楊海燕，張秋雨，凌翔，劉亞倩，潘琪芳，韓京龍，丁文江 作者簡介：楊海燕，上海市氫科學重點實驗室&上海交通大學氫科學中心，上海交通大學材料科學與工程學院，工程師，研究方向為氫科學、氫生物；丁文江（通信作者），上海市氫科學重點實驗室，上海交通大學氫科學中心，上海交通大學材料科學與工程學院，上海交通大學輕合金精密成型國家工程研究中心，教授，中國工程院院士，研究方向為氫科學、輕合金。 引言：氫由于其抗氧化、生長因子調節、酶活性調節等多種生物學效應以及使用的安全性、環保性，使其在農業生產上的應用前景十分廣闊。綜述了氫在農業中的研究進展，從氫促進植物生根發芽、調節農產品產量/品質、增強植物抗逆性、延長農產品保鮮期以及提升養殖存活率和產品品質等方面盤點了氫的使用方法，并分析了氫對植物的生物學效應機制。展望了氫在農業中的發展趨勢，指出氫農業未來應圍繞核心技術研發、應用范圍擴大、環保與可持續發展等展開研究。 近年來，環境污染、土壤生態破壞以及食品安全問題愈發嚴重，發展綠色、可持續的農業模式越來越受到全球關注。2007年，Ohsawa等研究發現氫氣（H2）可選擇性地中和過氧亞硝基陰離子（ONOO-）和羥自由基（•OH），清除過量的活性氧（reactive oxygen species，ROS），進而可以緩解由腦缺血引起的氧化損傷。自此，相關氫的生物效應研究漸漸被人們關注。氫的應用形態也已不再局限于氫氣，還有液態用氫和固態用氫。氫由于其抗氧化、生長因子調節、酶活性調節等生物學效應以及使用的安全性、環保性，使其在農業生產上的應用前景十分廣闊。近年來關于氫在農業中的應用及機理研究越發活躍。本文綜述氫在農業中的研發進展。 1 氫用于農業的發展現狀近年來，氫應用于農業的作用和機理，以及氫農業相關技術越來越受到國內外學者的關注。作者在Web of Science、中國知網及萬方等中英文文獻及專利數據庫以“氫（hydrogen）/富氫水（hydrogen-rich water）”為關鍵詞，“農業（Agriculture）/植物科學（Plant Sciences）/食品科技（Food Science Technology）”為研究方向，調研近些年的文獻與專利，結果如圖1所示。總體來看，氫用于農業的研究呈現明顯上升趨勢（圖1（a）和（c））。從成果歸屬國來看，雖然氫農業最早在日本興起，但目前90%以上的成果來自中國，說明中國在氫農業領域已處于領先位置，這與中國長期氫能發展戰略以及農業大國的國情有密切關系，也與近年來中國對綠色農業的重視程度有關（圖1（b））。從授權專利來看，重點申請保護的技術主要聚焦在氫農產品開發、農業供氫技術以及農產品保鮮技術3個方面，分別占比65.8%、28.8%和5.4%（圖1（d））。 
圖1 氫農業發表論文篇數（a）與各國統計比例（b）；氫農業相關專利數（c）與技術方向比例（d） 2 氫在農業中的應用形態氫在農業中的應用形態依照氫的存在形式可分為氣態用氫、液態用氫和固態用氫3種。 農業中氫氣可用于熏蒸育種、農產品保鮮、土壤修復、提供抗氧化氣氛等，其使用方法包括直接應用高壓氣瓶供氫或電解水供氫等。南京農業大學沈文飚教授團隊翻耕后在土地表面覆膜并注入氫氣進行熏蒸，可顯著提高煙草種子的發芽勢和發芽率，并且育種所得煙草種子再種植后千粒重增加。但是，由于氫氣質量小，極易擴散與揮發，無法保障其使用濃度；此外，氫氣使用需采用包/覆膜等操作防止其逃逸，增加了實施的復雜性。 液態用氫的常見應用形式為富氫水（hydrogen-rich water，HRW）和氫納米氣泡水（hydrogen nanobubble water，HNW）。研究者將氫氣溶解于水制備成富氫水，但是氫在水中的溶解度低，水溶解氫的理論容量為1.6mg/L。液態用氫這種形態通常采用將氫氣直接壓入到純水或者電解水制氫這2種方法制備。秦秀軍等利用0.1~0.4MPa的H2通入水中，研究結果表明通氣時間4h時氫濃度可達到~0.5mg/L，而通氣壓強對氫濃度無明顯影響。水電解制氫的原理是利用電流通過水溶液，在催化劑的作用下通過電解將水分子分解成氧氣和氫氣，其產氫量與電解時間、電解槽結構形式、水質等多因素有關。但是，如何存儲HRW是其應用的一大難題，HRW的濃度會隨著放置時間的延長有較大幅度下降，建議放置時間不超過48h。目前一般“現制現用”以盡量減少氫氣濃度下降。近年來，氫納米氣泡水技術受到廣泛關注。此技術由于產生的氫氣泡具有粒徑小、相對比表面積大、帶有表面電荷等特點，增加氫的溶解度和穩定性。氫納米氣泡水具有獨特的納米特性和抗氧化特性，是液態用氫的一項新技術。 固態用氫基于固態儲氫材料（solid hydrogen-storage materials，SHSM）的水解反應產氫來供氫。目前用于農業水解產氫的SHSM主要包括鎂（Mg）、氫化鎂（MgH2）和氨硼烷（NH3BH3，AB）等，其水解放氫反應式如式（1）~（3）。鎂供氫可利用金屬鎂棒和水反應產生氫氣，氫氣濃度與使用次數、反應時間和容器密閉性密切相關，但鎂棒易被氧化。MgH2的水解產氫密度是純Mg的2倍，w（100g物質中氫質量）高達15.2，但MgH2易潮解。另外，采用固態用氫由于水解反應產物除了氫還有儲氫載體，需要關注載體如Mg2+帶來的生物學效應。 Mg+2H2O（l）→Mg（OH）2+H2↑（1） MgH2+2H2O（l）→Mg（OH）2+2H2↑（2） NH3BH3+2H2O（l）→NH4BO2+3H2↑（3） 表1比較了氣態用氫、液態用氫、固態用氫3種用氫形式的優缺點。從供氫濃度來看，氣態用氫常溫常壓下的密度為89mg/L；而液態用氫的理論容量為1.6mg/L；固態用氫中，MgH2的體積儲氫密度為110g/L，理論水解供氫密度為220g/L，NH3BH3體積儲氫密度為145g/L，理論供氫密度為145g/L。因此，固態儲氫材料可實現高濃度供氫。從應用便捷度來看，氣態用氫因易逃逸而需包覆薄膜等；液態用氫需“現制現用”，儀器依賴度高；而固態儲氫材料可直接施用于土壤/基質/營養液中，具有使用便捷的優勢。此外，通過包覆技術對固態儲氫材料進行包覆處理，可實現可控緩釋和長效供氫，可研發種植業用“氫肥料”和養殖業用“氫飼料”，使得“氫”成“料”成為可能，為氫農業的發展提供極具潛力的一種用氫形式。 表1 氫的3種使用形式及其優缺點 
3 氫在農業中的研究進展氫對于各類植物的生長、抗環境脅迫等具有重要影響；基于氫的抗氧化、抗炎和抗細胞凋亡生理作用，氫對養殖業也具有積極作用。本節將從種植業和養殖業2個方面對氫的研究進展展開綜述。 3.1 氫在種植業的研究進展 氫對植物種子萌發、生長發育、增產提質、抗逆能力、農產品保鮮具有顯著的影響，如圖2所示。本節將從表觀性狀、內源激素、蛋白活性、基因表達等方面進行詳細綜述。 
圖 2 氫應用于種植業的作用 3.1.1 氫對種子萌發的影響 種子萌發是植物生命周期最脆弱的階段，是幼苗后續生長的關鍵階段，種子品質和生長環境都明顯影響種子的萌發。研究表明氫對大麥、水稻等禾谷類植物，以及蔬菜、草藥等種子萌發均具有促進作用。 在禾谷類植物中，陳茹猛等研究固態MgH2對水稻種子萌發的影響。研究表明，MgH2可通過提高萌發水稻種子H2O2含量，維持H2O2穩態，從而上調α-淀粉酶基因OsAmy 1A和OsAmy3D的表達，提高總淀粉酶和α-淀粉酶的活性，促進淀粉降解，進而促進種子萌發、胚根和胚芽的生長，其中0.02mg/mL MgH2的作用最為明顯。而Guan等的研究表明HRW可以通過促進蛋白質、脂類降解來提升黑麥種子萌發所需的營養物質和能量，從而促進發芽。此外，HRW處理下黑麥萌發的最佳溫度范圍為10~15℃。Xu等研究表明，在Al脅迫下氫可調控水稻赤霉素/脫落酸的動態平衡，調控赤霉素合成基因GA20ox1和GA20ox2以及脫落酸分解代謝基因ABA8ox1和ABA8ox2的表達，減輕Al對禾谷類種子萌發的抑制。 在蔬菜和中藥植物中，研究者們也發現氫可顯著促進種子萌發。李嘉煒等研究表明HRW浸種可提升蔬菜種子的發芽勢和發芽率，但不同蔬菜適宜的HRW濃度有差異。其中，冬瓜種子在0.25mmol/L HRW浸種下發芽最優，發芽勢和發芽率分別為92.3%和98.7%。過高濃度的HRW不利于種子發芽，葉菜萌發試驗表明HRW濃度超過0.4mmol/L抑制種子發芽。Huang等研究了氫可能通過促進海藻糖（Trehalose，Tre）的合成來促進黃瓜種子萌發。氫可通過調控海藻糖含量來提高水溶性碳水化合物、葡萄糖和蔗糖的含量。HRW和Tre可顯著上調海藻唑啉（Tre抑制劑）抑制的淀粉相關基因AMY和BMY表達水平，表明Tre可能在氫誘導的種子萌發中起關鍵作用。在中藥植物中，丁芳芳等采用飽和HRW稀釋制得不同濃度HRW，研究表明HRW浸種時間和濃度是影響當歸種子發芽的關鍵影響指數，10%HRW即可顯著提升當歸種子發芽勢和發芽率。 綜上所述，HRW和SHSM都可顯著促進種子萌發，氫可通過調控營養物質降解、植物內源激素等促進種子萌發。 3.1.2 氫對植物生長發育的作用 3.1.2.1 氫對根系發育的影響 植物根系發育對于植物接觸土壤環境、吸收水分和養分有著重要的作用，研究表明氫可促進植物根系發育，包括對植物的側根和不定根的發育均具有顯著的積極作用。 李嘉煒等探究HRW灌溉對苦瓜、冬瓜、黃瓜、番茄和菜心5種蔬菜種子的根系發育影響，并對根長度、直徑、體積和表面積作統計。結果表明，HRW對冬瓜、黃瓜、番茄和菜心的根系發育具有促進作用，但對苦瓜種子根系生長影響甚微。HRW對黃瓜根鮮重提升達到100g物質中氫質量為28.6。Hou等研究發現HRW處理顯著提升百合鱗莖生長發育，與對照相比，1%、10%、50%和100%HRW處理的根數量分別增加了23.57%、73.61%、47.13%和285%，而鱗片數量分別增加了7.18%、21.46%、46.52%和53.59%。Zeng等研究結果證實氫對中藥材五指毛桃（FicushirtaVahl）的根系發育也具有積極作用。此外，氫對大麥、水稻、玉米等禾谷類植物的根系發育也具有顯著促進作用。 Wang等研究納米釋氫材料氨硼烷@SiO2（AB@hSMN）對番茄、水稻、蘿卜、黃瓜等側根發育的影響。側根密度和長度研究結果表明，AB@hSMN比50%HRW更能促進側根生長，這可歸因于AB@hSMN的緩釋氫作用。Liu等通過基因組學研究表明氫上調CrHYD1基因表達誘導產生內源H2O2，其作為下游信號分子調節生長素和細胞周期基因表達來促進側根發育。 此外，研究發現氫對植物不定根的發育也起到積極影響。Zhu等深入研究氫對黃瓜不定根發育的作用機制。研究結果顯示，HRW可上調NO合成酶和硝酸還原酶的基因表達，從而提升植物體內NO含量，通過NO途徑介導調節不定根發育。Huang等的研究結果表明，乙烯是氫調節黃瓜不定根的下游信號分子。Zhu等的研究結果則表明，氫通過增加相對含水量、代謝成分和生根相關酶（如過氧化物酶、多酚氧化酶和吲哚乙酸氧化酶）活性，同時保持細胞膜的完整性，可促進萬壽菊不定根的發育。而Huang等通過蛋白組學研究表明，氫可調節光合作用蛋白、氧代謝蛋白、氨基酸代謝蛋白、應激反應蛋白等相關基因表達，從而顯著促進植物的根系發育。 綜上，氫可通過調節內源NO、H2O2、乙烯水平以及各類酶活性等促進農作物的根系生長。一些中草藥的根系通常具有獨特的藥用價值，氫應用于中藥材栽培具有重要的經濟價值，將是未來的重要研究方向之一。 3.1.2.2 氫對植物葉片發育的影響 葉片是植物進行光合作用、制造養料、進行氣體交換和水分蒸騰的重要器官。葉片性狀是影響感官、營養和整體價值的關鍵因素。國內外研究者們發現，氫對葉片的鮮重、葉面積等表觀性狀有重要影響。同時，氫可調控葉綠素含量、氣孔導度、光化學電子傳遞速率等，從而影響葉片的光合作用和蒸騰作用。 李嘉煒等發現0.3~0.4mmol/L的HRW會促進葉片生長，可使番茄葉鮮重達到100g物質中氫質量提升50。同時對菜心、番茄、黃瓜、冬瓜、苦瓜5種蔬菜進行對比研究，結果表明葉鮮重和葉面積都隨HRW濃度的增加呈現先增加后降低的趨勢，HRW濃度在0.25~0.35mmol/L時效果最佳。宋韻瓊等對HRW的施用方式進行對比研究，相較于單獨浸種或噴施，10%HRW浸種+50%HRW噴施對青菜總葉數、最大葉長×葉寬、鮮重的促進作用最明顯：總葉數提升18.75%，最大葉長×葉寬提升46.71%，鮮重增加達79.74%。此外，氫對禾谷類植物水稻、花卉類小蒼蘭以及草莓等水果葉片的生長發育也具有積極效用。劉豐嬌等的研究表明，氫處理可提高葉綠素含量，并且增加氣孔導度，提升光化學效率，從而影響到葉片的光合作用，增加葉片的干重。但值得注意的是，氫對不同植物的光合作用調控機制有差異。研究結果顯示，對于黃瓜和玉米，氫改善光合作用的機制是提高光系統II的光化學效率，而草莓對應的機制則是提高光系統I的光化學效率。 3.1.2.3 氫對農產品產量的影響 產量是農產品生產的重要評價指標。研究結果顯示氫對提高蔬菜、禾谷類植物、中藥材等的產量都具有顯著的促進作用。 楊瑞怡等通過測定不同濃度HRW處理的葉菜產量發現，0.8mg/L和0.4mg/L HRW處理均能提高小白菜、莧菜、芥菜、木耳菜產量，且0.8mg/LHRW處理的增產效果更加明顯。在0.8mg/L氫濃度下，不同葉菜產量的影響效果排序為：木耳菜>芥菜>莧菜>小白菜，其中木耳菜產量提高12.62%，小白菜產量提高9.47%。趙懿穎等研究發現，50%HRW處理可以明顯提升番茄的坐果能力，達到53.49%，而產量則增加~1倍。而李湘妮等探究HRW處理高鹽脅迫下巖棉培櫻桃番茄的產量，其單果重和產量分別增加了19.2%和6.02%。Cheng等以氫納米氣泡水施用水稻，氫顯著提高糙米/粗米和白米的長度、寬度、厚度和千粒重，如圖3所示。轉錄譜分析結果顯示，高產相關的代表性基因細胞增殖——異源三聚體G蛋白β亞基因（RGB1）、粒寬基因（GS5）、粒長寬基因（SMG1）和粒重基因（GW8）上調表達，與表型結果相符。 
圖3 H2提高糙米/粗米和白米的30粒（a）與10粒對比（b）；長度（c）、寬度（d）、厚度（e）和千粒重（f） 3.1.2.4 氫對農產品營養品質的影響 近年來，大量研究關注氫對農產品營養品質的作用，本節將分別綜述氫對禾谷類、蔬果類、中藥材類作物產品營養品質的生理作用。 水稻作為禾谷類主要作物，是當今世界最重要的糧食作物之一，科學家深入研究氫對水稻生長發育的影響規律及作用機制，探究氫對稻米營養品質的影響。Cheng等發現HRW灌溉降低蛋白質和直鏈淀粉含量，但總淀粉含量無明顯變化。同時，部分礦質元素P、K、Mg、Fe含量提升。更重要的是，白米Cd積累量顯著降低，達到對照組的52%。這一現象與Cd進入植株的轉運基因的差異表達有關，包括下調巨噬細胞蛋白（Nramp5）、重金屬轉運ATP酶（HMA2和HMA3）和鐵調節轉運蛋白（IRT1）的基因表達。此研究結果顯示，氫可作為提高稻米品質的高效媒介。此外，Zhu等研究表明，HRW處理生長的發芽糙米后硫胺素、K、P、Mn和Fe等營養物質含量增加，且麩皮層中不溶性膳食纖維含量降低，可溶性膳食纖維水平提高，極大地提高了糙米的口感和風味。楊麗等也利用HRW對糙米再加工為發芽糙米，發現氫能提高糙米發芽率，并且營養物質黃酮的含量明顯增加。此外，Guan等研究HRW對黑麥營養物質的生理作用。研究表明，HRW處理黑麥種子后，主成分與對照組存在顯著差別，部分多酚營養成分（包括游離香草酸、香豆酸、辛酸；共軛香草酸、丁香酸和辛酸）濃度提高，并且Ca、Fe等礦物質含量提升。 蔬菜中含有豐富的有益人體健康的物質，如多酚、抗壞血酸和維生素等。氫對蔬菜生長發育和品質也有重要影響。宋韻瓊等以華耘青1號青梗菜作為試驗對象，對比分析HRW對青梗菜的可溶性糖、纖維素和維生素C（vitamin C，VC）含量的影響。研究表明，HRW處理后的青梗菜鮮重、干重顯著增加，并且青梗菜的可溶性糖/蛋白和VC含量升高，而纖維素含量降低。本課題組生菜種植研究結果也表明，MgH2可顯著促進生菜種子萌發和生長，并且顯著提升生菜體內可溶性糖、可溶性蛋白、VC等營養物質的含量。花青苷是一種重要的多酚類化合物，是植物顏色的來源，并保護植物應對外來的生物和非生物脅迫。尤其，花青苷可作為抗氧化劑保護人體對抗心血管疾病、癌癥和其他慢性疾病。Zhang等研究發現，在紫外光下，氫可通過提高花青苷合成酶含量來促進花青苷的合成，并提升植物自由基消除能力。而Xie等研究表明，紫花苜蓿中的40種黃酮化合物，HRW處理可提升其中22種黃酮化合物的含量，其中異黃酮和黃烷酮類（isoflavone/flavanone）的提升效果最明顯。 水果是中國繼糧食、蔬菜之后的第3大農業種植產業。研究結果表明氫可顯著提升水果的營養和感官品質。李湘妮等的研究結果表明HRW灌溉處理的櫻桃番茄果實蛋白質含量提高25.81%，VC、總糖含量、糖酸比也明顯高于對照組，而硝酸鹽含量下降2.48%，說明生長期氫處理可明顯提高櫻桃番茄果實的營養品質。揮發性有機組分、有機酸和糖類是影響水果香氣、風味的主要成分。Li等研究表明采前HNW處理草莓（Fragaria×ananassaDuch.）顯著提升了其感官品質，這歸因于氫處理提高了酯類、酸類和可溶性糖等風味相關化學物質的含量。進一步的轉錄組學分析結果表明，氫可一定程度上調香氣相關基因，包括FaLOX、FaADH、FaAAT、FaQR、FaOMT和FaNES1。 中藥材是中華之瑰寶，氫對中藥材品質提升也有積極作用。黨參是中國常用的補益藥材，多糖物質含量高，對免疫系統具有調節作用。利用HRW栽培黨參，多糖含量最高可達36.45%（對照組為28.33%）。Zeng等利用代謝組學和轉錄組學揭示氫顯著提升五指毛桃藥用品質的生理機制，發現氫可調控五指毛桃主要藥用活性成分的生物合成、次生代謝和相關基因表達，包括苯丙烷類化合物、佛手酚、橙皮苷、苯丙呋喃等。 綜上可見，氫對農產品營養物質的提升效應具有廣譜性。對禾谷類、蔬果類、中藥材等植物的生長發育均具有積極作用，并可顯著促進糖類、蛋白質、多酚、有機酸等營養物質的生成。但是，因不同植物的營養物質差異性，氫對不同植物生長和營養品質的影響規律和生理機制尚不完善、清晰，還需要進一步探究。 3.1.3 氫提高植物抗逆性的影響 植物生長過程中會受到不利環境的影響，國內外學者廣泛開展氫對植物逆境適應性的研究，包括干旱、高土壤鹽分、重金屬污染、藥/病害、過溫等。 氫可通過調節Na+轉運、光合作用、滲透平衡、抗氧化等作用，明顯提升植物的抗鹽性能力。在水稻植株中，HRW處理對干物質含量、相對含水量、葉綠素含量、電解率外滲（EL）及抗氧化酶活性都具有顯著影響。研究表明，HRW處理顯著增加鹽脅迫條件下細胞的持水能力，提高葉片的葉綠素含量，降低EL值。同時，鹽脅迫下，HRW處理顯著降低ROS含量和脂質過氧化損傷，增加細胞膜穩定性，提升過氧化氫酶（catalase，CAT）、超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、抗壞血酸過氧化物酶（ascorbic peroxidase，APX）、過氧化物酶（peroxidase，POD）、單氫抗壞血酸還原酶（monodehydroascorbate reductase，MR）等抗氧化酶活性，并調控其基因表達水平。而Yu等的研究表明HRW能顯著提升黃瓜在鹽脅迫下的根系活力。機理分析結果表明，H2通過促進SOS2和NHX1基因表達提升Na+/H+的逆向轉運，降低Na+的細胞毒性。田婧蕓等在玉米的抗鹽性研究中發現HRW處理能提高質子膜H+-ATPase和Ca2+-APase、液泡膜H+-ATPase和H+-PPase的活性，H+跨膜梯度變大，增加細胞質中的Na+向液泡轉運速率，降低過量Na+對細胞器的傷害。 氫對植物抗干旱作用主要表現在滲透調節、抗氧化損傷和葉片氣孔調節等3方面。宋瑞嬌等研究發現不同濃度HRW均能顯著提高大麥種子中可溶性糖、可溶性蛋白和游離脯氨酸的含量，調節滲透平衡，抑制細胞脫水/死亡。其中，25%和50%HRW提升效果最佳，可溶性糖含量分別可達對照組的1.36與1.31倍。Xie等發現外源施加HRW可減少氣孔開度而協助抵抗干旱。這歸因于氫可增加NO含量，NO介導K+通過GORK通道從細胞質向細胞外釋放，降低氣孔開度。Song等研究表明，HRW除了能提高還原性糖含量、顯著降低膜損傷和提升抗氧化酶活性外，氫還可不同程度地提高抗壞血酸鹽（ascorbate，AsA）和谷胱甘肽（glutathione，GSH）含量，通過調節AsA-GSH循環重建氧化還原平衡減輕干旱誘導的損害。最新日本大阪大學/孟加拉拉杰沙希大學聯合研究表明，干旱脅迫下氫不僅可以降低氧化損傷，還可觸發小麥耐旱型Dreb1基因表達上調，比對照組提升90%。 氫可緩解Cd、Cu、Al、Hg對植物生長的抑制作用，并有效降低Cd元素在植物中的富集。Cui等研究結果表明，HRW處理可通過重建GSH穩態而有效減少紫花苜蓿（Medicago sativa）對Cd、Hg的吸收，抑制ROS的產生，減輕Cd、Hg誘導的氧化應激。Cd污染的紫花苜蓿幼苗SOD、POD和APX活性分別降低了36.1、24.3和28.3%；相比較，HRW處理后，SOD、POD和APX的活性顯著提升，分別增加了60.2%、25.1%和25.5%。并且，HRW可同時提高GSH、高型谷胱甘肽和AsA水平，增加幼苗對重金屬毒害的防御能力。Wu等和Ren等的研究結果也表明，氫可通過調控GSH穩態來增強油菜/靈芝抗Cd毒害能力。此外，HRW可通過抑制白菜中主要的鎘轉運蛋白BcIRT1、BcZIP2的基因表達來有效地降低白菜對Cd吸收的功能，其中BcIRT1蛋白由BcRbohD基因調控。并且，HRW還可影響Cd脅迫下Zn2+和Cd2+之間的競爭力。添加Zn2+時，37%HRW預處理顯著降低了Cd2+的流速。這表明HRW處理后，更多的Zn2+被轉運蛋白吸收，從而降低了對Cd2+的吸收。近年來，He等嘗試用固態儲氫材料MgH2來研究氫對Cu的脅迫作用，研究表明MgH2可以通過增強苜蓿幼苗根系內源NO信號來增加非蛋白硫醇含量以及重建植物氧化還原平衡，顯著降低幼苗根細胞壁中Cu的積累，增強苜蓿Cu的耐受性（圖4）。MgH2的最佳施用濃度為0.4mmol/L。 
圖4 MgH2濃度對根系發育的影響（a）以及銅含量（b）對比（PTIO為NO抑制劑，SNP為NO供劑）；非蛋白巰基化合物（NPT）對比圖（c）以及相關的基因表達（d） 藥害和病毒/菌也是影響植物生長發育的重要因素。已有的研究表明，氫可提升植物的抗病/藥害能力。水稻條紋病毒（rice stripe virus，RSV）是水稻中最具破壞性的植物病毒之一，會造成嚴重的田間生產損失。Shao等的研究表明，氫可通過調控水楊酸信號來增強植物對RSV感染的抗性。Gu等研究HRW對于減輕雙草醚對水稻藥害的影響機制。75%HRW處理后，與雙草醚處理組對照，秈稻的植株高度和鮮重分別提升12%和22%，說明HRW能有效降低雙草醚的藥害影響。這主要是由于氫不僅能提高抗氧化酶（包括CAT、SOD、POD）的活性，有效降低ROS含量，而且還可減輕雙草醚對乙酰乳酸酯的抑制作用，加速雙草醚降解。Wang等的研究則顯示，氫可促進白菜、黃瓜、蘿卜、苜蓿、水稻和油菜植物中的百菌清降解，說明氫對植物體內農藥的降解也具有廣譜性。 綜上所述，氫可顯著提升植物抗逆性。氫提升植物抗逆性主要體現在提升抗氧化酶活性、降低活性氧ROS含量、調節植物內源激素水平和保持細胞結構等，如圖5所示。目前針對氫調控植物抗逆性機理，雖然國內外學者已做了大量研究工作，但是針對不同植物、不同生長階段/過程的抗逆性調控機制研究還有待深入。 
圖5 氫對提升植物抗逆性的調控機制 3.1.4 氫對農產品保鮮的作用 氫的抗氧化作用可明顯減弱農產品的氧化脅迫，國內外學者們對氫在農產品保鮮中的生理作用開展了廣泛的研究，包括花卉、蔬果、雞蛋、海產品等。 鮮切花保鮮研究顯示，氫對香石竹、康乃馨、小蒼蘭、百合、玫瑰都具有顯著的保鮮效用。蔡敏等研究HRW對香石竹切花的保鮮作用，研究結果表明10%HRW即可延長切花的壽命。甘肅農業大學廖偉彪教授研究團隊的研究結果表明，通過1%HRW處理，花瓣的丙二醛含量及相對電導率相對于對照組顯著降低。氫可通過緩解葉綠素的分解和細胞膜的損傷，降低氣孔大小和氧化損傷，維持水分平衡和膜穩定性，提高切花百合的瓶插壽命和品質。而宋韻瓊等發現，HRW處理小蒼蘭切花，其盛花期和萎蔫期SOD活性顯著增加，而萎蔫期CAT和APX顯著增加，HRW處理提高了細胞的抗氧化能力，從而延長小蒼蘭切花的瓶插壽命。此外，南京農業大學的沈文飆團隊和上海交通大學氫科學中心研究團隊聯合開發MgH2作為固態氫源促進切花保鮮（圖6），研究結果表明NO和H2S是H2的下游信號分子。氫調控部分消除衰老相關基因DcbGal和DcGST1的轉錄，延長玫瑰和康乃馨的瓶插壽命。 
圖6 不同處理下的康乃馨花瓶期照片（CBS：檸檬酸）（a）和對比（b）；MgH2提升康乃馨的機理示意（c） 在蔬果保鮮研究中，發現氫對小白菜、黃花菜、番茄、獼猴桃、小蔥、秋葵以及菱角等均具有明顯保鮮效果。Dong等研究氫對秋葵保鮮期的影響，研究表明，在貯藏前期，HRW處理通過上調果膠、半纖維素和纖維素的生物合成基因，維持細胞壁的生物合成；在貯藏末期，氫下調AePME、AeGAL和AeCX等多種細胞壁降解基因抑制細胞壁的分解，從而有效提升秋葵的貯藏期。Zhao等研究發現氫可增強抗氧化性來減輕木質素化，從而增強獼猴桃的耐冷性。在菱角的保鮮中，Li等觀測4℃儲存條件下菱角的顏色變化，研究表明HRW可以明顯延緩菱角的發黃。9d時，HRW處理組開始變黃，而對照組已經明顯變黃；進一步研究表明HRW處理降低H2O2和脂氧化酶含量，提升SOD含量。Wang等研究氫氣含量為0.5%和3%H2-Air混合氣對農產品雞蛋儲存效果的影響。25天貨架期后，對照組雞蛋蛋黃完全散開，而3%H2-Air混合氣處理組只有20%的雞蛋蛋黃散開，說明H2可大大延長雞蛋的貨架期。對其蛋殼進行結構分析，發現氫可延緩蛋殼表面裂紋的形成，從而防止雞蛋中微生物的生長，起到延長雞蛋保質期的作用。Wang等還分析氫保鮮雞蛋的經濟性，采用H2-Air混合氣保存雞蛋成本僅增加0.00074%~0.0028%，經濟效益顯著。 此外，氫對蝦干、黃油等加工產品的保鮮也具有明顯效果。土耳其厄德爾大學氫氣生物學研究中心研究HRW和固態Mg供氫對黃油的保鮮作用。研究結果表明，氫可有效降低黃油中的生物胺和酸度值，利于黃油的保存。而在海產品蝦干的保存研究中發現，氫可緩解蝦干感官品質的變化和脂質氧化，其作用可能與調節嘌呤代謝有關。 總的來說，氫可通過降低氧化損傷程度，維持細胞壁完整性以及降低有害物質的積累來促進鮮切花/蔬果/加工產品的保鮮，對農產品的保鮮作用具有廣譜性。從便捷性和長效性來看，采用固態儲氫材料長效緩釋H2來開發保鮮劑，是一個具有應用發展潛力的領域。 3.1.5 氫對植物生物學效應機制 經過大量文獻調研分析，氫對植物生物學效應機制可總結為兩大理論方向，分別為抗氧化機制和生理因子調節機制，下文分別進行論述。 3.1.5.1 抗氧化機制 植物體內累積超量活性氧會造成過氧化作用，造成細胞損傷，甚至導致細胞死亡。氫的抗氧化生理機制對于植物對抗環境脅迫、植物保鮮具有非常重要的作用，其生理作用機制具體如下。 1）氫上調抗氧化酶基因（OsFeSOD、OsMnSOD、OsCu/ZnSOD、OsCAT-A、OsCATB、OsAPX和OsGPX等）表達，提升抗氧化酶（SOD、POD、CAT、APX等）活性，清除植株體內的ROS含量，包括O2•-、•OH等，提高細胞的抗氧化能力，提升植物遭受過溫、干旱、鹽、重金屬、藥害等脅迫的抗逆能力。 2）氫可調控脫氫抗壞血酸還原酶、單脫氫抗壞血酸還原酶和谷胱甘肽還原酶的活性來提升谷胱甘肽/氧化谷胱甘肽和抗壞血酸鹽/脫氫抗壞血酸的抗氧化物質比例，重建氧化-還原平衡從而對抗氧化傷害。 3）氫的抗氧化作用可減輕膜脂質過氧化傷害，降低丙二醛積累量，維持根尖細胞及細胞核的完整性。 3.1.5.2 生理因子調節機制 受植物物種、生長階段和環境影響，氫對各種植物的根系、萌發、營養的控制生理因子（包括酶活性、激素、基因調控等）既有共性也具有差異性。 1）在植物萌發過程中，氫調控NO合成酶/硝酸還原酶的基因表達和酶活性來誘導NO信號分子，以及調控乙烯/H2O2等信號分子水平，促進根系發育；同時上調淀粉酶AMY和BMY基因表達，提高α-/β-淀粉酶活性促進淀粉的降解，為種子萌發提供營養物質。 2）在植物生長過程中，氫顯著提高葉綠素含量和葉面積，增加光合產物的積累，通過提升核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶活性提升碳同化能力，增加光能的吸收和利用，促進植株生長。同時，氫提升氮代謝相關酶的活性，促進植物根系從土壤吸收和利用NO3--N和NH4+-N等氮素。 3）在多種復雜環境中，氫可調控內源植物激素合成和分解基因表達，調節赤霉素、吲哚乙酸、脫落酸、生長素、水楊酸等的平衡來促進植物的生長和抗逆性。并且，氫可調控游離脯氨酸、丙二醛含量來維持細胞膜的完整性。多項研究表明氫直接/間接影響冷耐受miR319轉錄及其靶向PCF5和PCF8基因表達、耐Al脅迫OsSTAR1、OsSTAR2和OsFRDL4基因表達、抗干旱Dreb1基因表達等，從而提升植物的抗脅迫能力。 4）氫可調控氫化酶OsHydA1、OsFhdB和OsHypB基因表達，提升植物體內源H2的產生，進而影響植物激素，提升植物的抗逆性。 3.2 氫在養殖業中的研究進展 由于抗氧化、抗炎癥、抗細胞凋亡等生物學效應，氫也被科學家嘗試應用于養殖業。 南京農業大學姚文和鄭衛江課題組系統研究了氫對仔豬的生長發育、肝脾卵巢、腸道等器官的影響，以及氫對霉變飼料脅迫與病菌感染的緩解作用。研究表明，HRW可以在一定程度上緩解鐮刀菌毒素對斷奶仔豬的血液以及肝臟、脾臟等器官產生的不利影響。并且，研究發現HRW能降低結腸和盲腸消化道腹瀉率。對山羊喂食含鎂氫的飼料，研究發現鎂/氫會影響山羊瘤胃的發酵途徑和微生物群。Mg2+濃度過高（>5.5mmol/L）會抑制瘤胃發酵，并且氫濃度升高會促進丙酸鹽產生而改變發酵途徑，增加瘤胃的甲烷生成。微生物群落分析表明氫濃度升高減少真菌數量，增加甲烷菌數量，一定程度上改變微生物群。以上研究結果提示，氫以及載氫的鎂均具有顯著的生物學效應，在采用鎂或者MgH2產氫材料供氫時，不僅要關注氫的濃度，還需要特別關注Mg2+帶來的生物學效應。 Zhang等研究氫緩解蛋雞熱應激的生理作用及調控機理。研究結果表明氫通過提高空腸絨毛長度、隱窩深度和抗氧化活性，緩解蛋雞長期慢性熱應激的副作用，且顯著提高產蛋能力。此項研究表明氫是一種潛在緩解蛋雞熱應激的媒介。 佛山鯤鵬現代農業研究院近年來研究氫對水產養殖的作用，結果表明魚池中通入0.6~1mg/L氫氣養殖，與常規養殖方式相比，加州鱸魚和烏鱧仔魚的體重增加5%~15%，成活率提高5%~10%，表明氫用于水產養殖業也具有較好的前景。 基于氫的抗氧化作用和生長因子調節作用，氫應用于畜牧禽養殖和水產品養殖業具有發展前景。但目前氫應用于養殖業尚處于起步階段，其關鍵高效氫供體、標準、表觀性狀、生理作用、脅迫應激和調控機制都尚需開展系統而深入的研究。氫應用于養殖業是未來極具發展潛力的方向之一。氣態用氫或者液態用氫應用于畜牧業和水產品養殖適用性不強，特別是對江河湖海大面積養殖，實際操作困難，通過固態產氫材料作為飼料添加劑進行緩釋產氫，經濟性和可操作性大大提升，但同時需要注意產氫材料帶來附加的生物學效應。 4 結論氫由于具有抗氧化、調節生理因子等生物學效應，對于促進植物種子萌發、植物生長發育、植物抗逆性、農產品保鮮以及增強養殖業產品產量和品質等方面具有積極作用。“氫農業”是極具發展潛力的綠色、環保、可持續的新型農業方向。圖7總結了氫農業的研究現狀及未來發展趨勢。 
圖7 氫農業的研究現狀及發展趨勢 從氫的應用形態看，氣態用氫、液態用氫、固態用氫3種方式均有研究。目前電解水制備HRW是利用氫的常用方法，但是氫氣易從水中逃逸，不易保存，且濃度難控制，尤其是應用于畜牧業和水產品養殖業中的操作性相對較低。高密度儲氫材料具有操作性強、可控緩釋氫的顯著優勢，是未來氫農業發展的重點方向之一。但是，儲氫材料可能存在易潮解/分解等保存問題。如MgH2儲氫材料極易潮解放氫，此外還需要關注儲氫載體如Mg2+帶來的生物學效應。未來，基于動/植物生長規律，針對不同生長期、不同地域的氣候、土壤性質和應用場景等，氣、液、固態用氫的優劣勢將形成互補，構成“三氫齊放”的發展局面。 從氫的應用推廣看，氫對于禾谷類植物、蔬菜瓜果、花卉、中藥材的種子萌發、增產提質、產品保鮮以及畜禽養殖都具有廣譜性。但目前的研究尚處于實驗室試驗、小規模種植/養殖生產、小范圍農業示范的階段。未來，氫農業應用推廣應建立氫農業的規模化示范工程，加強對氫農業的技術標準和種植/養殖生產的規范研究，打造高效標準的氫農業生產模式。同時，加強氫農業的市場宣傳和推廣，提高公眾對氫農業的認知度和接受度也是未來工作重點之一。 從氫的生理機制看，氫可調節植物的抗氧化能力、內源激素/信號分子分泌、酶/蛋白合成和基因表達，但目前的研究尚不夠深入系統。未來應結合代謝組學、蛋白質組學和基因表達分析等先進生物鑒定和分析技術，針對不同環境、物種與生長階段進行深入系統研究，完善關鍵基因表達—靶向蛋白作用—生理代謝變化等氫對生物的調控機理，建立完備的氫生物應用機制體系——“氫農智慧”，為氫農業發展提供理論指導。 隨著氫能源技術的不斷進步，多學科交叉的深度融合，氫在農業領域的應用也將不斷深入和擴大。目前，氫在農業中的應用主要在農田灌溉、農用車輛、農業機械等方面的研究。未來，可將氫應用于溫室種植、設施農業等領域，建立氫設施農業；結合大數據和人工智能精準供氫/水/肥，提高農業生產效率和品質，打造氫智慧農業。并且，氫農業具有減少化學農藥和化肥使用、降低溫室氣體排放的特點，將成為推動可持續農業發展的重要力量，可與生態農業、有機農業等相結合，構建氫綠色農業，進一步推動農業的綠色發展。 綜上所述，氫農業未來發展方向將圍繞核心技術研發、應用范圍擴大、生理機制完善、環保與可持續發展等方面展開。氫農業的發展有望助力中國農業的綠色可持續發展。 |
