葉面積與對(duì)照相比都有顯著差異，穗粒重和百粒重分別增加 57.3%和 5.7%［22］。脈動(dòng)磁場(chǎng)處理高粱種子后，可使發(fā)芽率、芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)分別增加13.7%、11.2%和13.8%,使高粱早出苗1～2 d,千粒重提高11.62%［23］。磁場(chǎng)處理在油菜、大麥、甜菜、花生、大豆、水稻、棉花等作物上也有類(lèi)似效應(yīng)［5,8,20,24～26］。

磁場(chǎng)處理不但影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量，而且還影響到子代種子的品質(zhì)。賴(lài)光新和國(guó)興民［27］報(bào)道，經(jīng)磁場(chǎng)處理種子，收獲后的麥類(lèi)、大豆籽粒的蛋白質(zhì)、氨基酸含量分別增加1.3%～2.0%和1.4%～42.1%。張紹武等［28,29］報(bào)道，磁場(chǎng)處理后，小麥、玉米籽粒中賴(lài)氨酸的含量也發(fā)生了明顯改變。

1.1.1.2.2　     磁化水的影響

磁化水是指將普通水靜置于磁場(chǎng)或以一定的流速垂直地經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)的水。前者稱(chēng)為靜態(tài)磁化水，后者稱(chēng)為動(dòng)態(tài)磁化水。磁化水在農(nóng)作物上的應(yīng)用，近20年來(lái)，在國(guó)外發(fā)展很快。利用磁化水浸種和灌溉，能增加甜菜、向日葵、番茄、胡蘿卜和大蔥等作物的產(chǎn)量［1～4］。我國(guó)用磁化水浸種和灌溉，在大多數(shù)作物上表現(xiàn)出顯著的增產(chǎn)效應(yīng)。王書(shū)良［30］用磁化水浸種和灌溉玉米，產(chǎn)量提高7.22%～15.08%。水稻利用磁水浸種、灌秧和大田，其發(fā)芽勢(shì)顯著提高，分蘗率、株高和千粒重明顯增加，產(chǎn)量增加8%～23%［5,12,31］。我們用磁化水浸種使小麥種子的發(fā)芽勢(shì)、一級(jí)分蘗數(shù)、次生根數(shù)、株高、有效穗數(shù)和千粒重分別提高了12.2%、13.7%、70.3%、10.2%、17.1%和4.3%，增產(chǎn)6.0%～24.4%；玉米增產(chǎn)6.0%～17.5%［32］。磁化水對(duì)其他農(nóng)作物和蔬菜也有明顯的增產(chǎn)作用，可使大豆、甘薯、花生、油菜分別增產(chǎn)40%、87.5%、22.5%和11.1%；蔬菜增產(chǎn)10.1～57%［1,4,5,33］。　　

磁化水還可改進(jìn)某些作物的品質(zhì)。國(guó)家計(jì)量所用磁化水種植的水稻，粗蛋白含量增加1.2%，賴(lài)氨酸含量提高0.04%［1］。桂林市用磁水澆灌甘蔗，含糖量增加30%，增產(chǎn)25%［4］。

1.1.1.2.3　     磁性肥料的影響

磁性肥料是農(nóng)業(yè)上應(yīng)用較多的一種磁性材料。它是以作物生長(zhǎng)發(fā)育所需的營(yíng)養(yǎng)元素為主，加以適量的粉煤灰和少量的磁性物質(zhì)作成的肥料，通稱(chēng)為磁化肥。利用磁化肥可使小麥次生根增加36%，千粒重增加2.5 g，單產(chǎn)增加10.2%［34］;使玉米的千粒重和產(chǎn)量分別增加3.5 g和25.5%［35］；在水稻、棉花、大白菜、果樹(shù)等作物上也有增產(chǎn)報(bào)道［9］。

1.1.1.3     磁處理增產(chǎn)的生物學(xué)原因

1.1.1.3.1　     　促進(jìn)種子萌發(fā)　

磁處理能顯著提高大多數(shù)作物種子的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率，使萌發(fā)時(shí)呼吸速率提高4～5倍［7,8,20］。發(fā)芽勢(shì)的高低直接反映種子生活力的強(qiáng)弱，表明萌發(fā)過(guò)程中吸漲、代謝、酶促反應(yīng)的強(qiáng)弱快慢。顯然，磁處理加速了這些過(guò)程的啟動(dòng)和進(jìn)程。發(fā)芽率越高,種子播后出苗率越高；出苗越早，越有利于根系的生長(zhǎng)和壯苗的形成?！　?/p>

我們的研究表明，磁水浸種后小麥發(fā)芽勢(shì)的提高幅度大于發(fā)芽率的幅度，種子根的伸長(zhǎng)大于根數(shù)的增加。表明磁處理對(duì)種子萌發(fā)的作用，主要在“吸脹”到“露白”階段，并主要促進(jìn)已有組織器官量的增長(zhǎng)，而對(duì)新組織器官生成的作用較小［36,37］。不同作物和不同品種，磁處理萌發(fā)的效應(yīng)不同。大致的趨勢(shì)為：大豆、花生等油料種子的磁效應(yīng)高于小麥、玉米等淀粉種子；陳種子的磁效應(yīng)大于新種子；種皮堅(jiān)硬的種子大于種皮薄的種子［8,25,38,39］。我們的研究還表明，磁場(chǎng)和磁化水共同作用效果大于磁水浸種的效果，又大于磁場(chǎng)直接處理干種子的效果（另文發(fā)表）。

1.1.1.3.2　     促進(jìn)根系和幼苗生長(zhǎng)　　

磁處理后，作物幼苗的種子根和次生根數(shù)顯著增加［7,9,17,21,36］。進(jìn)一步研究表明磁場(chǎng)能增加細(xì)胞有絲分裂的頻率，提高根尖區(qū)RNA的含量，促進(jìn)根伸長(zhǎng)區(qū)細(xì)胞體積增大和胚根的伸長(zhǎng)［40,41］。龔富生等［42］用磁水處理玉米種子和幼苗后，葉片中硝酸還原酶活性提高，NO3-的吸收率增加，幼苗的氮代謝增強(qiáng)，體內(nèi)吲哚乙酸氧化酶的活性降低，這對(duì)葉內(nèi)吲哚乙酸水平的提高有利，因而莖葉的生長(zhǎng)加速。田文勛等［12,31］用磁化水浸泡水稻種子可明顯地增強(qiáng)稻種的吸水能力，用磁化水培育稻苗顯著地促進(jìn)稻苗對(duì)N、P、K的吸收。由于吸收水分和養(yǎng)分的能力加強(qiáng)，以致葉面積增大，葉綠素含量增加，光合作用加強(qiáng)［12,25,30,36］。幼苗積累較多的有機(jī)物質(zhì)，反過(guò)來(lái)又促進(jìn)壯苗的形成和分蘗的增多［12,36］，這就為生殖生長(zhǎng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.1.1.3.3　     提高抗逆性

劉思春等［15］通過(guò)模擬全生育期干旱的盆栽試驗(yàn)的結(jié)果表明，磁處理后小麥葉組織內(nèi)的含水量、自由水和束縛水的含量都隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大，干旱脅迫時(shí)的保水力增強(qiáng)。我們的研究表明，低場(chǎng)強(qiáng)磁水浸種時(shí)，小麥植株的根冠比和幼苗的糖分含量提高，在人為和自然干旱脅迫下，葉內(nèi)脯氨酸含量明顯增加，細(xì)胞膜透性降低，葉片保水力增強(qiáng)，并且干旱年份的增產(chǎn)率顯著大于正常年份［36］。有關(guān)研究還表明，磁場(chǎng)和磁水增強(qiáng)作物幼苗的抗逆性，與超氧化物岐化酶、過(guò)氧化氫酶和谷胱甘肽等自由基清除劑的活性和濃度有關(guān)［13,43,44］。

此外，同一作物不同類(lèi)型的品種，磁處理對(duì)其抗旱性的影響不同。我們的研究表明，在低場(chǎng)強(qiáng)磁水浸種時(shí)，抗旱、抗寒性強(qiáng)的小麥品種增產(chǎn)幅度大于喜水弱冬性的品種；高場(chǎng)強(qiáng)磁水浸種時(shí)效果則相反［36］。習(xí)崗等人［45］從酶活力、蛋白質(zhì)含量和幼苗活力等方面也指出了這一點(diǎn)。磁處理還可以提高小麥、玉米和水稻的抗寒性［5,12,16］，并引起高粱子代出現(xiàn)白化苗現(xiàn)象［23］。

1.1.1.3.4　     改善經(jīng)濟(jì)性狀　　

磁處理對(duì)作物經(jīng)濟(jì)性狀的作用因具體因子和不同作物而異。小麥、玉米、水稻、高梁、豌豆、大豆等作物經(jīng)磁處理后，每株粒數(shù)和粒重都顯著增加［27,30～35］，其中小麥和水稻單位面積的有效穗數(shù)也明顯增多［12,31,36］。我們的研究表明，磁水浸種在小麥上以每公頃有效穗數(shù)的增加最顯著，其次是千粒重，穗粒數(shù)則不顯著；在玉米上主要是每穗粒數(shù)和千粒重的增加，干旱條件下也可增加多穗型品種的每株果穗數(shù)［32］。磁處理也能增加植株的高度。在磁場(chǎng)處理后的土壤上播種小麥，出苗20d后，苗高比對(duì)照增加21.6%～19.1%［21］。磁水浸種后的玉米，成熟時(shí)株高比對(duì)照增加4.5～8.0 cm［30,32］；小麥?zhǔn)┐呕屎笾旮咭裁黠@增加［9,34］。

1.1.1.4     磁效應(yīng)的作用機(jī)理

1.1.1.4.1　     磁場(chǎng)及磁化水性質(zhì)的改變　　

任何物質(zhì)，小到離子、電子，大到宇宙都具有一定的磁場(chǎng)。同樣，由核酸和蛋白質(zhì)等多分子系統(tǒng)構(gòu)成的生物體也具有磁場(chǎng)。在地球這個(gè)大磁場(chǎng)中，生物體內(nèi)能量的傳遞和物質(zhì)的交換都與體內(nèi)電荷行為有關(guān)，外界磁場(chǎng)的變化必然影響生物體的新陳代謝。這是磁場(chǎng)效應(yīng)的基本原理［1］。水在普通情況下，分子電流呈紊亂分布而使水表現(xiàn)為中性。當(dāng)水分子受到磁場(chǎng)作用時(shí)，分子電流出現(xiàn)規(guī)律性分布，水分子及水中的雜質(zhì)離子(如Ca2＋等)便獲得磁能［46］。磁水的電導(dǎo)率、滲透壓、表面張力與粘度、溶解氧的含量、pH值、pH化學(xué)位移及光學(xué)性能均發(fā)生變化［1,8,44］，從而引起一系列的生物學(xué)效應(yīng)。

1.1.1.4.2　     種子和體內(nèi)酶活性的變化

在分子水平上研究磁生物學(xué)效應(yīng)的結(jié)果表明，磁處理可以影響作物體內(nèi)多種酶的活性。例如，小麥、水稻和玉米等作物種子經(jīng)磁處理后，總淀粉酶活性提高3.82%～32.65%，α-淀粉酶提高7.87%～70.2%，過(guò)氧化氫酶提高27.97%～63.5%［17,30,43,45］。Aksyonov等人［38］應(yīng)用低頻磁場(chǎng)對(duì)小麥種子進(jìn)行短時(shí)間處理后，種子中酯酶由抑制狀態(tài)向活性狀態(tài)轉(zhuǎn)變， 并促進(jìn)種子休眠的解除。 磁處理后， 作物體內(nèi)過(guò)氧化物酶同工酶的帶數(shù)增加1～2個(gè)， 酶譜的染色深度加深［10,13,19］; 超氧化物歧化酶同工酶活性增強(qiáng)［43,44,47］。 我們的研究表明， 小麥經(jīng)磁水浸種后， 幼苗和幼穗中的過(guò)氧化物酶同工酶活性都有增強(qiáng)［36］。 磁處理對(duì)酶的影響與磁處理后酶分子的空間構(gòu)象變化［48］、酶結(jié)構(gòu)中金屬原子的順磁性和酶蛋白半導(dǎo)體性變化有關(guān)［44］。酶活性及數(shù)量的變化反映了磁處理對(duì)作物基因的表達(dá)。

1.1.1.4.3　     其他代謝物質(zhì)的變化　　

作物經(jīng)磁處理后，由于酶活性的變化，加快了體內(nèi)生化物質(zhì)的代謝。薛毓華等［11］用磁場(chǎng)和磁化水處理小麥和番茄種子，發(fā)現(xiàn)磁處理使幼苗體內(nèi)的AMP、ATP和DNA的含量明顯提高。磁處理對(duì)光合作用的影響，與磁場(chǎng)對(duì)光系統(tǒng)Ⅰ的原初反應(yīng)和光系統(tǒng)Ⅱ的熒光產(chǎn)量變化有關(guān)［44］，促進(jìn)生長(zhǎng)的機(jī)理可能與提高早期代謝中的氧化磷酸化有關(guān)［39］。同時(shí)，種子和幼苗體內(nèi)的一些有機(jī)酸、激素、氨基酸含量也發(fā)生變化［8,20,27,42］。這些變化最后引起植株可溶性蛋白質(zhì)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強(qiáng)，土壤中根瘤菌、固氮菌、無(wú)機(jī)磷細(xì)菌等細(xì)菌的數(shù)量明顯增多，從而改善土壤有效養(yǎng)分狀況，提高肥力，增加作物對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收能力［1,5］。據(jù)報(bào)道，磁化水灌溉的大豆地比對(duì)照區(qū)的根瘤菌、固氮菌多3倍［4］。陳鐵平［9］認(rèn)為，磁化肥的增產(chǎn)機(jī)理是營(yíng)養(yǎng)組分全面合理和獨(dú)特的剩磁作用。　　

總之，磁處理可以從電子、分子到細(xì)胞的各個(gè)層次以及在基因、酶、激素等各個(gè)方面對(duì)作物施加影響。李國(guó)鳳等［10］認(rèn)為，磁作用的基本模式可能是磁場(chǎng)→基因→酶→代謝→結(jié)構(gòu)與功能。當(dāng)然，由于生物磁學(xué)的復(fù)雜性和作物對(duì)象的多樣性，磁生物效應(yīng)的機(jī)理還需進(jìn)一步深入研究。

1.1.1.5     問(wèn)題及展望

磁處理對(duì)作物有促進(jìn)種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)和增產(chǎn)的作用，但對(duì)不同作物或品種的具體性狀和理化指標(biāo)的作用效果不完全相同甚至相反。多數(shù)報(bào)道認(rèn)為，磁處理能促進(jìn)種子萌發(fā)，使株高和產(chǎn)量增加，生育期縮短。但也有報(bào)道指出，磁處理在個(gè)別作物上卻表現(xiàn)出種子萌發(fā)受抑，株高和產(chǎn)量降低，磁效應(yīng)不但能遺傳給子代甚至還引起子代個(gè)別性狀的變異。這說(shuō)明磁效應(yīng)是復(fù)雜的。因此，在應(yīng)用研究中應(yīng)對(duì)具體作物或品種產(chǎn)生正效應(yīng)的最佳磁處理劑量進(jìn)行大量探索，才能達(dá)到增產(chǎn)增收的效果。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)磁場(chǎng)處理的最佳參數(shù)，一般認(rèn)為糧食作物以0.1～0.2 T(特斯拉)為宜，蔬菜類(lèi)作物以0.2～0.4 T為宜?！　?o:p>

在磁處理技術(shù)參數(shù)的研究中，應(yīng)注意磁處理方式的差異。因?yàn)榇艌?chǎng)處理方式有恒定磁場(chǎng)、交變磁場(chǎng)和脈動(dòng)磁場(chǎng)，磁化水又有靜態(tài)磁化水、一次磁化水、二次磁化水等。處理方式不同，所產(chǎn)生的磁效應(yīng)也不同。另外，還應(yīng)考慮磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁化時(shí)間的關(guān)系，即在探討最佳磁場(chǎng)強(qiáng)度的同時(shí)應(yīng)注意最適的作用時(shí)間，以求能達(dá)到高效、省時(shí)、低成本。此外，參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的確定也很重要,多數(shù)報(bào)道認(rèn)為生理生化指標(biāo)中以酶活性變化較靈敏,其次是膜透性和葉片中水分的變化；形態(tài)指標(biāo)中以發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、根長(zhǎng)和產(chǎn)量指標(biāo)較可靠。對(duì)某一作物來(lái)說(shuō)，應(yīng)盡可能地將上述眾多指標(biāo)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行綜合分析，才能確定磁處理的技術(shù)參數(shù)?！　?o:p>

由于磁處理技術(shù)具有投資少、節(jié)能無(wú)污染、簡(jiǎn)便易行等特點(diǎn)，它有可能成為一種改善作物生理機(jī)能，提高抗逆性和產(chǎn)量的實(shí)用型農(nóng)業(yè)物理新技術(shù)。今后的研究可從下列幾個(gè)方面深入：

（1）磁處理對(duì)酶活性的影響，為搞清磁生物效應(yīng)提供理論依據(jù)；

（2）應(yīng)用研究中，應(yīng)開(kāi)展系統(tǒng)的田間試驗(yàn)；

（3）磁處理與作物抗逆生理（包括抗病性）關(guān)系的探討，重點(diǎn)是抗旱性和抗寒性的研究；

（4）磁性材料和磁處理器生產(chǎn)的研究。國(guó)外已有專(zhuān)門(mén)的磁處理種子儀器——種子促活機(jī)投放市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)雖有這方面的儀器，但與實(shí)際應(yīng)用還有較大的差距。