从等离子体工艺条件到农业施用剂量：冷大气等离子体(CAP)与等离子体活化水(PAW)农业应用的报告标准框架

《Plasma Processes and Polymers》：From Plasma Settings to Agricultural Dose: Toward Reporting Standards for Cold Atmospheric Plasma and Plasma-Activated Water in Agriculture

　　

冷大气等离子体(cold atmospheric plasma, CAP)和等离子体活化水(plasma-activated water, PAW)正越来越多地被用于种子处理、植物引发、灌溉、施肥灌溉、胁迫调控和低残留作物生产的研究。然而，各项研究之间仍难以比较，因为生物靶标所接触的并非笼统的“等离子体”或“PAW”，而是由反应器设计、能量输入、等离子体-液体或等离子体-表面相互作用、活性氧氮物种(reactive oxygen and nitrogen species, RONS)、老化过程以及递送方式所塑造的、由工艺产生的物理和化学状态。本综述将CAP/PAW重新定义为工艺定义的暴露系统，并提出一个包含最低报告清单的“工艺-化学-剂量-生物响应”框架。该框架将直接CAP区分为一种多物理场暴露，而将PAW/等离子体活化液体(plasma-activated liquid, PAL)区分为一种时间依赖的液-化学暴露，同时将工艺条件、递送状态、生物响应、可重复性、放大、质量控制及针对特定声明的农业转化联系起来。

1 引言（Introduction）
本综述指出，冷大气等离子体(CAP)和等离子体活化水(PAW)在农业中的研究日益增多，但领域的主要瓶颈已不再是缺乏生物学响应，而是不同实验室、反应器设计和生物靶标之间结果的可比较性与可重现性差。仅用“CAP处理2 min”或“PAW处理10 min”这类标称参数，无法定义耦合到靶标的实际能量、气相活性物种的密度与寿命、活化液体的理化身份、储存依赖的活性物种衰减，以及单位种子、植株、叶面积、基质或根区体积所接受的活性化学量。为此，本文提出工艺-化学-剂量-生物响应框架，将工艺身份、界面控制的反应状态、递送时的化学与物理共暴露、老化和靶标归一化暴露、以及针对特定声明的生物学比较器整合为一条完整暴露链。

2 综述范围与综合方法（Review Scope and Synthesis Approach）
本文是一篇批判性叙述综述和框架论文，而非系统综述或定量Meta分析。文献基础更新至2026年6月，围绕五个证据块进行检索：低温等离子体基础与等离子体-液体相互作用；PAW/等离子体活化液体(PAL)的理化表征与老化；直接等离子体种子处理及PAW/PAL农业应用；植物氧化还原、一氧化氮与引发生物学；以及植物生物刺激素和农业投入品声明逻辑。综述按转化链组织：等离子体源与操作条件→界面或基质→活性物种与老化→递送剂量→生物界面→应用声明。

3 术语与工艺身份（Terminology and Process Identity）
CAP指在大气压或近大气压下产生的低温非平衡等离子体，常见源包括介质阻挡放电(DBD)、表面DBD、扩散共面表面阻挡放电、等离子体射流、电晕放电、滑动弧等。“直接CAP处理”应保留用于种子、叶片、根、基质或液体直接暴露于等离子体区或余辉。PAW指经等离子体暴露后理化状态改变的水；PAL则涵盖营养液、水培液、盐水、土壤提取物等更广泛的液体基质。这一区分并非语义问题，因为碳酸盐碱度、溶解离子、有机物和营养盐会显著影响酸化、电导率、氧化剂寿命和生物响应。产品身份也因农业用途而异，不同身份（装置、现场活化工艺、处理过的种子、储存的PAW批次等）需要不同的质量控制要求。过程身份直接影响声明的性质，例如植物生物刺激素功能声明必须与简单养分供应或植保声明区分开。

4 反应器结构与界面条件作为生物决定因素（Reactor Architecture and Interface Conditions As Biological Determinants）
反应器结构是农业CAP/PAW功能的主要决定因素，因为它控制物种形成、能量耦合、气液或气固界面面积、停留时间、传热和暴露均匀性。DBD和表面DBD适合大面积处理，但种子床会引入深度梯度和遮蔽效应。等离子体射流局部可及，但处理面积小，需要扫描或阵列放大。电晕、火花、滑动弧等对液体活化有效，但化学重现性依赖于气液接触和电极构型。相同标称源类型也可产生显著不同的活性氧氮物种(RONS)指纹，气体组成、湿度、氧/氮比例和液体基质决定化学路径。因此，反应器类型不能作为剂量描述符，必须同时报告源结构和界面条件。气液界面应视为活性反应和传输区，而非单纯边界，因为界面反应与对流扩散竞争，决定了瞬态物种向本体的传递和长寿命产物的积累。

5 等离子体-液体化学、PAW身份与老化（Plasma–Liquid Chemistry, PAW Identity and Aging）
PAW是时间依赖的反应性溶液，而非固定成分。等离子体暴露可降低pH、升高氧化还原电位(ORP)和电导率(EC)，产生长寿命物种如H₂O₂、NO₂^?、NO₃^?，以及短寿命自由基。老化是处理的一部分而非实验干扰：NO₂^?可能被消耗或转化，NO₃^?较稳定，H₂O₂稳定性取决于基质和储存条件。因此，新鲜PAW和储存PAW是不同的处理，PAW身份应在应用点而非仅生成后定义。最低身份面板应包括基质基线、pH、EC、ORP、温度、H₂O₂、NO₂^?、NO₃^?及相关O₃，并记录激活时间、处理体积、测量功率、比能量输入、储存时间、温度、光照和容器状态。

6 从电气设置到农业剂量（From Electrical Settings to Agricultural Dose）
剂量仍是农业等离子体方法学中的未解瓶颈。处理时间、施加电压和标称功率是操作描述符，而非生物剂量描述符。本文提出三个相互关联但不等价的分层：过程剂量、化学剂量和生物暴露。液体活化可报告比能量输入(SEI)，种子处理可报告质量归一化能量，物种产率可报告为激活后浓度。但递送化学剂量应在应用时间描述，并考虑老化函数和靶标归一化（如每种子、每植物、每叶面积或每根区体积）。直接CAP与PAW/PAL的递送状态性质不同：PAW/PAL主要是液相化学暴露，可在应用时取样；直接CAP则是多物理场共暴露，包括气相RONS沉积、瞬态电场、带电粒子/电流通量、紫外辐射、局部加热和空间不均匀性，不能仅用液相RONS浓度重建。实施应分层：核心数据集包括可测量的几何、电气和液体化学参数；第二层包括老化曲线、每焦耳物种产量、靶标归一化递送摩尔数、累积暴露和均匀性映射。应明确标注标称功率与实际测量功率的区别，并报告分析不确定性和检出限。

7 等离子体-种子和等离子体-植物界面（Plasma–Seed and Plasma–Plant Interfaces）
直接种子处理最可重复的机制性观察是表面改性：CAP可增加表面能、引入含氧官能团、降低表观接触角、改变种皮微形貌并改善水分吸收，但这类效应并非普遍存在，取决于物种、品种、种子批、含水量、休眠状态和储存条件。CAP和PAW还可通过H₂O₂、一氧化氮衍生物等RONS触发受控氧化还原扰动，这些分子是参与休眠释放、萌发、抗氧化调节、激素串扰和胁迫引发的内源信号。同一种物种的效应依剂量、时机、组织和发育背景而可能有益或有害，因此应视为剂量窗口技术。氮化学带来第二重解释挑战：PAW中的NO₂^?和NO₃^?可能贡献于萌发信号、氮营养或渗透/离子效应，生长促进不能自动归因于植物生物刺激，除非使用硝酸盐、亚硝酸盐、H₂O₂、pH和电导率匹配的对照。微生物效应进一步复杂化：CAP/PAW可减少种传微生物，但抗菌作用不等于生物刺激，且可能改变有益微生物群落。因此，生物学响应应解释为表面改性、氧化还原信号、氮化学和微生物调节的联合效应。

8 跨农业应用模式的证据（Evidence Across Agricultural Application Modes）
农业应用分为四种主要暴露模式：直接CAP种子处理、PAW种子引发或浸泡、PAW灌溉/施肥、叶面PAW应用。直接CAP种子处理相对成熟，但结果高度依赖协议，同一处理在不同品种或种子批中可能中性或抑制。PAW种子引发允许在递送前表征活化液体，阳性响应已有报道，但解释强烈依赖于是否使用化学匹配对照（如H₂O₂、硝酸盐、亚硝酸盐、pH或电导率匹配）。PAW灌溉/施肥和等离子体活化营养液可集成到温室和水培，但对水基质、储存时间、累积剂量和缓冲能力敏感，去离子水PAW的结果不能直接外推到自来水或营养液。叶面PAW研究尚不成熟，受角质层、气孔、液滴保留、蒸发和叶面微生物影响。所有模式均显示剂量、基质、作物和协议依赖性，未来研究需超越单剂量演示。

8.1 放大、过程控制与质量保证（Scale-Up, Process Control and Quality Assurance）
农业转化需要过程能力，而非仅阳性生物学终点。种子处理系统必须实现大种子质量的均匀暴露、低热负荷、避免氧化损伤、保持储存性能，并集成现有清洗、包衣或引发流程。工程指标包括种子通量、每千克种子能量输入、停留时间分布、种子温度、暴露均匀性、微生物减少和货架期。PAW/PAL系统需关注生成能力、能量需求、化学稳定性和水基质变异。现场生成可减少运输和储存漂移，但需要在线或旁线QC；集中生成支持批次QC，但引入老化和物流限制。连续流等离子体-液体反应器有前景，但需表征流量、停留时间分布、每升能量和每单位能量RONS产量。质量控制应与产品身份匹配：储存溶液需规定pH、EC、ORP、H₂O₂、NO₂^?、NO₃^?及储存条件；处理种子