物理学在农业中的若干应用 [复制链接]

第5版()
专栏：

物理学在农业中的若干应用
王正非
物理学是近代技术科学的基础，它本身的发展常常带动其他技术科学前进，从而使农业工业技术水平不断提高。可以说农业“八字宪法”的每个字都离不开物理学。
太阳能的利用
在自然界中，有机物质的创造，主要是绿色植物活动的结果。绿色植物是把无机物加工为有机物的天然自动化的小工厂，其加工过程（光合作用）是十分奥秘的，一切工序的详细环节与实质，尚未被彻底揭露。到现在为止，人们还不能模拟这种机构，以制造食物。
绿色植物自身制造有机物质的动力来自太阳的辐射能。参加光合作用的能量只占投入的总辐射量的百分之一左右，从这一点来看，它的工作效率还不是很高的。有些植物学家用提高二氧化碳浓度的办法以补偿光能利用过低的缺点，来提高作物产量，即便如此，也不能超过太阳总能量的百分之几，显然不是根本解决问题的办法。重要的问题在于弄清光合作用的机制，合理解决光合作用和蒸腾作用的能量分配。
如果一年中落在一亩地上的阳光百分之百被高等植物利用，那么单位面积干物质年产量将是一个很大的数目。实际这是很难达到的。因为我们要考虑的是地面的净辐射能量。从太阳能量利用的计算来看，农业增产的潜力是很大的。
在研究绿色植物利用太阳能进行光合作用这个问题上，当前摆在科学家面前的至少有两个任务：
一是积极地探索叶绿体进行光合作用过程中物理的和化学的实质，以达到人工模拟的目的。如果研究成功，人们就可以摆脱大自然的约束，按自己的需要随时随地生产碳水化合物。
二是节约无效的水分蒸腾，提高光合作用的效率。这可以通过改变大田结构，改良土壤条件，控制农田气候和培育优良品种等一系列措施来实现。
物理学家特别是生物物理学家在这两方面做了不少工作，如对各种波长的光量子能级的测定，对叶绿体中的能量转移、非配偶电子即自由基的顺磁性、生物辐射刺激机制等都进行了很多研究。
数理方程的应用
农业八字宪法中的“土”和“密”是提高现有农业产量的重要措施。从我国的地理环境出发，考虑主要作物的生物学特性和生态学特征，以确定合理的耕作制度和密植限度，是当前急待研究解决的问题。
苏联学者西里米曾对森林密度与太阳能量和土地肥沃性的关系作过研究。他的办法是利用物理学的量纲定理（因次分析），把太阳能量和土地条件，作为参数处理，假设密度是随着时间作连续改变的，找出了半经验的计算方法，经过验证，一般地能够符合天然林的规律。但农作物情况就更复杂，不仅生长时期短，人为干涉较多，而且对于气候和土壤条件极为敏感，影响生长量的因子很复杂，还经常出现跃变现象。一九二四年美国克列门茨提出植物气候指示法，企图用统计方法分析作物生长和环境因子间的关系，由于考虑的因子不够全面，数学处理还存在问题，所以实用价值不大。可以肯定，生物过程研究的数量化，用函数表达生长量，早晚在农业中是要实现的。
将亩产量看作函数，在特定的区域内，把耕作制度、植株密度、光、水分、热量和生长时间等作为变数，用现代数学方法，求算出最高产量下各种因子的配列关系，以便有效地控制生产程序，获得农业稳定丰收。这不仅是生物学家的任务，也是物理学家、数学家的光荣任务。
农业工厂化问题
第一、人工控制小气候
人工控制气候对于作物育苗、蔬菜早熟、水果丰收以及各种灾害防止等都有很大作用。最近几年来，由于塑料工业的发达，各国都在试验田间大面积农业工厂化，法国、英国、苏联和日本等都先后使用了聚酰胺、聚乙烯和聚氯乙烯等薄膜，制成盖罩、套筒和屋舍，把作物或果树笼罩起来，以提高小气候效益。在一系列试验中，物理工作者对于薄膜的机械强度，透光性能、抗风能力、老化现象等各种物理性质进行了很多研究。薄膜复盖下的热量收支和水分状况，更有赖于农业物理学家的深入研究。日本在一九六○年前已试验成功，全国范围内用于农业工厂化的塑料薄膜，按出库量计算，已达二亿余平方米。根据辽宁省盐碱地利用研究所的研究，中、晚稻育苗使用尼龙布复盖，可使温度提高八度到十度，播种期可提前十天到十五天，成熟期可以早二十天左右，由于苗期保证了温度的稳定，也给插秧、分蘖、幼苗分化、抽穗开花等创造了有利条件；由于成熟得早，避免了早霜的危害。
第二、小气候的自动调节
在冬季野外不能栽培植物的情况下，农业物理学家开始了温室内有效空间利用和小气候自动调节的研究。这方面的研究以物理学中的反馈作用原理为基础，根据植物生命活动过程的微细动作所传出的讯息，进行调节植物的营养代谢过程。
苏联农业物理家卡尔曼诺夫等，将粗细不到一毫米的针状的或大小不超过米粒的半导体感应元件接触在植物叶部的气孔，研究植物光周期和蒸腾作用间的节奏关系，保证精确地测出叶子温度和气孔外部水汽浓度，把叶部的受光量、蒸腾强度、水汽凝结、增温和冷却的微细过程随时反应在自动控制总机上，通过调节系统，自动地调节植物所需的光、热和水分。这也是一项值得重视的工作。
土壤物理学问题
第一、农业机械化及水土保持
农业机械金属材料的物理性质（表面光滑度、曲挠性等）要和土壤的颗粒、紧实度、粘着性和水分状况等有一定的适应性，拖拉机的履带宽度要根据土壤力学性质设计，犁铧和土面的交角各种土类都不同。苏联使用直流电通入犁铧，根据电渗原理以减少土壤的摩擦力，可以节约燃料。
土壤的结构和力学性质对于水土保持有密切的关系，修灌溉渠道、筑土坝都要应用力学理论。山区的生物治理，主要是种草造林。对这类生物措施，目前除了增加坡面的粗糙度，防止水土流失，作过很多研究外，根系对于土体的固结作用，还缺乏足够的分析研究。例如，黄土高原的坡面滑塌和沟头崩塌，植树造林是不是最好的防止措施等等，急需土壤力学家特别是流变力学工作者进行研究。
第二、土壤的物理属性
土壤结构有自然形成的，也有人工创造的。目前有些国家大力开展了人造土壤结构的研究。这种研究是通过施加微量的胶结剂，以形成良好的土壤结构，对于改良土壤耕层的物理性质，提高农业产量，有很显著的效果。
有了很好的土壤结构，充分的水分供应，还要考虑植物和近地层大气。因为，植物、近地层大气、土壤结成一个整体，是作物栽培学研究的重要对象。植物群体的结构直接影响土壤和大气间正常的热量和水分的交换关系，也影响到土壤本身的通气性、蓄热量以及离子交换等特征。枯枝落叶积累的结果，也逐渐使土壤的保水性、导热率等物理性质改变；近地表层的二氧化碳浓度也将和自由大气发生很大的差异，必然影响到作物的同化作用和物质代谢的效果。晚近的农业气象研究逐渐由小气候学向农业物理学和植物生理学发展，主要是由于单独研究某一个因子，在田间的条件下，很难获得满意的结果。
水体物理学问题
第一、水体的蒸发抑制
在农业上为了经济有效地使用水，最近几年来，国外大力开展水体蒸发抑制剂的研究。在日本已出现用高级酒精为原料制造的蒸发抑制剂，商品名称为“OED”。物理工作者对于OED的表面张力、薄膜的伸张速度、在各种水温下的蒸发抑制效率等进行了精确的测定。这种蒸发抑制剂撒布一次可保持二至三天，最长可达七至八天，少量OED就可在水面上形成很大一片薄薄的单分子层，在水温摄氏二十度时，可抑制蒸发量达百分之五十以上。它对水田的水温保持稳定和水库的水量蒸发节制是新的技术措施，积极开展这方面的研究是很必要的。
第二、冰雪融化剂
在我国西北干旱地区，有些地方依靠冰雪融水灌溉农田。为了促使冰雪融得快，水量多，一般采用炭黑和细土粒等吸收热量较大的黑色物体，撒布在冰雪的表面上，使冰雪吸收较多的热量以便迅速融化。它的要求恰好和蒸发抑制剂相反。和冰雪融化剂的作用相类似的是盐田的蒸发促进剂，也同样尽可能地减少反射和乱流交换出去的热量，使盐水能够吸收更多的热量，便于迅速地将水蒸发掉。以上提出的冰雪融化剂和盐田蒸发促进剂，以其吸热、增温效果来决定其性能，物理学方面要做的工作是很多的。
第三、人工降水问题
天空有时出现冷却到零度以下，甚至达零下四十度还保持水态的云，我们称之为过冷云。在这种过冷云中混合进一种小晶体作为凝结核，小水滴就可以凝冻在核上，提早降水。现在人工降水使用的催化剂以碘化银来说，还有缺点，它受阳光照射容易老化失效，并且它只对零下三度以下的过冷云才能发生作用。因此，人工降水的效果，到现在为止，还不是很好的。物理学家可否从晶体生长理论来研究冰晶催化生长过程，寻找效能较高、稳定性较好的催化剂，是值得研究的课题。
农业科学研究的物理仪器
由于农业技术的不断发展，在农业科学研究中，新技术和新仪器越来越显得重要。在我们日常试验研究工作中，还有很多技术和仪器设备需要解决。例如，土壤水分测定还没有摆脱古老的打钻和烘土法，新的中子流测定仪器尚未解决，测定地表层和作物群体内的空气脉动，国内也还没有制出性能较好的仪器，温度和湿度隔测用的热敏电阻元件的阻值还不稳定。因此，微域气候测定还有问题，对植物亚纤维结构摄影还有困难，质谱仪和顺磁共振仪的操作技术尚不易掌握。这些都有赖于物理学家的帮助和支持。
物理学在农业中的应用问题是很多的，以上只提了与作物有关的一些问题。在未来农业科学工作中，物理学将同育种学、微生物学、遗传学、植物生理学、土壤学、气象学和机械学等组成一个大联合，为农业生产和农业科学理论的发展，作出重要的贡献。