| 生物磁學在農作物生產中的應用 |
生物磁學是近幾十年發展起來的一門研究磁性、磁場與生物特性和生命活動之間相互聯系及相互影響的邊緣學科。目前，已在醫學、農業、環保及生物工程等領域得到較廣泛應用。 在農業科學領域內，磁場和磁化水處理農作物及其產生的磁生物效應已引起人們的關注， 這方面的研究不但提供了農作物增產的新途徑,也豐富了生物磁學研究的內容, 已成為生物磁學中一個十分活躍的領域。 但由于其作用的復雜性和廣泛性, 作用的微觀機理還不很清楚， 應用技術還有待于大量探索和突破。 因此， 進一步開展生物磁學在農作物上的應用研究，不僅在理論上有重要意義， 而且在生產上也有重大的應用價值。
生物磁效應早在我國古代就被人們認識并最先應用于醫學領域［1］。到了近代，生物磁現象引起了國外的廣泛注意和研究,并逐漸形成了一門新興邊緣學科［1,2］。60年代生物磁學得到了深入發展和廣泛應用，國外開始了磁化水和磁場在農業上的應用［2,3］。我國于70年代中期也開始了磁化水浸種和灌溉試驗［4～6］；80年代開始了磁場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的作用機理［10～13］；90年代后開始注重磁處理對作物抗旱性和抗寒性的系統研究［14～16］，同時，用于大面積農業生產的磁性肥料投放市場。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，先后研制成了磁化種子器（烏蘭巴拉，1986，內蒙）、磁化噴霧器（張澤民等，1988，河南）、磁種子處理機［2］、磁性犁［17］和磁學實驗儀［18］,為生物磁學在農業上的應用研究和實際生產提供了便利條件。
生物磁學在農業上的應用研究范圍涉及到主要糧食作物、果樹、蔬菜、食用菌和家畜、家禽飼養等方面。在農作物上的應用，主要有磁場直接處理作物種子，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體生長發育和群體的產量增加，而且涉及到細胞水平、酶水平和基因表達、分子構象等變化的探討。世界上對此研究較多的國家有俄羅斯、美國、印度等國，國內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。
磁場處理是指利用適當強度的磁場在作物播前處理種子，或者在浸種、發芽、育苗和生長的某些過程中施加一定的磁場。其中磁場處理作物種子是近20多年來生物磁學中研究較多的內容。大量的研究表明，磁場處理對農作物生長發育和增產有一定的促進作用。小麥種子經磁場處理后可使發芽勢提高21%，發芽率提高28.2%，幼苗高度和根長分別增長25.3%和38.5%，產量增加8.1%～23.3%［19～21］。磁場處理玉米后，苗期的根數和根重比對照生長快，株高、莖粗、莖葉鮮重及葉面積與對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］。脈動磁場處理高粱種子后，可使發芽率、芽長、根長分別增加13.7%、11.2%和13.8%,使高粱早出苗1～2 d,千粒重提高11.62%［23］。磁場處理在油菜、大麥、甜菜、花生、大豆、水稻、棉花等作物上也有類似效應［5,8,20,24～26］。
磁場處理不但影響作物的生長發育和產量，而且還影響到子代種子的品質。賴光新和國興民［27］報道，經磁場處理種子，收獲后的麥類、大豆籽粒的蛋白質、氨基酸含量分別增加1.3%～2.0%和1.4%～42.1%。張紹武等［28,29］報道，磁場處理后，小麥、玉米籽粒中賴氨酸的含量也發生了明顯改變。
磁化水是指將普通水靜置于磁場或以一定的流速垂直地經過磁場的水。前者稱為靜態磁化水，后者稱為動態磁化水。磁化水在農作物上的應用，近20年來，在國外發展很快。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量［1～4］。我國用磁化水浸種和灌溉，在大多數作物上表現出顯著的增產效應。王書良［30］用磁化水浸種和灌溉玉米，產量提高7.22%～15.08%。水稻利用磁水浸種、灌秧和大田，其發芽勢顯著提高，分蘗率、株高和千粒重明顯增加，產量增加8%～23%［5,12,31］。我們用磁化水浸種使小麥種子的發芽勢、一級分蘗數、次生根數、株高、有效穗數和千粒重分別提高了12.2%、13.7%、70.3%、10.2%、17.1%和4.3%，增產6.0%～24.4%；玉米增產6.0%～17.5%［32］。磁化水對其他農作物和蔬菜也有明顯的增產作用，可使大豆、甘薯、花生、油菜分別增產40%、87.5%、22.5%和11.1%；蔬菜增產10.1～57%［1,4,5,33］。
磁化水還可改進某些作物的品質。國家計量所用磁化水種植的水稻，粗蛋白含量增加1.2%，賴氨酸含量提高0.04%［1］。桂林市用磁水澆灌甘蔗，含糖量增加30%，增產25%［4］。
磁性肥料是農業上應用較多的一種磁性材料。它是以作物生長發育所需的營養元素為主，加以適量的粉煤灰和少量的磁性物質作成的肥料，通稱為磁化肥。利用磁化肥可使小麥次生根增加36%，千粒重增加
磁處理能顯著提高大多數作物種子的發芽勢和發芽率，使萌發時呼吸速率提高4～5倍［7,8,20］。發芽勢的高低直接反映種子生活力的強弱，表明萌發過程中吸漲、代謝、酶促反應的強弱快慢。顯然，磁處理加速了這些過程的啟動和進程。發芽率越高,種子播后出苗率越高；出苗越早，越有利于根系的生長和壯苗的形成。
我們的研究表明，磁水浸種后小麥發芽勢的提高幅度大于發芽率的幅度，種子根的伸長大于根數的增加。表明磁處理對種子萌發的作用，主要在“吸脹”到“露白”階段，并主要促進已有組織器官量的增長，而對新組織器官生成的作用較小［36,37］。不同作物和不同品種，磁處理萌發的效應不同。大致的趨勢為：大豆、花生等油料種子的磁效應高于小麥、玉米等淀粉種子；陳種子的磁效應大于新種子；種皮堅硬的種子大于種皮薄的種子［8,25,38,39］。我們的研究還表明，磁場和磁化水共同作用效果大于磁水浸種的效果，又大于磁場直接處理干種子的效果（另文發表）。
磁處理后，作物幼苗的種子根和次生根數顯著增加［7,9,17,21,36］。進一步研究表明磁場能增加細胞有絲分裂的頻率，提高根尖區RNA的含量，促進根伸長區細胞體積增大和胚根的伸長［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，體內吲哚乙酸氧化酶的活性降低，這對葉內吲哚乙酸水平的提高有利，因而莖葉的生長加速。田文勛等［12,31］用磁化水浸泡水稻種子可明顯地增強稻種的吸水能力，用磁化水培育稻苗顯著地促進稻苗對N、P、K的吸收。由于吸收水分和養分的能力加強，以致葉面積增大，葉綠素含量增加，光合作用加強［12,25,30,36］。幼苗積累較多的有機物質，反過來又促進壯苗的形成和分蘗的增多［12,36］，這就為生殖生長奠定了堅實的基礎。
劉思春等［15］通過模擬全生育期干旱的盆栽試驗的結果表明，磁處理后小麥葉組織內的含水量、自由水和束縛水的含量都隨磁場強度的增強而增大，干旱脅迫時的保水力增強。我們的研究表明，低場強磁水浸種時，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，葉內脯氨酸含量明顯增加，細胞膜透性降低，葉片保水力增強，并且干旱年份的增產率顯著大于正常年份［36］。有關研究還表明，磁場和磁水增強作物幼苗的抗逆性，與超氧化物岐化酶、過氧化氫酶和谷胱甘肽等自由基清除劑的活性和濃度有關［13,43,44］。
此外，同一作物不同類型的品種，磁處理對其抗旱性的影響不同。我們的研究表明，在低場強磁水浸種時，抗旱、抗寒性強的小麥品種增產幅度大于喜水弱冬性的品種；高場強磁水浸種時效果則相反［36］。習崗等人［45］從酶活力、蛋白質含量和幼苗活力等方面也指出了這一點。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白化苗現象［23］。
磁處理對作物經濟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、大豆等作物經磁處理后，每株粒數和粒重都顯著增加［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的增加最顯著，其次是千粒重，穗粒數則不顯著；在玉米上主要是每穗粒數和千粒重的增加，干旱條件下也可增加多穗型品種的每株果穗數［32］。磁處理也能增加植株的高度。在磁場處理后的土壤上播種小麥，出苗20d后，苗高比對照增加21.6%～19.1%［21］。磁水浸種后的玉米，成熟時株高比對照增加4.5～
任何物質，小到離子、電子，大到宇宙都具有一定的磁場。同樣，由核酸和蛋白質等多分子系統構成的生物體也具有磁場。在地球這個大磁場中，生物體內能量的傳遞和物質的交換都與體內電荷行為有關，外界磁場的變化必然影響生物體的新陳代謝。這是磁場效應的基本原理［1］。水在普通情況下，分子電流呈紊亂分布而使水表現為中性。當水分子受到磁場作用時，分子電流出現規律性分布，水分子及水中的雜質離子(如Ca2＋等)便獲得磁能［46］。磁水的電導率、滲透壓、表面張力與粘度、溶解氧的含量、pH值、pH化學位移及光學性能均發生變化［1,8,44］，從而引起一系列的生物學效應。
在分子水平上研究磁生物學效應的結果表明，磁處理可以影響作物體內多種酶的活性。例如，小麥、水稻和玉米等作物種子經磁處理后，總淀粉酶活性提高3.82%～32.65%，α-淀粉酶提高7.87%～70.2%，過氧化氫酶提高27.97%～63.5%［17,30,43,45］。Aksyonov等人［38］應用低頻磁場對小麥種子進行短時間處理后，種子中酯酶由抑制狀態向活性狀態轉變， 并促進種子休眠的解除。 磁處理后， 作物體內過氧化物酶同工酶的帶數增加1～2個， 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［43,44,47］。 我們的研究表明， 小麥經磁水浸種后， 幼苗和幼穗中的過氧化物酶同工酶活性都有增強［36］。 磁處理對酶的影響與磁處理后酶分子的空間構象變化［48］、酶結構中金屬原子的順磁性和酶蛋白半導體性變化有關［44］。酶活性及數量的變化反映了磁處理對作物基因的表達。
作物經磁處理后，由于酶活性的變化，加快了體內生化物質的代謝。薛毓華等［11］用磁場和磁化水處理小麥和番茄種子，發現磁處理使幼苗體內的AMP、ATP和DNA的含量明顯提高。磁處理對光合作用的影響，與磁場對光系統Ⅰ的原初反應和光系統Ⅱ的熒光產量變化有關［44］，促進生長的機理可能與提高早期代謝中的氧化磷酸化有關［39］。同時，種子和幼苗體內的一些有機酸、激素、氨基酸含量也發生變化［8,20,27,42］。這些變化最后引起植株可溶性蛋白質和糖分含量的提高［5,21,27,45］。
用磁化水灌溉和施用磁化肥，能使土壤酶的活性增強，土壤中根瘤菌、固氮菌、無機磷細菌等細菌的數量明顯增多，從而改善土壤有效養分狀況，提高肥力，增加作物對水分和養分的吸收能力［1,5］。據報道，磁化水灌溉的大豆地比對照區的根瘤菌、固氮菌多3倍［4］。陳鐵平［9］認為，磁化肥的增產機理是營養組分全面合理和獨特的剩磁作用。
總之，磁處理可以從電子、分子到細胞的各個層次以及在基因、酶、激素等各個方面對作物施加影響。李國鳳等［10］認為，磁作用的基本模式可能是磁場→基因→酶→代謝→結構與功能。當然，由于生物磁學的復雜性和作物對象的多樣性，磁生物效應的機理還需進一步深入研究。
磁處理對作物有促進種子萌發、幼苗生長和增產的作用，但對不同作物或品種的具體性狀和理化指標的作用效果不完全相同甚至相反。多數報道認為，磁處理能促進種子萌發，使株高和產量增加，生育期縮短。但也有報道指出，磁處理在個別作物上卻表現出種子萌發受抑，株高和產量降低，磁效應不但能遺傳給子代甚至還引起子代個別性狀的變異。這說明磁效應是復雜的。因此，在應用研究中應對具體作物或品種產生正效應的最佳磁處理劑量進行大量探索，才能達到增產增收的效果。目前，國內外對磁場處理的最佳參數，一般認為糧食作物以0.1～0.2 T(特斯拉)為宜，蔬菜類作物以0.2～0.4 T為宜。
在磁處理技術參數的研究中，應注意磁處理方式的差異。因為磁場處理方式有恒定磁場、交變磁場和脈動磁場，磁化水又有靜態磁化水、一次磁化水、二次磁化水等。處理方式不同，所產生的磁效應也不同。另外，還應考慮磁場強度和磁化時間的關系，即在探討最佳磁場強度的同時應注意最適的作用時間，以求能達到高效、省時、低成本。此外，參數標準的確定也很重要,多數報道認為生理生化指標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；形態指標中以發芽勢、發芽率、根長和產量指標較可靠。對某一作物來說，應盡可能地將上述眾多指標結合起來進行綜合分析，才能確定磁處理的技術參數。
由于磁處理技術具有投資少、節能無污染、簡便易行等特點，它有可能成為一種改善作物生理機能，提高抗逆性和產量的實用型農業物理新技術。今后的研究可從下列幾個方面深入：
（1）磁處理對酶活性的影響，為搞清磁生物效應提供理論依據；
（2）應用研究中，應開展系統的田間試驗；
（3）磁處理與作物抗逆生理（包括抗病性）關系的探討，重點是抗旱性和抗寒性的研究；
（4）磁性材料和磁處理器生產的研究。國外已有專門的磁處理種子儀器——種子促活機投放市場，國內雖有這方面的儀器，但與實際應用還有較大的差距。
