本书深入探讨了氢气在农业领域的革命性应用，并详尽解析了氢气浓度对作物生长和品质的影响。书中汇集了全球最新的研究成果与实践案例，为农业从业者和科研人员提供了宝贵的参考资源。
本书阐述了氢气作为清洁能源在农业中的多重角色，从促进作物生长、提高抗逆性到延长农产品的保鲜期，展现了氢气应用的广阔前景。作者深入分析了氢气在不同农作物上的作用机制，包括对稻谷、小麦、玉米、大麦等主要粮食作物的影响，以及在蔬菜和水果产业中的实际应用。书中不仅提供了丰富的实验数据和图表，还探讨了氢气在提高作物产量、改善品质、减少化肥和农药使用等方面的潜力。
第一章
氢气在实际生产中的应用
第一节 氢气在各领域的应用
氢，这一宇宙中最为丰富的元素，其单质氢气自古以来就与人类的发展息息相关。从早期的宇宙大爆炸理论到现代的能源探索，氢气始终扮演着关键角色。20世纪中叶，科学家们发现了氢气的能源潜力，期待通过微生物和藻类的生产能力解决能源危机。如今，氢气已在工业、交通等多个领域实现了较为成熟的应用。接下来，本文将简要概述氢气在工业、电力、建筑和交通等领域的应用现状。
图1-1-1 氢气在工业领域的应用
图1-1-2 氢气在电力领域的应用
图1-1-3 氢气在建筑领域的应用
图1-1-4 氢气在交通领域的应用
尽管利用氢气解决能源危机的梦想尚未完全实现，但氢气的另一重大发现已经为人类健康带来了革命性的影响。2007年的突破性研究揭示了氢气的医学价值，其抗氧化特性为治疗多种疾病开辟了新的途径。
随着科技工作者在医学领域对氢气应用研究的不断深入，人们开始认识到这一物质的潜力远超预期。氢气应用的研究逐渐扩展到植物领域，对植物的生物学效应的研究表明，氢气在促进种子萌发、提高作物抗逆性、增加作物产量、延长采后储藏等方面均展现出积极作用，氢气的应用前景在农业领域展现出前所未有的广阔前景。这不仅有望减少农作物对化肥和农药的依赖，提高作物品质，保障食品安全，还对环境保护产生积极影响。
展望未来，氢气在农业上的潜在影响不容忽视。随着研究的不断深入，我们可能会见证一个全新的“氢农业时代”。在这个时代中，氢气将作为一种清洁、高效的农业投入品，推动农业生产方式的转型，促进农业的可持续发展。通过氢水处理，农作物的生长周期可能得到优化，产量和营养价值均有所提升，而对环境的负担则大幅降低。这将是氢气对人类历史的又一次深远影响，它将在维系全球粮食安全和推动绿色发展的农业领域中发挥重大作用。
图 1-1-5 氢气在农业领域的应用
第二节 氢农学的发展史
一、氢农学与氢农业之始
氢农学是一门综合运用生理生化、分子生物学、遗传学和组学等方法，研究氢农业相关规律的科学领域。从研究对象来看，氢农学涵盖了氢气在微生物、植物和动物中的作用效应。由于氢农学还涉及新材料和新能源的应用，它呈现出跨学科和综合性的显著特点。
氢农业是氢农学的实践分支，它通过使用氢气或产氢材料，采用HRW施用或氢气熏蒸等技术，旨在提升农林牧副渔产品的产量和品质，其应用范围从田间延伸至餐桌。
根据应用场景的不同，氢农业可以进一步细分为设施园艺氢农业、大田氢农业和家庭氢农业等类别。鉴于氢农业的绿色和环保特性，它也被视为一种综合应用于种植业、畜牧业和水产业的新生态农业模式。
追溯到20世纪30至40年代，科学家们已经发现多种能够产生氢气的细菌和藻类。随着第一次世界大战后经济繁荣的结束，世界逐渐笼罩在新的战争阴霾之下。面对日益增长的能源需求，科学家们开始探索和深入研究基于生物的制氢技术。
有证据显示，从1939年开始就有已经有不少科学家尝试利用发酵和光化学过程从藻类或者产氢细菌中制备氢气[1,2]。1961年苏联光-生物现象学家吉维·亚历山德罗维奇·萨纳泽（G. A. Sanadze）通过实验证明了高等植物的绿色叶片在特定光照下确实可以吸收和利用氢分子[3]。
在探索植物如何参与氢气代谢的旅程中，萨纳泽的开创性工作为我们打开了一扇窗。这一发现不仅挑战了传统观念，也为后续的研究奠定了基础。紧随其后的1964年，美国生物能源学者伦威克（G.M. Renwick）等通过实验认为，高等植物的种子中往往寄生着相当多种类和数量的产氢细菌。但进一步研究发现，当研究人员人为杀灭这类产氢细菌后，在完全无菌的密闭情况下，这些高等植物的种子仍旧能够在萌发过程中产生氢气。此外，研究还发现，在存氢环境下生长的冬麦种子，其萌发速度要高于作为对照组的氩气组。因此，他们猜测，一些高等植物的种子中存在着某种氢化酶[4]。1986年，美国学者西奥多·迈恩（Theodore E. Maione）和马丁·吉布斯（Martin Gibbs）通过实验发现，莱茵衣藻（）的完整叶绿体可以在氢气环境下实现二氧化碳的光还原过程。这个实验证明了植物的叶绿体之中可能存在着某种氢化酶，也就是说，氢气的生产和利用可以通过植物的叶绿体来完成[5]。同年西班牙学者托雷斯（V.Torres）等通过实验发现，经过无氧处理的大麦种子能够产生大量的氢气，这一过程的核心就是“氢化酶的激活”，研究人员确定了这种酶的活性提升并非是由外部的微生物污染所导致，而是植物自身在面对缺氧挑战时的一种内部反应机制。通过进一步的研究，他们发现氢化酶的诱导并非均匀分布于整个植物体，而是在根部呈现出特别强烈的活性。相比之下，下胚轴中的活性则较为温和，而叶片中则几乎检测不到氢化酶的存在。这一分布模式暗示着植物在不同组织中对无氧胁迫的响应策略可能存在差异，根部的这种高度适应性可能是保障其在土壤缺氧环境下仍能维持生命活动的关键[6]。
以上一系列发现不仅增进了我们对植物无氧耐受性的理解，也为未来在农业生产中利用这一特性提供了新的视角。例如，通过调控氢化酶的活性，或许能够增强作物在淹水等逆境下的生存能力，从而提高农作物的整体适应性和产量。此外，这一过程中产生的氢气作为一种清洁能源，也可能成为可持续能源开发的一个新方向。可是，由于时代的局限，尤其是受限于微观观测能力的缺乏，对相关领域的进一步研究，在很长一段时间内没有太多进展。
二、从氢医学到氢农学
在1975年，M道尔（M. Dole）及其同事将患有鳞状皮肤癌的无毛小鼠暴露于富含氧气和大量氢气的环境中，进行了为期两周的观察。他们的目的是探究氢气这一自由基衰变催化剂是否能够促进皮肤肿瘤的退化。不幸的是，实验结果并不理想，小鼠的皮肤肿瘤反而出现了显著恶化。尽管如此，这篇文章被科学界公认为是医用氢气研究的早期重要文献。随后，越来越多的研究者投入到医用氢气的研究中，大量的动物模型研究和初步的临床试验已经证实了氢气作为医用抗氧化剂、抗炎剂和抗凋亡剂的巨大潜力，并为人类治疗癌症、帕金森病、阿尔茨海默病和动脉粥样硬化等疾病提供了新的研究方向。尽管学术界对于氢气在动物体内的具体作用机制仍存在广泛争议，但随着研究的不断推进，人们开始意识到氢气在农业领域同样具有重要的应用潜力。
在2003年的研究中，中国学者发现氢气可能在增强土壤肥力和促进作物生长方面发挥着潜在的作用。在固氮过程中，氢气作为固氮酶与氮气反应的副产品出现。在某些豆科植物的根瘤内，细菌共生体能够产生一种名为吸氢酶（Hydrogen uptake hydrogenase，HUP）的酶，该酶能够氧化氢气，从而回收部分能量。但在大多数情况下，这些细菌共生体并不具备HUP（HUP-），因此产生的氢气会扩散到土壤中并被消耗，这导致了氢气氧化动力学的变化，并促进了根瘤菌生物量的增长。由于作物的进化和育种过程往往倾向于HUP-共生模式，氢气在土壤中的释放可能对植物生长有益。此外，这一过程不仅适用于豆科植物，非豆科植物在与豆科植物轮作后，也能从土壤中获益。基于这些发现，“氢肥”的概念应运而生。研究已经证实，使用经过氢气处理的土壤能够改善小麦、油菜、大麦以及非共生大豆的生长性能。在4至7周龄的生长阶段，与对照组相比，这些植物的干重有了显著的增加。
正是在同一时期，氢医学领域也取得了显著进展。日本的研究人员在探索利用氢气减轻脑缺血导致的氧化损伤时，成功研发了富氢水。对于动物实验来说，富氢水是一种非常安全的氢气传递介质。对氢农学研究者而言，这一水基制剂的问世极大地促进了他们的研究工作。过去，研究者们仅能在封闭环境中直接向土壤中通入氢气，这种做法不仅危险，而且限制了实验规模，使得研究成果难以应用于实际农业生产。富氢水的发明为氢农学研究者打开了通往新领域的大门，仿佛是最后一把解锁新世界的钥匙。随着越来越多杰出的农业科学家加入这一领域，氢农学的研究不断深入，氢农业的前景开始逐渐明朗。
三、蓬勃发展的氢农业
酸性土壤会限制植物的生长，这一现象的主要原因之一就是铝毒性。2012年，中国的研究人员用50%饱和度的富氢水处理了紫花苜蓿幼苗后将之种植在了模拟受过酸雨和铝离子污染的土壤中。实验结果显示[7]，相较于对照组而言，紫花苜蓿幼苗的根系发育有了明显的改善，换言之，植物的铝中毒症状有了明显的减轻。研究人员们基于此设计了进一步的实验，发现富氢水在土壤中的作用类似于氮氧化物的清除剂，换言之，富氢水很可能是通过减少氮氧化物的产生从而缓解了植物的铝中毒。这一系列发现提出了一个新的设想，即富氢水可以用来在酸性土壤地区提高作物产量，改善农作物逆境耐受性，甚至减缓或抑制某地土壤的酸化。某种角度上讲，正是这篇文章拉开了轰轰烈烈的氢农业研究大门。从当年开始，在农产品生产端利用氢处理改良的研究如雨后春笋般蓬勃发展。
一些学者深入研究了富氢水对植物适应汞毒性的调节作用[8]，而其他学者则探讨了不同处理水浸种对西葫芦种子发芽的生理效应[9]。从蔬菜到水果，从花卉到主粮，几乎全国所有大规模种植的作物都已有学者进行研究或发表了相关成果。
在2014至2018年期间，一位中国学者对富氢水在延长猕猴桃货架期及其潜在机制方面的影响进行了评估[10]。该研究揭示了富氢水在延长水果保质期方面的潜力，尤其是对于易腐烂的猕猴桃。实验结果表明，富氢水处理能够减缓果实成熟和衰老过程，从而延长其货架销售期限。该实验的成果标志着中国氢农业研究已从农产品的培育和生产阶段，正式拓展至全链条覆盖。
到2019年，中国已经有42家科研机构参加了氢生物学的研究，其中的一个里程碑事件是上海交通大学成立了氢科学中心。该中心是全球首个聚焦氢能源、氢医学和氢农学的综合性交叉平台，也是全中国第一家氢科学的重点实验室。2024年首个氢农业标准《富氢水灌溉水稻种植技术规程团体标准》在上海发布。
图1-2-1 氢农业发展过程中的里程碑事件
在中国广袤的土地上，氢农学的种子正在悄然生根发芽，预示着一个绿色、高效、可持续农业新时代的到来。随着科研人员不懈的努力和创新思维的火花碰撞，氢在农业领域的应用正逐步从理论走向实践，展现出巨大的潜力。展望未来，我们可以预见，中国的氢农学和氢农业将在多个维度上实现突破。
在技术创新与研发方面，科研机构和企业将加大投入，深入研究氢如何促进植物生长、增强作物的抗逆性以及提升农产品品质的内在机制。通过持续的实验和验证，预计将开发出新型的氢农业技术，包括高效的氢气施肥技术与精准的氢气调控系统等。这些技术的发展有望显著提高农业生产效率和产品质量。
在产业链整合与发展方面，氢农业技术的成熟预示着相关产业链的整合与进步。从氢气的生产、储存、运输，到氢农业设施的建立与运营，再到氢农产品的加工与销售，整个产业链将构建一个完整的闭环，推动农业经济的转型与升级。
在环境保护与可持续发展方面，氢农业的普及和应用将有助于减少化学肥料和农药的使用量，从而减轻农业生产对环境的压力。此外，氢作为一种清洁能源，在农业领域的应用将有助于降低温室气体的排放，对抗全球气候变化，进而促进农业的绿色可持续发展。
在政策支持与市场培育方面，政府将推出一系列政策措施，以支持氢农业的研究与示范项目，并激励农民采纳新技术，从而培育氢农产品市场。借助政策的引导和市场的激励机制，氢农业有望成为推动农业现代化的重要推动力。
在国际合作与交流方面，中国在氢农业领域的发展有望促进国际合作与交流。通过共享研究成果、技术交流和人才培养，中国将与世界各国携手，共同推动氢农业的进步，为全球粮食安全和农业可持续发展贡献中国的智慧和方案。
在这幅充满希望的未来图景中，氢农学与氢农业将崛起为中国农业发展的新动力，引领农业生产方式的根本变革。它们将使每一片土地焕发新生，为人类社会的繁荣与进步做出贡献。
目录:
第一章 氢气在实际生产中的应用 / 001
第一节 氢气在各领域的应用 / 002
第二节 氢农学的发展史 / 004
参考文献 / 008
第二章 氢气在农业中的使用方式和作用机制 / 011
第一节 农业的供氢方式 / 012
第二节 氢对作物生理作用的影响机制 / 013
参考文献 / 020
第三章 谷类作物 / 025
第一节 外源性氢气对稻谷的影响 / 027
第二节 外源性氢气对小麦的影响 / 036
第三节 外源性氢气对玉米的影响 / 040
第四节 外源性氢气对大麦的影响 / 043
第五节 粮食作物的应用 / 055
参考文献 / 056
第四章 豆类作物 / 059
第一节 大豆 / 060
第二节 绿豆 / 061
参考文献 / 062
第五章 蔬菜作物 / 063
第一节 叶菜类 / 064
第二节 秋葵 / 080
第三节 番茄 / 082
第四节 黄瓜 / 089
第五节 西葫芦种子 / 094
第六节 彩椒 / 094
第七节 黄花菜 / 095
第八节 多种蔬菜的研究 / 097
参考文献 / 098
第六章 水果产业 / 101
第一节 草莓 / 104
第二节 猕猴桃 / 112
第三节 荔枝 / 120
第四节 蓝莓 / 123
第五节 苹果 / 126
第六节 香蕉 / 128
第七节 无籽刺梨 / 131
第八节 氢农业与水果产业的未来 / 134
参考文献 / 135
第七章 花卉作物 / 137
第一节 小苍兰 / 138
第二节 月季 / 140
第三节 康乃馨 / 144
第四节 洋桔梗 / 146
第五节 万寿菊 / 149
参考文献 / 150
第八章 草地作物 / 153
第一节 苜蓿 / 154
第二节 草地早熟禾 / 161
参考文献 / 162
第九章 菌菇作物 / 163
第一节 斑玉蕈 / 164
参考文献 / 168
第十章 水产行业 / 169
第一节 虹鳟鱼和马鲛鱼 / 171
参考文献 / 173
第十一章 畜牧业 / 175
第一节 山羊 / 179
第二节 肉鸡 / 180
第三节 仔猪 / 182
第四节 畜牧业的氢未来 / 184
参考文献 / 185
第十二章 其他农产品 / 187
第一节 药用作物 / 188
第二节 农副产品 / 197
第三节 模式生物 / 217
第四节 食虫植物 / 227
参考文献 / 228
第十三章 不同作物最佳氢浓度响应 / 231
第一节 谷类作物 / 232
第二节 豆类作物 / 233
第三节 蔬菜作物 / 233
第四节 水果作物 / 235
第五节 花卉作物 / 236
第六节 草地作物 / 237
第七节 菌菇作物 / 238
第八节 其他作物 / 238
第九节 不同作物最佳氢响应浓度一览表 / 239
参考文献 / 244
第十四章 氢气在农业生产领域中的未来 / 251
第一节 氢气在农业生产应用中的痛点 / 252
第二节 氢气在农业生产应用中的未来 / 254
附件1 长三角健康农业研究院（浙江）有限公司
富氢水相关科研进展 / 257
附件2 缩略语 / 267
卷后语 / 275
