全文刊载于《前瞻科技》2024年第4期“氢能技术与发展战略专刊”，点击文末“阅读原文”获取全文。
文章在简要介绍生命起源过程中氢气的可能生物学作用的基础上，结合氢气地球生物化学循环的背景知识和世界氢农业的发展历史，重点论述中国氢农业的重要发展历程，包括相关的科学理论进展、从采前到采后延长农产品保鲜期/贮藏期的实施案例和多年多点的增产提质大田试验。结合目前开展的“药肥双减”行动方案、乡村振兴战略规划，以及健康中国的需求，提出了今后中国开展氢农业的发展思路，包括针对合适的大田给氢方式、以粮食作物和中药材为主的种植业和特种养殖业相匹配的氢农业标准，以及如何确保氢农业理论和实践双领先3个方面提出相关的发展建议。
氢是宇宙中最古老、含量最丰富的元素，约占宇宙总质量的75%。从元素周期表看，氢也是“百素之首”，属于结构最为简单的元素。同时，氢在生命起源与进化过程中扮演着重要角色。根据化学进化学说，生命的起源是从一些还原性环境中的大气、地壳及水圈等普通成分开始的。例如，最早的细菌生命形式很可能就是利用氢气（Hydrogen Gas, H2）作为能量来源。氢不仅在宇宙的起源和生命的诞生过程中扮演了关键角色，而且在生物的新陈代谢活动中也发挥着重要作用。氢循环与生物圈中的水循环、碳循环、硫循环和磷循环等紧密结合，共同参与了生物地球化学循环。
氢气在地球上的生物化学循环主要发生在大气、水体和土壤中。地质活动、生物代谢和人类活动等排放到环境中的氢气，大多数能被土壤和水体中的微生物吸收（80%）或被环境中的羟基自由基氧化所消耗。此外，氢气也是豆科植物固氮反应的副产物之一。农作物根植于土壤中，这也不难理解为什么氢气会对农作物的生长发育和代谢具有调节效应。伴随着氢经济的发展，工业生产对氢气循环的影响也越来越大，氢燃料电池、氢水机等一系列民用氢设备的发展也使得氢气循环与人类生活的联系变得更加紧密（图1）。![]()
图1 氢气在地球上的生物化学循环
Fig. 1 Biochemical cycle of hydrogen on the earth早在1964年，美国科学家就发现氢气可以刺激植物种子萌发（图2），这也是氢气生物学效应在农业领域的最早研究记载。直到2003年，加拿大科学家发现无论是在实验室还是在大田条件下，与未处理的土壤或空气处理的土壤相比，氢气通气处理过的土壤能够显著改善春小麦、油菜、大麦和大豆的生长指标，从而提出了氢气作为气体“氢肥”的概念。经过十几年的发展，目前已逐渐形成了以氢能源设备和氢气的生物学效应为基础的“氢农业”概念，即运用氢气或产氢材料，以富氢水或氢气熏蒸等方式，提高农林牧副渔等相关产品产量和品质，其跨度可以从田间到餐桌，涉及栽培学、园艺学、材料科学、环境科学、食品科学和机械制造等诸多领域。![]()
图2 世界和中国氢农业发展大事记
Fig. 2 Major events related to development of hydrogen-based agriculture in China and abroad尽管中国氢农业研究起步相对较晚，但由于得到了国家层面的大力支持，近10多年发展迅速。截至2023年12月，多个与氢农业理论有关的项目获得国家自然科学基金资助，其中包括7个面上项目、8个青年科学基金项目和2个地区自然基金项目，从而有效推动了氢农业的发展。从2012年开始，中国氢农学在SCI收录期刊发表论文数量激增。高校、政府和产业资本的介入也为氢农学从实验室走向大田实践奠定了初步基础。近年来，南京农业大学、广东省农业科学院和上海交通大学等科研机构在氢农业研究领域取得了重要突破，并建立了若干氢农业实验基地和示范基地，推动了氢农学从实验室向大田实践的转移。从目前的现状看，氢农业可以整合以动植物生产、农产品采后贮藏与保鲜、农产品深加工和运输等为基础的传统农业领域，促进农业生产增产增效，有助于实现以我为主、立足国内、确保产能、适度进口、科技支撑的国家粮食安全战略，从而为保障粮食安全，端牢中国饭碗，加快转变农业发展方式，推进农业现代化添砖加瓦。尤其值得指出的是，作为一个新的发展领域，氢农业和以其为基础的大健康产业可以进一步整合农林牧副渔等传统农业领域以及可再生能源、氢能源机械及设备制造等先进制造业资源，从而建立从农场到餐桌的“氢农业”产业链。针对上述相关目标，文章从氢农业的战略地位、发展现状、需要突破的关键技术及重大科学问题，以及未来氢农业发展所需要的配套政策和发展建议进行探讨和展望，旨在为氢农业的理论和实践发展提供新思路。农业的健康和可持续发展依旧面临人口增长、气候变化、环境污染、自然灾害等诸多问题的挑战。据联合国粮食及农业组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations, FAO）预测，全球人口将在2050年突破100亿，届时需要比现在多生产50%以上的粮食，才能满足人们的需求。总体而言，在满足人类对健康食物及其他农产品需求的同时，解决食品安全问题和保持农业的可持续发展是当今农业发展的两大使命。农业作为中国经济发展的基石，一直以来都受到高度重视。中共中央、国务院从2004—2024年连续21年发布以“农业、农村、农民”为主题的中央一号文件，体现了农业在中国社会主义现代化建设中的重要地位。但是，中国的耕地状况并不乐观，《2000年中国环境状况公报》的数据显示，中国的人均耕地面积为0.101 hm2，不足世界人均耕地面积的一半，而且中国农业消耗的农药和化肥约占世界总消耗量的35%左右。因此，树立大农业观和大食物观，落实可持续发展观和科技观，发展新质生产力，加快农食系统的绿色转型是推进乡村振兴战略规划、加快建设农业强国、保障中国粮食安全的必由之路。在上述背景下，促进农业发展的绿色转型就显得尤为重要。属于氢气生物学范畴的氢农业涉及种植业、养殖业和畜牧业，涵盖农产品流通运输领域以及食品加工、贮藏和销售等几乎整个农业产业链，并具有绿色、低碳、环保和可持续的优势，其对应的理论研究则为氢农学。根据应用场景的差异，氢农业还可以具体划分为大田氢农业、设施园艺氢农业和家居氢农业等。由于氢农业运用的氢气浓度远低于爆炸的最低浓度，且农业生产是一个相对开放的环境，因此还具有安全的优点。总体来看，作为一种新兴的低碳可持续农业新模式，氢农业不仅能够在一定程度上减少农业生产对化学杀虫剂、除草剂、杀菌剂、植物生长调节剂及化肥的需求，还能够满足消费者对农产品安全、美味和健康的要求。值得一提的是，氢农业必须与现有已经优化的栽培措施及良种繁育相结合才能发挥合理的功效。基于时代的进步、社会需求和疾病谱的变化，大健康这一理念应运而生。大健康涵盖了身体、心理、社会、环境和道德等各个方面的健康，其中，身体健康是大健康最基本的诉求。农业生产为国民经济其他部门提供的粮食、副食品和工业原料也是人类生存和发展的基础，直接关系到人们的身体健康和生活质量。因此，人类大健康离不开健康农业的发展。同时，农产品也是重要的贸易物资，属于国家经济发展的命脉。早在2015年，时任农业部副部长张桃林就已明确指出，农业已超过工业成为中国最大的面源污染产业，其污染状况不容乐观。这一现象一方面源于工矿业和城乡生活污染向农业领域的转移排放，导致农产品产地环境质量的下降；另一方面则是因为化肥和农药长期不合理且过量使用，以及畜禽粪便、农作物秸秆和农田残膜等农业废弃物处置不当，致使农业面源污染日益严重。值得注意的是，化肥和农药的过度使用不仅会降低耕地质量，还可能会导致农作物产量和农产品品质的下降，尤其会影响农产品特有的风味成分。与传统农业相比，包括氢农业在内的新农业是一种高投入、高产出的农业形态。因此发展基于氢气的新农业是解决上述问题的重要方向之一。值得注意的是，在农林牧副渔相关生物体内均可检测到氢气的产生和释放，这也是氢农业科学性的重要生物学基础。而且，氢农业的理论发展还涉及并依赖于作物栽培、资源环境、食品与营养学等学科的进步，其不仅可以为公众提供优质的农产品，同时还具有可持续发展的特点。因此，氢农业是人类大健康的重要保障。
2007年，日本科学家太田成男报道了外源氢气可以有效缓解大鼠缺血再灌注导致的氧化损伤，并认为相关机制与氢气选择性地清除羟基自由基有关（图2）。此后，与氢医学和氢农学相关的研究大量增加，并逐步形成了一门以研究氢气生物学效应和相关分子机理为主的学科——氢气生物学。氢农业是氢气生物学中的一个重要分支。通过查询中国知网和Web of Science两个数据库，对氢农学相关的中英文文献进行初步检索和总结，力求更直观地了解氢农学的研究现状及未来的发展趋势。首先，分别以“氢气”“富氢水”“hydrogen”和“hydrogen rich water”为检索词，研究方向或者学科选择生物学、植物学、食品学、畜牧学、农学、园艺学和土壤学，检索时间截至2024年2月27日，在排除非相关文献之后共计检索到192篇文献，包含145篇英文文献和47篇中文文献。2012年后，以中国科学家为代表的诸多科研团队开展了氢农业理论研究和实践探索，尝试多方面和多角度地挖掘氢气在农业领域中应用的潜力。目前理论研究已经发现，氢气不仅可以提高动植物和微生物对各种胁迫的耐受性（尤其是非生物胁迫），还能调节农作物的生长发育，促进植物不定根和侧根的发生，改善采后品质，延长果蔬、谷物货架期和鲜切花的瓶插寿命，促进中药活性成分的积累等。相关机制包括调控活性氧/活性氮代谢、激素信号转导、蛋白质共价修饰（脱磷酸化）和基因表达的重编程等（图3）。但是生物体内氢气的产生来源以及直接靶点等还有待后续进一步的研究。总体而言，氢气生物学的研究热点是氢医学领域，有关氢农学的研究还相对比较滞后。![]()
图3 氢农业的实践和理论
Fig. 3 Practice and theory of hydrogen-based agriculture氢气（主要以钢瓶供氢/电解制氢，并制备富氢水或直接由储氢材料提供）的应用可以贯穿农业生产中育苗、生长、发育、收获和贮藏的整个过程。目前，已经完成和正在开展的氢农业实践主要包括延长农产品（草莓、韭菜、番茄、荔枝、猕猴桃、荸荠、黄花菜、大米、鸡蛋、干虾仁和奶酪，以及月季、百合、康莱馨切花等）的保鲜期/贮藏期和多年多点的农作物（水稻、小青菜、草莓、大豆和番茄等）增产提质大田试验（图4和图5）。![]()
图4 氢气在园艺作物和粮食作物生产/保鲜中的应用
Fig. 4 Application of hydrogen in horticultural and cereal crop production/preservation![]()
图5 基于氢水灌溉的多年多点水稻大田试验
Fig. 5 Large-scale field trials based on hydrogen-rich water irrigation over years in multiple locations大田试验的结果发现，富氢水灌溉可以显著促进小青菜和草莓的生长，提高水稻等粮食作物的产量（图5）。最新研究发现，氢气还可通过降低植物根系硝酸还原酶（NR，参与植物氮同化过程的重要蛋白质）的磷酸化水平来提高其活性及氮吸收效率，最终增加种子大小。由此可见，氢农业的增产效应可能与氢气能提高农作物吸收养分的和利用率有关，当然也不排除氢气通过促进根际促生菌的富集，提高与微生物固碳和固氮相关基因的表达丰度等方式促进农作物生长发育的可能。上述结果提示，氢气在一定程度上具有替代肥料的潜力，因此发展氢农业也响应了国家提出的“药肥双减”政策，有助于乡村振兴战略计划的具体实施。农药和化肥的过度使用对环境、健康和食品安全构成严重威胁，而氢气具有减轻食品安全风险的潜力。农药残留是食品安全的一大威胁。研究发现，氢气在不降低百菌清抗真菌效果情况下，可增强番茄幼苗叶片对农药的降解代谢；进一步的药理学和遗传学证据证实了氢气诱导的油菜素内酯在上述效应中发挥重要作用。另外，氢气还可以提高水稻对条纹叶枯病的抗性。长期过量施用化肥和农药也会导致重金属在农作物中的积累，并进一步通过食物链威胁人类健康。研究表明，氢气可以减少苜蓿、白菜、油菜和黄瓜等植物幼苗，以及稻谷中镉的积累。随着生活水平的提高，消费者越来越关注农产品的品质。氢气可以调控次生代谢物的合成和代谢，从而改善农产品的品质。苯丙烷类（花青素、类黄酮和酚类等）代谢是植物最重要的次生代谢途径之一，可以调节植物发育以及与环境的相互作用，提高农产品质量。研究表明，氢气可以增加紫外线长波（UV-A）和中波（UV-B）辐射下植物中花青素和类黄酮的积累，增强药用植物五指毛桃根中柚皮苷、紫杉醇和橙皮苷等苯丙烷类活性成分的积累。氢气还可以提高草莓风味，特别是缓解肥料对草莓果实香气的负面影响。此外，富氢水还提高水稻中镁和铁等元素的含量，改善了农产品的贮藏品质，如富氢水浇灌可以显著延长水稻、草莓、黄花菜、鲜切花等农产品的货架期。研究土壤微生物的研究人员通常使用气体注入法提供氢气，即在种植前反复向土壤中通入较高浓度的氢气气体。该方法操作复杂，不适宜大规模的田间试验使用。不过，氢气气调在食品加工和保鲜领域仍有一定的应用前景。目前主要给氢方式是富氢水，即通过将氢气瓶中的氢气、电解水产生的氢气通入水中，或使用储氢材料与水混合制备的氢水来供给氢气。在常温常压条件下，氢气在水中的饱和浓度约为1.6 mg/L，即体积分数0.000 16%。在所有可能的农业应用场景中，其挥发至空气中的氢气积累量，远低于其在空气中的爆炸极限（体积分数4%），因此正常操作条件下是非常安全的。在农业生产中，富氢水易于与已有的灌溉系统或水肥一体化系统耦合，使得操作更加方便、安全和有效。另外，在农产品贮藏时也可以通过富氢水浸泡的处理方式来延长其保鲜期。普通氢水机制备的富氢水中溶解氢气浓度较低（0.3~0.6 mg/L），且停留时间短（<3~6 h）。随着纳米气泡技术的成熟，现在的氢水机多配备纳米曝气装置，制备的氢纳米气泡水中氢气浓度可达1.0 mg/L以上，停留时间延长至12 h以上。研究发现，与普通富氢水相比，氢纳米气泡水延长康乃馨切花瓶插期效果更好。另外，工业固态储氢技术的发展为氢气在农业中的应用提供了新的方式。例如，氢化镁（MgH2）是一种在氢燃料电池和固态加氢站等方面有着较为广泛应用的释氢材料，其可以作为释放氢气的供体来调控植物干旱及渗透耐性。氢化镁的柠檬酸盐缓冲液还可以显著延长康乃馨切花的瓶插期，且效果好于普通富氢水。另一种固态储氢材料氨硼烷（NH3·BH3）（Ammonia Borane, AB）可以增强油菜幼苗对干旱、盐和镉胁迫的耐性。负载氨硼烷的中空介孔二氧化硅纳米颗粒（AB@hMSN）是一种新型纳米释氢材料，能诱导植物幼苗的侧根发生。不过该材料合成复杂、成本高，这些限制了其在农业上应用的可能性。尤其要指出的是，虽然固态储氢材料使用方便，除了考虑经济成本，还应该注意其产氢副产物对环境的长期潜在影响。值得注意的是，氢气效应可能因植物的种类、遗传背景和原始生境而异，不同植物种类对氢气的敏感性也存在一定的差异。氢农业中使用的富氢水浓度不是越高越好。因此，在未来的农业应用中，考虑氢气的最佳剂量是非常重要的，应避免过量氢气导致的负面效应。
在氢农业的实施过程中，氢气（以富氢水或气体形式提供）可以作为绿色、无毒、无害的新型植物生长调节剂，促进植物的生长发育，增强植物对干旱、盐害、农药和重金属及病虫害等不利因素的抗/耐性，提高农作物的产量与农产品的品质。这些发现为“药肥双减”提供了新的思路。类似的结果可能也适用于畜牧和水产领域。例如，在水中通入氢气可以辅助防治水产养殖动物的疾病，提高其免疫力；用富氢水喂饲牛、羊、猪等，也可以改善其肠道微生物菌群，从而提高肉奶质量。需要指出的是，在今后的氢农业实施过程中，氢气在农业领域乃至大健康领域的应用仍面临一些关键技术挑战。首先，给氢方式还需要进一步优化，如果操作不规范，也不排除氢气的产生、储存和运输过程发生的安全风险。其次，适用于大规模农业生产的氢气/水发生（混合）器和直接适用于农业生产的储氢材料的开发尚有进一步提升的空间，包括价格、安全性、便捷性、功能性和可靠性等诸多问题，尤其要进一步关注适用于岛礁、陆地边疆和空间站等应用场景的特种氢农业设备。此外，应进一步研究和探讨针对不同作物或品种供给氢气的浓度及投入产出比等问题，同时与以粮食作物和中药材为核心的种植业及养殖业相匹配的氢农业标准还有待建立和完善。最后，氢气在动物、植物和微生物代谢和胁迫应激过程中发挥生物学功能的最根本机制还有待阐明，相关的多年多点大田试验还需要进一步开展。当然，受限于对氢农业的认识水平，尚需进一步加强与生物学、材料科学、环境科学、机械制造学科等有关的氢农业人才培养和储备，这也是目前氢农业发展面临的瓶颈。为了解决上述挑战，需要加强多学科的合作研究，通过跨领域的知识整合，推动氢气在农业中的应用与进步。同时，氢农业的推广离不开人才的培养，各高等院校和科研机构应设立专门的氢农业专业，加强相关课程建设，培养具备多学科知识背景的人才，以促进这一新兴领域的可持续发展。当前，从世界范围内看，无论是理论基础还是应用实践方面，氢农业都处于初级发展阶段，还有不少问题亟待解决。因此，结合中国的农业生产现状，建议从立足当下和着眼未来两方面考虑，梳理发展思路，以实现跨越式发展。一是要立足当下，以农业生产实践的实际需求为牵引，通过构建相关的氢农业标准，进一步提高氢农业实践水平。尽管氢农业相关的理论研究和生产实践正在慢慢展开，由于氢农业是较新的农业概念，缺乏较为完善的可参照执行的氢农业标准制度，很多实践和尝试具有一定的盲目性和低效性，在相应的材料、设备开发和检验过程中也存在一些不符合农业生产实践规律且不契合农业生产场景的材料、设备和实施方案。这些问题除了会让产业界对氢农业这一新兴农业技术的认识和信心产生负面影响外，还可能使参与氢农业实践尝试的农业生产者和参与者承担不必要的风险。因此，政府可以综合已有的氢农业理论知识、实践案例及相应的技术储备，通过牵头构建氢农业技术标准制度，做好行业顶层设计。同时，积极鼓励各类科研机构、高校和企业合作，共同推动氢农业的标准化建设。通过系统性的研究与开发，不仅能够提升氢农业的整体效率，还能为未来的可持续氢农业发展提供坚实的技术支持和理论基础。二是着眼未来，提高氢农业的理论和认识水平，打破认知瓶颈。目前，从世界范围看，整体上对氢农业的理论认识都还处于较低的水平。结合中国的氢农业发展现状，首先应强调相关理论和支撑技术研究，拓展氢农业相关知识的科普工作，补齐氢农业理论认识的短板。在氢农业的理论发展中，必须注重多学科交叉与融合，借鉴生物学、化学、环境科学和材料科学等领域的最新研究成果，构建更加系统化的氢农业理论框架。其次，实践与理论相结合也是推动氢农业发展的重要途径。应鼓励科研机构与农业生产单位通力合作，通过示范试点基地，开展大规模氢农业技术的应用研究，通过积累实践经验，为理论发展提供坚实基础。然后，加强氢农业相关的政策引导和支持也至关重要。政府应出台相应的扶持政策，鼓励企业和科研机构加大对氢农业研究的投入，促进技术创新和成果转化。当然还应加强国际合作，借鉴国外在氢农业领域的先进经验和技术，推动中国氢农业的国际化发展。最后，公众的认知与接受度也是氢农业发展的关键因素。通过组织讲座、研讨会及科普活动，提高农民和社会大众对氢农业的认识，增强其参与的积极性，形成良好的社会氛围。只有全社会共同参与，才能有效推动氢农业的理论建设与实践应用，从而实现可持续发展。氢农业和以其为基础的大健康产业是一个新的发展领域，未来主要依赖于医学、农学、化学、营养学、材料学、能源与动力工程和装备制造业等多学科、多行业的交叉融合发展。在具体实践过程中，还需要诸多行业的协同推动，以期开展大规模的试验、推广和示范工作，并尝试为参与农业开发与生产过程中的不同从业人员创造合理的经济价值。同时，可以进一步整合以氢能源和氢气生物学为基础的可再生能源、氢能源机械及设备制造、动植物生产、农产品采后贮藏与保鲜、农产品深加工和运输等相关产业，充分借鉴氢能源等先进制造业经验，建立从农场到餐桌的更为完整的氢农业产业链。通过整合上述诸多学科的优势，通过持续深化产学研融合，不断以氢农学为农业生产赋能，才能充分确保氢农业理论和实践双领先，更好地发挥和挖掘氢农业在大健康产业中的潜力和动能。《前瞻科技》是由中国科学技术协会主管，科技导报社主办、出版的科技智库型自然科学综合类学术期刊，于2022年创刊。
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