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周浩 邱先进 徐建龙
（1长江大学农学院，434025，湖北荆州；
2中国农业科学院作物科学研究所，100081，北京）
磁化水是普通水以一定的流速通过磁化水机进行水循环、切割磁力线而形成的。在农业上，磁化水应用于绿色有机种植，通过磁化水浸种育秧，可提高出苗率及成活率，并且幼苗的株高、茎粗和根长等均有明显的变化[1-2]。在大田灌溉中，经磁化水处理后，农作物具有生长周期短、果实颗粒饱满、产量、品质和营养成分提高、盐碱地修复、重金属污染得到改善和口感好等效果[3-4]。
国外在1930年首次报道了磁场可促进植物地上部的生长，而我国在农业生产上开始应用磁化水是在20世纪70年代中期，主要集中于水稻、小麦、玉米、大豆、荞麦、甜菜、黄瓜和番茄等农作物及花卉等观赏植物[5-6]。
磁化水处理方法是一种具有经济和环境双重效益的物理方法，磁化水处理器应用了“法拉第”电磁场理论，水作为导体通过磁场时切割磁力线，产生电力势，发生物理变化，进而产生电能，此时水被磁化，称之为磁化水[7]。有研究[8-9]表明，经磁化水处理后，水的物理性质、化学性质以及内部结构都发生了变化，表现为表面张力降低、黏度增加、分子能更少、活化能更高、水更稳定等特点。磁化后的水pH和EC值也有升高或降低的变化，并且氢键发生断裂，密度和吸光度逐渐增加[10]。水体结构的改变是应用了“布朗运动”的分子特性原理，在供水系统加装仪器设备时，高速、持续产生微小高压水柱撞击金属内壁，使通过设备的水分子结构发生链接性的改变，进而大分子团变为小分子团，更有利于植物的吸收[11]。
根据安装方式的不同，磁化水处理设备可分为内磁式和外磁式。常用设备属于内磁式，即水经管内部流动，优点是操作简单、投资少，缺点是不能调节磁场的强度，而精密连接电流的仪器设备更有利于对作物发挥作用[12]。目前，磁化水已经在农业、工业、医学研究和生物学研究等方面有了广泛的应用[10]。
许多研究者相继开发了高能水或磁化水处理设备装置的专利产品，其中芽期和苗期试验所用的磁化水处理设备简单，易操作，只需将磁化水设备安装于水龙头，便可使普通水流出时产生磁化作用[13]。该设备操作起来简单，但其磁化机理还未定论。因此，研究者们进行大量探索，寻求更多的理论支撑，以获得磁化水对农作物增产增收的效果[11]。目前，有报道磁化水在种子萌发、秧苗生长和大田栽培应用中可起到灭菌杀毒、抗病虫害、提高产量和品质、改良土壤特性的效果，但多数研究结果显示，其作用并无一致性的规律，磁化水处理效果不明显[14]。在小麦[15]、黄瓜[16]和玉米[17]的研究中发现，磁化水处理后种子发芽、幼苗生长与对照相比无显著性差异，总体上影响不大。
不同规格的设备、水流速度、磁场强度及磁化时间等因素在应用于不同作物和品种时产生的影响也不尽相同，达到的效果各有差异。朱练峰等[5]采用F型变频磁化水发生仪，通过磁化水灌溉可增加水稻产量，改善稻米品质，提高生产效益。类似地，王全九等[18]发现，外置永磁式磁化器对土壤特性产生影响，能起到改良土壤的作用。
磁化水应用于农作物，全生育期包括从种子萌发、秧苗生长、营养生长、生殖生长到成熟收获全过程，通过磁化水处理后，检测土壤理化特性、叶绿素含量、根系性状、产量及品质等一系列性状，比较磁化水处理与对照的差异特征，研究其对农作物和土壤特性的影响。
3.1 对土壤特性的影响
磁化水对土壤特性的影响主要集中于含水量、盐分、结构、重金属离子的含量和微生物菌群等方面[19]。磁化水活化技术对改良土壤理化性质、降低土壤盐渍化、保水保肥及增产增收具有促进作用[20]。有研究[21-22]证明，磁化水产生的磁场梯度比磁场强度本身更重要，其对不同土壤结构的渗透能力影响不同，经过磁化灌溉的累积水渗透率和最终渗透率均比非磁化灌溉高。重金属污染的存在依然是一个严峻的问题，在水稻生长发育过程中，施肥或喷施农药使得铅（Pb）和镉（Cd）等重金属富集于根系，并经过主茎和叶片大量带入植株体内，最终残留于稻米中[4]，严重影响了人们的健康。通过灌溉水净化重金属Cd的研究[23]发现，利用灌溉水工艺处理，对农作物的土壤修复和后期稻米品质发挥了有效协同作用。并且用磁化水滴灌，经过淋洗作用可降低土壤中的盐分，改善植物生长的土壤条件，有效促进水稻对K+、Ca2+和Mg2+等离子的吸收[24-25]。
适宜的磁场强度对土壤的固氮能力有促进作用，能够增加土壤有机质，改善土壤结构，有效降解土壤盐分含量，确保土壤水分在作物根系中得到充分利用，有利于作物的生长发育[26-29]。磁化水处理还在黄瓜[30]种植土壤中起到不易板结及肥料均匀吸收的效果，还能改良土壤，增强棉花[31]的耐盐碱力，提高玉米[32]对重金属Cd污染的耐受性。研究[33-34]显示，经过磁化水灌溉可以提高植物对Cd的修复效率，以及土壤中的无机离子K+、Na+、Ca2+和Mg2+等的含量，有利于植物与土壤的物质交换。
3.2 对种子萌发的影响
磁化水处理会影响作物种子发芽和幼苗的生长。研究[35-36]证明，经过磁化水浸种的水稻种子，种子发芽率和萌发系数明显提高。此外，磁场处理水稻种子，经水分极性运输携带较多的微量元素，如Fe、Mg、Zn等物质，有利于种子萌发，出苗率齐，达到秧苗素质高、种苗后期生长健壮等效果[37]，并且对经过磁化水浸泡的小麦[38]、玉米[39]、大葱[40]、大麦[41]和生菜[42]等种子都产生了明显的影响。磁化水处理对农作物种子萌发和幼苗生长的促进作用可能是由于其刺激了植物的初始生长，激发了种子内物质的活性，从而表现出萌发相关参数的提高[43-44]。
3.3 对生长指标的影响
经过磁化水处理后，植株的形态等各项指标均发生着明显的变化，不同磁化处理对其都有一定的影响，主要表现在株高、根长、茎粗、剑叶面积和干物质重量等的变化上。磁化水处理可有效促进水稻秧苗生长，在营养生长期增加植株干物质积累，促进有效分蘖的发生[45]。不同磁化水的吸水梯度能够明显提高秧苗氮的利用率，结合叶面施肥，水稻的株高、穗长、叶长和鲜重得到了显著提高[46-47]。此外，磁化水可促进黄瓜[48]和棉花[49]的株高、茎粗和叶面积不同程度的增长，可增加豇豆叶片、茎、根鲜、干重和总生物量[50]。有证据[51-52]表明，在磁场和电磁场作用下，磁化水对植物的形态发生、种子萌发以及幼苗生长发育产生积极的影响，而且磁场强弱会影响植物从吸水到初始生长的过程，进而对根系和植株发育产生影响，这或许正是磁化水灌溉对农作物影响的重要机制。
3.4 对叶片叶绿素含量的影响
磁化水处理大多数农作物，能有效提高叶片中的叶绿素含量，即提高SPAD值，从而直接影响光合利用效率。不同磁场强度的磁化水作用于水稻时，可使植株健壮，叶片浓绿，功能叶片维持时间较久[53]。研究[54]还发现，磁化水灌溉处理可显著提高冬枣的叶片叶绿素含量和地上部鲜重。在薄荷[55]、番茄[56]、生菜[57]和马铃薯[58]的应用中发现，磁场下可诱导叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和总叶绿素含量发生变化。
3.5 对根系性状的影响
磁化水灌溉对农作物根系生长具有促进作用，可有效影响根系的活力，使光合产物在根系中得到转运。水稻植株生长健壮离不开根系吸收和供应的营养物质，而且根系周围微生物菌群、分泌物和根系群体等的积累促进了植物体本身能量的运输。经磁化水育秧后的秧苗，根系生长好，表现为根体积、最长根长及根数的增加[59]。经过磁化水灌溉的番茄根系发育快，健壮发达，吸收能力强，有效促进其生长发育[60]。在施氮条件下，磁化水灌溉对于葡萄[61]和桑树[62]根系的形态建成具有明显的促进作用。
3.6 对产量及品质的影响
衡量作物产量的指标为单株产量或单位面积产量，不同作物的产量构成因素不同。从水稻育秧开始使用磁化水，经移栽后再用磁化水灌溉，表现为分蘖能力增强、出穗早、成熟快和产量增加[63]。通过不同阶段磁化水的灌溉，水稻叶片的叶绿素含量提高，从而促进光合产物的积累。田间合理有效施肥配合灌溉磁化水提供了充足的大量和微量营养元素，有效促进分蘖的发生，有助于后期干物质的积累，从而促进籽粒的灌浆和结实[64]。磁化水灌溉提高农作物产量和品质的生物学机制，可能主要是磁化水能使部分水分子氢键断裂，水中极性分子由大分子团变为小分子团，表面张力减小，从而提高了水中溶氧量和其向植株根系运输的能力，有助于维持作物根系和茎的功能，促进其对营养的吸收，最终提高产量和改善稻米品质[65]。不同作物品种、环境因子及地块的试验结果为磁化水灌溉的生物学机制提供了不同程度的参考。在磁化水灌溉处理下，土壤肥料中的养分吸收、利用与转化输送到作物体内，使水稻[66]、玉米[27]、棉花[28]、冬小麦[67]、生菜[68]和甜菜[69]等干物质积累量增多，进而提高了营养品质（表1）。
表1 磁化水灌溉对农作物产量的影响Table 1 Effects of magnetized water irrigation on crop yield
磁化水对农作物所表现出的生理活性特征主要集中于种子萌发阶段，磁化水浸种可使植物在物质吸收、转化、运输及各种能量代谢中酶活性、可溶性糖与还原糖、离子吸收、抗逆性和光合生理特性上产生差异。通过磁化水处理试验，刺激种子萌发的生理生化机能，加速苗期植株生长，使其在特定的环境下适应不同生物学效应，促进其稳定生长[72-73]。
4.1 对酶活性的影响
磁化水处理明显有助于种子萌发，其可能的原因是由于磁化水处理后刺激了种子中贮藏淀粉的转运，破除种皮的韧性；
再者，在同一磁场强度下，同一品种的α-淀粉酶和β-淀粉酶活性效果不同；
且经磁化水处理后，其水体含有的溶解氧和过氧化物酶促进了种子萌发时的呼吸速率[74-75]。研究[2]还发现，磁化水提高了硝酸还原酶的活性，保持了细胞膜的透性，使得植株肥料吸收与利用率增加，并且对过氧化物酶（同工酶）、淀粉酶和脂肪酶产生了影响，使水稻叶片和茎秆等外观发生变化。适宜的磁场强度和作用时间处理大豆[76]和甜瓜[77]，可刺激植株体内β-淀粉酶、酸性磷酸酶和多酚氧化酶等活性的改变，以及生理生化及代谢作用增强，从而促进种子萌发和幼苗生长。
4.2 对可溶性糖与还原糖的影响
植物生长过程中还原糖可为植物体提供能量，磁化水浸种后，种子内部会吸胀，随吸水程度增高，生理活性发生改变，其中还原糖含量有所提高[46]。磁化水处理时间的长短会直接影响植物体内的生长物质。通过磁化水处理的小麦，其叶片中的总可溶性糖含量和脯氨酸浓度提高[78]。此外，以磁化水浸泡洋葱种子，种子的吸胀加快，此时由淀粉转化为可溶性糖的过程是种子萌发速率产生变化的关键时刻，有利于可溶性糖含量的增加[79]。
4.3 对抗逆性的影响
经不同磁场强度的水处理，硝酸还原酶活性提高，使得细胞膜受低温伤害程度减小，水稻叶片失水速度减慢，由此增强了水稻的耐冷性[80]。此外，将磁化水结合叶面施肥，能增强水稻的抗倒伏性及对稻瘟病和稻纹枯病的抗性水平[47]。
4.4 对离子吸收的影响
通过磁化水处理，磁场可将植物体对离子的选择性吸收转变为离子主动吸收，植物供能主要依靠叶面施肥或根外施肥，而无机养分几乎都是通过根从土壤中获得，且根系吸收营养元素以离子态的形式贮存于土壤溶液中，研究者以磁化水处理小麦[81]和谷子[82]，发现植株体内 N+、P+、K+、Ca2+和 Mg2+等矿质元素含量增加了。
4.5 对光合生理特性的影响
磁化水处理后，植物的叶绿体依靠水中电力势梯度吸收养分离子，经过酶的催化，加强了光合作用暗反应，使水稻植株获得更好的营养生长[83]。磁化水处理番茄刺激了赤霉素含量的增加，进而提高叶绿素浓度，有利于光合作用和同化物的积累，促进其更好地生长[84-85]。韦业等[61]利用磁化水灌溉葡萄，结果增加了其叶片净光合速率、气孔导度和蒸腾速率，促进叶片在施氮条件下的气体交换和碳同化，由此提高了叶片在光反应中氮素的高效利用与氮代谢，以及叶绿体的均衡分配。此外，在磁化水灌溉豇豆研究中，磁化水增加了叶片中的气孔导度，提高了光合作用效率，从而增加了植物总生物量[50]。
磁化水处理技术在农业生产上的应用在国内外已经有了一定的研究基础，发现磁化水浸种、灌溉和水培幼苗处理对农作物具有一定的生物学效应，在田间大面积试验中也获得不少成效，主要表现为增加水稻分蘖数，提高叶片叶绿素含量，促进籽粒灌浆，增加产量，改善稻米品质，同时起到改良土壤的作用。虽然已有试验表明，磁化水灌溉技术对水稻及其他农作物的生长发育有积极的影响，但在品种大面积推广中仍有许多限制因素，主要原因有3点：（1）在试验过程中使用不同公司生产的仪器设备，磁化水的磁场强弱需要控制在一定范围内才能发挥明显效果，超过一定范围会有抑制作用；
（2）磁化水对农作物的作用机理不清晰，磁化参数难以选择，试验操作方法和标准也不统一，试验效果难以保证；
（3）在干旱地区，应用磁化水灌溉需配套膜下滴灌和漫灌方式，设备控制的最佳磁化水的流速、处理时间及磁场强度还有待探索。将来磁化水灌溉在农业生产上的操作应着重以下3点：（1）进一步规范、统一标准，提高不同试验的可比性和可信度；
（2）深入探究磁化水作用的生理和分子机制，为研究应用磁化水促进水稻及其他农作物大面积增产增收提供更多的科学理论和技术支撑；
（3）进一步优化磁化水灌溉技术，提高生物学效应，促进大面积的推广应用。
