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空间电场调控植物生长与病害预防技术基本知识

(2012-03-05 23:42:39)
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空间电场

生物效应

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物理植保

除雾节能

杂谈

分类: 植物篇:温室与露地空间电场

空间电场调控植物生长与病害预防技术基本知识

刘滨疆

目录

1.生长的调控作用

2.病害的预防作用

3.藻类的预防

    用于植物生长调控的空间电场首先应该是一个正向空间电场,即在由电极线---地面组成的线板电容器中,电极线带有正电位,而大地则是零电位,处于其中的植物就生长在这个正向空间电场之中。这个正向空间电场具有调控植物的生长和预防植物病害的作用,其基本作用如图2.

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图2 正向空间电场的四个作用

    1.生长的调控作用

    大气电场也称自然电场,是地球环境中存在的一种自然现象,并对地球环境中的植物生长发育以及病虫害发生与发展产生着一种“无形”控制,它是继光、温度、水分、空气、土壤、肥料之后于上世纪九十年代才发现的新要素。大气电场的形成是由带负电荷的地球和带正电荷的电离层组成的类似于球形电容器产生的,因此,大气电场的方向指向地面,其强度随时间、地点、天气状况和离地面的高度而变。大气电场变化的规律性导致了植株定极吸收离子的规律。大气电场的脉动导致了植株对两种极性离子的交替吸收,人为实现电场的变化即可控制植株的生长速度。

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大气电场的任何变化都会引起植物体内的电解质各成分的重新分布,进而影响植物的生长。

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风是通过大气电场来改变植物植物对环境营养物质的吸收和排放状态的重要因子。

 

 

图3.空间电场仅对碳酸氢根离子和钙离子有驱动效果(国家自然科学基金项目研究结论)

技术说明:

   (1)空间电场强度的变化对植物吸收与输送离子的影响

    当正向空间电场强度提高时,即空间电场变化率大于零时,植物从土壤中、大气中吸收碳酸氢根离子、二氧化碳,而植株体内的钙离子则向根部运输或向土壤、营养液中释放;而当正向空间电场强度减弱时,即空间电场变化率小于零时,植物则从土壤、营养液中吸取钙离子并向土壤、营养液、大气排出二氧化碳。

    也就是说,空间电场可以通过钙离子来调控植物的多种生理活动,并通过电场强度的变化来调控光合作用强度。见图4.

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   图4 空间电场驱动植物吸收和输运钙离子的物理模型

 

    (2)持续的正向空间电场对根际氧含量以及光合作用增量的影响

    因为空气的微弱导电性,处在空间电场环境中植株会成为空气泄漏电流的导体,这一电流由布设于植物上方的电极线通过空气、植株流入土壤,当该电流从根系流入土壤、营养液中的时候会在根系与土壤溶液或根系与营养液形成的两相界面边界层内产生水分的微电解反应,其结果会导致根际环境中氧气浓度的提高,进而提高根系活力,这是正向空间电场环境中植物根系发达且活力高的一个基本原因,见图5、图6、图7。

    持续的空气泄漏电流还将导致碳酸氢根离子进入植株体内,进而在光的作用下而合成更多的碳水化合物,这是空间电场环境中植物高产的基本原因之一。

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图5 空间电场环境中根系活力高的机理解释

因空间电场泄漏电流的存在,根系处的土壤水分会产生微电解反应,水分子中的羟基会失去电子变为氧气,进而提高根际环境的氧气含量。

 

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图6 空间电场漂浮育苗营养液增氧机理的图示

技术说明:正向空间电场可以提高漂浮育苗模式中烟苗根际环境中的氧气含量

 

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   图7 营养液栽培槽的优化设计理论“深凹槽的电动力学分析模型

技术解释:槽体越浅或苗越高,空间电场的促进生长作用越好

    (3)空间电场的空气氮肥化作用

    高电压电极线和空间电场环境中的植物尖端均会在空间电场环境中电离空气,促使氮气转化为二氧化氮,并和温室的湿气结合生成极稀的硝酸型氮肥,这就是空间电场的空气氮肥化作用,也是空间电场环境中植物生长快的原因之一,见图8、图9.

空间电场调控植物生长与病害预防技术基本知识图8 空间电场的空气氮肥化原理

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图9 空间电场的空气氮肥化原理

    (4)延缓植物衰老与内源乙烯的消解

     因建立空间电场的电极线、植物尖端的放电作用,空气中会产生微量的臭氧,这些臭氧会与植物释放的乙烯发生反应生产二氧化碳和水,进而消除乙烯进一步的催熟和催化叶片老化的作用,其原理见图10.

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图10 空间电场环境中尖端和细电极线电离空气消解乙烯的电化学反应

   (5)空间电场间歇工作的好处
    在空间电场环境中,因空间电场采用的是间歇工作制,除了空间电场在建立和消失的时候能调节植物体内钙离子浓度以及碳素营养的吸收状况并以此改善植物的生长状态以外,设施内的湿气含量还会随着空间电场的消失而增加,这些湿气会在下一工作周期内变成带电荷的氮肥雨而滋润烟苗,进而促进烟苗生长,见图11。

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图11 间歇喷雾、静电喷雾等间歇工作方式可影响大气电场、空间电场的变化,进而促进植物的生长

技术说明:能够引起空间电场电场强度变化的因子除了设置间歇工作模式以外,另外的因子就是能够引起空气导电率的气象因子、土壤理化因子和引起电场分布的物理机械运动因子,见图12。

    (1)气象因子

    湿度、温度、气溶胶浓度、风速和风向等局地气象条件的变化都会引起空气泄漏电流的大小,进而引起空间电场场强的大小变化。电场强度的变化会导致碳素营养吸收的变化以及钙离子的传递方向,较为变化频繁的电场强度对植物的纤维化、生长速度和抗病力的提高均有促进作用。

    (2)土壤理化因子

    土壤水分含量的变化、土壤空气含量、电解质浓度的变化、原生动物的活动、土壤振动等可导致土壤介电常数变化的因子都可影响进入土壤的泄漏电流的大小,也会改变空间电场的分布,进而影响作物的生长。

    (3)物理机械运动因子

    在空间电场环境中,人和机械的走动、鸟与昆虫的飞翔等移动都会改变空间电场的电力线分布,进而调控着植物的生理活动,调节植物的正常生长。

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图12 多种环境理化生物因子调控大气电场场强的电动力学模型

 

    2.病害的预防作用

     正向空间电场预防植物病害的原理主要包括以下几个方面:

    (1)通过钙离子、碳酸氢根离子的输送调控,提高抗病力

    通过调节空间电场强度的增减形式就可以调控以钙离子为信使的生理代谢的活动强度,进而预防植物的多种生理病害,譬如缺钙引起的多种植物的心腐病以及果实的软腐病,并在增强果实硬度的基础上提高收获后的耐贮性。另一重要表现便是根系活力要高于普通环境中作物,根系亮白而发达,抵抗土传病害能力显著提高。

    通过设立正向空间电场以及采用间歇调控的模式,可以显著地提高植物在低温寡照的逆境中的生长能力,并能增强光合作用强度,提高同化产物向根系输送的数量,进而增强根系的呼吸作用以及吸收营养的能力,其终结果是根系的抗病力提高,这也是空间电场环境中植物的枯萎病、青枯病发生率减少的原因。

    (2)消除内源乙烯的老化作用,抑制嗜糖菌的生长

    建立空间电场的电极线以及植物尖端都可在空间电场环境中电离空气生成微量的臭氧,此环境中的臭氧浓度不会造成植物叶片的氧化损伤,但能将植物释放的乙烯分解掉,进而抑制叶片、果实的过早老化、成熟,同时抑制霉菌的活性,降低霉菌的发病率。

    (3)净化空气,切断了气传病害的传播渠道

    气传病害的传播方式包括三个方面:

    a.产孢器官向大气释放孢子;

    b.孢子随气流扩散:近程传播动力主要是植物冠层中或贴近冠层的地面气流或水平风力,一次传播距离在百米以下,所造成的病害在空间上市连续的或基本连续的,有明显的梯度现象。中程传播的动力来源于湍流或上升气流从植物冠层苔生到冠层以上数米的高度,再由近地面的风运送到一定距离后在落到植物冠层中,其一次传播距离几百米至几公里,其发病具有空间不连续的特点,通常菌源附近有一定量的发病,而距离源稍远处又有一定量的发病,两者之间病害中断或没有梯度传播特点。远程传播的动力主要来源于上升气流、旋风等抬升力,其力可将孢子抬升至距地面近千米以上高度,并形成孢子云,继而又被高空气流水平运送到上百公里至数千公里之外,最后靠锋面雨、湍流或重力作用而降落到地面,如小麦锈病。

    c.着落于植物体表:在温室内病害发生通常表现为中心式流行或点扩散,这是因为温室气候稳定,孢子传播均属于近程传播,着落的孢子形成初侵染并经两三代的高速繁殖和再侵染二形成发病中心,进而向外扩展,扩展方向和距离取决于温室通风和农事操作。初春以后随着温室频繁通风,往往还会造成病害的弥散式传播,这主要是因通风的湍流引起的温室内菌源的弥散,这时的菌源来源于温室内和温室外,发病初期就可以全田发病。

    空间电场的出现可以通过静电力抑制孢子的释放和传播,而那些着落在叶片上的孢子会因空间电场的叶片干燥作用而不得不休眠直至死亡。

    设立于植物生长空间的正向空间电场与我们熟知的静电场一样,具有空气净化的功能。其净化原理如下:带有高电位的电极线电离空气产生正电荷,正电荷与空气微生物气溶胶相结合并在静电力(库仑力)的作用下做定向移动,其定向移动轨迹延伸至任何接地物体,比如大地、植物。而新生的微生物气溶胶则被静电场抑制在原地而失去扩散能力。

    (4)电离空气产生的氧化剂的杀菌作用

    带有高电压的电极线电离空气产生的微量臭氧可以杀灭一部分空气微生物,进而降低空气微生物浓度,减少空气传播病害的发生率。

    (5)调节根际环境优势微生物菌群种类。

    在空间电场环境中,流过植物体内的电流会在根际产生水的微电解、氯离子的电化学反应,生成微量的氧气或氯气,进而改变根际环境中的微生物菌群种类和数量,进而预防一些土传病害的发生与发展,其原理如图5、图6、图13。

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图13 空间电场调节根际环境的理化与生物特性的机理说明

   3.藻类的预防

    使用空间电场设备预防营养液藻类繁殖的办法是直接使用电极线抵近水面进行电晕放电,其机理在于空间电场抑制了藻类孢子的扩散,但同时也会因为电晕放电产生的臭氧抑制藻类生长,不过此法对非水面漂浮的作物根系生长没有抑制作用,仅对浮萍等水面漂浮的植物生长和分生有抑制。

 

参考文献:

1.国家自然科学基金资助项目“低温低光强低CO2浓度下植物快速生长的电场条件的研究”(项目号:39060027)。

2.国家自然科学基金资助项目“静电场促生水培设备的多因子调控设计理论的研究及应用”(项目号:59267006的研究成果。

 

 



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