氢气在农业中的应用：最新进展与展望

随着气候变化和城市化进程的推进，耕地面积不断减少，农作物也受到各种生物和非生物胁迫。如何提高作物产量和抗逆性已成为亟待解决的农业生产问题。氢气具有绿色、清洁的特点，具有很大的优势，对现代农业和可持续农业的发展具有重要意义。本文综述了氢气对植物生长发育、抗逆性和采后保存的影响，但尚未系统综述。以及氢发挥植物效应的调控网络，涉及miRNA、DNA表达、激素变化、蛋白质修饰调控、活性氧、各种气体信号分子等。富氢水（HRW）作为一种简单、安全的处理方法，在农业中具有一定的应用前景。最后，对氢农业的发展与实践进行了展望。

Wang R, Yang X, Chen X, et al. A critical review for hydrogen application in agriculture: recent advances and perspectives[J]. Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 2024, 54(3): 222-238.

 氢气农业发展历史节点

  目前，农业正面临全球气候变化、化学肥料的过度使用、农田的过度灌溉以及土壤污染等问题，这些因素对植物生长产生了负面影响。农业受到生物和非生物的压力，影响了产量和产品质量。 大气中的氢气主要是由自然过程和人类活动产生的，其混合比为0.55 ppm v/v。产生的氢气主要在大气沉降后被土壤消耗，每年大约10^14克。因此，人们普遍认为土壤是氢循环的主要汇( Ralf & Wolfgang, 1979)。1964年，Renwick首次确认在Secale cereale (L.)上，H2可以促进种子发芽，并且认为一些高等植物种子中存在氢化酶(Renwick等人， 1964)。最近的研究显示，氢气不仅促进植物生长发育，还提高了植物的抗逆性。这些结果增强了氢气在农业应用中的科学支持（图1）。两千多年来，农民们已经知道在豆科和谷物轮作系统中可以提高谷物作物的生长和产量。虽然许多研究者认为豆科植物在土壤中的促生长效果是由于氮素保留，但其他研究者认为氮固定过程中产生的氢气可能有助于植物生长。与未处理的土壤或空气处理的土壤相比，氢气处理过的土壤改善了春小麦、油菜、大麦和大豆的生长指数，氢气的促生长效应也被称为"氢肥"(Dong等人， 2003)。同时，氢气处理过的土壤中能够氧化氢气的土壤细菌数量在氢气存在时增加。人们认为在氢气处理过的土壤中作为生长促进剂的微生物是细菌而非真菌。 以前的研究直接将氢气引入土壤，但这种方法通常在封闭环境中进行。引入纯氢气存在一定的风险，这也限制了有关农业上氢气的相关研究。在生产、运输和应用方面，纯氢气是不安全的。随着科学技术的发展，向植物提供氢气的方式也在变化。直到2007年，日本学者使用富氢水作为安全有效的外源性H2供体进行科学研究，发现H2选择性地减少了羟基自由基——最具细胞毒性的反应性氧物种（ROS），并有效保护了细胞(Ohsawa等人， 2007)，这开启了医学领域氢气的研究。2013年，Shen的小组发表文章称氢气可以增强拟南芥的耐盐性，并开始了农学领域氢气的研究(Xie等人， 2012)。HRW为未来生态系统中安全使用氢气提供了新途径。