周浩 邱先進 徐建龍

（1長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，434025，湖北荊州；2中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)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(huán)、切割磁力線而形成的。在農(nóng)業(yè)上，磁化水應(yīng)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(jīng)磁化水處理后，農(nóng)作物具有生長周期短、果實顆粒飽滿、產(chǎn)量、品質(zhì)和營養(yǎng)成分提高、鹽堿地修復(fù)、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(nóng)業(yè)生產(chǎn)上開始應(yīng)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(nóng)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(jīng)濟和環(huán)境雙重效益的物理方法，磁化水處理器應(yīng)用了“法拉第”電磁場理論，水作為導(dǎo)體通過磁場時切割磁力線，產(chǎn)生電力勢，發(fā)生物理變化，進而產(chǎn)生電能，此時水被磁化，稱之為磁化水[7]。有研究[8-9]表明，經(jīng)磁化水處理后，水的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)都發(fā)生了變化，表現(xiàn)為表面張力降低、黏度增加、分子能更少、活化能更高、水更穩(wěn)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(fā)生斷裂，密度和吸光度逐漸增加[10]。水體結(jié)構(gòu)的改變是應(yīng)用了“布朗運動”的分子特性原理，在供水系統(tǒng)加裝儀器設(shè)備時，高速、持續(xù)產(chǎn)生微小高壓水柱撞擊金屬內(nèi)壁，使通過設(shè)備的水分子結(jié)構(gòu)發(fā)生鏈接性的改變，進而大分子團變?yōu)樾》肿訄F，更有利于植物的吸收[11]。

根據(jù)安裝方式的不同，磁化水處理設(shè)備可分為內(nèi)磁式和外磁式。常用設(shè)備屬于內(nèi)磁式，即水經(jīng)管內(nèi)部流動，優(yōu)點是操作簡單、投資少，缺點是不能調(diào)節(jié)磁場的強度，而精密連接電流的儀器設(shè)備更有利于對作物發(fā)揮作用[12]。目前，磁化水已經(jīng)在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)學(xué)研究和生物學(xué)研究等方面有了廣泛的應(yīng)用[10]。

2 磁化水處理器的不同效應(yīng)

許多研究者相繼開發(fā)了高能水或磁化水處理設(shè)備裝置的專利產(chǎn)品，其中芽期和苗期試驗所用的磁化水處理設(shè)備簡單，易操作，只需將磁化水設(shè)備安裝于水龍頭，便可使普通水流出時產(chǎn)生磁化作用[13]。該設(shè)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(nóng)作物增產(chǎn)增收的效果[11]。目前，有報道磁化水在種子萌發(fā)、秧苗生長和大田栽培應(yīng)用中可起到滅菌殺毒、抗病蟲害、提高產(chǎn)量和品質(zhì)、改良土壤特性的效果，但多數(shù)研究結(jié)果顯示，其作用并無一致性的規(guī)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(fā)現(xiàn)，磁化水處理后種子發(fā)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(guī)格的設(shè)備、水流速度、磁場強度及磁化時間等因素在應(yīng)用于不同作物和品種時產(chǎn)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(fā)生儀，通過磁化水灌溉可增加水稻產(chǎn)量，改善稻米品質(zhì)，提高生產(chǎn)效益。類似地，王全九等[18]發(fā)現(xiàn)，外置永磁式磁化器對土壤特性產(chǎn)生影響，能起到改良土壤的作用。

3 磁化水對農(nóng)作物生長發(fā)育的影響

磁化水應(yīng)用于農(nóng)作物，全生育期包括從種子萌發(fā)、秧苗生長、營養(yǎng)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(chǎn)量及品質(zhì)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(nóng)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(jié)構(gòu)、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(shù)對改良土壤理化性質(zhì)、降低土壤鹽漬化、保水保肥及增產(chǎn)增收具有促進作用[20]。有研究[21-22]證明，磁化水產(chǎn)生的磁場梯度比磁場強度本身更重要，其對不同土壤結(jié)構(gòu)的滲透能力影響不同，經(jīng)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(fā)育過程中，施肥或噴施農(nóng)藥使得鉛（Pb）和鎘（Cd）等重金屬富集于根系，并經(jīng)過主莖和葉片大量帶入植株體內(nèi)，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(fā)現(xiàn)，利用灌溉水工藝處理，對農(nóng)作物的土壤修復(fù)和后期稻米品質(zhì)發(fā)揮了有效協(xié)同作用。并且用磁化水滴灌，經(jīng)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(zhì)，改善土壤結(jié)構(gòu)，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(fā)育[26-29]。磁化水處理還在黃瓜[30]種植土壤中起到不易板結(jié)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(jīng)過磁化水灌溉可以提高植物對Cd的修復(fù)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(zhì)交換。

3.2 對種子萌發(fā)的影響

磁化水處理會影響作物種子發(fā)芽和幼苗的生長。研究[35-36]證明，經(jīng)過磁化水浸種的水稻種子，種子發(fā)芽率和萌發(fā)系數(shù)明顯提高。此外，磁場處理水稻種子，經(jīng)水分極性運輸攜帶較多的微量元素，如Fe、Mg、Zn等物質(zhì)，有利于種子萌發(fā)，出苗率齊，達到秧苗素質(zhì)高、種苗后期生長健壯等效果[37]，并且對經(jīng)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(chǎn)生了明顯的影響。磁化水處理對農(nóng)作物種子萌發(fā)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(fā)了種子內(nèi)物質(zhì)的活性，從而表現(xiàn)出萌發(fā)相關(guān)參數(shù)的提高[43-44]。

3.3 對生長指標的影響

經(jīng)過磁化水處理后，植株的形態(tài)等各項指標均發(fā)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(xiàn)在株高、根長、莖粗、劍葉面積和干物質(zhì)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(yǎng)生長期增加植株干物質(zhì)積累，促進有效分蘗的發(fā)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(jié)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(jù)[51-52]表明，在磁場和電磁場作用下，磁化水對植物的形態(tài)發(fā)生、種子萌發(fā)以及幼苗生長發(fā)育產(chǎn)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(fā)育產(chǎn)生影響，這或許正是磁化水灌溉對農(nóng)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(shù)農(nóng)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(fā)現(xiàn)，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(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，磁場下可誘導(dǎo)葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和總?cè)~綠素含量發(fā)生變化。

3.5 對根系性狀的影響

磁化水灌溉對農(nóng)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(chǎn)物在根系中得到轉(zhuǎn)運。水稻植株生長健壯離不開根系吸收和供應(yīng)的營養(yǎng)物質(zhì)，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(jīng)磁化水育秧后的秧苗，根系生長好，表現(xiàn)為根體積、最長根長及根數(shù)的增加[59]。經(jīng)過磁化水灌溉的番茄根系發(fā)育快，健壯發(fā)達，吸收能力強，有效促進其生長發(fā)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(tài)建成具有明顯的促進作用。

3.6 對產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

衡量作物產(chǎn)量的指標為單株產(chǎn)量或單位面積產(chǎn)量，不同作物的產(chǎn)量構(gòu)成因素不同。從水稻育秧開始使用磁化水，經(jīng)移栽后再用磁化水灌溉，表現(xiàn)為分蘗能力增強、出穗早、成熟快和產(chǎn)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(chǎn)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(yǎng)元素，有效促進分蘗的發(fā)生，有助于后期干物質(zhì)的積累，從而促進籽粒的灌漿和結(jié)實[64]。磁化水灌溉提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的生物學(xué)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?yōu)樾》肿訄F，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?shù)哪芰?，有助于維持作物根系和莖的功能，促進其對營養(yǎng)的吸收，最終提高產(chǎn)量和改善稻米品質(zhì)[65]。不同作物品種、環(huán)境因子及地塊的試驗結(jié)果為磁化水灌溉的生物學(xué)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(yǎng)分吸收、利用與轉(zhuǎn)化輸送到作物體內(nèi)，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(zhì)積累量增多，進而提高了營養(yǎng)品質(zhì)（表1）。

表1 磁化水灌溉對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響Table 1 Effects of magnetized water irrigation on crop yield

4 磁化水對農(nóng)作物生理特性的影響

磁化水對農(nóng)作物所表現(xiàn)出的生理活性特征主要集中于種子萌發(fā)階段，磁化水浸種可使植物在物質(zhì)吸收、轉(zhuǎn)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(chǎn)生差異。通過磁化水處理試驗，刺激種子萌發(fā)的生理生化機能，加速苗期植株生長，使其在特定的環(huán)境下適應(yīng)不同生物學(xué)效應(yīng)，促進其穩(wěn)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(fā)，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(zhuǎn)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(jīng)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(fā)時的呼吸速率[74-75]。研究[2]還發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)生了影響，使水稻葉片和莖稈等外觀發(fā)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(nèi)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(fā)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(nèi)部會吸脹，隨吸水程度增高，生理活性發(fā)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(nèi)的生長物質(zhì)。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(zhuǎn)化為可溶性糖的過程是種子萌發(fā)速率產(chǎn)生變化的關(guān)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(jīng)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(jié)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(zhuǎn)變?yōu)殡x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(yǎng)分幾乎都是通過根從土壤中獲得，且根系吸收營養(yǎng)元素以離子態(tài)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(fā)現(xiàn)植株體內(nèi) N+、P+、K+、Ca2+和 Mg2+等礦質(zhì)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(yǎng)分離子，經(jīng)過酶的催化，加強了光合作用暗反應(yīng)，使水稻植株獲得更好的營養(yǎng)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(yè)等[61]利用磁化水灌溉葡萄，結(jié)果增加了其葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)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(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用在國內(nèi)外已經(jīng)有了一定的研究基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)磁化水浸種、灌溉和水培幼苗處理對農(nóng)作物具有一定的生物學(xué)效應(yīng)，在田間大面積試驗中也獲得不少成效，主要表現(xiàn)為增加水稻分蘗數(shù)，提高葉片葉綠素含量，促進籽粒灌漿，增加產(chǎn)量，改善稻米品質(zhì)，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(shù)對水稻及其他農(nóng)作物的生長發(fā)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(chǎn)的儀器設(shè)備，磁化水的磁場強弱需要控制在一定范圍內(nèi)才能發(fā)揮明顯效果，超過一定范圍會有抑制作用；（2）磁化水對農(nóng)作物的作用機理不清晰，磁化參數(shù)難以選擇，試驗操作方法和標準也不統(tǒng)一，試驗效果難以保證；（3）在干旱地區(qū)，應(yīng)用磁化水灌溉需配套膜下滴灌和漫灌方式，設(shè)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的操作應(yīng)著重以下3點：（1）進一步規(guī)范、統(tǒng)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(yīng)用磁化水促進水稻及其他農(nóng)作物大面積增產(chǎn)增收提供更多的科學(xué)理論和技術(shù)支撐；（3）進一步優(yōu)化磁化水灌溉技術(shù)，提高生物學(xué)效應(yīng)，促進大面積的推廣應(yīng)用。