音频控制技术在现代农业中的功能研究进展

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摘 要：介绍了音频（音乐和声频）控制技术的起源、发展，总结了音频控制技术对农作物的影响，包括促进农作物生长、提高产量、改善品质、提高抗病虫害能力、减少化肥和农药的用量。阐述了音频控制技术对植物影响的机制，包括调节生长激素、刺激细胞分裂、促进光合作用、诱导基因的转录、改变植物体内氧化还原平衡及抗氧化能力等。

关键词：音频控制技术；物理农业；植物声频技术；音乐

中图分类号：F303.2 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.01.009

Abstract： In this paper， the origin and development of audio frequency were introduced. It was summarized that influence of audio frequency on crops included promoting crop growth， increasing the yield， improving quality， improving the ability of pest resistance， and reducing fertilizer and pesticides application. This paper discussed the mechanism of audio frequency effects on the plants， including the regulation of growth hormone， stimulation of cell division， promotion of the photosynthesis， transcription of inducible genes in plants， change of the redox balance and antioxidant ability.

Key words： audio frequency control technology； physical agriculture； plant acoustic frequency technology （PAFT）； music

自改革_放以来，我国农业科技发展逐年加快，并呈现出多元化特征，与此同时出现了环境污染、生态退化等问题。在农业发展过程中，化学农药很好地促进了农作物产量的提高，然而在农药和化肥过量使用的同时也降低了农作物的品质，危害到了人类的健康并且造成了环境污染，进而阻碍了农业的可持续发展。目前，为了缓解环境污染、保障农业可持续发展趋势，我国农业正逐渐向生态农业过渡。生态农业需要遵循生态学和经济学两方面的原理，将传统农业中的有效经验、科技成果以及管理手段进行综合运用，从而建立现代化高效农业。它的核心目标是协调资源利用与保护、经济发展与环境之间的矛盾，有效地统一经济、生态、社会三大效益。而物理农业在很大程度上能有利于生态环境的保护，是实现我国农业转型至生态农业的重要途径之一。物理农业是以水、光、电、热、声、磁、核等物理学原理为基础的综合集成农业，它是一门通过使用能影响农作物的特定技术方法，进而达到增产、优质、防病虫害等目的的新兴农业生产技术[1-2]。在实现物理农业生产的过程中，音频控制技术逐渐被重视，成为音频技术与农业科学的契合点。

1 音频控制技术在生态农业中的应用和发展

音频控制技术作为一种特殊的音频技术手段，对农业生产中的动植物能产生一定的影响，这种功能性逐渐受到农业生产及研究者们的重视。对于动物而言，已经有实例表明音频在畜牧业中的作用，例如让奶牛适度地听舒缓的音乐，能够促进奶牛的内分泌，使其对食物的摄取量增加，这样就会多产奶。在日本、英国等国家，已有科学家做过这方面的实验，证明是有效果的。土耳其的养鸡业者通过饲养经验得出母鸡听忧伤音乐（如莒塞斯的歌曲）产蛋多、品质上乘，深受消费者欢迎。对于植物而言，近年来，越来越多的研究者从事了植物受音频的响应效应（包括其形态及生理特征等）研究，并制作了相关的植物声频发生器用于农业大田的操作，其结果呈现出多种农作物在音频控制技术的作用下，产量、品质均会受到不同程度的影响[1，3]。

1.1 植物声频控制技术的应用和发展

植物声频控制技术在物理农业生产中的使用是最近几年发展起来的一项新技术。它的基本原理是将特定频率的声波施于植物，使其与植物自身的发声频率相匹配，从而相互发生谐振，使植物光合作用效率得以提高，细胞分裂加速，对营养物质的吸收、传输及转化能力增强，促进植物的生长发育，最终达到增产、优质和抗病等目的[4-5]，在这个过程中可以最大限度地减少化肥和农药用量。音频对植物生长具有一定的作用，一般来说，声音尖脆，振动频率很快，刺激的效果就较好。例如，国外有研究者采用了高频率的超声波（每秒钟振动大约在2万次以上）用来刺激马铃薯、甘蓝等蔬菜类，麦类，水果以及树木等，全部都获得了明显的增产效果。但是植物对超声波的接受并不是越多越好的。实践证明少量的超声波能促进细胞的分裂；中量的超声波可以抑制细胞的分裂；大量的超声波则会引起细胞的死亡。关于音频控制技术影响植物生长的研究，最早发生在法国，有报道发现利用音频技术处理可以提高大麦的发芽率；随后，在美国的Dan.Carlson公司采用Sonic Bloom技术来处理农作物，其核心技术就是利用高频（4～6 kHz）的声波[6]。

在我国较早研究植物声频技术的研究人员侯天侦，在声屏蔽室的抗震台上利用多年研制出的N激光多普勒测振仪测定了植物自身的发声频率，并做出了相应的频谱分析，初步探索了植物自身发声频率与环境因子的变化规律。在这些研究基础上，他研制开发了不同型号的植物声频发生器，在北京、新疆、山东、山西、江苏、天津、辽宁等地，在小麦、玉米、棉花、番茄、黄瓜、芹菜、豇豆、甜椒、食用菌、草莓、向日葵等30余种大田农作物和果树上进行示范试验，均取得了较好的增产效果[7-9]。此外，姜仕仁等[10-11]通过音乐与虫鸣混合研制的植物声频发生器对多种蔬菜（如萝卜、白菜、青菜、芥菜、苋菜、黄豆、茄子、番茄、黄瓜等）起到了良好的增产作用。植物声频控制技术是一项较新的技术，其发展时间较短，目前仍然存在许多不稳定的因素（如温度、光照、湿度等）的影响，其技术开发和设备的优化仍有进一步研究的价值和上升空间。

1.2 不同类型音乐对植物生长的影响

相关报道研究表明不同类型的音乐对植物生长也存在着不同的影响，例如日本的先拓公司采用雅乐来处理蔬菜[6]，而法国和俄罗斯等有报道采用古典音乐（莫扎特和贝多芬的音乐）处理番茄和甜菜均能增产[3]。有些音乐会阻碍植物的生长，而有些音乐则会促进植物的生长[12]。同一种音乐若对植物的生长具有促进作用，当其所处的环境、播放方式发生改变，其影响也会不同。植物声频控制技术正是基于这种原理而发展起来的，相关研究表明，利用这种播放不同类型音乐的音频控制技术能显著提高种子发芽率、提早开花结实、增强抗病性能、延长储藏时间、加快后熟程度等，最终达到增加作物产量、提高营养品质的目的[13]。科学家们认为，音乐是一定频率的声波振动，能对细胞产生共振，原来处于静止休眠状态的分子就会和谐地运动起来，促进植物细胞的活化。实验证明，植物伴随音乐生长，叶绿素和根系会增多。不过也有例外的情况，例如给矮牵牛花听重金属音乐，其叶子会下垂，4周后就会枯死。某些植物例如红甜菜对音乐就没有任何反应。不同风格的音乐对植物能产生不同的影响，其中优美、轻柔的旋律可以影响作物的新陈代谢，从而促进作物生长。科学家通过播放音乐影响植物的生长，培育出2.5 kg重的萝卜、足球大小的甘薯、洗脸盆一样的蘑菇；给番茄“戴上耳机”，让番茄每天听3 h的音乐，最后番茄猛长至2 kg多重。何金明等[13]采用不同类型的音乐（纯音乐、摇滚乐、管弦乐）处理迷迭香之后，迷迭香植株普遍生长更旺盛，并且不同的音乐对迷迭香中的精油含量及组分影响不同。

音乐能促进植物生长是主要由于声波的刺激。植物的叶片表面分布了很多气孔，通过这些气孔植物能与外界环境进行气体交换以及水分蒸发。音乐在环境中播放的过程中，能经过空气的传播产生有节奏的声波，这种振动能够刺激植物叶片表面的气孔，可以增大气孔的开放度。而当气孔增大之后，相对增加植物吸收光合作用原料（二氧化碳）的量，使得光合作用变得更加活跃，从而使合成的有机物质不断增加；与此同时，植物的呼吸作用也增强了，这样就为植物的生长提供了更多的能量，植物就显得更加生机勃勃了。

2 音频控制技术对植物影响的机制研究及进展

近年来，音频控制技术逐渐被施加到植物的生理生长过程中，例如，种子发芽、愈伤组织的生长、内源激素、光合作用以及基因的转录。有关人员研究显示植物的自发声频率一般在50～120 Hz。此外，植物还可以吸收外部特定的声音频率产生共振。目前，声波对植物作用的机制尚未明晰，但已有一些研究对此方面进行了探索和讨论。

经过音频控制技术产生的声波刺激后，植物体内会发生一些变化，例如生长激素多胺类化合物（PAS）和吲哚乙酸（IAA）的含量增加，而这些生长调节物质直接调控着植物生长发育过程中各器官细胞的分裂，影响着维管束、叶片、花芽、器官等的形成。声波对植物蛋白结构也存在一定的影响。例如在烟草细胞的质膜蛋白结构与声压和频率有密切的关系。在频率为0.4 kHz和声压级为90 dB时，声波增加了α-螺旋，减少了β-转角，明显改变了膜蛋白结构。声波可以促进植物细胞的代谢。研究显示，频率为1 kHz且声压级为100 dB的声音刺激可促进细胞质内可溶性糖和蛋白质含量的增加，这表明药用植物（如药菊）的愈伤组织可在声波的刺激下有较高的代谢水平和旺盛的细胞分裂状态。声波刺激能改变植物内的氧化还原状况，如提高超氧化歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物同工酶（POD）等保护蛋白的活性，减少带负电的超氧离子（O2-）与过氧化氢（H2O2）等活性氧化物对细胞的伤害，从而增强植物的抗氧化、抗逆境和抗病毒等性能[14]。

此外，音频控制技术产生的声波还能促进植物叶片气孔开放，从而使该植物吸收更多的喷肥和露水，同时，这种音频技术还可以有效地使除草剂进入植物。若使用音频处理成熟的杂草，可以使喷涂除草剂和杀菌剂的量减少50%，可见音频控制技术的合理使用能减少农作物生长过程中化肥和农药的施用。

音频控制技术仍然面临着很多需要改进的问题。首先，音频控制技术对动物和人群（尤其是对于大田农场和温室里劳动的人们）易产生噪声污染。因此，为了解决这个问题，在大农场里声频的播放应短于清晨5：00―9：00，播放面积尽量超过2 hm2。然而，这种噪声可能对一些植物有益。如国外专家发现，因为红嘴蜂鸟更容易在嘈杂的地方筑巢，在天然气井区域95 dB左右的噪声可直接提高蜂鸟授粉，对松树生产松子有益。其次，该技术在频率和处理时间上目前还存在许多争议。此外，环境因素和声波之间的相互作用γ恐种参锷长的影响不同，植物对声音频率的响应亦不同。因此，未来工作应设置在一个完全的环境控制系统（空气温度、相对湿度、二氧化碳、光照、水、土壤和营养等因素），以避免任何其他环境因素的影响。同时，利用在声波的叶面喷施营养液处理能取得较好的效果。因此，一些应用研究需要在野外进行大规模的实验，量化声波对植物的影响和发现一些促进经济效益的凭证，健全该技术优势。

人口的增加、环境的恶化使利用新的绿色技术生产粮食的可能性增加。音频控制技术可以提高农作物免疫系统，降低化肥和除草剂的使用。之前的研究已经表明，音频的频率、声压级和曝光时间不同对植物生长的影响也不同；声波能刺激植物的生长、加速愈伤组织和细胞的合成代谢、提高蛋白质的二级结构质膜的流动性。音频控制技术在农业生产方面的应用主要表现在：（1）声波刺激植物光合作用效率明显增加，刺激内源激素增多。因此，音频控制技术能促进植物生长，增加生产和提高产量质量。（2）声波能刺激叶片气孔开放，增加其对养分的吸收，同时也有利于除草剂有效进入植物，减少其使用量。因此，音频控制技术产生的声波能减少对化肥和农药的需求，以及减少植物疾病和改善植物的免疫系统。

3 结论及展望

到目前为止的研究结果表明，不同的植物在不同的生长阶段对声波刺激有不同的反应，但其机制目前尚不明晰，因此，需要进一步的研究和确认这些结果。通过音频控制技术，激发一些植物的生长，而不需要的植物（例如杂草）可以受到抑制，这是由植物电磁波引起的，在这种情况下，声波脉冲频率的设定对植物活力的影响进入到分子水平。此外，声音如何影响细胞周期，从而影响植物的生长机制需要进一步的研究和比较以及科学的理解。音频控制技术这项物理农业技术还需进一步发展成为实用性技术，并与其他学科和技术相结合，整合为对提高农业生产效益、减少环境污染的综合技术。

参考文献：

[1]禹盛苗，姜仕仁，朱练峰，等.声频控制技术对水稻生长发育、产量及品质的影响[J].农业工程学报，2013，29（2）：141-147.

[2]王d.环境音乐在城市生态系统中的功能机制研究[J].长沙民政职业技术学院学报，2016，23（2）：132-135.

[3]侯天侦，李保明，滕光辉，等.植物声频控制技术在设施蔬菜生产中的应用[J].农业工程学报，2009，25（2）：156-160.

[4]侯天侦，李保明，滕光辉，等.植物声频控制技术的研究及应用进展[J].中国农业大学学报，2010，15（1）：106-110.

[5]李明金，李向军，王岩，等.植物声频控制技术在我国农业上的应用[J].农业装备技术，2006，32（2）：40-41.

[6]SPILLAN M. Brave new waves[J]. TCI For Plants，1991（6）：36.

[7]XIAO H. Vegetable and music[J]. Pictorial Science，1990（6）：36.

[8]HOU T，MOONEYHAM R.Applied studies of the plant meridian system： II. Agri-wave technology increases the yield and quality of spinach and lettuce and enhances the disease resistant properties of spinach[J].The American journal of Chinese medicine，1999，27（2）：131-141.

[9]ZHU J R，JIANG S R，SHEN L Q.Effects of music acoustic frequency on indoleacetic acid in plants[J].Agricultural Science and Technology，2011，12（12）：1749-1752.

[10]柏明娥，姜仕仁，李楠，等.虫鸣和音乐声频对六种蔬菜生长的影响试验[J].安徽农业科学，2010，38（16）：8365-8367， 8369.

[11]姜仕仁，黄俊.音乐声频对大棚蔬菜生长和产量的影响研究[J].浙江科技学院学报，2012，24（4）：287-293.

[12]LEE W C. The plants growing with music [J].Korea Agrafood，1997（6）：41-43.

[13]何金明，叶静珊，肖艳辉.不同种类音乐对迷迭香植株生L与精油含量及组分的影响[J].广东农业科学，2012，39（11）：45-48.

[14]魏进民，李标，王伯初，等.声波刺激对铁皮石斛过氧化物酶同工酶基因表达的影响[J].应用声学，2008，27（6）：462-468.