农业之“光”

苏更林

民以食为天，而所有的动植物食物又都是阳光的“杰作”。光学技术成果对于推动农业技术进步和生产模式转型具有重要的意义。

温室蔬菜——阳光制作的“营养罐头”

我们的生活离不开蔬菜，蔬菜的生长非常依赖于自然气候条件，冬春寒冷的季节在过去是不适合蔬菜种植的。现在，温室技术已经日趋成熟，让人们一年四季都能吃上新鲜蔬菜。

有人说，蔬菜是用阳光制作的“营养罐头”。这话一点不假，因为没有充足的阳光，蔬菜就不能正常地生长。太阳光包括各种波长的光线，它们在蔬菜的生产中分别具有独特的作用。如紫外线具有促进蔬菜生长的作用，蔬菜还可以利用紫外线的照射来合成维生素，也可以利用紫外线的照射来促进植物对磷的吸收以及形成各种植物色素;红光对蔬菜的光合作用最为有效;蓝色、黄色、绿色光线以及紫外线等则有利于促进蔬菜营养器官的形成;红外线是太阳光谱中温度最高的，可以供给蔬菜热量。

在自然气候条件下，北方的冬天不适于露天种植蔬菜，因为气温低，光照也严重不足。为了解决冬春季节不能种植蔬菜的问题，我国古人在很早以前就发明了温室技术，有文字记载的最早的温室栽培出现于秦朝。秦始皇统一六国后，就曾下令在京城长安附近的骊山（今西安临潼）坑谷中用温泉水种瓜。“酒幔高楼一百家，宫前杨柳寺前花。内园分得温汤水，二月中旬已进瓜。”这首《宫前早春》便是唐代诗人王建在描述温室种植瓜菜时写下的。不过，那时的温室是用纸窗做成的，因此也叫“纸窗温室”。“温汤水”指的正是温泉，这是地热资源应用于农业生产的典型案例，也是我国保护地栽培的萌芽。

现代塑料工业发展起来后，科技工作者开发了塑料温室这种创新的农业设施，成功破解了冬季光照不足的难题，通过人工控制光线等综合措施，实现了塑料温室内四季常青的目标。塑料温室就是利用太阳光能在相对独立封闭的环境中产生的温室效应，来进行蔬菜生产或其他活动的专用设施。塑料大棚具有明显的增温效果，这一点是非常关键的。在塑料大棚中全年自然条件下能增加30%以上的有效积温，这些能量的获得和温室大棚的特殊结构有关。透明的塑料膜可以透过尽可能多的太阳光辐射，以提高内部土壤和空气的温度，满足作物的光合作用和对温度的需求;塑料膜的另一个功效就是保温，即阻断棚内空气与外界空气的直接对流，以减少热量与外界空气的交换。

诱变育种——光辐射可以大有作为

选育优良品种是提高农作物产量和品质的一个重要措施，但优良品种的培育是一个艰难的过程。人工诱变育种是改造生物性状的重要途径，在农业优良品种选育方面占有举足轻重的地位。诱变育种是利用物理、化学因子，促使育种的原始材料的遗传物质发生变异，从而筛选出优良品种的一种育种方法。

我们知道，农作物在自然条件下生长发育的过程中，由于受到各种自然条件的影响，它们的遗传物质也会发生某些变异。只是这种影响的强度比较缓和，导致的自然突变的频率也比较低，因此发生的变异往往难以满足育种的需要。现代意义上的人工育种，则往往需要大幅度提高突变的频率和强度，从而加快育种的进程和效率。

诱变育种的核心是利用各种诱变剂来提高作物的突变率，包括物理诱变和化学诱变两种类型。物理诱变是用各种射线照射植物，从而使植物发生基因突变，这些射线包括X射线、β射线、γ射线、微波、紫外线、激光等。在农业上，科学家运用这种育种方法培育了许多优良的农作物品种。例如，黑龙江农业科学院利用辐射方法处理大豆，培育成功了“黑农五号”等大豆品种，使含油量提高了2.5%，产量提高了16%。

诱变育种可以扩大植物的变异范围，大幅度提高植物的变异度。自然突变率一般在十万分之几到百万分之几，而诱变育种的突变率可以提高1000～10000倍。科学家曾用γ射线处理蓖麻，获得的特大变异株系大大缩短了生育周期，生育期由270天缩短到了120天。对于一个具有多种优良性状而只希望改进某一两个性状的品种来说，采用诱变育种或许是最为有效的方法。比如把燕麦的抗锈病特性和对叶枯病易感性分离开来，培育出了既抗锈病又不易感染叶枯病的新品种。

诱变育种可以加速农作物品种的选育过程。对于一年只能生长一季的农作物来说，可以把育种时间缩短为2～4年。诱变育种对原材料的处理部位和方法可以是多种多样的，可以只对种子进行照射，也可以对营养器官、花粉、子房等多种部位进行照射，一般以对种子处理最为常见。作为诱变剂的各种射线往往具有很高的能量和穿透力，在照射种子时可以使种子细胞内的染色体发生断裂，从而使它们的位置、结构和基因分子发生变化。同时，这些射线还可以引起与细胞质有关的遗传性核外变异。经过辐射育种产生的基因突变，不仅能够提高农作物的产量，而且能够提高农作物的品质和抗逆性。

光学防虫——无公害农业的“除虫术”

化学防治病虫害的成效虽然极其显著，但因此造成的农药残留却严重威胁到了人们的饮食安全。人们长期食用农药残留超标的农副产品，往往会引起人和动物的慢性中毒，甚至影响到下一代的健康。保障农产品质量安全，首要的是要在农业生产环节不用或少用化学农药，继而推广生物保护技术，即采用农业防治、生物防治、物理防治相结合的综合防治技术。

推广物理杀虫技术，对于防止农药残留和污染具有重要的意义。其中，灯光诱虫是成本最低、用工最少、效果最好、副作用最小的物理防治方法。从20世纪60年代开始，我国就开始用黑光灯（紫外灯）诱杀大豆、高粱、谷子等农作物的害虫。后来，灯光诱虫的光源进一步拓展为白炽灯、普通荧光灯、高压汞灯、双波灯、频振灯等。

灯光诱虫技术就是利用生物的趋光性诱集并消灭害虫的一种方法。原来，昆虫对某种频段的光具有特别的“喜好”，因此科学家就利用昆虫的这一习性对其进行扑杀。不同种类的昆虫对不同波段光谱的敏感性不同，如黄光对蚜虫具有较强的诱集力，紫外光对数百种害虫有较强的诱集力。在长波紫外光和可见光的光谱范围内，光谱范围越宽，诱虫种类越多。科学家通常把波长320纳米～680纳米的覆盖长波紫外光和可见光的光谱范围的光源称为宽谱诱虫光源。宽谱诱虫光源对于鳞翅目类各种成虫都具有特效，如菜蛾、棉铃虫、地老虎、食心虫、蒂蛀虫、吸果叶蛾、美国白蛾等。

进一步的研究证明，昆虫的主要受光器是它的复眼，这种复眼受到光的刺激后就会产生一定的电压信号。科学家通过多次实验，结果发现特定的光源对害虫的复眼具有很高的有效性，并据此制造成功了一种新型光源装置。这种由4000个二极管（LED）组成的光源装置功率只有180瓦特，并且可以用太阳能蓄电池进行供电，不仅具有很好的灭虫效果，而且具有很高的能源利用效率。大田实验证明，在安装了这种新型光源装置的卷心菜种植区内，卷心菜的受害率仅为1/7;而在未安装这种新型光源装置的卷心菜种植区内，几乎100%的卷心菜都受到了害虫的侵害。看来，光学防虫的优势是十分明显的。

植物生长灯——生态友好型“光学肥料”

阳光是地球上一切生命的能量来源，也是一切作物赖以生存的最重要的环境因素之一。阳光对生物的意义，主要是通过光合作用来实现的。研究认为，特定波段的光对促进植物的生长等具有重要的意义。因此，根据某些植物对光的特殊需求开发出来的“光学肥料”就应运而生了。

说是“光学肥料”，其实就是特殊的植物生长灯。植物对光的喜好是有选择性的，只有特殊波段的光才能促进植物的生长。我们知道，光合作用的主体为叶绿素，叶绿素需要吸收太阳光中的某些波段的光来进行反应。研究认为，叶绿素吸收的主要是蓝光和红光。实验证明，通过增加对植物的蓝光或红光的照射程度，可以使作物的根系发达，茎叶茂盛，从而提高产品产量和品质。所以，有人就把蓝光和红光称为“光肥”，这是一类环保型的“物理肥料”。

用蓝紫光照射植物可使叶绿体的运动活跃，用红橙光照射植物则可以增强叶绿素的光合能力。而用绿色光照射植物，则会被叶绿体反射和透射，从而抑制植物的光合作用。所以，用人工方法模拟对植物有促进作用的最佳光谱，不仅可以提高农产品的产量和品质，而且也丰富了生态农业的内涵。

科研人员在用农用钠灯为草莓施“光肥”过程中发现，钠灯照射可延长大棚草莓的光合作用时间，缩短生长周期10～20天，产量提高30%左右。同时还提高了草莓的甜度，也改善了草莓的色泽。科学家用红光定期照射生长中的西红柿和黄瓜，使得它们的成熟期提前了一个月;同时还用黄光照射了大豆植物，使得大豆的成熟期提前了20天，蛋白质的含量也提高了2.3%。

多年来，用作“光肥”的光源主要有高压钠灯、萤光灯、金属卤素灯、白炽灯等，由于这些光源能耗比较大，自然费用就比较高。改进“光肥”的光源，对于提高其发光效率，最大限度地降低使用成本具有重要意义。把LED应用于植物照明领域，打造绿色高效“光肥”，无疑是一项生态农业新举措。