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中国科学家在全国用高压电种菜30年,产量惊人,这是什么操作?

日期:2019-09-07    来源:科普中国

国际电力网

2019
09/07
10:57

关键词: 中国农业科学院 电气栽培 高压电网

   电在自然界里无处不在,地球上的所有动物都需要电,因为动物的神经信号是电信号,人类的每一个思想都伴随着神经元放电。所以很自然的,一些科学家猜想,电或许也和植物的生长有关。不过,由于植物没有神经系统,所以它们需不需要电流一直是一个引发争议的问题。

  杭州的电气栽培草莓 @刘滨疆/SCMP
  但是在2018年8月,中国农业科学院和国家政府机关公布了不同气候、土壤和种植条件下30年电网种菜——电气栽培实验的结果,中国农业科学院称这是一次大突破。
  中国农业科学院从90年代开始就在试验电气栽培。农科院的研究者在地面上3米处支起了裸露的铜电网,通入了5万伏的快速脉冲电流。5万伏特是一般家庭电压的200倍。
  农科院的电网种菜示意图
  根据《南华早报》的报道,该项目的主要领导者之一刘滨疆教授表示,电网中的电流只有一安的百万分之一,“对植物和附近的人没有危害”。从戈壁滩到东部沿海的3600公顷大棚参与了中国政府支持的电气栽培项目。
  他们发现,使用电气栽培处理后的作物产量上涨了20-30%,而且这个数字是在减少使用农药70-100%,减少使用化肥20%的情况下得到的。
  电网种菜真有这么神奇吗?
  北极极光引发的电网种菜浪潮
  关于电气栽培,英国帝国理工学院的植物学家Andrew Goldsworthy表示:“学术界争议很大,支持派和反对派谁也说服不了谁。在二战前,关于电气栽培的话题就逐渐销声匿迹了。”
  但实际上,美国专利及商标局还设有专门的电气栽培分类,可以在plant husbandry类目下的1.3条看到电气栽培的条目。
  美国专利及商标局关于电气栽培的分类
  不过正如Goldsworthy所说,过去许多研究显示,人工电力的效果不太稳定,有时甚至有反效果。
  早在1746年,爱丁堡的Dr Maimbray给桃金娘树枝通了一个月的电,他观察到它们又长出了新枝条。这个消息传遍了欧洲大陆,许多人开始模仿,但是结果不一。
  后来在1902年,电气栽培的先驱、芬兰赫尔辛基大学的地球物理学家Karl Selim Lemstr?m也注意到,北极极光下的植物生长比温暖气候中的植物更为迅速。
  这个观察给了他灵感,他在植物上方搭设了一个电网,电网产生每米10千伏的电压。Lemstr?m发现,在电网下植物生长欣欣向荣,产量是预期的1.5倍。在1904年他将这项关于电气栽培的研究发表了出来。
  Karl Selim Lemstr?m的电气栽培技术
  Lemstr?m的研究引发了欧洲许多国家的效仿。
  1900年《自然》的一项报道指出,俄罗斯的一些科学家曾经用电气法对樱桃和大麦的种子进行了催芽处理,效果不错。
  俄罗斯工程师V.A.Tyurin的研究发现,种子通了电以后,长得比没通电的种子更快更好。他还在土里埋上用电线相连的铜板和锌板种菜,这样种出来的土豆的重量是普通土豆的3倍,胡萝卜直径可以长到25厘米那么粗。
  另一位俄罗斯工程师M.Spyeshneff则在庄稼上面架设了一个电网。他发现,在电网下大麦的生长和成熟速度加快了12天。
  相互矛盾的英美研究
  在Lemstr?m的研究的激励下,英国帝国理工学院的植物学家Vernon Blackman也做了一些类似的试验。
  在1915-1920年间,他也在燕麦、大麦、晚播冬小麦、苜蓿和牧草混合地上架设了电网,每天给电网通6小时的电,电压为40-80千伏。
  Blackman对电网种菜的效果深信不疑,因为在他的18片试验田里,有14片的产量增加了,有9片试验田的产量比预期高出30%。和没有通电的种植田相比,上方通电的燕麦和大麦产量增加了22%。后来,Blackman还用交流电替代直流电,得到了类似的结果。
  他还发现,如果给植物通10皮安(10x10-12安培)的电流,就能促进植物的生长,但是高于10纳安(10x10-9安培)的电流则会阻碍植物生长。
  虽然这听起来很疯狂,但是当时的主流社会和学术界信以为真,因为Blackman是荣誉教授,而且还是英国皇家学会会员。
  英国农业、渔业和粮食部甚至还成立了一个电气栽培委员会,专门研究电气栽培的可行性。
  委员会成员包括了物理学家、生物学家、电气工程师和农业学家,其中6位来自皇家学会,包括一位诺奖获得者,还有一人是当时英国电力委员会主席John Snell爵士。
  而电气栽培委员会得到的研究结果则好坏掺半,这从研究的18年持续时长(1918-1936年)以及最后的被迫解散的命运就可以看出来。
  1920年,委员会做了12个田地试验,其中11个得到了积极的结果,其中8个实验的增产数据是30-50%。不过,接下来的2年的数据却惨不忍睹,因为1920年雨水过多,而1921年又太干旱。
  1922年,委员会决定放弃大型实地研究,转战温室盆栽。他们把作物种到花盆里,并在上方架设电网。
  那时候,委员会又得到了惊人的数据——电气栽培的作物产量高于控制组,其中一盆增产118%。但是在接下来的13年里,数据却向相反的方向倾斜。比如,在1926年73%的作物减产,1932-1935年间没有增产的迹象。
  而美国同时期由美国农业部主导的一项研究也没有发现电气栽培有什么效果。因此在1936年,电气栽培委员会被解散。
  中国农科院的电气栽培温室@刘滨疆/SCMP
  但是后来,电气栽培学陆续得到了一些支持性的结果。
  1962年,加州大学伯克利分校的生物医学家Albert Krueger发现,电离的空气的确增加了燕麦的蛋白质和糖含量。
  Goldsworthy本人曾在80年代做过不少电气栽培的研究,他发现电气栽培在某些情况下的确能促进植物生长,但是由于操作非常复杂,应用前景不太明朗。
  Goldsworthy和同事Minas Mina用高于天然电流几倍的人工电流为烟草细胞通电,结果细胞按照人工电流的方向重新排列(细胞极化)。接着,Goldsworthy和同事Keerti Singh Rathore为尚未分化的烟草细胞通电,电流为1-2微安。结果,培养皿中烟草的生长速度增加了70%。
  事后,Goldsworthy为这种方法申请了专利。可是它却没有得到商业重视,因为它的操作过于繁琐了。
  不过,如果电气栽培的确有效,高压电网附近的植物岂不是应该长势良好?
  Goldsworthy说:“有时的确有这样的零星报告,不过并不能确定这是电场的作用,因为在电线上休息的鸟类可能会给植物‘施肥’。”
  中国农科院的电气栽培电网 @刘滨疆/SCMP
  众说纷纭的理论
  和电气栽培的多舛命运类似,关于它的原理学术界也是众说纷纭。
  植物的确能受到电流的影响。比如氢离子、钙离子和和钾离子能够在植物细胞之间流动,产生的电流大约是每平方厘米0.1微安。
  又如,墨角藻的卵子上就有天然的电流,钙离子会流入细胞的某个特定位点,这个位置最后就会发育为假根(rhizoid),一种类似于根一样起到固定和支撑功能的结构。
  墨角藻Fucus vesiculosus @wikipedia
  燕麦苗也有天然的电流,而且电流的方向似乎和燕麦的生长方向有关,因为燕麦的生长方向总是平行于电流方向。
  作为60-70年代活跃在电气栽培领域的科学家,英国卡迪夫大学的植物学家 G.H.Sidaway认为问题的关键在于光照的周期性(photoperiodicity)——在春季和秋季,植物对电磁场的反应不同。
  他提出,秋播的作物不适合电气栽培,因为它们的种子在发芽时,不会经历春天时多变的气候条件和土壤条件变化。英国电气栽培委员会在1925年也注意到了秋播植物不适合电气栽培的现象。
  他说,植物,尤其是生长在干旱环境里的植物要利用雷雨天的雨水,那些能够对雷雨天快速反应的植物能够更好地生存下来,从而被演化选择。
  雷雨天16千伏/米的电压梯度是强降雨的良好信号。因此,电气栽培的有效前提应该是雨水的配合,否则只会起到相反的结果。对于20年代美国电气栽培实验的失败,Goldsworthy的解释是,试验植物可能受到了沙尘暴的背景电场的影响。
  中国农科院的电气栽培温室 @刘滨疆/SCMP
  而关于电气栽培的原理,中国农业科学院的解释是,高压电能够杀死空气和土壤中的细菌和病毒,还会影响植物表面液滴的表面张力,加速水分蒸发。此外,电场还能促进植物体内的粒子运输(比如碳酸氢盐和钙离子),增加二氧化碳吸收和光合作用。
  剑桥大学的植物学家Mark Tester总结道,“在实验室里,植物生长当然受到电流的影响,这些电流可能和自然界的闪电类似。但是这背后的机理非常复杂。”
  不论如何,刘滨疆教授对电气栽培的未来十分乐观,“最近的投资都来自私营企业,我们正在向其他国家,比如荷兰、美国、澳大利亚和马来西亚输出技术。中国在这方面领先世界。”
  如果电气栽培真的性价比不错,你的下一口米饭,可能是电大的哦。

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