近30年植物生理学、地球物理学的最大发现：大气电场的生物效应 我们知道温度、阳光、水分、肥料是植物生长的四大要素，然而就在1989-1994年间国家自然科学基金资助的两项基础研究项目：“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”(项目号批准号：59267006 )；“低温低光强低CO2浓度下植物快速生长的电场条件的研究”(项目批准号：39060027 )的研究揭示了大自然隐藏的另一秘密：自然界中的植物生长以及病害的发生频度原来还要受到大气电场的控制。

1.大气电场形成的基本过程

 

科学探测表明我们居住的地球环境中，地球带负电荷、电离层带正电荷，这样我们生活的空间就有了大气电场。通常，晴天的时候，大气电场为正向空间电场，即场强方向指向地球。这个空间电场对生长于其间的植物具有显著地生理作用。

2.地球大气体系的静电参数

根据大气电现象的研究表明，从静电角度来看，地球和大气近似形成一个漏电的球状电容器，如图1、2所示，其中地球表面带负电，大气带正电，距地表50公里高度以上的大气由于电离程度很高，可认为是一个理想导体。由大气电测量表明：接近地球表面的电场是垂直指向地球表面，在晴天情况下，其数值约为　E₀(r₀)=100伏/米，而地球表面上的电荷密度-8.85×10^-10库仑/米²，地球表面上携带总负电荷量为4.51×10⁵（库仑），大气的电流密度约为-3×10^-12（安/米）²。

 

已知地球表面与电离层的电压及大气中的电流，便可求出大气中消耗的电功率P=5.2（亿瓦）。提供5.2亿瓦电功率的电源是大气中的雷电！因此常说，大气是一部分忙碌工作着的电机。

3.植物生物电流形成的电动力学模型

 

大气中的电荷在大气电场作用下移动，产生1350安培的稳定电流，从而把正电荷输送到大地上，则地球上的负电荷将迅速被中和，为什么地面上的总电量 库仑能保持恒定呢？回答是：地面上空频繁的雷电把负电荷带到地球上，维持地面的总负电量不变。雷雨云的上部一般带正电，下部带负电，云地间放电时，给地球带来负电，据估计在全球范围内，平均每妙约100次雷电，保持地面负电荷的稳定性。值得指出的是大气电场强度的迅速变化可引起植物的生理生化变化，进而促进作物的生长。

4.植物光合作用的大气电场调控原理

 

在空间电场强度不太强及植物生活体系总电导率不变的条件下，感应的Ca2+输运电流?的变化仅取决于空间电场强度的变化。在?t的任何时间段内，实现定极性多量输运Ca2+的电动力学模型为：

=–{ｒ/(t2_t1)}∫t1E′(t)dt

式中表示：当电场强度变化率E?(t)>0时，植株形态学上部的Ca2+阳离子下移，栽培基质中和根区的HCO3—阴离子上移。当电场强度变化率E?(t)<0时，植株形态学上部的HCO3—等阴离子下移，栽培基质中和根区的Ca2+阳离子上移。

1.当E’ (t)>0时， HCO3- 由叶背面、土壤中被驱动进入叶的上表层和植物体内、而当E’ (t)<0时， HCO3-则由根进入土壤中。
2.空间电场与二氧化碳同补可出现产量倍增效应。

 

模拟大气电场变化的空间电场与二氧化碳气肥联合调控植物生长的系统

当空间电场强度足够强时，HCO3—阴离子响应电流的变化除受图式中参数的变化影响外，更取决于空间电场的极性，即空间电场强度的方向。

植物吸收空气中CO2的一般过程先是CO2通过扩散和质流进入叶片背面气孔的，然后再水解为HCO3—阴离子。当电场强度变化率E’(t)>0时或高强度空间电场场强方向指向地面时，叶片气孔中的HCO3—阴离子受驱动迅速穿越胞壁进入叶肉细胞，依据扩散和质流的原理，空气中的CO2就会迅速涌入，这一过程将会表现出密闭空间空气中的CO2浓度迅速降低，同时，根区土壤中的HCO3—阴离子同根系排出的大量阳离子相交换而进入植物体内。当电场强度变化率E’(t)<0时或高强度空间电场场强方向指向天空时，植物体内大量的HCO3—阴离子受驱动迅速向根区及根区土壤中输运，土壤中大量的阳离子也同其交换而进入植物体内，同时，植物体内也有少量的HCO3—阴离子受驱动而由叶片背面气孔中排出，以上过程将表现为密闭空间空气中的CO2浓度略有增加而植物体内HCO3—阴离子量的减少幅度却很大。

 

图式中，v、r、γ、γ1分别为布设在植物上方的电极线与地之间的电位差以及其间的气柱电阻、总电导率和植物生活体系总电导率。表明植株体内离子响应电流的大小由空间气体的电学参数及栽培基质、植株体本身的电学参数的变化决定，也就是环境中任一因子的变化都会影响植株体内离子肥料的浓度和分布。因此，特殊变化的空间电场及作用于该空间电场中的环境因子的变化均可改变植株吸收离子养料和同化物的运输状态。

只要空间电场变化，植株的各种生理活动状态均将发生改变。设置特定变化的空间电场即能对植物的吸收、同化物的运输及多种生理活动进行调控。

5.大气电场与植物的生长方向

 

地球表面生长的植物受大气电场和重力的联合作用，并在水分蒸发逃逸的方向上呈现垂直生长的特点。脱离了大气电场的作用或脱离了重力作用，植物生长会严重地失去方向感。

 

这是生长在果子沟山坡上的塔松，，仍然直冲天空。

6.大气电场与旱作农业高产栽培模式的发现

 

对于干旱地区，采用高垅沟种是丰产的重要技术措施，其电动力学模型则为深凹槽的静电屏蔽原理：在凹槽的两个内角处，空间电场或大气电场强度接近零，此处的水分蒸发速度极慢，因此把植物种植在这个位置是非常科学的。考虑到水分的热蒸发和土垄静电屏蔽保水能力的平衡，故建议在旱作农业地区把植物种植在沟底背阴处最为科学。如果种植在垄顶，只有那些具有发达根系的植物才能生长。

 

整个夏季无水灌溉的沟种植物：仍然活着

 

机械化起垄

7.大气电场引发的聚水和产生氧气的电动力学原理

 

在大气电场的作用下，植物的根系会产生微量的氧气，其原因就是大气电场引起的植物根系水分的微电解，电化学反应式如图中所示。同时，空气中的雾气会聚向地面。

 

没有设置空间电场发生系统的香菇房

 

模拟大气电场变化的空间电场发生系统：温室电除雾防病促生系统空气聚水效果（香菇房）

 

未启动空间电场发生系统时温室的雾气茫茫

 

空间电场发生系统启动15分钟后的现场：温室电除雾防病促生系统空气除雾聚水效果

8.理论应用

大气电场调控植物生长的基础理论研究揭示了空间电场的植物生长发育调控机理，这一成果极大地推动了空间电场调控植物生长技术的发展和应用。大气电场或空间电场作为又一人类能够操控植物生长发育的环境因子已经在生产中广泛应用，并成为保障无毒蔬菜生产的物理植保系统的核心技术，其技术装备也是建立环境安全型温室的关键设备。

 

温室上方橘黄色绝缘子吊挂的电极线与地面组成了线---板电容器，通电后就建立了空间电场

 

空气质量极好，完全不用农药

 

空间电场环境中生产的生菜

 

空间电场/二氧化碳同补环境中的番茄苗

 

模拟大气电场建立空间电场调控植物生长与防病的3DFC-450型温室电除雾防病促生系统