百科：農(nóng)業(yè)之“光”

民以食為天，而所有的動植物食物又都是陽光的“杰作”。光學技術(shù)成果對于推動農(nóng)業(yè)技術(shù)進步和生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型具有重要的意義。
　　
　　溫室蔬菜——陽光制作的“營養(yǎng)罐頭”
　　我們的生活離不開蔬菜，蔬菜的生長非常依賴于自然氣候條件，冬春寒冷的季節(jié)在過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，蔬菜是用陽光制作的“營養(yǎng)罐頭”。這話一點不假，因為沒有充足的陽光，蔬菜就不能正常地生長。太陽光包括各種波長的光線，它們在蔬菜的生產(chǎn)中分別具有獨特的作用。如紫外線具有促進蔬菜生長的作用，蔬菜還可以利用紫外線的照射來合成維生素，也可以利用紫外線的照射來促進植物對磷的吸收以及形成各種植物色素;紅光對蔬菜的光合作用最為有效;藍色、黃色、綠色光線以及紫外線等則有利于促進蔬菜營養(yǎng)器官的形成;紅外線是太陽光譜中溫度最高的，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，因為氣溫低，光照也嚴重不足。為了解決冬春季節(jié)不能種植蔬菜的問題，我國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)一六國后，就曾下令在京城長安附近的驪山（今西安臨潼）坑谷中用溫泉水種瓜?！熬漆８邩且话偌?，宮前楊柳寺前花。內(nèi)園分得溫湯水，二月中旬已進瓜。”這首《宮前早春》便是唐代詩人王建在描述溫室種植瓜菜時寫下的。不過，那時的溫室是用紙窗做成的，因此也叫“紙窗溫室”。“溫湯水”指的正是溫泉，這是地熱資源應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的典型案例，也是我國保護地栽培的萌芽。
　　現(xiàn)代塑料工業(yè)發(fā)展起來后，科技工作者開發(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，通過人工控制光線等綜合措施，實現(xiàn)了塑料溫室內(nèi)四季常青的目標。塑料溫室就是利用太陽光能在相對獨立封閉的環(huán)境中產(chǎn)生的溫室效應(yīng)，來進行蔬菜生產(chǎn)或其他活動的專用設(shè)施。塑料大棚具有明顯的增溫效果，這一點是非常關(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盡可能多的太陽光輻射，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溫度的需求;塑料膜的另一個功效就是保溫，即阻斷棚內(nèi)空氣與外界空氣的直接對流，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)的一個重要措施，但優(yōu)良品種的培育是一個艱難的過程。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發(fā)育的過程中，由于受到各種自然條件的影響，它們的遺傳物質(zhì)也會發(fā)生某些變異。只是這種影響的強度比較緩和，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度，從而加快育種的進程和效率。
　　誘變育種的核心是利用各種誘變劑來提高作物的突變率，包括物理誘變和化學誘變兩種類型。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，科學家運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)科學院利用輻射方法處理大豆，培育成功了“黑農(nóng)五號”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分之幾到百萬分之幾，而誘變育種的突變率可以提高1000～10000倍?？茖W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。對于一個具有多種優(yōu)良性狀而只希望改進某一兩個性狀的品種來說，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葉枯病易感性分離開來，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)作物品種的選育過程。對于一年只能生長一季的農(nóng)作物來說，可以把育種時間縮短為2～4年。誘變育種對原材料的處理部位和方法可以是多種多樣的，可以只對種子進行照射，也可以對營養(yǎng)器官、花粉、子房等多種部位進行照射，一般以對種子處理最為常見。作為誘變劑的各種射線往往具有很高的能量和穿透力，在照射種子時可以使種子細胞內(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，這些射線還可以引起與細胞質(zhì)有關(guān)的遺傳性核外變異。經(jīng)過輻射育種產(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。
　　光學防蟲——無公害農(nóng)業(yè)的“除蟲術(shù)”
　　
　　化學防治病蟲害的成效雖然極其顯著，但因此造成的農(nóng)藥殘留卻嚴重威脅到了人們的飲食安全。人們長期食用農(nóng)藥殘留超標的農(nóng)副產(chǎn)品，往往會引起人和動物的慢性中毒，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)不用或少用化學農(nóng)藥，繼而推廣生物保護技術(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)。
　　推廣物理殺蟲技術(shù)，對于防止農(nóng)藥殘留和污染具有重要的意義。其中，燈光誘蟲是成本最低、用工最少、效果最好、副作用最小的物理防治方法。從20世紀60年代開始，我國就開始用黑光燈（紫外燈）誘殺大豆、高粱、谷子等農(nóng)作物的害蟲。后來，燈光誘蟲的光源進一步拓展為白熾燈、普通熒光燈、高壓汞燈、雙波燈、頻振燈等。燈光誘蟲技術(shù)就是利用生物的趨光性誘集并消滅害蟲的一種方法。原來，昆蟲對某種頻段的光具有特別的“喜好”，因此科學家就利用昆蟲的這一習性對其進行撲殺。不同種類的昆蟲對不同波段光譜的敏感性不同，如黃光對蚜蟲具有較強的誘集力，紫外光對數(shù)百種害蟲有較強的誘集力。在長波紫外光和可見光的光譜范圍內(nèi)，光譜范圍越寬，誘蟲種類越多。科學家通常把波長320納米～680納米的覆蓋長波紫外光和可見光的光譜范圍的光源稱為寬譜誘蟲光源。寬譜誘蟲光源對于鱗翅目類各種成蟲都具有特效，如菜蛾、棉鈴蟲、地老虎、食心蟲、蒂蛀蟲、吸果葉蛾、美國白蛾等。
　　進一步的研究證明，昆蟲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產(chǎn)生一定的電壓信號。科學家通過多次實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)特定的光源對害蟲的復(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，并且可以用太陽能蓄電池進行供電，不僅具有很好的滅蟲效果，而且具有很高的能源利用效率。大田實驗證明，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的侵害。看來，光學防蟲的優(yōu)勢是十分明顯的。
　　植物生長燈——生態(tài)友好型“光學肥料”
　　陽光是地球上一切生命的能量來源，也是一切作物賴以生存的最重要的環(huán)境因素之一。陽光對生物的意義，主要是通過光合作用來實現(xiàn)的。研究認為，特定波段的光對促進植物的生長等具有重要的意義。因此，根據(jù)某些植物對光的特殊需求開發(fā)出來的“光學肥料”就應(yīng)運而生了。
　　說是“光學肥料”，其實就是特殊的植物生長燈。植物對光的喜好是有選擇性的，只有特殊波段的光才能促進植物的生長。我們知道，光合作用的主體為葉綠素，葉綠素需要吸收太陽光中的某些波段的光來進行反應(yīng)。研究認為，葉綠素吸收的主要是藍光和紅光。實驗證明，通過增加對植物的藍光或紅光的照射程度，可以使作物的根系發(fā)達，莖葉茂盛，從而提高產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)。所以，有人就把藍光和紅光稱為“光肥”，這是一類環(huán)保型的“物理肥料”。
　　用藍紫光照射植物可使葉綠體的運動活躍，用紅橙光照射植物則可以增強葉綠素的光合能力。而用綠色光照射植物，則會被葉綠體反射和透射，從而抑制植物的光合作用。所以，用人工方法模擬對植物有促進作用的最佳光譜，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”過程中發(fā)現(xiàn)，鈉燈照射可延長大棚草莓的光合作用時間，縮短生長周期10～20天，產(chǎn)量提高30%左右。同時還提高了草莓的甜度，也改善了草莓的色澤?？茖W家用紅光定期照射生長中的西紅柿和黃瓜，使得它們的成熟期提前了一個月;同時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，用作“光肥”的光源主要有高壓鈉燈、螢光燈、金屬鹵素燈、白熾燈等，由于這些光源能耗比較大，自然費用就比較高。改進“光肥”的光源，對于提高其發(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”，無疑是一項生態(tài)農(nóng)業(yè)新舉措。