大氣電場(chǎng)與空間電場(chǎng)

1、大氣電場(chǎng)大氣電場(chǎng)也稱(chēng)自然電場(chǎng)，是地球環(huán)境中存在的一種自然現(xiàn)象，并對(duì)地球環(huán)境中的植物生長(zhǎng)發(fā)育以及病蟲(chóng)害發(fā)生與發(fā)展產(chǎn)生著一種“無(wú)形”控制，它是繼光、溫度、水分、空氣、土壤、肥料之后于上世紀(jì)九十年代才發(fā)現(xiàn)的新要素。大氣電場(chǎng)的形成是由帶負(fù)電荷的地球和帶正電荷的電離層組成的類(lèi)似于球形電容器產(chǎn)生的，因此，大氣電場(chǎng)的方向指向地面，其強(qiáng)度隨時(shí)間、地點(diǎn)、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(chǎng)和訊變大氣電場(chǎng)。圖2-18給出了全球大氣電過(guò)程的球形電容器模型，其中E0為大氣電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度。 圖2-18全球大氣電過(guò)程的球形電容器模型（圖片設(shè)計(jì)：韓大鵬 劉濱疆）2.2.4.1 晴天大氣電場(chǎng)晴天大氣電場(chǎng)為

2、正電場(chǎng)，具有空間分布特征。其電場(chǎng)強(qiáng)度可隨緯度、氣溶膠含量、地面高度、局地特點(diǎn)、時(shí)間變化而變化。1）晴天大氣電場(chǎng)局地特點(diǎn)與植物的多樣性相關(guān)大陸上地面晴天大氣電場(chǎng)隨地點(diǎn)的變化較為復(fù)雜，就全球平均而言，電場(chǎng)強(qiáng)度E0在陸地上為120伏/米，在海洋上為130伏/米。我國(guó)廣州的大氣電場(chǎng)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(chǎng)的不同會(huì)導(dǎo)致植物生長(zhǎng)變化的多樣性。2）晴天大氣電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)也因時(shí)因地而異通常，晴天大氣電場(chǎng)隨高度增加近似呈指數(shù)規(guī)律遞減的分布特征。然而，即使在同一時(shí)刻，晴天大氣電場(chǎng)在不同高度范圍內(nèi)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(chǎng)將受大地電極效應(yīng)的影響。由于大地帶負(fù)電荷，因而在貼近地面的一薄層大氣中積累了大量符號(hào)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(qiáng)的大氣電場(chǎng)。晴天大氣電場(chǎng)受大地電極效應(yīng)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(chǎng)為未受大地電極效應(yīng)影響的晴天大氣電場(chǎng)的2.8倍。根據(jù)靜電學(xué)感應(yīng)原理，貼近地面的晴天大氣電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，其植物體表層將感應(yīng)出更多的荷負(fù)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(xué)反應(yīng)。比如葉內(nèi)的OH-負(fù)離子,它可對(duì)大氣中陽(yáng)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(yīng)。感應(yīng)積累于葉面表層的OH-在日光電磁場(chǎng)的激發(fā)下很易在氣孔等棱緣處放出電子，這個(gè)反應(yīng)也許同植物的光合作用放氧有關(guān)。在人為施加靜電場(chǎng)的環(huán)境中，有些植物也能在黑暗中進(jìn)行光合作用就是對(duì)這一推測(cè)的正確性的證明。3）晴天大氣電場(chǎng)時(shí)變性晴天大氣電場(chǎng)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(dòng)起伏變化。晴天大氣電場(chǎng)日變化的波形受兩種機(jī)制的影響，一種是全球普遍變化的機(jī)制，主要與全球雷暴活動(dòng)的日變化有關(guān)，另一種是地方性局地變化機(jī)制，主要與局地大氣狀況的日變化所導(dǎo)致大氣電導(dǎo)率和大氣體電荷密度等大氣電學(xué)量的日變化有關(guān)。根據(jù)世界各國(guó)的觀測(cè)結(jié)果，

5、可將地面晴天大氣電場(chǎng)日變化歸納為二種基本類(lèi)型。第一類(lèi)為地面晴天大氣電場(chǎng)日變化具有單峰單谷的變化波形。通常,這類(lèi)地面晴天大氣電場(chǎng)日變化的峰值出現(xiàn)在下午至傍晚，即地方時(shí)13時(shí)至19時(shí)左右。谷值多出現(xiàn)在清晨，即地方時(shí)2時(shí)至6時(shí)左右，遠(yuǎn)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(chǎng)日變化有些屬于這一類(lèi)型。這類(lèi)地區(qū)的植物可在晴天大氣電場(chǎng)向峰值變化時(shí)從土壤中獲得陰離子HCO3-、OH-等，又可在晴天大氣電場(chǎng)由峰值向谷值變化時(shí)吸收陽(yáng)離子Ca+2等。因而，這類(lèi)地區(qū)的植物在每日中有兩次大規(guī)模吸收陰離子或陽(yáng)離子的時(shí)間，這類(lèi)地區(qū)的生物產(chǎn)量往往不會(huì)太高。 第二類(lèi)為大陸復(fù)雜型。這類(lèi)地面

6、晴天大氣電場(chǎng)日變化具有雙峰雙谷的變化波形.通常,第一峰值多出現(xiàn)在上午地方時(shí)7時(shí)至10時(shí)左右，第二峰值多出現(xiàn)在晚間地方時(shí)18時(shí)至21時(shí)左右，第一谷值多出現(xiàn)在清晨地方時(shí)2時(shí)至6時(shí)左右，第二谷值多出現(xiàn)在下午地方時(shí)13時(shí)至16時(shí)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(chǎng)日變化多屬于這一類(lèi)型。這類(lèi)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(yáng)離子的時(shí)間，故其生物產(chǎn)量一般高于單峰單谷地區(qū)。氣象條件與晴天大氣電場(chǎng)之間的關(guān)系，往往是通過(guò)其他大氣電學(xué)量對(duì)晴天大氣電場(chǎng)產(chǎn)生間接影響的結(jié)果。由于大氣電場(chǎng)與晴天大氣電導(dǎo)率之間關(guān)系呈負(fù)相關(guān)，因此，對(duì)晴天大氣電導(dǎo)率產(chǎn)生影響的氣象條件都將

7、間接影響晴天大氣電場(chǎng)。通常，在午夜至黎明之前，地面氣溶膠濃度出現(xiàn)第一極小值,大氣輕離子濃度增大,晴天大氣電導(dǎo)率增大,致使晴天大氣電場(chǎng)減小，大氣電場(chǎng)出現(xiàn)第一極小值。日出后由于熱對(duì)流和湍流垂直輸送作用的加強(qiáng)，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(dǎo)率減小，最后使晴天大氣電場(chǎng)增大，大氣電場(chǎng)出現(xiàn)第一大值。中午至下午因熱對(duì)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(dǎo)致晴天大氣電導(dǎo)率增大，從而使晴天大氣電場(chǎng)減小，出現(xiàn)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(fù)又

8、增大，大氣輕離子濃度減小，晴天大氣電導(dǎo)率減小，這又導(dǎo)致了晴天大氣電場(chǎng)出現(xiàn)第2峰值。 溫度，水汽壓影響著晴天大氣電場(chǎng)的變化，晴天大氣電場(chǎng)的變化量又決定著植物從土壤中吸收肥料的電極性和數(shù)量以及帶電同化物的運(yùn)移。通常，太陽(yáng)光、溫度、水份對(duì)植物生長(zhǎng)的影響也可歸結(jié)為這類(lèi)氣象因子的變化在良好的生長(zhǎng)環(huán)境中通過(guò)大氣電場(chǎng)的變化以及大氣電場(chǎng)變量E對(duì)離子的驅(qū)動(dòng)條件而植物生長(zhǎng)產(chǎn)生作用。大氣電場(chǎng)的這種脈動(dòng)變化對(duì)于植物的生長(zhǎng)具有重要的意義，有趣的是植物開(kāi)花的時(shí)間也多集中在兩個(gè)峰值區(qū)?？茖W(xué)家通過(guò)多峰多谷的實(shí)驗(yàn)，亦確定了多變的靜電場(chǎng)可以加快植物的生長(zhǎng)。晴天大氣電場(chǎng)波動(dòng)的增量E往往可以導(dǎo)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(xué)上部向下運(yùn)轉(zhuǎn)G、的荷正電荷的物質(zhì),而其電場(chǎng)強(qiáng)度的減弱又往往會(huì)導(dǎo)致植物從土壤中吸收陽(yáng)離子和從其生態(tài)學(xué)上部往下運(yùn)輸陰離子同化物。兩種極性的荷電養(yǎng)料的相反運(yùn)動(dòng)又往往會(huì)產(chǎn)生許多生化反應(yīng)。 晴天大氣電場(chǎng)的年變化規(guī)律因地而異。地面和海面晴天大氣電場(chǎng)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(xiàn)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(chǎng)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(chǎng)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(zhì)以抵抗寒冷的侵害。從電場(chǎng)可驅(qū)動(dòng)離子運(yùn)動(dòng)這一特性來(lái)講，既然冬季大氣

10、電場(chǎng)較強(qiáng)，那么植物尤其是樹(shù)木也可在冬日集聚養(yǎng)料，提高溶質(zhì)濃度抵御低溫災(zāi)害。大氣電場(chǎng)年變化的這一特點(diǎn)，對(duì)植物來(lái)年春天的開(kāi)花生長(zhǎng)則具有重要的科學(xué)意義。    2.2.4.2訊變大氣電場(chǎng) 擾動(dòng)大氣電場(chǎng)或稱(chēng)訊變電場(chǎng)同氣象要素的變化有關(guān)。當(dāng)存在激烈的天氣現(xiàn)象（如雷暴、雪暴、塵暴）時(shí)，大氣電場(chǎng)的數(shù)值和方向均有明顯的不規(guī)則變化，高云對(duì)電場(chǎng)的影響不大，低云則有明顯的影響，雷雨云下面的大氣電場(chǎng)，甚至可達(dá)-104伏/米。這時(shí),地面上的樹(shù)木，青草，莊稼等植物體尖端，在地面大氣電場(chǎng)超過(guò)103V/m左右時(shí)尖端附近大氣電場(chǎng)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(chǎng)，同時(shí)還與植物體尖端的幾何形狀和高度有關(guān)。在靜風(fēng)條件下，尖端放電電流強(qiáng)度為I=(E2-b2) （1）式中a和b均為常系數(shù)。若尖端放電電流強(qiáng)度為正時(shí),a=8×10-14A·m2/V2 ， b=780V/m。若尖端放電電流強(qiáng)度為負(fù)時(shí)，a=-10-13A·m2/V2,b=860V/m。尖端放電電流強(qiáng)度與風(fēng)速密切相關(guān)，風(fēng)速愈大，尖端放電電流強(qiáng)度也隨之增加，因此，一定風(fēng)速的氣流有利于植物從土壤中吸收離子肥料。搖動(dòng)植物、脈動(dòng)風(fēng)、聲波震動(dòng)導(dǎo)致植物吸收離子的變化就是對(duì)一問(wèn)題的間接說(shuō)明。由于積雨云下部通常為

12、負(fù)荷電區(qū)，有時(shí)也出現(xiàn)正荷電區(qū)，因而，尖端放電電流時(shí)正時(shí)負(fù)，但平均而言，負(fù)的尖端放電電流向大地輸送的負(fù)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(chǎng)作用的情況相反。正的尖端放電電流可導(dǎo)致植物從土壤中吸收陰離子，而負(fù)的尖端放電電流則又可導(dǎo)致植物從土壤中吸收陽(yáng)離子。時(shí)正時(shí)負(fù)的這種放電電流便可使植物體吸收平衡的營(yíng)養(yǎng)成分。 雷電是積云中不同符號(hào)荷電中心之間的劇烈放電過(guò)程或云中荷電中心與大地和地物之間的放電過(guò)程。雷電過(guò)程中產(chǎn)生的強(qiáng)大閃電電流，將產(chǎn)生靜電場(chǎng)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(chǎng)隨時(shí)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(chǎng)分量，Ei(t)為感應(yīng)場(chǎng)分量，Er(t)為輻射場(chǎng)分量。上式還可以寫(xiě)為E(t)= (2)式中C為光速，R為閃電距離、為閃電電距隨時(shí)間的變化。滿足上式的閃電距離的變化范圍，嚴(yán)格而言為30100KM左右，上式右邊第一項(xiàng)表明，閃電引起的地面垂直大氣電場(chǎng)隨時(shí)問(wèn)變化的靜電場(chǎng)分量正比于閃電電距，反比于閃電距離的立方。第二項(xiàng)表明，閃電所引起的地面垂直大氣電場(chǎng)隨時(shí)間變化的感應(yīng)場(chǎng)分量正比于閃電電距對(duì)時(shí)間的一次微商，反比于閃電距離的平方。第三項(xiàng)表明，閃電所引起的地面垂直大氣電場(chǎng)隨時(shí)間變化的輻場(chǎng)分量正比于閃電電距對(duì)時(shí)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(chǎng)

14、作用半徑可達(dá)100公里左右，方圓200公里以內(nèi)的植物將受到電場(chǎng)變化量的作用。除了通常認(rèn)為的閃電合成氮素是導(dǎo)致雷雨期間植物生長(zhǎng)加快的原因之外，也許更為重要的是雷電期間，大氣電場(chǎng)的劇烈變化所導(dǎo)致大重礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)導(dǎo)入植株體內(nèi)的結(jié)果。 由此看來(lái)，年雷暴時(shí)數(shù)的多少同植物群落的生長(zhǎng)量有著密切關(guān)系，年雷暴時(shí)在80小時(shí)以上的地區(qū)為植物生長(zhǎng)茂盛地區(qū)。年雷暴時(shí)愈高的地區(qū)則植物生長(zhǎng)愈繁盛，如海南島的海口為471小時(shí)，長(zhǎng)江兩岸地區(qū)為150200小時(shí)，該類(lèi)地區(qū)的植被都很發(fā)達(dá)。而年雷暴時(shí)愈低的地區(qū)則植被愈稀落，如敦煌為9小時(shí)，格爾木為4小時(shí)，柴達(dá)木盆地為25小時(shí)。 總的來(lái)說(shuō)，我國(guó)平均雷暴時(shí)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(chǎng)的變化的響范圍數(shù)萬(wàn)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(chǎng)的表達(dá)式在直角坐標(biāo)系里，大氣電場(chǎng)可以表示為： (3)式中i、j和k分別為x、y、z軸的坐標(biāo)向量。v為大氣電位，單位為伏。E為大氣電場(chǎng)，單位為v/m。對(duì)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(biāo)z重合，因而 (4)這個(gè)電場(chǎng)可使植物保持向上的生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。這時(shí)的晴天大氣電場(chǎng)可改寫(xiě)為標(biāo)量形式E=EZ= (5)對(duì)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(chǎng)的水平分量Ex和Ey可導(dǎo)致植物的葉莖向

16、四圍伸展。 2.2.4.4 大氣電場(chǎng)的變化與植物生物電流的產(chǎn)生植物生物電流是由同極性荷電離子在植物體內(nèi)的定向移動(dòng)形成的，同極性離子的定向移動(dòng)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(chǎng)對(duì)植株感應(yīng)所引起的放電所形成，又可以通過(guò)大氣電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)的增減量在植株體內(nèi)引起的瞬間的不平衡電場(chǎng)所形成。因而大氣電學(xué)的各項(xiàng)參數(shù)的變化是導(dǎo)致植株體內(nèi)荷電粒子運(yùn)動(dòng)的基本原因。1）全球大氣電過(guò)程的物理模型為了建立大氣電場(chǎng)變化同植物生物電流的數(shù)學(xué)關(guān)系，需建立全球大氣電過(guò)程的物理模型見(jiàn)圖2-18。由于土壤電導(dǎo)率比低層晴天大氣電導(dǎo)率大10至11個(gè)數(shù)量級(jí)，而電離層電導(dǎo)率則比低層晴天大氣電導(dǎo)率大10個(gè)數(shù)量級(jí)

17、左右，因此，相對(duì)大氣而言，地球和電離層均為導(dǎo)體，地球表面和電離層下界面為等電位面，于是可把整個(gè)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(dǎo)電性能的大氣介質(zhì)。整層晴天大氣電位差V的存在，導(dǎo)致晴天大氣電場(chǎng)E的建立，由于晴天大氣具有微弱的導(dǎo)電性能，因而在晴天大氣電場(chǎng)的作用下，形成電流強(qiáng)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(fù)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(jié)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(dòng)產(chǎn)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(dòng)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(jīng)過(guò)弛豫時(shí)間過(guò)渡到新的大氣電狀態(tài)。馳豫時(shí)問(wèn)反比于大氣總電導(dǎo)率。大氣總電導(dǎo)率愈大，馳豫時(shí)間愈短，反之亦然。例如，地面晴天大氣的馳豫時(shí)間約為400S，由此可見(jiàn)，由于所研究的晴天大氣電場(chǎng)日變化的時(shí)間尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于晴天大氣馳豫時(shí)間，所以可把晴天大氣電過(guò)程看成準(zhǔn)靜態(tài)。因此，晴天大氣電學(xué)量仍遵循靜電學(xué)關(guān)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(guān)系為V= j· R (6) 式中j為晴天大氣傳導(dǎo)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(chǎng)的表達(dá)式：E= （8）由式(8)可以看出，晴天大氣電場(chǎng)由局地晴天大氣總電導(dǎo)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(gè)參數(shù)的變化都將引起晴天大氣電場(chǎng)E的變化，生長(zhǎng)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(duì)時(shí)間t求傲商并除以式(8)，便得地面晴天大氣電場(chǎng)相對(duì)變化的表達(dá)式： （9）式(9)表明，地面晴天大氣電場(chǎng)的相對(duì)變化取決于整層晴天大氣電位差的相對(duì)變化，整層晴天氣柱電阻的相對(duì)變化，局地晴天大氣總電導(dǎo)率的相對(duì)變化，即取決于全球雷暴活動(dòng)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(chǎng)日變化機(jī)制綜合作用的結(jié)果對(duì)多數(shù)地方而言，地面晴天大

20、氣電場(chǎng)日變化以地區(qū)性局地日變化機(jī)制起主導(dǎo)作用。 大陸上許多地方晴天大氣電場(chǎng)變化型式屬大陸復(fù)雜型，具有雙峰雙谷的日變化形式，第一章所談及的兩個(gè)峰值和兩個(gè)谷值出現(xiàn)的時(shí)間主要是因?yàn)槿粘龊蟮蛯哟髿庵袩釋?duì)流和湍流垂宜輸送作用開(kāi)始增強(qiáng)，從而使較低層大氣中的氣溶膠含量增大，并導(dǎo)致地面晴天大氣電導(dǎo)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(hào)左邊，對(duì)大陸地面晴天大氣電場(chǎng)日變化起主要作用的第二項(xiàng)和第三項(xiàng)相比較，第三項(xiàng)起主要作用，且有d/dt<0，這就導(dǎo)致地面晴天大氣電場(chǎng)日變化在上午78時(shí)左右出現(xiàn)峰值，到了中午至下午，因低層大氣中熱對(duì)流和湍流垂直輸送較為旺盛，導(dǎo)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(dǎo)率的變化并不顯著，于是，式(9)dR/dt對(duì)晴天大氣電場(chǎng)的日變化起主要作用，且dR/dt>0，從而導(dǎo)致睛天大氣電場(chǎng)的日變化在1316時(shí)左右出現(xiàn)谷值。到了傍晚和日落后，低層大氣中的熱對(duì)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(jìn)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(dǎo)致d/dt<0，dR/dt<0.于是，在1821時(shí)左右大氣電場(chǎng)復(fù)又出現(xiàn)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(dǎo)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(chǎng)在26時(shí)復(fù)又出現(xiàn)谷值。雖然球形電容器模型存在著許多未被準(zhǔn)確驗(yàn)證的問(wèn)題，但大氣電場(chǎng)的變化同R、 V三因子有著重要的關(guān)系是肯定的。植物是宇宙的生命現(xiàn)象，它不僅同光，溫，氣，水，肥有關(guān)，而且還受生長(zhǎng)環(huán)境中的各種物理因素的制約，這類(lèi)因子的變化往往又引起植物的各種應(yīng)激反應(yīng)，其中，E（t）>0導(dǎo)致植物吸收陰離子和E（t）<0導(dǎo)致植物吸收陽(yáng)離子就是這種應(yīng)激反應(yīng)的一個(gè)重要現(xiàn)象。2）大氣電場(chǎng)同植物生物電流之間的關(guān)系 植物體內(nèi)不僅包含著從土壤溶液中吸收上來(lái)的陰，陽(yáng)離子，而且包含著糖，蛋白質(zhì)，核酸合成與分解過(guò)程中的電子，質(zhì)子及其它荷電粒子。這些荷電物質(zhì)在外部電場(chǎng)的作用下都

23、將產(chǎn)生定向移動(dòng)，形成物質(zhì)輸送電流。對(duì)于處在大氣電場(chǎng)中的植物來(lái)講，隨著大氣電場(chǎng)的變化，其體內(nèi)感應(yīng)電場(chǎng)Ei的響應(yīng)滯后于前一電場(chǎng)的變化時(shí)間為10-1210-16S，兩者之間的關(guān)系為：E=-Ei (10)因此，植物響應(yīng)大氣電場(chǎng)變化的感應(yīng)電流j1的相對(duì)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(dǎo)率。于是，植株體內(nèi)的響應(yīng)電流的相對(duì)變化由式(I11)及式(9)可表示為： （12）式(12)表明，植株體內(nèi)響應(yīng)大氣電場(chǎng)的變化所產(chǎn)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(dǎo)率的相對(duì)變化有關(guān)，又和植株本身及根系與土壤的接觸面的電學(xué)特點(diǎn)有關(guān)。式(12)中的入1可寫(xiě)作:

24、 (13)式(13)中F為法拉第常數(shù)，m為植株體液濃度，為離解系數(shù)，u0+，u0- 為陰陽(yáng)離子的遷移率。上式表明，植株電導(dǎo)率同體濃度及溶質(zhì)的離解系數(shù)a和陰陽(yáng)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(guān)。在生理溫度1230的范圍內(nèi)，體液離解系數(shù)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(shí)的資料，故不能做出客觀判斷。因而，對(duì)植株生活體系的電導(dǎo)率的日變化還需進(jìn)行更多地研究。這一問(wèn)題的解決將會(huì)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(dòng)時(shí)時(shí)刻刻地都在變化，植物體內(nèi)的養(yǎng)料輸送電流也在隨動(dòng)，于是，導(dǎo)致了植物也不停地同其生長(zhǎng)環(huán)境發(fā)生在能量與

25、物質(zhì)的聯(lián)系。在植株頂端大氣一植株一根系周?chē)寥老到y(tǒng)總電導(dǎo)率不變的情況下，感應(yīng)的養(yǎng)料輸送電流的變化僅取決于大氣電場(chǎng)的變化，因而，實(shí)現(xiàn)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(chǎng)的變化率符號(hào)有關(guān)，即當(dāng)大氣電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)變化率E（t）>0時(shí)，植株形態(tài)學(xué)上部的陽(yáng)離子將下移，形態(tài)學(xué)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(fù)。而當(dāng)E（t）<0時(shí)，植株形態(tài)學(xué)上部的陰離子將下移，形態(tài)學(xué)下都即土壤中的陽(yáng)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(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí)二氧化碳和鈣離子在植物體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（圖片設(shè)計(jì)：陳強(qiáng) 劉濱疆）式(12

26、)、(14)表明，電場(chǎng)變化率的大小是決定植株吸收粒子肥料數(shù)量的關(guān)鍵參數(shù)。變化率的正負(fù)性則又決定了植株從土壤中吸收離子的極性，正或負(fù)電場(chǎng)升降變化導(dǎo)致植株吸收離子的極性見(jiàn)圖2-19所示，即當(dāng)晴天大氣電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)增加時(shí)，植物吸收二氧化碳（HCO3-） ，而鈣離子Ca2+卻由植株形態(tài)學(xué)上方流向下方，而當(dāng)晴天大氣電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)減弱時(shí)，上述過(guò)程正好相反。見(jiàn)圖2-20 大氣電場(chǎng)的變化與植物體內(nèi)某些離子輸送方向之間的關(guān)系 （圖片設(shè)計(jì)：許維輝 劉濱疆）大氣電場(chǎng)變化的規(guī)律性導(dǎo)致了植株定極吸收離子的規(guī)律。大氣電場(chǎng)的脈動(dòng)導(dǎo)致了植株對(duì)兩種極性離子的交替吸收，人為實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)的變化即可控制植株的生長(zhǎng)速度。3）蛋白質(zhì)對(duì)離子吸收起的作用蛋

27、白質(zhì)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(zhì)分子中羧基的離解和增加氨基的離解，致使蛋白質(zhì)所攜電荷以正電荷為主。OH-濃度的增加，可抑制蛋白質(zhì)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(fù)電荷為主。在晴天大氣電場(chǎng)的作用下，植株表層積累了大量陰離子，使表層胞質(zhì)pH值保持在一定的堿性上，當(dāng)電場(chǎng)以E（t）<0的某一值減小時(shí)，不易移動(dòng)的蛋白質(zhì)上的負(fù)荷形成的剩余電場(chǎng)將對(duì)植株內(nèi)部以及根系周?chē)寥乐械年?yáng)離子產(chǎn)生庫(kù)侖力而將其吸收上來(lái)。在其它氣象條件下而形成時(shí)負(fù)的大氣電場(chǎng)可使植株地上部分的表層細(xì)胞積累大量的陽(yáng)離子，瞬間的靜電平衡態(tài)使表層胞質(zhì)的pH值保持在一定

28、的酸性值上，當(dāng)該電場(chǎng)以E（t）>0時(shí)某一值增加時(shí)，由于蛋白質(zhì)的不易移動(dòng)性，蛋白質(zhì)上的正電荷形成的剩余電場(chǎng)將對(duì)植株內(nèi)部以及根系周?chē)寥乐械年庪x子產(chǎn)生庫(kù)侖力而將其吸收上來(lái)。因此，蛋白質(zhì)的兩性特點(diǎn)保證了陽(yáng)離子或陰離子在正電場(chǎng)E(t)<0或負(fù)電場(chǎng)在E（t）>0時(shí)被吸引至植株形態(tài)學(xué)上部。大氣電場(chǎng)的升降變化和蛋白質(zhì)的這種兩性特點(diǎn)是植物正常生長(zhǎng)的必要條件，但由于正的大氣電場(chǎng)，即晴天大氣電場(chǎng)年保留時(shí)間高于負(fù)的大氣電場(chǎng)，故植株通常吸收陰離子要較陽(yáng)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(chǎng)感應(yīng)下積累的陰離子所攜帶的負(fù)電荷林在植株的各個(gè)尖端部位對(duì)大氣陽(yáng)離子放電，進(jìn)行電荷交換。靜

29、電場(chǎng)中的植株葉片的紅褐色便是電極大氣一植株體系內(nèi)部放電形成新物質(zhì)的結(jié)果。這些表層的荷負(fù)電荷的物質(zhì)在放電的同時(shí)也可能受到日光這種高頻電磁場(chǎng)的激發(fā)或隨蒸騰流一起脫逸植物體。無(wú)論大氣電場(chǎng)變或是不變，植株表層電荷密度的降低勢(shì)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(jìn)了植物體的吸收功能。氣孔護(hù)衛(wèi)細(xì)胞膜的水膜由于靜電場(chǎng)的作用，其液面分子處于定向排列，且隨外加電場(chǎng)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(shù)） （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(duì)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(guān)系為：f=q2/(8)2 r3) (16)式中為水珠的介電常數(shù)。由上式可知，水珠上感應(yīng)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(chǎn)生分裂而蒸騰。清晨出現(xiàn)在大麥苗葉尖的水球在靜電場(chǎng)和陽(yáng)光作用下，要比不加靜電場(chǎng)而有陽(yáng)光作用下消散的更快。圖2-21為模擬大氣電場(chǎng)變化的空間電場(chǎng)強(qiáng)度間歇變化造成的水分蒸發(fā)加速現(xiàn)象：圖中左面的培養(yǎng)皿為處于間歇空間電場(chǎng)環(huán)境中3天后出現(xiàn)的水分蒸發(fā)結(jié)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(jié)果。由圖中可

31、以看出間歇變化的空間電場(chǎng)能在三天內(nèi)使盤(pán)中的水平面下降一半，而對(duì)照僅僅下降一點(diǎn)點(diǎn)。圖2-21間歇變化的空間電場(chǎng)作用的左盤(pán)和常規(guī)環(huán)境中的右盤(pán)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(yīng)。水為弱電解質(zhì)，其電離方程為：H2O H+ +OH-在大氣電場(chǎng)E (t)>0的作用下，大氣中的陽(yáng)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(yáng)離子形成強(qiáng)的靜電場(chǎng)，同時(shí)，OH-陰離子外層的電子在陽(yáng)光高頻電磁場(chǎng)激發(fā)下，便很易對(duì)陽(yáng)離子放電給出電子而產(chǎn)生還原反應(yīng)：4OH-一4e=O2 十2H2O這個(gè)反應(yīng)很可能是光合反應(yīng)放氧的一部分。在靜電場(chǎng)的作用下，有些植物仍能在黑暗中進(jìn)行光合作用以及光

32、補(bǔ)償點(diǎn)下降都是對(duì)以反應(yīng)的較直接的證明。因而，靜電場(chǎng)對(duì)植物的蒸騰以及放氧有著重要的作用，認(rèn)真研究這方面的機(jī)理有助于搞清葉片的放氧機(jī)理及蒸騰的電致機(jī)理。除了靜電場(chǎng)對(duì)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(chǎng)驅(qū)動(dòng)的吸收問(wèn)題。植物的葉片是吸收CO2進(jìn)行同化作用的主要器官，CO2在通過(guò)擴(kuò)散和質(zhì)流進(jìn)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(chǎng)的驅(qū)動(dòng)。在E (t)>0時(shí)，HCO3-由葉背面被驅(qū)動(dòng)進(jìn)入葉的上表層、而當(dāng)E (t)<0時(shí)，HCO3- 則由葉的上表層被驅(qū)動(dòng)進(jìn)入

33、葉的背面，為了能充分同化HCO3-以及由陽(yáng)光的直.射性能可知，光合作用應(yīng)在葉的上表面進(jìn)行，為此葉片需大量的HCO3-陰離子保留在葉的背面出現(xiàn)，故可推知葉兩面氣孔的面積之和的最大值應(yīng)在葉的背面出現(xiàn)，而又根據(jù)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(shí)上是與葉片的真實(shí)情況相符。5）電場(chǎng)極性同植物生長(zhǎng)的一般關(guān)系 從理論上講，無(wú)論是正電場(chǎng)還是負(fù)電場(chǎng)在E（t）>0和E （t）<0的連續(xù)變化中導(dǎo)致植物對(duì)離子吸收狀況的效果是一樣的.不會(huì)造成極性不同的電場(chǎng)對(duì)根系生長(zhǎng)發(fā)育的不同作用。然而，恒定的負(fù)的靜電場(chǎng)對(duì)植物根系具有損損害作用。而正的靜電場(chǎng)則促進(jìn)根

34、系的生長(zhǎng)發(fā)育。這種現(xiàn)象在砂培植物的實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)的尤為明顯。這或許是由于持續(xù)負(fù)的靜電場(chǎng)作用導(dǎo)致了植株地上部分的尖端的陽(yáng)離子同大氣陰離子不斷交換電荷所造成的土壤中陽(yáng)離子持續(xù)流入根系的結(jié)果，即陽(yáng)離子的電蝕作用。間斷施加負(fù)電場(chǎng)不損害根的實(shí)驗(yàn)從反面證實(shí)了這一點(diǎn)。12 到目前為止，國(guó)內(nèi)外有關(guān)負(fù)的靜電場(chǎng)對(duì)植株根系的生長(zhǎng)發(fā)育的影響資料仍很少，其作用機(jī)理仍需要大量地進(jìn)行多學(xué)科綜合性研究。但國(guó)內(nèi)一些專(zhuān)家已初步地肯定了正的靜電場(chǎng)可促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，而持續(xù)的負(fù)的靜電場(chǎng)對(duì)植物有不利的影響。圖2-22給出了正向空間電場(chǎng)（靜電場(chǎng)）、負(fù)向空間電場(chǎng)對(duì)植物根、葉產(chǎn)生的完全不同的生理效果，即正向空間電場(chǎng)可促進(jìn)植物的光合作用和提高根系活

35、力，而負(fù)向空間電場(chǎng)則相反。圖2-22 正、負(fù)向空間電場(chǎng)對(duì)植物有著不同的生理影響（圖片設(shè)計(jì)：許維輝 劉濱疆）我們?cè)谶@些基礎(chǔ)上補(bǔ)充了變化的負(fù)電場(chǎng)，它是負(fù)向靜電場(chǎng)作用形式中阻礙植物生長(zhǎng)的最弱甚至不阻礙的唯一形式。事實(shí)上，自然界中負(fù)的恒定靜電場(chǎng)是不存在的，即使是人為所加的負(fù)電場(chǎng)也會(huì)因人、畜、昆蟲(chóng)的靠近及風(fēng)雨等氣候因子變化的影響而產(chǎn)生波動(dòng)，形成變化的靜電場(chǎng)。由植物生長(zhǎng)的自然界中負(fù)的大氣電場(chǎng)出現(xiàn)頻率小于正的大氣電場(chǎng)以及植物的長(zhǎng)期適應(yīng)可以粗略地推出，負(fù)向靜電場(chǎng)對(duì)植物生長(zhǎng)也可能是極其必要的，雷雨天植物生長(zhǎng)速度加快就是對(duì)該問(wèn)題的說(shuō)明。通過(guò)我們多年的實(shí)臉研究，電場(chǎng)變量植株的生長(zhǎng)的影響是顯著的，采用微型機(jī)控制的正電

36、場(chǎng)的變化技術(shù)是植物獲得高速化生產(chǎn)的有效手段，至少這種技術(shù)可以使芹菜的生產(chǎn)速度提高45%以上。但為了解決高速化生產(chǎn)中植株(小麥苗)易倒伏的問(wèn)題，可在生育期施加脈沖負(fù)電場(chǎng)，促進(jìn)植株纖維化的進(jìn)程。這一措施在大棚中種植的小麥上試用結(jié)果很好。2.2.4.5 大氣電場(chǎng)有效驅(qū)動(dòng)植物吸收離子的條件大氣電場(chǎng)是由可認(rèn)為是靜電場(chǎng)的晴天大氣電場(chǎng)和雷雨天的迅變電場(chǎng)組成。根據(jù)式(13)，只要使大氣電場(chǎng)有一變量就可將需要的離子驅(qū)動(dòng)進(jìn)入植株。然而，實(shí)際應(yīng)用中并不能如愿以償，甚至?xí)?dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論得出。兩年中的實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)了靜電場(chǎng)和迅變電場(chǎng)介質(zhì)中的傳播特性、同樣適用于電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)植株定極性多量吸收離子肥料方面。1）靜電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)條件靜電

37、場(chǎng)中的導(dǎo)體是等勢(shì)體，其電荷分布于導(dǎo)體的外表面。其上的電荷對(duì)空氣的泄漏是導(dǎo)致該導(dǎo)體電荷在電場(chǎng)中重新移動(dòng)的動(dòng)力。但導(dǎo)體內(nèi)部的自由電荷則不受這種泄漏所影響，即靜電場(chǎng)和泄漏量形成的對(duì)離子驅(qū)動(dòng)力在金屬導(dǎo)體內(nèi)并不存在，導(dǎo)體內(nèi)的自由電荷并不做定向移動(dòng)。將這一特性應(yīng)運(yùn)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(duì)漬水土壤深層的離子以及營(yíng)養(yǎng)液液面以下的離子，靜電場(chǎng)對(duì)其則無(wú)驅(qū)動(dòng)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(shí)驗(yàn)中仍不會(huì)發(fā)現(xiàn)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(dǎo)養(yǎng)料的器官，另外的區(qū)別則是莖通常外表皮角質(zhì)化，附有一層脂質(zhì)，水份不易由莖導(dǎo)入。因

38、而，靜電場(chǎng)有效驅(qū)動(dòng)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(yíng)養(yǎng)液的氣液交界面上，見(jiàn)圖2-26-。 圖2-23 根系全浸營(yíng)養(yǎng)液中的電動(dòng)力學(xué)分析模型（圖片設(shè)計(jì)：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(chǎng)的驅(qū)動(dòng)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(dǎo)起著至關(guān)重要的作用。在負(fù)的靜電場(chǎng)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(chǎng)的氣液界面驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致了大量陽(yáng)離子在莖處的堆積電蝕所建立起的分路傳導(dǎo)引起的，見(jiàn)圖2-23、圖2-26-。在考慮到有效驅(qū)動(dòng)的第一條件之后，我們可以很快發(fā)現(xiàn)恒定的靜電場(chǎng)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(chǎng)中發(fā)生電荷泄漏和中和的條件高靜電場(chǎng)強(qiáng)導(dǎo)致植株表面尖端部同大氣電荷交換。大氣溫度增高導(dǎo)致葉片尖端部位的荷電離子由氣孔蒸騰而脫逸。刮風(fēng)、人為地機(jī)械振動(dòng)可促進(jìn)葉片表面荷電離子的蒸騰脫逸以及改變植株在電場(chǎng)中的位置使表面電荷密度發(fā)生變化。動(dòng)物及其它物體的靠近而使電場(chǎng)產(chǎn)生畸變，進(jìn)而導(dǎo)致離子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化。以上四條是植株在靜電場(chǎng)中連續(xù)吸收的保證條件。綜合上述，靜電場(chǎng)在自然環(huán)境中有效驅(qū)動(dòng)的條件首先是根系必須處在積水土壤或營(yíng)養(yǎng)液氣液界面的一薄層水液中，其次應(yīng)該保證光，溫，氣的合法供應(yīng)。2）迅變電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)條件雷雨天以及氣流變化迅速的天氣中的大氣電

40、場(chǎng)屬于迅變電場(chǎng)。迅變電場(chǎng)的特點(diǎn)是其場(chǎng)強(qiáng)變化率的絕對(duì)值很大。在迅變電磁場(chǎng)作用下，設(shè)在均勻的電解質(zhì)溶液內(nèi)自由電荷體密度，溶液內(nèi)電場(chǎng)滿足：Ñ·E= (17)式中為液體的介電常數(shù)。根據(jù)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(shí)溶液內(nèi)的電荷密度。由此可見(jiàn)，溶液內(nèi)的電荷密

41、度總是依指數(shù)率衰減的，衰減到初始值1/e的時(shí)間：T=/ （21） 對(duì)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(yuǎn)小于10816赫，就可以為=0。所以，在訊變情形下，可以認(rèn)為均勻溶液內(nèi)仍舊不帶電，與靜電情形相同，電荷只分布于液體表面，場(chǎng)只存在于氣液分界面附近很薄的一層內(nèi)。因而，使用訊變電場(chǎng)來(lái)驅(qū)動(dòng)植物定級(jí)性多量吸收離子肥料時(shí)應(yīng)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(qū)動(dòng)效果近乎為零，這同靜電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)條件一樣。在微型計(jì)算機(jī)控制的直流正高電壓的升降前后，豆角苗受驅(qū)動(dòng)而吸收的Ca2+陽(yáng)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(shuō)明這一條件的關(guān)鍵性。3）土壤電學(xué)特性和電場(chǎng)作用效果的影響土壤含水量決定著土壤的電導(dǎo)率和介電常數(shù)，見(jiàn)圖2-24。對(duì)于大氣電場(chǎng)，其電力線由空氣進(jìn)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(chǎng)強(qiáng)度的值將由E1變?yōu)镋2。圖2-24 大氣電場(chǎng)透入土壤的物理模型（圖片設(shè)計(jì)：許維輝 劉濱疆）E1和E2的關(guān)系遵循電力線在介質(zhì)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(chǎng)強(qiáng)度將要發(fā)生變化。切線方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度在介質(zhì)交界面處并無(wú)變化。對(duì)圖2-25進(jìn)行進(jìn)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(guān)系。當(dāng)2很小時(shí)，即土壤表層很干燥的情況下，大氣電場(chǎng)才可保證有足夠強(qiáng)度透入土壤深層。因而，大氣電場(chǎng)在干燥地區(qū)可以將深層潮濕土壤中的離子驅(qū)動(dòng)進(jìn)入植株。這就是干燥地區(qū)植物根系深厚的最本質(zhì)原因。當(dāng)2很大時(shí)，即土壤漬水的情況下，E20。這同上兩節(jié)推導(dǎo)的靜電場(chǎng)、迅變電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)條件相一致，這對(duì)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(shù)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(chǎng)強(qiáng)度隨土壤深度增加而減弱，植物根系則隨電場(chǎng)向下延伸，直至電場(chǎng)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(yīng)采取間斷放水落干的措施來(lái)保證。根據(jù)以上電場(chǎng)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(huì)因土壤的濕潤(rùn)干燥變化而變異。在多雨及長(zhǎng)期灌溉的條件下，或是空氣經(jīng)常濕潤(rùn)的地區(qū)，其土壤表層或空氣的電導(dǎo)率介電常數(shù)高，植物根系受電場(chǎng)的表層驅(qū)動(dòng)離子的影響而在該表層內(nèi)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(shù)、池杉的根系變異實(shí)際上就是大氣電場(chǎng)的這種傳播特性作用的結(jié)果。熱帶雨林中生長(zhǎng)的榕樹(shù)也是因潮濕空氣的優(yōu)良特性，而在大氣電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生了許多懸空的氣根。和這些問(wèn)題相似的另一問(wèn)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(zhǎng)，例如：泥炭土上生長(zhǎng)的落葉松在土壤表層就出現(xiàn)扁平狀根系，這個(gè)問(wèn)題同樣利用大氣電場(chǎng)的表層驅(qū)動(dòng)理論加以解釋。以上變異過(guò)程還可以采用2-25進(jìn)行演示。在土壤深厚、但經(jīng)常處于干燥的條件下，植物表層側(cè)根則因離子傳遞阻力增大（電導(dǎo)率減?。┒黠@減少，主根和側(cè)根都向深處伸展，在接近地下水面時(shí)就形成穗狀的營(yíng)養(yǎng)根。例如：生長(zhǎng)在黃土高原上的蘋(píng)果樹(shù)，根系可深達(dá)46米。在植物根系的整個(gè)生長(zhǎng)期，如果地下水值有大幅度的增減則可導(dǎo)致根系在土壤剖面上呈現(xiàn)出層狀根系。這些變異也可在圖2-25所示實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行演示。圖2-25 土壤某時(shí)期漬水可形成層狀根的電動(dòng)力學(xué)分析模型（圖片設(shè)計(jì)：陳強(qiáng) 劉濱

46、疆）4）作物種植凹結(jié)構(gòu)的屏蔽圖2-26凹槽栽培的電動(dòng)力學(xué)分析模型，其中圖2-26-是一典型的導(dǎo)體凹槽的電場(chǎng)分布圖形，由圖上可以看出，在凹槽的兩個(gè)內(nèi)直角處的電場(chǎng)強(qiáng)度最弱。這樣一種結(jié)構(gòu)在種植業(yè)中相當(dāng)于兩邊為密集生長(zhǎng)的高桿植物，中間為低桿植物的種植體系。對(duì)這一體系的電場(chǎng)計(jì)算可由下式獲得： (25) (26)式中，n為任意正整數(shù)。上兩式為無(wú)窮級(jí)數(shù)。但在實(shí)際計(jì)算當(dāng)中，只取這一無(wú)窮級(jí)數(shù)的前兩項(xiàng)或三項(xiàng)加以計(jì)算就足夠了。圖2-26 凹槽栽培的電動(dòng)力學(xué)分析模型（圖片設(shè)計(jì)：許維輝 劉濱疆）為了獲得一些感性認(rèn)識(shí)，以圖2-26-為直角坐標(biāo)系，在取a=80cm，b=180cm時(shí)，計(jì)算點(diǎn)A（2，2），B（40，0）兩點(diǎn)的

47、電場(chǎng)數(shù)值為：EA=9.5´10-6V0 (V/) (27)EB=8.6´10-5V0 (V/) (28)A、B兩點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度相差倍數(shù)N為：N= EA/ EB=8.6´10-5V0/8.6´10-5V0=9 (29)即在凹槽內(nèi)的同一高度上，中間的場(chǎng)強(qiáng)要比凹槽內(nèi)角處的場(chǎng)強(qiáng)大9倍。由此可見(jiàn)，高稈作物的存在可使靠近其的低矮作物上方電場(chǎng)強(qiáng)減弱許多，與這種凹槽種植體系相近的另一種結(jié)構(gòu)為直角種植體系，如圖2-26-。在這種體系中，內(nèi)直角處的電場(chǎng)基本也為零。在沒(méi)有高稈作物時(shí)，電極正下方的電場(chǎng)強(qiáng)度可按平行板電容器的形式進(jìn)行計(jì)算，這時(shí)的電場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)為Eb，則高稈對(duì)矮稈作物的最小屏蔽效果在圖2-26-、尺寸的結(jié)構(gòu)中為： （31）即基本完全屏蔽。我們?cè)谒芰洗笈镏悬S瓜秧席旁進(jìn)行空間電場(chǎng)促生紅蘿卜的試驗(yàn)中，靠近高稈密植的黃瓜秧下的紅蘿卜基本不生長(zhǎng)，且隨著離開(kāi)黃瓜秧的距離增加，紅蘿卜的生長(zhǎng)則開(kāi)始逐漸好轉(zhuǎn)。伴隨這一現(xiàn)象的出現(xiàn)，則是鄰近幾席的黃瓜秧分枝的枝頭全部向電極方向生長(zhǎng)，而大棚另一端的對(duì)照秧則無(wú)定向生長(zhǎng)的趨勢(shì)，電場(chǎng)促生形成的這一趨勢(shì)加重了高秧對(duì)紅蘿卜處電場(chǎng)的屏蔽。然而，這一趨勢(shì)卻說(shuō)明了電場(chǎng)對(duì)植物生長(zhǎng)的方向性是以庫(kù)侖力的形式作用的。高秧對(duì)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(rùn)，粒子在微弱電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)阻力并不大（土壤電導(dǎo)率高），因而屏蔽造成的效果并不十分明顯。在保護(hù)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(duì)低稈作物的屏蔽效果就可很容易的觀察到。因而，在保護(hù)地環(huán)境中，栽培作物蔬菜時(shí)要首先考慮這一問(wèn)題。5）種植凹凸土壤結(jié)構(gòu)中的電場(chǎng)分布種植凹凸土壤結(jié)構(gòu)如圖2-27。對(duì)于突起部位，它相當(dāng)于大地上放了半個(gè)介電常數(shù)為的橢圓柱體，而凹進(jìn)的部位則同上節(jié)所述的凹槽結(jié)構(gòu)。圖2-27 種植凹凸土壤結(jié)構(gòu)的電動(dòng)力學(xué)分析模型（圖片設(shè)計(jì)：隋俊杰 劉濱疆）假設(shè)

50、在土壤上有一個(gè)介電子常數(shù)為的介質(zhì)橢圓柱體，橢圓的半長(zhǎng)軸為a1，半短軸為a2,焦點(diǎn)到原點(diǎn)的距離為(a12-a22 )1/2=a ，根據(jù)保角度換法，按W=ch-1（z/a）的復(fù)變函數(shù)將土壤Z面上的橢圓柱體變?yōu)閃面上的一個(gè)電壓為u0的平板電極u= u0= ch-1（a1/a2）。如果在外加電場(chǎng)是沿橢圓柱長(zhǎng)軸方向時(shí)，最大的電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)在介質(zhì)橢圓柱體表面長(zhǎng)軸尖端點(diǎn)的外側(cè)，它的值就是式（35）等號(hào)右側(cè)的值，故最大的電場(chǎng)強(qiáng)度為： (32)當(dāng)將土壟看作介質(zhì)橢圓柱體時(shí)，土壟愈潮濕則其r愈大。土壟中土壤含水率達(dá)到一定程度時(shí)，其r將變得很大，r。于是，土壟上方的最大電場(chǎng)強(qiáng)度可近似寫(xiě)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?shù)膱?chǎng)強(qiáng)就越強(qiáng)。當(dāng)，a1=a2 /2時(shí)，Em=2E0，即半圓土壟頂部的場(chǎng)強(qiáng)是大氣電場(chǎng)強(qiáng)度的2倍。由上式的分析可以看出，大氣電場(chǎng)作用的結(jié)果便是土壟水分疏導(dǎo)的毛細(xì)管最為發(fā)達(dá)、水分失去最快、變干最快、土壤溶液中電解質(zhì)積聚最多、最易鹽堿化。事實(shí)上，在自然環(huán)境中，大氣電場(chǎng)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(jié)構(gòu)實(shí)際上同土壤凹結(jié)構(gòu)的電學(xué)特性相同，故土壤凹結(jié)構(gòu)底部的電場(chǎng)強(qiáng)度要比大氣電場(chǎng)低很多，其底部土壤水分蒸發(fā)要比壟上慢很多。凸結(jié)構(gòu)的水分快速蒸發(fā)及電解質(zhì)粒子的積聚以及凹結(jié)構(gòu)的水分慢速蒸發(fā)的電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)機(jī)理具有重大的

52、科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。它明確告訴我們，1/2的比值決定大氣電場(chǎng)深入土壤的深度，也決定著許多植物種類(lèi)的根系扎入土壤的深度。對(duì)于水源充足的水澆地，采用壟上種植要比平種對(duì)植物生長(zhǎng)更有好處，即壟作是水源充足地區(qū)的高產(chǎn)栽培措施，見(jiàn)圖2-28中左圖。對(duì)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(duì)水分的生理需求成為制約植物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的關(guān)鍵因素，但溝底的弱電場(chǎng)對(duì)潮濕土壤中的離子驅(qū)動(dòng)仍然是有效的。在凸凹結(jié)構(gòu)中，壟上土壤迅速變干后，溝底的電場(chǎng)強(qiáng)度將升高并接近于大氣電場(chǎng)的數(shù)值，凸凹結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為介質(zhì)常數(shù)較小的介電表層覆蓋的平板結(jié)構(gòu)，隨著植株的生長(zhǎng)，逐漸深入土壤層，植株抗旱能力也逐漸得到增強(qiáng)。因而，溝種

53、是保證旱地高產(chǎn)的有效栽培措施，見(jiàn)圖2-28中右圖。 圖2-28 水田與旱作農(nóng)業(yè)栽培的電動(dòng)力學(xué)分析模型（圖片設(shè)計(jì)：隋俊杰 劉濱疆）  2.2.5地電場(chǎng)    地電場(chǎng)包括自然地電場(chǎng)和人工地電場(chǎng)兩類(lèi)，這兩種地電場(chǎng)均對(duì)土壤栽培作物和土壤微生物產(chǎn)生直接作用。    2.2.5.1自然地電場(chǎng)    它包括常態(tài)地電場(chǎng)和雷擊地電場(chǎng)兩類(lèi)。地電場(chǎng)的存在對(duì)土壤中的水分和微生物的遷移、礦物質(zhì)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(chǎng)調(diào)控土壤理化性質(zhì)以及土壤微生物數(shù)量提供了可能。  &#

54、160; 常態(tài)地電場(chǎng)是由土質(zhì)和土壤理化性質(zhì)的不同導(dǎo)致相鄰兩塊地塊產(chǎn)生電位差，該電位差通常與土壤的氧化還原作用、滲透過(guò)濾作用、擴(kuò)散作用直接相關(guān)，即與土壤物質(zhì)的組成、壓力、含水程度、溫度以及根系的分泌物等因素有關(guān)，并主要決定于土壤孔隙中的液體和土壤物質(zhì)組成。如堿土和淡栗鈣土等淋溶層的自然電場(chǎng)比淀積層高4050毫伏，而淡栗鈣土淀積層的自然電場(chǎng)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(fù)電位，而山下為正電位，其電壓數(shù)值可達(dá)-30mV。按照陰極聚水原理，那么要有一個(gè)水分從地面緩慢向山頂，這也是這類(lèi)山樹(shù)木郁郁蔥蔥的原因。圖2-29給出了瀑布類(lèi)山林

55、郁郁蔥蔥的電動(dòng)力學(xué)解釋。圖2-29  流水的山林草郁郁蔥蔥的電動(dòng)力學(xué)與力學(xué)的圖解（圖片設(shè)計(jì)：許維輝 劉濱疆）     氧化還原電位也是導(dǎo)致自然地電場(chǎng)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(zhì)的相對(duì)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(jī)質(zhì)消耗過(guò)快，有些養(yǎng)料由此喪失有效性，應(yīng)灌水適當(dāng)降低Eh。若小于200mV，則表明土壤水分過(guò)多，通氣不良，應(yīng)排水或松土以提高其Eh值。水田土壤Eh變動(dòng)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(jīng)常在180mV以下或低于100mV，則水稻分蘗或生長(zhǎng)發(fā)育受阻。若長(zhǎng)期處于-100mV以下，水稻會(huì)嚴(yán)重受害甚至死亡，此時(shí)應(yīng)及時(shí)排水曬田以提高其Eh值。    雷擊地電場(chǎng)具有更強(qiáng)的生物化學(xué)效應(yīng)，它是雷電擊中樹(shù)木、山包、雷擊防護(hù)裝置（避雷針）時(shí)引導(dǎo)的雷電流入大地形成的，在這些引雷媒介與大地之間產(chǎn)生非常高的瞬時(shí)電壓，對(duì)周?chē)c它們有電阻存在的土壤、植物之間產(chǎn)生巨大的電位差，這個(gè)電位差引起的電擊也稱(chēng)地電位反擊。這種反擊會(huì)在土壤中產(chǎn)生強(qiáng)烈的電化學(xué)反應(yīng)，土壤中的水分、氯離子等轉(zhuǎn)變?yōu)樵友?、原子氯，而?/p>

57、在于土壤團(tuán)聚體空隙的氮?dú)庖矔?huì)轉(zhuǎn)化為二氧化氮而成為氮肥，同時(shí)地電場(chǎng)的迅速變化還會(huì)將地電流流散區(qū)內(nèi)的植物、土壤生命體系中的鈣離子濃度、微生物數(shù)量進(jìn)行一次大的調(diào)整，這也是雷擊后該區(qū)域植物生長(zhǎng)加快的根本原因。試驗(yàn)證明，雷擊處半徑 20m 以內(nèi)的地方，土壤氧氣含量以及土壤硝態(tài)氮都會(huì)有明顯的增長(zhǎng)。圖2-30給出了雷擊地電場(chǎng)引發(fā)的各種土壤電化學(xué)反應(yīng)式，說(shuō)明了雷擊后植物生長(zhǎng)加速的原因。 圖2-30 雷擊地電場(chǎng)引發(fā)的土壤電化學(xué)反應(yīng)（圖片設(shè)計(jì)：許維輝 劉濱疆）     2.2.5.2人工地電場(chǎng)     在土壤中埋設(shè)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(xué)、電生物學(xué)的反應(yīng)和變化，進(jìn)而可以影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育。    高壓強(qiáng)電場(chǎng)瞬間施加于土壤液體會(huì)產(chǎn)生液電效應(yīng)，由于巨大的能量瞬間釋放于放電通道內(nèi)，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(xué)反應(yīng)、電動(dòng)力學(xué)效應(yīng)、熱力學(xué)效應(yīng)等諸多變化。液電效應(yīng)最直接的生物效應(yīng)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(chǎn)量顯著提高，同時(shí)土壤病蟲(chóng)害發(fā)生率減少。     當(dāng)給予埋入土壤中的兩電極通以直流電或定極性脈沖時(shí)，土壤的地電場(chǎng)會(huì)發(fā)生很大的變化，并在兩極和兩極之間的設(shè)置的導(dǎo)電胞(介導(dǎo)顆粒)處發(fā)生土壤水的電化學(xué)反應(yīng)、物質(zhì)的電動(dòng)力遷移以及熱效應(yīng)，土壤中氧氣、氯氣、酚類(lèi)氣體都會(huì)增加，另一方面，兩極板之間的土壤水會(huì)向陰極聚集。這類(lèi)人工電場(chǎng)處理土壤帶來(lái)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(shù)和土壤昆蟲(chóng)數(shù)量的減少。    土壤電改良是利用直流電場(chǎng)加速土壤中的電化學(xué)反應(yīng)和電滲過(guò)程。直流電場(chǎng)可以促進(jìn)