大氣電場與空間電場

1、大氣電場大氣電場也稱自然電場，是地球環(huán)境中存在的一種自然現象，并對地球環(huán)境中的植物生長發(fā)育以及病蟲害發(fā)生與發(fā)展產生著一種“無形”控制，它是繼光、溫度、水分、空氣、土壤、肥料之后于上世紀九十年代才發(fā)現的新要素。大氣電場的形成是由帶負電荷的地球和帶正電荷的電離層組成的類似于球形電容器產生的，因此，大氣電場的方向指向地面，其強度隨時間、地點、天氣狀況和離地面的高度而變。按天氣狀況可分為晴天大氣電場和訊變大氣電場。圖2-18給出了全球大氣電過程的球形電容器模型，其中E0為大氣電場的電場強度。 圖2-18全球大氣電過程的球形電容器模型（圖片設計：韓大鵬 劉濱疆）2.2.4.1 晴天大氣電場晴天大氣電場為

2、正電場，具有空間分布特征。其電場強度可隨緯度、氣溶膠含量、地面高度、局地特點、時間變化而變化。1）晴天大氣電場局地特點與植物的多樣性相關大陸上地面晴天大氣電場隨地點的變化較為復雜，就全球平均而言，電場強度E0在陸地上為120伏/米，在海洋上為130伏/米。我國廣州的大氣電場的平均值為87 v·m-1，日較差為11%，而伊寧則為56 v·m-1，日較差為129%，各地區(qū)大氣電場的不同會導致植物生長變化的多樣性。2）晴天大氣電場場強也因時因地而異通常，晴天大氣電場隨高度增加近似呈指數規(guī)律遞減的分布特征。然而，即使在同一時刻，晴天大氣電場在不同高度范圍內隨高度的分布規(guī)律也不盡相同

3、，在貼近地面的大氣層中，晴天大氣電場將受大地電極效應的影響。由于大地帶負電荷，因而在貼近地面的一薄層大氣中積累了大量符號相反的正電荷，而且體電荷密度在該氣層中很不均勻，具有隨高度增加而急劇遞減的變化特征，于是該氣層中便形成了較強的大氣電場。晴天大氣電場受大地電極效應影響而增大1倍的高度分別為1m和5m左右，高度為零處的晴天大氣電場為未受大地電極效應影響的晴天大氣電場的2.8倍。根據靜電學感應原理，貼近地面的晴天大氣電場強度的增加，其植物體表層將感應出更多的荷負電的離子。陰離子積累在植株葉緣或葉脈等尖端部位最易獲得大氣正電荷的中和而發(fā)生化學反應。比如葉內的OH-負離子,它可對大氣中陽離子或荷正電

4、荷的粒子放電而發(fā)生4OH-4e=O2+2H20的還原反應。感應積累于葉面表層的OH-在日光電磁場的激發(fā)下很易在氣孔等棱緣處放出電子，這個反應也許同植物的光合作用放氧有關。在人為施加靜電場的環(huán)境中，有些植物也能在黑暗中進行光合作用就是對這一推測的正確性的證明。3）晴天大氣電場時變性晴天大氣電場具有較明顯的日變化和年變化，還存在周期約幾分鐘至十幾分鐘的脈動起伏變化。晴天大氣電場日變化的波形受兩種機制的影響，一種是全球普遍變化的機制，主要與全球雷暴活動的日變化有關，另一種是地方性局地變化機制，主要與局地大氣狀況的日變化所導致大氣電導率和大氣體電荷密度等大氣電學量的日變化有關。根據世界各國的觀測結果，

5、可將地面晴天大氣電場日變化歸納為二種基本類型。第一類為地面晴天大氣電場日變化具有單峰單谷的變化波形。通常,這類地面晴天大氣電場日變化的峰值出現在下午至傍晚，即地方時13時至19時左右。谷值多出現在清晨，即地方時2時至6時左右，遠離人口密集的大城市、工業(yè)區(qū)和氣溶膠自然源地的小城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村地區(qū)，其地面晴天大氣電場日變化有些屬于這一類型。這類地區(qū)的植物可在晴天大氣電場向峰值變化時從土壤中獲得陰離子HCO3-、OH-等，又可在晴天大氣電場由峰值向谷值變化時吸收陽離子Ca+2等。因而，這類地區(qū)的植物在每日中有兩次大規(guī)模吸收陰離子或陽離子的時間，這類地區(qū)的生物產量往往不會太高。 第二類為大陸復雜型。這類地面

6、晴天大氣電場日變化具有雙峰雙谷的變化波形.通常,第一峰值多出現在上午地方時7時至10時左右，第二峰值多出現在晚間地方時18時至21時左右，第一谷值多出現在清晨地方時2時至6時左右，第二谷值多出現在下午地方時13時至16時左右，離人口密集的大城市、工業(yè)區(qū)和氣溶膠自然源地較近的地區(qū)的地面晴天大氣電場日變化多屬于這一類型。這類地區(qū)的植物在每日里分別有兩次大規(guī)模地吸收陰離子和陽離子的時間，故其生物產量一般高于單峰單谷地區(qū)。氣象條件與晴天大氣電場之間的關系，往往是通過其他大氣電學量對晴天大氣電場產生間接影響的結果。由于大氣電場與晴天大氣電導率之間關系呈負相關，因此，對晴天大氣電導率產生影響的氣象條件都將

7、間接影響晴天大氣電場。通常，在午夜至黎明之前，地面氣溶膠濃度出現第一極小值,大氣輕離子濃度增大,晴天大氣電導率增大,致使晴天大氣電場減小，大氣電場出現第一極小值。日出后由于熱對流和湍流垂直輸送作用的加強，使近地面大氣中氣溶膠濃度增大，大氣輕離子濃度減小，致使晴天大氣電導率減小，最后使晴天大氣電場增大，大氣電場出現第一大值。中午至下午因熱對流和湍流垂直輸送較為旺盛，這就使近地面大氣中的氣溶膠大量向上輸送，于是地面氣溶膠濃度反而下降，大氣輕離子濃度增大，又導致晴天大氣電導率增大，從而使晴天大氣電場減小，出現第二谷值,到了傍晚，大氣趨于穩(wěn)定，近地面大氣中的氣溶膠不宜向上輸送，從而使地面氣溶膠濃度復又

8、增大，大氣輕離子濃度減小，晴天大氣電導率減小，這又導致了晴天大氣電場出現第2峰值。 溫度，水汽壓影響著晴天大氣電場的變化，晴天大氣電場的變化量又決定著植物從土壤中吸收肥料的電極性和數量以及帶電同化物的運移。通常，太陽光、溫度、水份對植物生長的影響也可歸結為這類氣象因子的變化在良好的生長環(huán)境中通過大氣電場的變化以及大氣電場變量E對離子的驅動條件而植物生長產生作用。大氣電場的這種脈動變化對于植物的生長具有重要的意義，有趣的是植物開花的時間也多集中在兩個峰值區(qū)。科學家通過多峰多谷的實驗，亦確定了多變的靜電場可以加快植物的生長。晴天大氣電場波動的增量E往往可以導致植物從土壤中吸收增量為G的陰離子量和從

9、植物生態(tài)學上部向下運轉G、的荷正電荷的物質,而其電場強度的減弱又往往會導致植物從土壤中吸收陽離子和從其生態(tài)學上部往下運輸陰離子同化物。兩種極性的荷電養(yǎng)料的相反運動又往往會產生許多生化反應。 晴天大氣電場的年變化規(guī)律因地而異。地面和海面晴天大氣電場年變化波形一般具有單峰單谷的變化波形，其波谷在南半球和北半球大陸多出現在7月左右.然而有些地區(qū)，特別是熱帶地區(qū)，其地面晴天大氣電場念變化具有雙峰雙谷的變化波形。比如，印度尼西亞瓜哇地區(qū)就是如此。4月份以前和10月份以后，較高的大氣電場及其變化率有利于植物在比較寒冷的天氣中吸收養(yǎng)料，增加溶質以抵抗寒冷的侵害。從電場可驅動離子運動這一特性來講，既然冬季大氣

10、電場較強，那么植物尤其是樹木也可在冬日集聚養(yǎng)料，提高溶質濃度抵御低溫災害。大氣電場年變化的這一特點，對植物來年春天的開花生長則具有重要的科學意義。    2.2.4.2訊變大氣電場 擾動大氣電場或稱訊變電場同氣象要素的變化有關。當存在激烈的天氣現象（如雷暴、雪暴、塵暴）時，大氣電場的數值和方向均有明顯的不規(guī)則變化，高云對電場的影響不大，低云則有明顯的影響，雷雨云下面的大氣電場，甚至可達-104伏/米。這時,地面上的樹木，青草，莊稼等植物體尖端，在地面大氣電場超過103V/m左右時尖端附近大氣電場劇增,致使尖端放電。若積雨云下部為荷電區(qū),則尖端放電電流方向朝上, 若

11、積雨云下部為正荷電區(qū),則尖端放電電流方向朝下。尖端放電電流取決于地面大氣電場，同時還與植物體尖端的幾何形狀和高度有關。在靜風條件下，尖端放電電流強度為I=(E2-b2) （1）式中a和b均為常系數。若尖端放電電流強度為正時,a=8×10-14A·m2/V2 ， b=780V/m。若尖端放電電流強度為負時，a=-10-13A·m2/V2,b=860V/m。尖端放電電流強度與風速密切相關，風速愈大，尖端放電電流強度也隨之增加，因此，一定風速的氣流有利于植物從土壤中吸收離子肥料。搖動植物、脈動風、聲波震動導致植物吸收離子的變化就是對一問題的間接說明。由于積雨云下部通常為

12、負荷電區(qū)，有時也出現正荷電區(qū)，因而，尖端放電電流時正時負，但平均而言，負的尖端放電電流向大地輸送的負電荷大于正的尖端放電電流向大地輸送的正電荷，這同晴天大氣電場作用的情況相反。正的尖端放電電流可導致植物從土壤中吸收陰離子，而負的尖端放電電流則又可導致植物從土壤中吸收陽離子。時正時負的這種放電電流便可使植物體吸收平衡的營養(yǎng)成分。 雷電是積云中不同符號荷電中心之間的劇烈放電過程或云中荷電中心與大地和地物之間的放電過程。雷電過程中產生的強大閃電電流，將產生靜電場變化和豐富的電磁輻射。由于地閃或云閃所引起地面垂直大氣電場隨時間t的變化E（t）可表示為 E（t）=Es(t)+E(t)+Er(t) (2)

13、式中Es(t)為靜電場分量，Ei(t)為感應場分量，Er(t)為輻射場分量。上式還可以寫為E(t)= (2)式中C為光速，R為閃電距離、為閃電電距隨時間的變化。滿足上式的閃電距離的變化范圍，嚴格而言為30100KM左右，上式右邊第一項表明，閃電引起的地面垂直大氣電場隨時問變化的靜電場分量正比于閃電電距，反比于閃電距離的立方。第二項表明，閃電所引起的地面垂直大氣電場隨時間變化的感應場分量正比于閃電電距對時間的一次微商，反比于閃電距離的平方。第三項表明，閃電所引起的地面垂直大氣電場隨時間變化的輻場分量正比于閃電電距對時間的二次微商，反比于閃電距離的一次方。上式的重要生物物理意義在于一次雷電，其電場

14、作用半徑可達100公里左右，方圓200公里以內的植物將受到電場變化量的作用。除了通常認為的閃電合成氮素是導致雷雨期間植物生長加快的原因之外，也許更為重要的是雷電期間，大氣電場的劇烈變化所導致大重礦質營養(yǎng)導入植株體內的結果。 由此看來，年雷暴時數的多少同植物群落的生長量有著密切關系，年雷暴時在80小時以上的地區(qū)為植物生長茂盛地區(qū)。年雷暴時愈高的地區(qū)則植物生長愈繁盛，如海南島的?？跒?71小時，長江兩岸地區(qū)為150200小時，該類地區(qū)的植被都很發(fā)達。而年雷暴時愈低的地區(qū)則植被愈稀落，如敦煌為9小時，格爾木為4小時，柴達木盆地為25小時。 總的來說，我國平均雷暴時具有南方多于北方，山地多于平原，沿海

15、地區(qū)和江湖流域以及潮濕的地區(qū)多于干早地區(qū)等，每一次閃電，大氣電場的變化的響范圍數萬平方公里，山區(qū)的閃電可使臨近的平原受益。2.2.4.3大氣電場的表達式在直角坐標系里，大氣電場可以表示為： (3)式中i、j和k分別為x、y、z軸的坐標向量。v為大氣電位，單位為伏。E為大氣電場，單位為v/m。對于平坦地面，晴天大氣等電位平行于地面，單位法向向量垂直向上，與坐標z重合，因而 (4)這個電場可使植物保持向上的生長態(tài)勢。這時的晴天大氣電場可改寫為標量形式E=EZ= (5)對于地形起伏和高聳的地物和植物附近的地面，晴天大氣等電位面因起伏和畸變而變成曲面，晴天大氣電場的水平分量Ex和Ey可導致植物的葉莖向

16、四圍伸展。 2.2.4.4 大氣電場的變化與植物生物電流的產生植物生物電流是由同極性荷電離子在植物體內的定向移動形成的，同極性離子的定向移動是由植株地上部分和土壤溶液間的不同電位所決定。不同的電位既可由大氣電場對植株感應所引起的放電所形成，又可以通過大氣電場場強的增減量在植株體內引起的瞬間的不平衡電場所形成。因而大氣電學的各項參數的變化是導致植株體內荷電粒子運動的基本原因。1）全球大氣電過程的物理模型為了建立大氣電場變化同植物生物電流的數學關系，需建立全球大氣電過程的物理模型見圖2-18。由于土壤電導率比低層晴天大氣電導率大10至11個數量級，而電離層電導率則比低層晴天大氣電導率大10個數量級

17、左右，因此，相對大氣而言，地球和電離層均為導體，地球表面和電離層下界面為等電位面，于是可把整個大氣地球體系視為由地球表面和電離層下界面兩同心球面組成的球形電容器，期間充滿了具有微弱導電性能的大氣介質。整層晴天大氣電位差V的存在，導致晴天大氣電場E的建立，由于晴天大氣具有微弱的導電性能，因而在晴天大氣電場的作用下，形成電流強度為I的全球晴天大氣電流。全球晴天大氣電流使球形電容器正、負極攜帶的電荷因不斷泄放而減小。全球晴天大氣電流不斷泄放球形電容器所攜電荷的結果，將造成V和E的不斷減弱。為了維持球行電容器的電量，全球雷暴活動產生的閃電電流和尖端放電電流，將形成與全球晴天大氣電流方向相反的電流IC。

18、因此.全球雷暴活動為球形電容器的提供了充電電流，它使球形電容器攜帶的電荷維持恒定不變。任何大氣電狀態(tài)的變化，都將經過弛豫時間過渡到新的大氣電狀態(tài)。馳豫時問反比于大氣總電導率。大氣總電導率愈大，馳豫時間愈短，反之亦然。例如，地面晴天大氣的馳豫時間約為400S，由此可見，由于所研究的晴天大氣電場日變化的時間尺度遠遠大于晴天大氣馳豫時間，所以可把晴天大氣電過程看成準靜態(tài)。因此，晴天大氣電學量仍遵循靜電學關系式。整層晴天大氣電位差V和整層晴天氣柱電阻R之間的關系為V= j· R (6) 式中j為晴天大氣傳導電流密度，又由于晴天大氣電流滿足歐姆定律的微分形式：j=·E (7)故地面睛

19、天大氣電場的表達式：E= （8）由式(8)可以看出，晴天大氣電場由局地晴天大氣總電導率和整層晴天氣柱電阻R以及整層晴天電位差V決定，上述任意一個參數的變化都將引起晴天大氣電場E的變化，生長在地面上的植物體及表層的電荷分布也將發(fā)生變化，將式(8)對時間t求傲商并除以式(8)，便得地面晴天大氣電場相對變化的表達式： （9）式(9)表明，地面晴天大氣電場的相對變化取決于整層晴天大氣電位差的相對變化，整層晴天氣柱電阻的相對變化，局地晴天大氣總電導率的相對變化，即取決于全球雷暴活動的日變化，還取決于氣溶膠含量地區(qū)性局地條件的日變化。所以，地面晴天大氣電場日變化機制綜合作用的結果對多數地方而言，地面晴天大

20、氣電場日變化以地區(qū)性局地日變化機制起主導作用。 大陸上許多地方晴天大氣電場變化型式屬大陸復雜型，具有雙峰雙谷的日變化形式，第一章所談及的兩個峰值和兩個谷值出現的時間主要是因為日出后低層大氣中熱對流和湍流垂宜輸送作用開始增強，從而使較低層大氣中的氣溶膠含量增大，并導致地面晴天大氣電導率的減少，但整層晴天氣柱電阻的變化卻并不明顯，于是，在式(9)的等號左邊，對大陸地面晴天大氣電場日變化起主要作用的第二項和第三項相比較，第三項起主要作用，且有d/dt<0，這就導致地面晴天大氣電場日變化在上午78時左右出現峰值，到了中午至下午，因低層大氣中熱對流和湍流垂直輸送較為旺盛，導致低層大氣中的氣溶膠向高

21、層大氣中輸送，從而使整層晴天氣柱電阻顯著增大，而地面晴天大氣電導率的變化并不顯著，于是，式(9)dR/dt對晴天大氣電場的日變化起主要作用，且dR/dt>0，從而導致睛天大氣電場的日變化在1316時左右出現谷值。到了傍晚和日落后，低層大氣中的熱對流和湍流的垂直輸送作用減弱，大氣中的氣溶膠含量逐漸減少，而貼進地面大氣中的氣溶膠含量則因氣溶膠的沉降作用而有所增大，導致d/dt<0，dR/dt<0.于是，在1821時左右大氣電場復又出現峰值，到了深夜至日出前，低層大氣趨于穩(wěn)定，較低層大氣中的氣溶膠含量不斷減小，從而使地面晴天大氣電導率增大，d/dt>0，而整層晴天氣柱電阻的變

22、化卻不顯著，從而地面晴天大氣電場在26時復又出現谷值。雖然球形電容器模型存在著許多未被準確驗證的問題，但大氣電場的變化同R、 V三因子有著重要的關系是肯定的。植物是宇宙的生命現象，它不僅同光，溫，氣，水，肥有關，而且還受生長環(huán)境中的各種物理因素的制約，這類因子的變化往往又引起植物的各種應激反應，其中，E（t）>0導致植物吸收陰離子和E（t）<0導致植物吸收陽離子就是這種應激反應的一個重要現象。2）大氣電場同植物生物電流之間的關系 植物體內不僅包含著從土壤溶液中吸收上來的陰，陽離子，而且包含著糖，蛋白質，核酸合成與分解過程中的電子，質子及其它荷電粒子。這些荷電物質在外部電場的作用下都

23、將產生定向移動，形成物質輸送電流。對于處在大氣電場中的植物來講，隨著大氣電場的變化，其體內感應電場Ei的響應滯后于前一電場的變化時間為10-1210-16S，兩者之間的關系為：E=-Ei (10)因此，植物響應大氣電場變化的感應電流j1的相對變化為： (11)式（11）中1為根系薄層土壤植株頂端的生活體系總電導率。于是，植株體內的響應電流的相對變化由式(I11)及式(9)可表示為： （12）式(12)表明，植株體內響應大氣電場的變化所產生的養(yǎng)料輸送電流既同整層睛天大氣電流差、氣柱電阻及局地晴天大氣總電導率的相對變化有關，又和植株本身及根系與土壤的接觸面的電學特點有關。式(12)中的入1可寫作:

24、 (13)式(13)中F為法拉第常數，m為植株體液濃度，為離解系數，u0+，u0- 為陰陽離子的遷移率。上式表明，植株電導率同體濃度及溶質的離解系數a和陰陽離子的遷移率以及環(huán)境溫度日變化規(guī)律及其灌溉條件有關。在生理溫度1230的范圍內，體液離解系數隨溫度升高而增太，且離子遷移率也隨溫度升高而略增加。目前由于這方面仍缺少詳實的資料，故不能做出客觀判斷。因而，對植株生活體系的電導率的日變化還需進行更多地研究。這一問題的解決將會找到植物生物電流及變化的綜合形式。環(huán)境中各種氣象條件和植物體本身的生理活動時時刻刻地都在變化，植物體內的養(yǎng)料輸送電流也在隨動，于是，導致了植物也不停地同其生長環(huán)境發(fā)生在能量與

25、物質的聯系。在植株頂端大氣一植株一根系周圍土壤系統(tǒng)總電導率不變的情況下，感應的養(yǎng)料輸送電流的變化僅取決于大氣電場的變化，因而，實現定極性多量輸送離子肥料的物理控制模式為： (14)式（14）中“一”同大氣電場的變化率符號有關，即當大氣電場場強變化率E（t）>0時，植株形態(tài)學上部的陽離子將下移，形態(tài)學下部及土壤中的陰離子則上移，于是，形成了向下的養(yǎng)料輸送電流，j為負。而當E（t）<0時，植株形態(tài)學上部的陰離子將下移，形態(tài)學下都即土壤中的陽離子將上移，形成向上的養(yǎng)料輸送電流，j為正。圖2-19 晴天大氣電場強度增加時二氧化碳和鈣離子在植物體內的運動狀態(tài)（圖片設計：陳強 劉濱疆）式(12

26、)、(14)表明，電場變化率的大小是決定植株吸收粒子肥料數量的關鍵參數。變化率的正負性則又決定了植株從土壤中吸收離子的極性，正或負電場升降變化導致植株吸收離子的極性見圖2-19所示，即當晴天大氣電場場強增加時，植物吸收二氧化碳（HCO3-） ，而鈣離子Ca2+卻由植株形態(tài)學上方流向下方，而當晴天大氣電場場強減弱時，上述過程正好相反。見圖2-20 大氣電場的變化與植物體內某些離子輸送方向之間的關系 （圖片設計：許維輝 劉濱疆）大氣電場變化的規(guī)律性導致了植株定極吸收離子的規(guī)律。大氣電場的脈動導致了植株對兩種極性離子的交替吸收，人為實現電場的變化即可控制植株的生長速度。3）蛋白質對離子吸收起的作用蛋

27、白質是兩性膠體，它在溶液中可能存在如下兩種弱電離的形式： H+濃度的增加，可抑制蛋白質分子中羧基的離解和增加氨基的離解，致使蛋白質所攜電荷以正電荷為主。OH-濃度的增加，可抑制蛋白質分子中氨基的離解和增加羧基的離解，致使蛋白所帶電荷以負電荷為主。在晴天大氣電場的作用下，植株表層積累了大量陰離子，使表層胞質pH值保持在一定的堿性上，當電場以E（t）<0的某一值減小時，不易移動的蛋白質上的負荷形成的剩余電場將對植株內部以及根系周圍土壤中的陽離子產生庫侖力而將其吸收上來。在其它氣象條件下而形成時負的大氣電場可使植株地上部分的表層細胞積累大量的陽離子，瞬間的靜電平衡態(tài)使表層胞質的pH值保持在一定

28、的酸性值上，當該電場以E（t）>0時某一值增加時，由于蛋白質的不易移動性，蛋白質上的正電荷形成的剩余電場將對植株內部以及根系周圍土壤中的陰離子產生庫侖力而將其吸收上來。因此，蛋白質的兩性特點保證了陽離子或陰離子在正電場E(t)<0或負電場在E（t）>0時被吸引至植株形態(tài)學上部。大氣電場的升降變化和蛋白質的這種兩性特點是植物正常生長的必要條件，但由于正的大氣電場，即晴天大氣電場年保留時間高于負的大氣電場，故植株通常吸收陰離子要較陽離子多。4)植株表層離子與大氣的電荷交換植株表層在晴天大氣電場感應下積累的陰離子所攜帶的負電荷林在植株的各個尖端部位對大氣陽離子放電，進行電荷交換。靜

29、電場中的植株葉片的紅褐色便是電極大氣一植株體系內部放電形成新物質的結果。這些表層的荷負電荷的物質在放電的同時也可能受到日光這種高頻電磁場的激發(fā)或隨蒸騰流一起脫逸植物體。無論大氣電場變或是不變，植株表層電荷密度的降低勢必重新引起電荷的分配或重新由土壤中吸收同極性離子。即植物體表層離子同大氣離子的交換以及逸出促進了植物體的吸收功能。氣孔護衛(wèi)細胞膜的水膜由于靜電場的作用，其液面分子處于定向排列，且隨外加電場的增大，定向排列越明顯，表面張力下降值就越大。其張力變化值為：f=a（ebv -1）（a、b為常數） （15）式中f一靜電作用前后表面張力變化值，10-10N/cm，v-靜電電壓，kv。表面張力的

30、減小意味著水份更易蒸發(fā)。任何葉片尖端積累的水珠表面荷電(士q)都將減小表面張力。而對較小尺寸的水珠，表面張力的減小量則更大。其減小值同尖端水珠半徑r之關系為：f=q2/(8)2 r3) (16)式中為水珠的介電常數。由上式可知，水珠上感應出足夠高的電荷量q，就可使其表面張力至零，促使水珠更不穩(wěn)定而產生分裂而蒸騰。清晨出現在大麥苗葉尖的水球在靜電場和陽光作用下，要比不加靜電場而有陽光作用下消散的更快。圖2-21為模擬大氣電場變化的空間電場強度間歇變化造成的水分蒸發(fā)加速現象：圖中左面的培養(yǎng)皿為處于間歇空間電場環(huán)境中3天后出現的水分蒸發(fā)結果，圖中右面的培養(yǎng)皿為常規(guī)環(huán)境中3天后的水分蒸發(fā)結果。由圖中可

31、以看出間歇變化的空間電場能在三天內使盤中的水平面下降一半，而對照僅僅下降一點點。圖2-21間歇變化的空間電場作用的左盤和常規(guī)環(huán)境中的右盤水平面變化的差異最有意義的可能是水的得失電子的反應。水為弱電解質，其電離方程為：H2O H+ +OH-在大氣電場E (t)>0的作用下，大氣中的陽離子將在植株葉面棱緣處。于是，積累于葉面棱緣處的OH- 陰離子便同這些陽離子形成強的靜電場，同時，OH-陰離子外層的電子在陽光高頻電磁場激發(fā)下，便很易對陽離子放電給出電子而產生還原反應：4OH-一4e=O2 十2H2O這個反應很可能是光合反應放氧的一部分。在靜電場的作用下，有些植物仍能在黑暗中進行光合作用以及光

32、補償點下降都是對以反應的較直接的證明。因而，靜電場對植物的蒸騰以及放氧有著重要的作用，認真研究這方面的機理有助于搞清葉片的放氧機理及蒸騰的電致機理。除了靜電場對植株葉緣的水份有著重要的作用之外，另一有意義的則是CO2 的電場驅動的吸收問題。植物的葉片是吸收CO2進行同化作用的主要器官，CO2在通過擴散和質流進入葉片氣孔后受到孔中的飽和水蒸氣的作用而水解為HCO3-陰離子，其水解方程為：CO2+H2O HCO3- +H+ 水解為HCO3-的陰離子則很易受列電場的驅動。在E (t)>0時，HCO3-由葉背面被驅動進入葉的上表層、而當E (t)<0時，HCO3- 則由葉的上表層被驅動進入

33、葉的背面，為了能充分同化HCO3-以及由陽光的直.射性能可知，光合作用應在葉的上表面進行，為此葉片需大量的HCO3-陰離子保留在葉的背面出現，故可推知葉兩面氣孔的面積之和的最大值應在葉的背面出現，而又根據葉片尖端易于放電的原理可推出，葉背面的氣孔又多集中在葉緣和葉面等葉片的突出部位。這樣的推理事實上是與葉片的真實情況相符。5）電場極性同植物生長的一般關系 從理論上講，無論是正電場還是負電場在E（t）>0和E （t）<0的連續(xù)變化中導致植物對離子吸收狀況的效果是一樣的.不會造成極性不同的電場對根系生長發(fā)育的不同作用。然而，恒定的負的靜電場對植物根系具有損損害作用。而正的靜電場則促進根

34、系的生長發(fā)育。這種現象在砂培植物的實驗中表現的尤為明顯。這或許是由于持續(xù)負的靜電場作用導致了植株地上部分的尖端的陽離子同大氣陰離子不斷交換電荷所造成的土壤中陽離子持續(xù)流入根系的結果，即陽離子的電蝕作用。間斷施加負電場不損害根的實驗從反面證實了這一點。12 到目前為止，國內外有關負的靜電場對植株根系的生長發(fā)育的影響資料仍很少，其作用機理仍需要大量地進行多學科綜合性研究。但國內一些專家已初步地肯定了正的靜電場可促進植物的生長，而持續(xù)的負的靜電場對植物有不利的影響。圖2-22給出了正向空間電場（靜電場）、負向空間電場對植物根、葉產生的完全不同的生理效果，即正向空間電場可促進植物的光合作用和提高根系活

35、力，而負向空間電場則相反。圖2-22 正、負向空間電場對植物有著不同的生理影響（圖片設計：許維輝 劉濱疆）我們在這些基礎上補充了變化的負電場，它是負向靜電場作用形式中阻礙植物生長的最弱甚至不阻礙的唯一形式。事實上，自然界中負的恒定靜電場是不存在的，即使是人為所加的負電場也會因人、畜、昆蟲的靠近及風雨等氣候因子變化的影響而產生波動，形成變化的靜電場。由植物生長的自然界中負的大氣電場出現頻率小于正的大氣電場以及植物的長期適應可以粗略地推出，負向靜電場對植物生長也可能是極其必要的，雷雨天植物生長速度加快就是對該問題的說明。通過我們多年的實臉研究，電場變量植株的生長的影響是顯著的，采用微型機控制的正電

36、場的變化技術是植物獲得高速化生產的有效手段，至少這種技術可以使芹菜的生產速度提高45%以上。但為了解決高速化生產中植株(小麥苗)易倒伏的問題，可在生育期施加脈沖負電場，促進植株纖維化的進程。這一措施在大棚中種植的小麥上試用結果很好。2.2.4.5 大氣電場有效驅動植物吸收離子的條件大氣電場是由可認為是靜電場的晴天大氣電場和雷雨天的迅變電場組成。根據式(13)，只要使大氣電場有一變量就可將需要的離子驅動進入植株。然而，實際應用中并不能如愿以償，甚至會導致錯誤的結論得出。兩年中的實踐，發(fā)現了靜電場和迅變電場介質中的傳播特性、同樣適用于電場驅動植株定極性多量吸收離子肥料方面。1）靜電場的驅動條件靜電

37、場中的導體是等勢體，其電荷分布于導體的外表面。其上的電荷對空氣的泄漏是導致該導體電荷在電場中重新移動的動力。但導體內部的自由電荷則不受這種泄漏所影響，即靜電場和泄漏量形成的對離子驅動力在金屬導體內并不存在，導體內的自由電荷并不做定向移動。將這一特性應運于植株-土壤(溶液)體系可以得出土壤中的離子僅分布濕土表層或液體表面，面對漬水土壤深層的離子以及營養(yǎng)液液面以下的離子，靜電場對其則無驅動力。然而僅考慮到這些而不注意植物各器官的生理作用，則在實驗中仍不會發(fā)現規(guī)律性的東西。根和莖的區(qū)別在于根是養(yǎng)料吸收的器宮，而莖則是輸導養(yǎng)料的器官，另外的區(qū)別則是莖通常外表皮角質化，附有一層脂質，水份不易由莖導入。因

38、而，靜電場有效驅動植物定極性多量吸收的第一條件為根系必須處于潮濕土壤表層或營養(yǎng)液的氣液交界面上，見圖2-26-。 圖2-23 根系全浸營養(yǎng)液中的電動力學分析模型（圖片設計：韓大鵬 劉濱疆）根系全浸入液中的植株的地上部分在靜電場的驅動下的離子吸收量要較根系處在氣液界面的植株吸收的鈣離子量低幾倍，這里，莖液表面分路傳導起著至關重要的作用。在負的靜電場中，高水份砂培大麥莖與砂面的接觸最易腐爛的原因就是靜電場的氣液界面驅動導致了大量陽離子在莖處的堆積電蝕所建立起的分路傳導引起的，見圖2-23、圖2-26-。在考慮到有效驅動的第一條件之后，我們可以很快發(fā)現恒定的靜電場可使植株保持等位體而不在吸收離子。然

39、而，植株不同于真空中的帶電體而不發(fā)生表面泄漏和中和。植株在靜電場中發(fā)生電荷泄漏和中和的條件高靜電場強導致植株表面尖端部同大氣電荷交換。大氣溫度增高導致葉片尖端部位的荷電離子由氣孔蒸騰而脫逸。刮風、人為地機械振動可促進葉片表面荷電離子的蒸騰脫逸以及改變植株在電場中的位置使表面電荷密度發(fā)生變化。動物及其它物體的靠近而使電場產生畸變，進而導致離子的運動狀態(tài)發(fā)生變化。以上四條是植株在靜電場中連續(xù)吸收的保證條件。綜合上述，靜電場在自然環(huán)境中有效驅動的條件首先是根系必須處在積水土壤或營養(yǎng)液氣液界面的一薄層水液中，其次應該保證光，溫，氣的合法供應。2）迅變電場的驅動條件雷雨天以及氣流變化迅速的天氣中的大氣電

40、場屬于迅變電場。迅變電場的特點是其場強變化率的絕對值很大。在迅變電磁場作用下，設在均勻的電解質溶液內自由電荷體密度，溶液內電場滿足：Ñ·E= (17)式中為液體的介電常數。根據歐姆定律的微分形式JE，將它代入上式，得Ñ·j=/ (18)上式表示電流源于電荷所在處，電荷從它堆聚之處外流要引起電荷密度減小。由電荷守恒定律Ñ·j=-¶/¶ t，得到：¶/¶ t=-·/ （19） 由此解出=0e-/·t （20） 式中0是 t=0時溶液內的電荷密度。由此可見，溶液內的電荷密

41、度總是依指數率衰減的，衰減到初始值1/e的時間：T=/ （21） 對于水溶液，=10-2106 /·m，=6´10-10F/m。故T=6´（10-810-16S），衰減極快，只要頻率遠小于10816赫，就可以為=0。所以，在訊變情形下，可以認為均勻溶液內仍舊不帶電，與靜電情形相同，電荷只分布于液體表面，場只存在于氣液分界面附近很薄的一層內。因而，使用訊變電場來驅動植物定級性多量吸收離子肥料時應首先考慮到根系在氣液界面中的分配。如全部浸入溶液中則驅動效果近乎為零，這同靜電場的驅動條件一樣。在微型計算機控制的直流正高電壓的升降前后，豆角苗受驅動而吸收的Ca2+陽離子量

42、受根系的氣液界面分配量影響很大。就可以充分說明這一條件的關鍵性。3）土壤電學特性和電場作用效果的影響土壤含水量決定著土壤的電導率和介電常數，見圖2-24。對于大氣電場，其電力線由空氣進入土壤，其電力線的方向和大小都要改變、電力線與法線n交角將由1變?yōu)?，電場強度的值將由E1變?yōu)镋2。圖2-24 大氣電場透入土壤的物理模型（圖片設計：許維輝 劉濱疆）E1和E2的關系遵循電力線在介質交界面上的折射定律：1E1n=2E2n （22）E1t=E2t （23）上兩式表明：法線方向上的電場強度將要發(fā)生變化。切線方向上的電場強度在介質交界面處并無變化。對圖2-25進行進一步分析可獲得： (24）上式表明，E

43、2同1/2之比有著重要關系。當2很小時，即土壤表層很干燥的情況下，大氣電場才可保證有足夠強度透入土壤深層。因而，大氣電場在干燥地區(qū)可以將深層潮濕土壤中的離子驅動進入植株。這就是干燥地區(qū)植物根系深厚的最本質原因。當2很大時，即土壤漬水的情況下，E20。這同上兩節(jié)推導的靜電場、迅變電場的驅動條件相一致，這對植物的根系將主要分布于表層土壤中。在一般的灌溉條件下，土壤的干濕程度呈交替變化，介電常數不僅在同一土層中交替變化，且還隨土壤深度而連續(xù)變化。這樣，大氣電場強度隨土壤深度增加而減弱，植物根系則隨電場向下延伸，直至電場衰弱為零的地方。因而，為了提高根系健壯程度，最好的方法就是使土壤不要連續(xù)保持漬水狀

44、態(tài)。水稻雖然是水生植物，但其要有良好活性的根系也應采取間斷放水落干的措施來保證。根據以上電場的透入特性，可以很好的解釋植物根系的變異性。植物根系的差異很大，即使相同的種屬也會因土壤的濕潤干燥變化而變異。在多雨及長期灌溉的條件下，或是空氣經常濕潤的地區(qū)，其土壤表層或空氣的電導率介電常數高，植物根系受電場的表層驅動離子的影響而在該表層內發(fā)育，形成扁平狀根系，空氣中則形成露出水面的膝狀根。沼澤地區(qū)的柳樹、池杉的根系變異實際上就是大氣電場的這種傳播特性作用的結果。熱帶雨林中生長的榕樹也是因潮濕空氣的優(yōu)良特性，而在大氣電場的作用下產生了許多懸空的氣根。和這些問題相似的另一問題為在地下水位非常接近地面的情

45、況下，只有扁平狀根系的林木才得以生長，例如：泥炭土上生長的落葉松在土壤表層就出現扁平狀根系，這個問題同樣利用大氣電場的表層驅動理論加以解釋。以上變異過程還可以采用2-25進行演示。在土壤深厚、但經常處于干燥的條件下，植物表層側根則因離子傳遞阻力增大（電導率減?。┒黠@減少，主根和側根都向深處伸展，在接近地下水面時就形成穗狀的營養(yǎng)根。例如：生長在黃土高原上的蘋果樹，根系可深達46米。在植物根系的整個生長期，如果地下水值有大幅度的增減則可導致根系在土壤剖面上呈現出層狀根系。這些變異也可在圖2-25所示實驗裝置上進行演示。圖2-25 土壤某時期漬水可形成層狀根的電動力學分析模型（圖片設計：陳強 劉濱

46、疆）4）作物種植凹結構的屏蔽圖2-26凹槽栽培的電動力學分析模型，其中圖2-26-是一典型的導體凹槽的電場分布圖形，由圖上可以看出，在凹槽的兩個內直角處的電場強度最弱。這樣一種結構在種植業(yè)中相當于兩邊為密集生長的高桿植物，中間為低桿植物的種植體系。對這一體系的電場計算可由下式獲得： (25) (26)式中，n為任意正整數。上兩式為無窮級數。但在實際計算當中，只取這一無窮級數的前兩項或三項加以計算就足夠了。圖2-26 凹槽栽培的電動力學分析模型（圖片設計：許維輝 劉濱疆）為了獲得一些感性認識，以圖2-26-為直角坐標系，在取a=80cm，b=180cm時，計算點A（2，2），B（40，0）兩點的

47、電場數值為：EA=9.5´10-6V0 (V/) (27)EB=8.6´10-5V0 (V/) (28)A、B兩點的電場強度相差倍數N為：N= EA/ EB=8.6´10-5V0/8.6´10-5V0=9 (29)即在凹槽內的同一高度上，中間的場強要比凹槽內角處的場強大9倍。由此可見，高稈作物的存在可使靠近其的低矮作物上方電場強減弱許多，與這種凹槽種植體系相近的另一種結構為直角種植體系，如圖2-26-。在這種體系中，內直角處的電場基本也為零。在沒有高稈作物時，電極正下方的電場強度可按平行板電容器的形式進行計算，這時的電場的最大值為：Em= V0/b= V

48、0/180=5.55´10-3 V0（V/m） (30)屏蔽后的場強為Eb，則高稈對矮稈作物的最小屏蔽效果在圖2-26-、尺寸的結構中為： （31）即基本完全屏蔽。我們在塑料大棚中黃瓜秧席旁進行空間電場促生紅蘿卜的試驗中，靠近高稈密植的黃瓜秧下的紅蘿卜基本不生長，且隨著離開黃瓜秧的距離增加，紅蘿卜的生長則開始逐漸好轉。伴隨這一現象的出現，則是鄰近幾席的黃瓜秧分枝的枝頭全部向電極方向生長，而大棚另一端的對照秧則無定向生長的趨勢，電場促生形成的這一趨勢加重了高秧對紅蘿卜處電場的屏蔽。然而，這一趨勢卻說明了電場對植物生長的方向性是以庫侖力的形式作用的。高秧對低秧的屏蔽可隨b/a值的增大而增

49、大。但在一般的種植條件下，靠近高稈植物的低桿植物扎根的土壤因高稈植物的遮陰而保持比其他地方濕潤，粒子在微弱電場的驅動下的運動阻力并不大（土壤電導率高），因而屏蔽造成的效果并不十分明顯。在保護地，特別是塑料大棚和玻璃溫室中，其土壤濕度較高，各處土壤的含水率相差不大，故高稈對低稈作物的屏蔽效果就可很容易的觀察到。因而，在保護地環(huán)境中，栽培作物蔬菜時要首先考慮這一問題。5）種植凹凸土壤結構中的電場分布種植凹凸土壤結構如圖2-27。對于突起部位，它相當于大地上放了半個介電常數為的橢圓柱體，而凹進的部位則同上節(jié)所述的凹槽結構。圖2-27 種植凹凸土壤結構的電動力學分析模型（圖片設計：隋俊杰 劉濱疆）假設

50、在土壤上有一個介電子常數為的介質橢圓柱體，橢圓的半長軸為a1，半短軸為a2,焦點到原點的距離為(a12-a22 )1/2=a ，根據保角度換法，按W=ch-1（z/a）的復變函數將土壤Z面上的橢圓柱體變?yōu)閃面上的一個電壓為u0的平板電極u= u0= ch-1（a1/a2）。如果在外加電場是沿橢圓柱長軸方向時，最大的電場強度出現在介質橢圓柱體表面長軸尖端點的外側，它的值就是式（35）等號右側的值，故最大的電場強度為： (32)當將土壟看作介質橢圓柱體時，土壟愈潮濕則其r愈大。土壟中土壤含水率達到一定程度時，其r將變得很大，r。于是，土壟上方的最大電場強度可近似寫作： (33)式中a1可看作土壟的

51、高度，a2可看作土壟底部寬度的一半。由上式可以看出，a1/a2值越大，壟頂的場強就越強。當，a1=a2 /2時，Em=2E0，即半圓土壟頂部的場強是大氣電場強度的2倍。由上式的分析可以看出，大氣電場作用的結果便是土壟水分疏導的毛細管最為發(fā)達、水分失去最快、變干最快、土壤溶液中電解質積聚最多、最易鹽堿化。事實上，在自然環(huán)境中，大氣電場已悄悄地發(fā)揮了這些作用，只是以前不被人所知而已。上一節(jié)的種植凹結構實際上同土壤凹結構的電學特性相同，故土壤凹結構底部的電場強度要比大氣電場低很多，其底部土壤水分蒸發(fā)要比壟上慢很多。凸結構的水分快速蒸發(fā)及電解質粒子的積聚以及凹結構的水分慢速蒸發(fā)的電場驅動機理具有重大的

52、科學意義和應用價值。它明確告訴我們，1/2的比值決定大氣電場深入土壤的深度，也決定著許多植物種類的根系扎入土壤的深度。對于水源充足的水澆地，采用壟上種植要比平種對植物生長更有好處，即壟作是水源充足地區(qū)的高產栽培措施，見圖2-28中左圖。對于缺乏水源，靠天吃飯的干旱地區(qū)，離子傳遞阻力的大小以及植株對水分的生理需求成為制約植物生長發(fā)育和產量的關鍵因素，但溝底的弱電場對潮濕土壤中的離子驅動仍然是有效的。在凸凹結構中，壟上土壤迅速變干后，溝底的電場強度將升高并接近于大氣電場的數值，凸凹結構轉化為介質常數較小的介電表層覆蓋的平板結構，隨著植株的生長，逐漸深入土壤層，植株抗旱能力也逐漸得到增強。因而，溝種

53、是保證旱地高產的有效栽培措施，見圖2-28中右圖。 圖2-28 水田與旱作農業(yè)栽培的電動力學分析模型（圖片設計：隋俊杰 劉濱疆）  2.2.5地電場    地電場包括自然地電場和人工地電場兩類，這兩種地電場均對土壤栽培作物和土壤微生物產生直接作用。    2.2.5.1自然地電場    它包括常態(tài)地電場和雷擊地電場兩類。地電場的存在對土壤中的水分和微生物的遷移、礦物質養(yǎng)分的活化、氧氣含量都有顯著的影響，這就為人工利用地電場調控土壤理化性質以及土壤微生物數量提供了可能。  &#

54、160; 常態(tài)地電場是由土質和土壤理化性質的不同導致相鄰兩塊地塊產生電位差，該電位差通常與土壤的氧化還原作用、滲透過濾作用、擴散作用直接相關，即與土壤物質的組成、壓力、含水程度、溫度以及根系的分泌物等因素有關，并主要決定于土壤孔隙中的液體和土壤物質組成。如堿土和淡栗鈣土等淋溶層的自然電場比淀積層高4050毫伏，而淡栗鈣土淀積層的自然電場又比堿化層高1525毫伏。    在有水從山頂流到山下的山區(qū)，通常山頂為負電位，而山下為正電位，其電壓數值可達-30mV。按照陰極聚水原理，那么要有一個水分從地面緩慢向山頂，這也是這類山樹木郁郁蔥蔥的原因。圖2-29給出了瀑布類山林

55、郁郁蔥蔥的電動力學解釋。圖2-29  流水的山林草郁郁蔥蔥的電動力學與力學的圖解（圖片設計：許維輝 劉濱疆）     氧化還原電位也是導致自然地電場形成的主要因素，而土壤氧化還原電位的高低取決于土壤溶液中氧化態(tài)和還原態(tài)物質的相對濃度。旱地土壤的正常Eh為200750mV，若大于750mV，則土壤完全處于氧化狀態(tài)，有機質消耗過快，有些養(yǎng)料由此喪失有效性，應灌水適當降低Eh。若小于200mV，則表明土壤水分過多，通氣不良，應排水或松土以提高其Eh值。水田土壤Eh變動較大，在淹水期間Eh值可低至-150mV，甚至更低；在排水曬田期間，土壤通氣性改善，

56、Eh可增至500mV以上。一般地，稻田適宜的Eh值200400mV之間，若Eh經常在180mV以下或低于100mV，則水稻分蘗或生長發(fā)育受阻。若長期處于-100mV以下，水稻會嚴重受害甚至死亡，此時應及時排水曬田以提高其Eh值。    雷擊地電場具有更強的生物化學效應，它是雷電擊中樹木、山包、雷擊防護裝置（避雷針）時引導的雷電流入大地形成的，在這些引雷媒介與大地之間產生非常高的瞬時電壓，對周圍與它們有電阻存在的土壤、植物之間產生巨大的電位差，這個電位差引起的電擊也稱地電位反擊。這種反擊會在土壤中產生強烈的電化學反應，土壤中的水分、氯離子等轉變?yōu)樵友酢⒃勇?，而?/p>

57、在于土壤團聚體空隙的氮氣也會轉化為二氧化氮而成為氮肥，同時地電場的迅速變化還會將地電流流散區(qū)內的植物、土壤生命體系中的鈣離子濃度、微生物數量進行一次大的調整，這也是雷擊后該區(qū)域植物生長加快的根本原因。試驗證明，雷擊處半徑 20m 以內的地方，土壤氧氣含量以及土壤硝態(tài)氮都會有明顯的增長。圖2-30給出了雷擊地電場引發(fā)的各種土壤電化學反應式，說明了雷擊后植物生長加速的原因。 圖2-30 雷擊地電場引發(fā)的土壤電化學反應（圖片設計：許維輝 劉濱疆）     2.2.5.2人工地電場     在土壤中埋設兩電極，通以脈沖電流

58、或直流電便可引起一系列的土壤電化學、電生物學的反應和變化，進而可以影響植物的生長發(fā)育。    高壓強電場瞬間施加于土壤液體會產生液電效應，由于巨大的能量瞬間釋放于放電通道內，通道中的液體就迅速汽化、膨脹并引起爆炸，并伴隨著土壤的電化學反應、電動力學效應、熱力學效應等諸多變化。液電效應最直接的生物效應便是處理后的土壤含有的硝態(tài)氮大幅度提高，作物生物產量顯著提高，同時土壤病蟲害發(fā)生率減少。     當給予埋入土壤中的兩電極通以直流電或定極性脈沖時，土壤的地電場會發(fā)生很大的變化，并在兩極和兩極之間的設置的導電胞(介導顆粒)處發(fā)生土壤水的電化學反應、物質的電動力遷移以及熱效應，土壤中氧氣、氯氣、酚類氣體都會增加，另一方面，兩極板之間的土壤水會向陰極聚集。這類人工電場處理土壤帶來的最明顯變化就是土壤的保水性能提高以及土壤微生物菌落數和土壤昆蟲數量的減少。    土壤電改良是利用直流電場加速土壤中的電化學反應和電滲過程。直流電場可以促進