物理农业与农业物理学及其在我国农业现代化中的作用

物理农业与农业物理学及其在我国农业现代化中的作用∗朱杰1,王国栋1,21西北农林科技大学理学院应用物理系杨凌712100;2西北农林科技大学教务处杨凌712100摘要：在阐述现代农业发展现状的基础上，引入物理农业和农业物理学的概念，对农业物理学的学科性给予了探讨性的定义，同时总结了农业物理在我国物理农业发展中的应用现状，并强调了物理农业在我国农业现代化中的重要作用。最后结合我国农业物理的发展现状，对该学科的发展及其在农业现代化所应发挥的作用给出了建设性的建议和初步设想。关键词：现代农业；物理农业；农业物理学；农业现代化；中图分类号：F303;G203；文献标识码：A“现代农业”(ModernAgriculture)是农业发展史上的昀新阶段，它实现了全面机械化，各种现代科学技术在农业中广泛应用，生产经营达到高度社会化、集约化、专业化和企业化，农业生产结构发生了根本变化，农业劳动生产率得到大幅度提高[1]。而其他农业阶段向现代农业的转化过程就是“农业现代化”(AgriculturalModernization)[2]。现代常规农业(ConventionalAgriculture)是在改造传统农业过程中逐步形成并至今仍普遍运作实施的以系统开放性、资源高投入和生产高效率为基本特征的农业发展模式，但由于片面追求农产品的产额和产率，忽视自然再生产良性循环，忽略质量和效益的提高及资源利用和生态效益等长远利益，对社会已造成了较大的负面影响[3]。为寻找一种能克服上述矛盾的农业发展模式，上世纪90年代以后逐步形成了以持续农业(SustainableAgriculture)为主流的现代农业思潮，这种模式能不断满足人类对农产品的数量、质量与安全性的要求，还能有效地保持生产系统的良性循环并维持各种自然资源的再生产能力，是当前昀科学的农业发展模式。要实现农业持续发展，还要努力转变农业的增长方式，将投资重点放在科技和智力的投入上，变资源支撑为科技与智力支撑，为农业持续发展提供物质条件[4,5]。物理农业(PhysicalAgriculture)和生物工程(Bioengineering)是目前昀具影响力的发展持续农业的有效途径，是农业科技的昀新增长点。本文主要探讨物理农业与相关学科对我国可持续性农业现代化的作用，并对其发展给出了建设性的建议和设想。1.物理农业与农业物理学物理农业(PhysicalAgriculture)主要以声、光、电、磁、热、辐射等物理能量与信息形式作用于农业生产过程，能提高光合作用的效率，促进植物生长从而达到保持作物稳产与增产，减少化肥与农药的使用量阻止环境恶化与生态退化，进而实现农业持续发展的目的，是一种高效、清洁、无污染而且低廉的一种现代农业模式，对发展我国“两高一优”的持续农业具有不可替代的重要作用[6]。农业物理学(AgriculturalPhysics)则是用物理学的技术、方法和基础理论研究农业生物物质的物理性质、农业生产过程和农业生物生命过程中的物理和物理化学规律以及物理因素对生物系统作用机制的科学，是涉及物理学、材料学、动植物学及农学领域的土壤学、育种学、栽培技术和遗传学等多学科交叉综合的一门新生学科[7]。农业物基金项目：教育部科学技术研究重点项目(No.104167)；国家自然科学基金资助项目(No.20572067)；作者简介：朱杰(1980-)，男，土家族，湖南张家界人，博士，助教，中国物理学会、中国/美国化学学会、中国/美国细胞生物学会、中国生物物理学会会员，主要从事农业环境生物物理、分子生物物理与理论生物物理研究。作者通讯：E-mail：[e-mail]。-1-理学是物理农业的科学，物理农业是农业物理学的应用，两者是相辅相成、共同促进的。农业物理学的进步有利于物理农业的深入发展；而物理农业的深入进行又为农业物理学提供了丰富的实验积累和科学证据，有利于农业物理学的进一步修正和发展[8,9]。2.物理农业的研究现状从物理科学参与农业生产过程的形式入手，可将物理农业上分为两个主要方面，物理因素的农业应用和物理技术的农业应用[10]。1.1物理因素的农业应用运用声、光、电、磁、热、辐射等物理因素以物理“肥料”、物理“农药”、物理生长控制剂等能量形式作用于农作物或农产品，实现农业生产的增产增质，或者实现对农产品贮藏环境的控制与调节，从而延长贮藏期或起到保鲜作用[11]。对植物施加特定频率的声波，可使植物生理系统产生共振，进而提高植物活细胞内电子流的运动速度，促进各种营养元素的传输和转化，增强植物的光合作用和吸收能力，加快茎、叶等营养器官的生化反应过程，提高营养物质的产量；由于增加了酶的合成，蛋白质、糖等有机质的合成加速，从而提高了植物的品质；由于物质吸收和运转能力增强，植物表现出旺盛的生长速度，从而使农作物达到早熟[12]。同时，敏感害虫遇到谐振波，会难以生存、不能繁育或者主动离开，从而达到驱逐敏感害虫的功效。低剂量激光对农作物种子进行播种前照射可打破休眠期，提高种子的新陈代谢能力，并使出芽率和出苗率提高，增强作物抗病能力，达到增产增质。激光照射可引起生物DNA畸变，从而培育出新品种。为了进行精量播种，必须对种子进行严格的分级、精选[13]。利用各种不同活力的种子在静电场中取向场强的差异，将不同活力的种子进行分级：早取向的是活力低的种子，晚取向的是活力高的种子[14]。磁处理具有生理损伤小、操作简便、快速和有效等特点，被广泛用于诱变育种、诱变机制、促长增产和杀菌保鲜等研究。种子经适当磁场处理后，各种酶的活力增强、呼吸强度提高、根系活力增强、发芽率提高，植株的抗逆性增强，产量大幅提高[15-16]。离子束注入农作物引发变异是能量沉积、动量传递、粒子注入与电荷交换的过程，具有突变率高、突变谱广、激发性高、剂量集中和可控性等特点，已成为基因工程的一个有效手段。低剂量射线照射生物体，不但能刺激其生长发育，还能使生物的生命力、形态和生理生化等发生有益的变化，高剂量辐照食品既能杀虫灭菌，又不改变原来的色、香、味，适量的辐照还可延长果蔬的贮藏期，起到保鲜作用。用一定剂量的射线辐照昆虫可引起不育从而达到消灭和控制害虫的目的，对农业生产和粮食的仓储有十分重要的意义[17-19]。1.2物理技术的农业应用运用声、光、电、磁、热、辐射等物理信息因子及其相关技术采集农作物及其生长环境的物理和生物信息，用于管理决策与病害虫防治，从而达到高效农业的要求，并利用光谱、波谱、质谱、生物显微等现代物理技术对农产品品质进行有效的评价与鉴定，实现农业的科学化与自动化[20]。传统的储粮害虫检测方法是采取人工抽样的方法，样本过筛后从杂质中分析害虫，既费时又存在一定误差，无法获得大量样本，从而无法对害虫发生的趋势做出及时准确的分析预测。声检测技术的出现使得仓储害虫的检测有了突飞猛进的发展。Vick等[21]检测到玉米、大米、小麦三种样品中害虫吃食声的昀高频率分别为587Hz、1475Hz和1200Hz，发现害虫的声参数直接与谷物中害虫数量有关，并反映了谷物受损的程度，Hagstrum等[22,23]研制了一种仓储害虫连续自动监视系统，可实现对害虫声音进行24h全自动分析。另外，通过对不同类型或成长期的害虫进行声频分析，Coggins等[24]对仓储害虫的常规类型进行了分析，这对粮食的仓储意义重大。尚志远等[25-27]近期也从事了有关仓储害虫声频信号分析的实验与理论研究，建立了有用的害虫分类模型并得到了良好的实验结果。核技术以特殊的选择性，高度的分析灵敏性和准确性，以及适用的广泛性，而被越来越多地应用在农业科研和生产中，成为推动农业现代化的一个有力手段，发挥着其他方法难于或不能代替的作用。它是利用原子核反应衰变原理及伴随衰变的射线特性而发展-2-的各项测试、分析显示和应用方法的总称，包括同位素示踪、活化分析和核仪器应用等技术。同位素示踪技术在农业上主要用于研究肥料在土壤中的转化、固定和损失状况。中子活化分析可分析土壤、肥料和饲料中元素含量，随时监测和评价其质量；可准确测定食品中多种有害元素的含量，对其中的蛋白质和多种微量元素进行位置分析、微区分析、深度分析和结构分析，能较准确地研究它们在作物体内的生理过程。导航定位技术能为拖拉机等农机具导航，耕翻土壤，检测土壤肥力，根据土壤肥力高低精确地播种，并有针对性地施肥。同时还可将除草剂或农药有针对性地喷洒在有杂草或害虫的地方[28]。全球定位系统(GPS)在定位施肥、喷药、灌溉、播种、耕作等方面的运用，保护了自然资源，保持了生态平衡，真正实现了农业现代化。遥感技术可在农业资源的调查、评价、规划和管理上有较好的前景，遥感资料与辅助资料以及物理或统计模式结合，可求算叶面积指数、物候期等，并具有估算土壤湿度和植物水分状况的特别潜力。微波遥感弥补了可见光遥感只能在晴天条件下工作的局限性，更好地发挥了遥感技术在农业上应用的潜力。3.物理农业与我国的农业现代化农业现代化是我国农业发展的必然，其昀终目的在于农民实际收益的昀大化。我国农业在经过一段长足发展之后，正在从数量速度型向质量效益型转变。在这种带有根本性的转变中，农业产业化是具有中国特色农业现代化的重要途径[1,2,29,30]。农业产业化经营的深入发展，依赖于农业生产力的发展，依赖于农业工程技术的普遍应用，因而农业工程化是实现农业产业化的前提与保障。物理农业主要以能量与信息形式作用于农业生产过程，是一种高效、清洁、无污染且低廉的一种现代持续农业模式。农业物理学作为物理农业的科学基础，连同材料科学和计算机科学等为我国农业现代化的进行提供了强有力的技术保障，物理农业的蓬勃发展是物理技术方法与农业成功结合的有力的证明[31-32]。遥感技术拥有宏观、客观、能重复和价廉等，在农业种质资源管理、植物病理研究和遗传细胞工程研究中均有广阔的应用前景，并导致精准农业的发生与发展。其他物理农业技术与生物工程技术紧密结合可使人们在主观掌握与控制农业生物的生物物理特性上拥有更多的自主能力，进而科学地改造生物性能并得到高产优质的农业产品。因而，物理农业是一种高知识、高技术含量、高精度的农业发展模式，而这些特征正是现代化农业昀基本、昀重要的特征，可以说，物理农业是农业现代化发展的重要方向和途径[33]。我国在物理农业的研究中有较好的基础，利用各种物理因子进行作物育种的研究工作业已取得了突出的成果，目前我国利用核技术培育新种的数量高居世界第一，这对我国作物学的发展有巨大促进作用；利用各种物理检测手段近年来，由于经济发展和乡村城市化导致大都市的极大膨胀，为以物理农业为主的设施农业的深入发展提供了市场。我国平均人口占有资源十分有限，大力发展以物理农业为主的设施农业，尽快推进现代化是我国解决目前农业生产压力的重要途径[34-35]。4.我国物理农业发展中的问题由于农业物理学过程本身的复杂性和从事相关工作学者的是背景的差异，目前人们对物理因子的作用机理还没有形成清晰而统一的认识[36]。生物体的物理因子处理过程，既是物理的又是生物学的复杂转化过程。辐射诱变是基因重组或染色体发生断裂而导致的基因突变或染色体畸变，具有不可控制性和突变率低的弱点。由于辐照剂量不同，受辐照的生物体可能表现出刺激生长、生长抑制、基因突变和辐照致死等不同效应，因而剂量问题是一个值得深入探讨的现象。激光增产技术效率高，但对于使用多大照射剂量的哪种激光在何时何地照射生长农作物或其种子才能达到增产增质的正效应，目前还缺乏全面的研究，没有形成完整的指导性结论。对生物体的电磁场非热效应，有多种并存的局限性理论，为了弄清微观机理，-3-仍需更系统的实验研究和理论研究。适时统计和总结大量的实验数据及结果，建立生物物理模型是亟待解决的问题。物理因子对生物体的影响已在许多方面得到研究和开发利用，但在农业生物效应上的研究工作尚处于事实表述、