百科：農(nóng)業(yè)之“光”

民以食為天，而所有的動(dòng)植物食物又都是陽(yáng)光的“杰作”。光學(xué)技術(shù)成果對(duì)于推動(dòng)農(nóng)業(yè)技術(shù)進(jìn)步和生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型具有重要的意義。
　　
　　溫室蔬菜——陽(yáng)光制作的“營(yíng)養(yǎng)罐頭”
　　我們的生活離不開(kāi)蔬菜，蔬菜的生長(zhǎng)非常依賴于自然氣候條件，冬春寒冷的季節(jié)在過(guò)去是不適合蔬菜種植的。現(xiàn)在，溫室技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，讓人們一年四季都能吃上新鮮蔬菜。
　　有人說(shuō)，蔬菜是用陽(yáng)光制作的“營(yíng)養(yǎng)罐頭”。這話一點(diǎn)不假，因?yàn)闆](méi)有充足的陽(yáng)光，蔬菜就不能正常地生長(zhǎng)。太陽(yáng)光包括各種波長(zhǎng)的光線，它們?cè)谑卟说纳a(chǎn)中分別具有獨(dú)特的作用。如紫外線具有促進(jìn)蔬菜生長(zhǎng)的作用，蔬菜還可以利用紫外線的照射來(lái)合成維生素，也可以利用紫外線的照射來(lái)促進(jìn)植物對(duì)磷的吸收以及形成各種植物色素;紅光對(duì)蔬菜的光合作用最為有效;藍(lán)色、黃色、綠色光線以及紫外線等則有利于促進(jìn)蔬菜營(yíng)養(yǎng)器官的形成;紅外線是太陽(yáng)光譜中溫度最高的，可以供給蔬菜熱量。
　　在自然氣候條件下，北方的冬天不適于露天種植蔬菜，因?yàn)闅鉁氐?，光照也?yán)重不足。為了解決冬春季節(jié)不能種植蔬菜的問(wèn)題，我國(guó)古人在很早以前就發(fā)明了溫室技術(shù)，有文字記載的最早的溫室栽培出現(xiàn)于秦朝。秦始皇統(tǒng)一六國(guó)后，就曾下令在京城長(zhǎng)安附近的驪山（今西安臨潼）坑谷中用溫泉水種瓜。“酒幔高樓一百家，宮前楊柳寺前花。內(nèi)園分得溫湯水，二月中旬已進(jìn)瓜?！边@首《宮前早春》便是唐代詩(shī)人王建在描述溫室種植瓜菜時(shí)寫(xiě)下的。不過(guò)，那時(shí)的溫室是用紙窗做成的，因此也叫“紙窗溫室”?！皽販敝傅恼菧厝@是地?zé)豳Y源應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的典型案例，也是我國(guó)保護(hù)地栽培的萌芽。
　　現(xiàn)代塑料工業(yè)發(fā)展起來(lái)后，科技工作者開(kāi)發(fā)了塑料溫室這種創(chuàng)新的農(nóng)業(yè)設(shè)施，成功破解了冬季光照不足的難題，通過(guò)人工控制光線等綜合措施，實(shí)現(xiàn)了塑料溫室內(nèi)四季常青的目標(biāo)。塑料溫室就是利用太陽(yáng)光能在相對(duì)獨(dú)立封閉的環(huán)境中產(chǎn)生的溫室效應(yīng)，來(lái)進(jìn)行蔬菜生產(chǎn)或其他活動(dòng)的專用設(shè)施。塑料大棚具有明顯的增溫效果，這一點(diǎn)是非常關(guān)鍵的。在塑料大棚中全年自然條件下能增加30%以上的有效積溫，這些能量的獲得和溫室大棚的特殊結(jié)構(gòu)有關(guān)。透明的塑料膜可以透過(guò)盡可能多的太陽(yáng)光輻射，以提高內(nèi)部土壤和空氣的溫度，滿足作物的光合作用和對(duì)溫度的需求;塑料膜的另一個(gè)功效就是保溫，即阻斷棚內(nèi)空氣與外界空氣的直接對(duì)流，以減少熱量與外界空氣的交換。
　　誘變育種——光輻射可以大有作為
　　選育優(yōu)良品種是提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的一個(gè)重要措施，但優(yōu)良品種的培育是一個(gè)艱難的過(guò)程。人工誘變育種是改造生物性狀的重要途徑，在農(nóng)業(yè)優(yōu)良品種選育方面占有舉足輕重的地位。誘變育種是利用物理、化學(xué)因子，促使育種的原始材料的遺傳物質(zhì)發(fā)生變異，從而篩選出優(yōu)良品種的一種育種方法。
　　我們知道，農(nóng)作物在自然條件下生長(zhǎng)發(fā)育的過(guò)程中，由于受到各種自然條件的影響，它們的遺傳物質(zhì)也會(huì)發(fā)生某些變異。只是這種影響的強(qiáng)度比較緩和，導(dǎo)致的自然突變的頻率也比較低，因此發(fā)生的變異往往難以滿足育種的需要?，F(xiàn)代意義上的人工育種，則往往需要大幅度提高突變的頻率和強(qiáng)度，從而加快育種的進(jìn)程和效率。
　　誘變育種的核心是利用各種誘變劑來(lái)提高作物的突變率，包括物理誘變和化學(xué)誘變兩種類型。物理誘變是用各種射線照射植物，從而使植物發(fā)生基因突變，這些射線包括X射線、β射線、γ射線、微波、紫外線、激光等。在農(nóng)業(yè)上，科學(xué)家運(yùn)用這種育種方法培育了許多優(yōu)良的農(nóng)作物品種。例如，黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)院利用輻射方法處理大豆，培育成功了“黑農(nóng)五號(hào)”等大豆品種，使含油量提高了2.5%，產(chǎn)量提高了16%。
　　誘變育種可以擴(kuò)大植物的變異范圍，大幅度提高植物的變異度。自然突變率一般在十萬(wàn)分之幾到百萬(wàn)分之幾，而誘變育種的突變率可以提高1000～10000倍。科學(xué)家曾用γ射線處理蓖麻，獲得的特大變異株系大大縮短了生育周期，生育期由270天縮短到了120天。對(duì)于一個(gè)具有多種優(yōu)良性狀而只希望改進(jìn)某一兩個(gè)性狀的品種來(lái)說(shuō)，采用誘變育種或許是最為有效的方法。比如把燕麥的抗銹病特性和對(duì)葉枯病易感性分離開(kāi)來(lái)，培育出了既抗銹病又不易感染葉枯病的新品種。
　　誘變育種可以加速農(nóng)作物品種的選育過(guò)程。對(duì)于一年只能生長(zhǎng)一季的農(nóng)作物來(lái)說(shuō)，可以把育種時(shí)間縮短為2～4年。誘變育種對(duì)原材料的處理部位和方法可以是多種多樣的，可以只對(duì)種子進(jìn)行照射，也可以對(duì)營(yíng)養(yǎng)器官、花粉、子房等多種部位進(jìn)行照射，一般以對(duì)種子處理最為常見(jiàn)。作為誘變劑的各種射線往往具有很高的能量和穿透力，在照射種子時(shí)可以使種子細(xì)胞內(nèi)的染色體發(fā)生斷裂，從而使它們的位置、結(jié)構(gòu)和基因分子發(fā)生變化。同時(shí)，這些射線還可以引起與細(xì)胞質(zhì)有關(guān)的遺傳性核外變異。經(jīng)過(guò)輻射育種產(chǎn)生的基因突變，不僅能夠提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，而且能夠提高農(nóng)作物的品質(zhì)和抗逆性。
　　光學(xué)防蟲(chóng)——無(wú)公害農(nóng)業(yè)的“除蟲(chóng)術(shù)”
　　
　　化學(xué)防治病蟲(chóng)害的成效雖然極其顯著，但因此造成的農(nóng)藥殘留卻嚴(yán)重威脅到了人們的飲食安全。人們長(zhǎng)期食用農(nóng)藥殘留超標(biāo)的農(nóng)副產(chǎn)品，往往會(huì)引起人和動(dòng)物的慢性中毒，甚至影響到下一代的健康。保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，首要的是要在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)不用或少用化學(xué)農(nóng)藥，繼而推廣生物保護(hù)技術(shù)，即采用農(nóng)業(yè)防治、生物防治、物理防治相結(jié)合的綜合防治技術(shù)。
　　推廣物理殺蟲(chóng)技術(shù)，對(duì)于防止農(nóng)藥殘留和污染具有重要的意義。其中，燈光誘蟲(chóng)是成本最低、用工最少、效果最好、副作用最小的物理防治方法。從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，我國(guó)就開(kāi)始用黑光燈（紫外燈）誘殺大豆、高粱、谷子等農(nóng)作物的害蟲(chóng)。后來(lái)，燈光誘蟲(chóng)的光源進(jìn)一步拓展為白熾燈、普通熒光燈、高壓汞燈、雙波燈、頻振燈等。燈光誘蟲(chóng)技術(shù)就是利用生物的趨光性誘集并消滅害蟲(chóng)的一種方法。原來(lái)，昆蟲(chóng)對(duì)某種頻段的光具有特別的“喜好”，因此科學(xué)家就利用昆蟲(chóng)的這一習(xí)性對(duì)其進(jìn)行撲殺。不同種類的昆蟲(chóng)對(duì)不同波段光譜的敏感性不同，如黃光對(duì)蚜蟲(chóng)具有較強(qiáng)的誘集力，紫外光對(duì)數(shù)百種害蟲(chóng)有較強(qiáng)的誘集力。在長(zhǎng)波紫外光和可見(jiàn)光的光譜范圍內(nèi)，光譜范圍越寬，誘蟲(chóng)種類越多?？茖W(xué)家通常把波長(zhǎng)320納米～680納米的覆蓋長(zhǎng)波紫外光和可見(jiàn)光的光譜范圍的光源稱為寬譜誘蟲(chóng)光源。寬譜誘蟲(chóng)光源對(duì)于鱗翅目類各種成蟲(chóng)都具有特效，如菜蛾、棉鈴蟲(chóng)、地老虎、食心蟲(chóng)、蒂蛀蟲(chóng)、吸果葉蛾、美國(guó)白蛾等。
　　進(jìn)一步的研究證明，昆蟲(chóng)的主要受光器是它的復(fù)眼，這種復(fù)眼受到光的刺激后就會(huì)產(chǎn)生一定的電壓信號(hào)?？茖W(xué)家通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)特定的光源對(duì)害蟲(chóng)的復(fù)眼具有很高的有效性，并據(jù)此制造成功了一種新型光源裝置。這種由4000個(gè)二極管（LED）組成的光源裝置功率只有180瓦特，并且可以用太陽(yáng)能蓄電池進(jìn)行供電，不僅具有很好的滅蟲(chóng)效果，而且具有很高的能源利用效率。大田實(shí)驗(yàn)證明，在安裝了這種新型光源裝置的卷心菜種植區(qū)內(nèi)，卷心菜的受害率僅為1/7;而在未安裝這種新型光源裝置的卷心菜種植區(qū)內(nèi)，幾乎100%的卷心菜都受到了害蟲(chóng)的侵害?？磥?lái)，光學(xué)防蟲(chóng)的優(yōu)勢(shì)是十分明顯的。
　　植物生長(zhǎng)燈——生態(tài)友好型“光學(xué)肥料”
　　陽(yáng)光是地球上一切生命的能量來(lái)源，也是一切作物賴以生存的最重要的環(huán)境因素之一。陽(yáng)光對(duì)生物的意義，主要是通過(guò)光合作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。研究認(rèn)為，特定波段的光對(duì)促進(jìn)植物的生長(zhǎng)等具有重要的意義。因此，根據(jù)某些植物對(duì)光的特殊需求開(kāi)發(fā)出來(lái)的“光學(xué)肥料”就應(yīng)運(yùn)而生了。
　　說(shuō)是“光學(xué)肥料”，其實(shí)就是特殊的植物生長(zhǎng)燈。植物對(duì)光的喜好是有選擇性的，只有特殊波段的光才能促進(jìn)植物的生長(zhǎng)。我們知道，光合作用的主體為葉綠素，葉綠素需要吸收太陽(yáng)光中的某些波段的光來(lái)進(jìn)行反應(yīng)。研究認(rèn)為，葉綠素吸收的主要是藍(lán)光和紅光。實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)增加對(duì)植物的藍(lán)光或紅光的照射程度，可以使作物的根系發(fā)達(dá)，莖葉茂盛，從而提高產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)。所以，有人就把藍(lán)光和紅光稱為“光肥”，這是一類環(huán)保型的“物理肥料”。
　　用藍(lán)紫光照射植物可使葉綠體的運(yùn)動(dòng)活躍，用紅橙光照射植物則可以增強(qiáng)葉綠素的光合能力。而用綠色光照射植物，則會(huì)被葉綠體反射和透射，從而抑制植物的光合作用。所以，用人工方法模擬對(duì)植物有促進(jìn)作用的最佳光譜，不僅可以提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)，而且也豐富了生態(tài)農(nóng)業(yè)的內(nèi)涵。
　　科研人員在用農(nóng)用鈉燈為草莓施“光肥”過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，鈉燈照射可延長(zhǎng)大棚草莓的光合作用時(shí)間，縮短生長(zhǎng)周期10～20天，產(chǎn)量提高30%左右。同時(shí)還提高了草莓的甜度，也改善了草莓的色澤?？茖W(xué)家用紅光定期照射生長(zhǎng)中的西紅柿和黃瓜，使得它們的成熟期提前了一個(gè)月;同時(shí)還用黃光照射了大豆植物，使得大豆的成熟期提前了20天，蛋白質(zhì)的含量也提高了2.3%。
　　多年來(lái)，用作“光肥”的光源主要有高壓鈉燈、螢光燈、金屬鹵素?zé)?、白熾燈等，由于這些光源能耗比較大，自然費(fèi)用就比較高。改進(jìn)“光肥”的光源，對(duì)于提高其發(fā)光效率，最大限度地降低使用成本具有重要意義。把LED應(yīng)用于植物照明領(lǐng)域，打造綠色高效“光肥”，無(wú)疑是一項(xiàng)生態(tài)農(nóng)業(yè)新舉措。