声音对植物生长影响的研究进展

 王 冰，尹相博，于立芝 (中国农业大学烟台研究院，山东烟台264670) 

摘要：目前，国内关于声音对植物生长的研究正处于起步阶段，并逐渐成为研究热门课题。从目前研究看，对植 物生长具有影响的声音主要包括歌曲音乐和专业装置产生的声频。声音对植物的促生长技术是物理农业的一个 重要方面，也是目前物理农业科技发展的核心技术之一。介绍了目前声音对植物生长影响的研究进展，并对其原 理和效果进行了总结和推断，提出了今后的发展方向，为植物声频技术的进一步研究和发展奠定了基础。

 声音是一种交变应力，在环境中几乎是无处不 在。20世纪以来，关于声音对植物作用的机理研究 发展较快。美国的Daniel[·1较早系统地研究了植物 细胞壁的力学性质，并阐述了外界应力与细胞生长 之间的关系。后来，Timothy等[21在植物发育过程中 对单个细胞进行加载试验，并对细胞内应力信号的 传导进行了探索，促进了将力学方法引入传统生物 学研究中的新兴边缘学科生物力学的诞生。刘贻尧 等【3避行了植物对环境应力刺激的生物学效应的综 述，其着重叙述了包括电磁场、微重力、超声波、声 波等环境应力引起的生物学效应、作用机理和研究 趋势。 ’ 植物声频技术是一项生产有机、绿色、无公害 农产品的农业高新技术，具有使植物生长快、耐贮 藏，可提高品质、增加产量、增加抗病虫害性，减 少化肥和农药用量等作用。因此，对其原理和应用 进行研究对于现代农业以及设施农业具有重要的 意义。 1 声音对植物生长的影响 1．1 不同种类音乐对植物生长的影响 ． 目前，用于试验的音乐都是指声频，即频率在 20～20000H：的范围内。其中，很多试验使用现有 的歌曲作为工具进行探究，不同类型的音乐种类对 植物的生长产生了不同的效果。 姜仕仁等【4】采用自行开发的植物声频设备播放 古典音乐与蟋蟀鸣声混合而成的声频，对西瓜、花 生和萝卜3种露地作物进行了试验，结果表明，声 频试验15 d后，西瓜平均每株总藤长增长55．9 cm， 花生株高增长0．41 cm，萝卜的全株鲜质量增长率 为14．1％。何金明等【5研究纯音乐、摇滚乐、管弦乐 处理对迷迭香的影响，结果表明，经音乐处理的迷 迭香株高、地上部鲜质量和植株鲜质量均高于对照 (无音乐)，且处理间差异显著；地下部鲜质量、地下 部干质量和根冠比差异不显著；在精油成分的相对 含量上，纯音乐和管弦乐处理与对照整体上差异不 收稿日期：2013一10—0l 基金项目：中国农业大学(烟台)URP项目(Y20121009) 作者简介：王冰(1991一)，男，山东济宁人，在校学生，研究方向：设施农业科学与工程。于立芝为通讯作者。 ·100· 万方数据 王冰等：声音对植物生长影响的研究进展 大，而摇滚乐处理则差异明显，即降低了单萜类化 合物和芳香族化合物的相对含量，提高了含氧化合 物、倍半萜类和脂肪族化合物的相对含量。姜仕仁 等[61采用自行开发的声频设备，播放古典音乐与蟋 蟀鸣声混合而成的声频，对茶树菇、高温姬菇、黑平、 杏鲍菇、秀珍菇、小白菇6种食用菌的菌丝体进行 了7次声波助长试验，结果表明，此声频可使食用 菌菌丝体生长速度加快10．2％～21．0％；使子实体 提早出菇，可提前1。5 d采菇，并可延长采菇天数。 说明直接运用现有音乐对于植物的生长具有 显著地效果，能够促进植物对各种营养元素的吸 收、传输和转化，加强光合作用和吸收能力，促进生 长发育，具有增产、抗病、抗逆等作用。 1．2植物声频技术在植物生长中的应用效果 植物声频控制技术是建立在植物生物学理论 基础上的一项物理农业技术，该技术使用He—Ne 激光多普勒效应测振仪，可精确地测定出不同植物 的自发声和接受声的频率，然后通过大量具体试 验，总结植物自发声频与主要环境因子，如温度、湿 度及组织含水量之间的定量关系，进而研制开发植 物声频发生器，对不同植物进行声频处理。经过近 几年的研究和应用起到了很好的效果。 张尧锋等同研究结果表明，声频处理使株高平 均下降4．9％，1次分枝、主花序密度和单株角果数平 均分别增加15．95％，21．88％和34．51％；大田应用增 产达6．9％～17．3％。侯天侦等【8试验证明，声波处理 促进了棉花的营养生长，其中，处理区棉花的株高、 倒4叶宽(功能叶)和果枝数量分别较对照增加了 1．17％，5．25％和1．14％；同时促进了棉花的生殖生 长，其中，棉铃数和单铃质量分别提高了9．22％和 3．34％。姜仕仁等翻以豇豆为试验材料，在声频作用 下，试验组豇豆高度比对照组增加21．2％，平均提 前41 h开花，结荚数平均增加61％。孟庆午等“ol研 究结果表明，声频处理不仅可以显著提高番茄的开 花数、结果数、茎粗以及叶片叶绿素含量，而且对光 合、荧光参数也有一定的积极作用，其中，胞间CO： 浓度、蒸腾速率、光系统Ⅱ效率、电子传递速率、水 分利用率以及羧化效率等显著提高，气孔限制值显 著下降。说明声频控制技术对番茄的生长及光合作 用具有一定的促进作用。 植物声频技术是目前最为热门的物理农业技 术之一，它比直接运用音乐效果更加科学、更加具 有可操作性和可控性。总之，作物接受适合的分贝 和频率的声音后，会增加产量、提高品质、增强抗病 性，还能节省肥料。该技术对虫害也有一定的防治 作用，当敏感害虫遇到植物声频发生器产生的谐振 波时，会产生厌恶感或恐惧感，影响正常进食，使其 难以生存，不能繁育或者主动离开，从而达到驱逐 敏感害虫的功效。 2 声音对植物生长作用机理的研究 2。l声音对植物生长作用的研究进展 对于植物声控技术至少可以追溯到1 000多年 前。中国宋代的沈括、王灼分别在其著作《梦溪笔 谈》和《碧鸡漫志》里记载了草木知音的故事。近代 法国园艺学家将耳机套在一个番茄上，让它每天听 3 h的音乐，结果这个番茄长到了2．5 kg，创造了世 界纪录。前苏联和英国的科学家也用超声波种出了 25 kg的大萝卜和27 kg的卷心菜。 在我国，对于植物声频技术的运用起始于侯天 侦教授创立的植物经络学说，他针对植物普遍具有 自发声，精确地测定出植物的自发声和接受声的频 率，并通过频谱分析，找到了能够刺激植物生长的 最佳频率和波段，使之与植物的自发声发生谐振， 匹配吸收，从而增加植物的光合作用和综合吸收能 力，促进其科学生长发育，达到增产、优质、抗病的 目的…51。由此，发明了植物声频控制技术，研制出 植物声频发生器，这使我国设施农业的现代化水平 进一步提高。从1995年至今，在海内外的30多种 作物、蔬菜、花卉和果树上进行了7 a的声频控制技 术试验、示范，产生了很好的效果。 2．2声音对植物生长作用的机理 目前，声波处理技术对于植物的生长促进机理 尚不明确，主要认同的原理是谐振原理，即对植物 施加一特定频率的声波处理，该声波要与植物自发 声的频率相匹配，发生谐振，从而提高植物活细胞 内电子流的运动速度，促进各种营养元素的吸收、 传输和转化；还可以增强植物的光合作用，促进蛋 白质、糖等有机物质的合成，使植物表现出旺盛的 生长速度，达到增产、优质和早熟的效果。 然而，运用音乐而非特定声频与植物匹配的声 音频率时，对植物的生长促进作用依然明显，并且 舒缓的古典音乐对植物生长具有促进作用，而激烈 的摇滚乐却具有抑制作用，对此谐振原理无法解释。 声音是一种纵波，波是能量的传递形式，它有能量， 所以能产生效果，声音在物理上只有压力没有质量。 摇滚乐的声压大于古典乐的声压，因此，可推断出 其对植物生长促进的差异主要是由声压引起的。 ．101· 万方数据 山西农业科学2014年第42卷第1期 每种植物都有自己最适的声压促进范围，当声 压低于或高于最适范围时，会对植物的生长产生不 促进甚至是抑制作用。有研究发现，当声波强度为 适宜值时，对幼苗的生长有明显的促进作用【，61；而 当声波强度超过一定值时，则对幼苗生长有抑制作 用。周菁117研究发现，受到应力刺激的原生质体倾 向于以600～900应力张量的主方向伸长，应力强度 与原生质体的定向性伸长趋势遵照非线性的剂量 依赖关系，发生在原生质体细胞壁再生前的机械扰 动将会有助于细胞形状的建立。因此，声压作为一 种应力可通过对植物的刺激，使植物的基因发生选 择性表达和细胞形态变化，从而提高植物体内的可 溶性糖、蛋白质等养分含量，促进植物的生长f18-20!。 3 目前研究存在的问题和研究方向 3．1 目前市场上的声频发生装置的成本较高 对于普通的农民来说，一次性投入过大，效益 太低，甚至亏损。以后应该研究适合农民应用的低 价仪器，产品的普及化成为今后研发的关键。 3．2没有统一的植物声频标准 目前，植物声频控制技术处于产业化初期，一 方面要求对技术和产品进行改进，以满足国内外不 同市场的需求；另一方面要根据不同地区自然条件 和作物特点建立多种形式的试验示范基地，总结出 适合当地特色的物理农业综合配套技术体系。应该 经过大量的试验制定统一的植物声频标准，提高其 在农业中的实用性。 3．3植物声频的原理还不明确 声音对植物生长促进作用的机理还缺少大量 试验研究，并且很多科学家对此都有质疑。今后应 该应用分子和基因手段，探究其作用的实质原理。 3．4相关成果的文章国际认知度较低 目前，关于音乐对植物生长促进作用的相关研 究文章的发表期刊影响因子较低，国际认可度较小。 “植物经络”学说的真正确立还有待进一步认可。 4 总结与展望 当前，世界农业正处于一个由传统的化学农业 向生态农业的过渡时期刚，实现这一转型的主要途 径有2条，即生物工程和物理农业。正如邓小平指 出的“将来农业问题的出路，最终要由生物工程解 决，要靠尖端技术。”相对于20世纪的化学农业来 说，新世界将是物理农业的世纪。 植物声频技术作为一项前端的物理农业发展 ·102· 方向，其研究具有重要的意义。如何结合试验和实 践，形成一套完整的植物声频技术体系，是今后研 究的重点。植物声频技术对于走出一条新世纪农业 发展的新模式，具有十分重大的战略意义。