放射性同位素在农业上的应用 [复制链接]

第5版()
专栏：

放射性同位素在农业上的应用
王福钧
自从一九三四年约里奥—居里夫妇发现了人工放射现象后，人们找到了通过原子核反应生产放射性同位素的方法，相继获得了许多对生物体有重要意义的人工放射性同位素，如放射性磷、硫及钙等。近年来放射性同位素在农业上也得到了广泛的应用。主要是利用放射性同位素做为示踪原子，为农业科学研究服务。另一方面是利用放射性同位素的射线，直接或间接为农业生产服务。下面略述放射性同位素在农业上的应用。
示踪原子法的应用
化学元素是由同位素按着一定的比例所组成的混合物。天然元素主要是由稳定性同位素组成的。但是在自然界中还有一种同位素，其原子核处于不稳定状态，不断地放出射线，转变为另一种同位素，这种原子核不稳定的同位素称为放射性同位素。此外，用人工的方法也可以获得放射性同位素，称为人工放射性同位素。
稳定性同位素和放射性同位素的化学性质是相同的，但放射性同位素能经常自发地放射出一种或数种射线，射线很容易被电子学仪器所直接探测，这就使得放射性同位素无形中带上了一种特殊的标记。所以把这些具有放射性的原子称为标记原子或示踪原子，把含有放射性同位素的化合物称为标记化合物。
当放射性同位素与大量的稳定性同位素混合在一起时，它们同样地参加各种化学变化、物质转移和生物化学转变过程。但是，放射性同位素在物理性质上有所不同，非常容易辨认，即通过对射线的直接测量可以发现放射性同位素。这样就可以根据放射性同位素的行踪来判断稳定性同位素在上述这些过程中的变化情况、行为和状态，这就是示踪原子法的应用原理。
研究植物营养代谢及有机物质转移的规律
库尔萨诺夫应用放射性碳结合色层分析法发现，根系除了具有吸收机能外，又能从土壤中吸收二氧化碳，并将后者运输到叶子和其它绿色部分，参加糖和其它同化产物的合成。在根中又能够合成各种氨基酸，供给根自身和其它部分的需要。这些氨基酸迅速地参与物质代谢及新的蛋白质的合成。这一发现对了解根系的生理机能，以及土壤有机质在保证植物碳素营养上的作用等问题有很大意义。
应用示踪原子法可以更好地研究物质转移的机制，确定物质转移的方向、速度及其组成成分。利用放射性碳所作的研究工作证明：蔗糖是葡萄枝条上从叶向生长点移动的唯一的糖，而茎中所发现的果糖和葡萄糖是蔗糖转化的产物。对棉花、糖用甜菜和其它植物所作的实验表明：蔗糖和磷酸己醣是这些植物体内被运输的主要物质。
我国科学研究机关应用放射性磷，研究了棉花中磷的运转与蕾铃脱落的关系。这一工作阐明了主茎叶片与果枝叶片制造的营养物质在植物体内的分布运转情况，以及磷在棉株各器官内的分布同棉株密度的关系。此外，还用放射性磷测定了小麦主茎及分蘖间的养分转移的规律。
农业科学工作者可以根据这些规律和现象，采取相应的技术措施，改变植物的营养状况，控制养分转移的方向和速度，从而提高农作物的产量。
研究植物的光合作用
利用放射性碳的研究工作揭露了光合作用的实质，确定了光合作用初产物的形成和转化途径。
在一九四○年以前，人们普遍认为光合作用的初产物是甲醛，几个甲醛分子聚合形成碳水化合物。但是本森和卡尔文等人的研究表明，植物在吸收二氧化碳后最初形成的一系列产物中主要是磷酸甘油酸。在光合作用的最初瞬间，所有的碳都出现在磷酸甘油酸中，特别是它的羧基上，还原产物中没有甲醛。这就彻底推翻了光合作用的甲醛学说。
应用放射性碳所进行的研究证明，同化物质从叶中流出的强度是随条件不同而改变的。当植物的水分供应不足时，叶中同化物质的流出和消耗降低；而当植物的水分供应充分和氮肥充足时，它们则显著地增大。在大豆结实和豆荚灌浆期，通过对大豆叶片的同化作用能力的试验，得出以下的结论：播种密度和叶面积的增长应当同光能利用程度和土壤肥力相协调。
用放射性碳便于研究光合作用的程度，影响光合作用的各种因素，以及光合作用产物的利用等问题。这对正确地理解农作物产量形成的因素有一定意义。
研究植物矿质营养和施肥方面的应用
采用示踪原子法研究施肥问题，能够分别观察植物对肥料中的营养物质和土壤中的营养物质的利用情况，探索肥料在土壤中的分布位置和移动情况，了解肥料和土壤间的相互作用等。
目前，许多国家都大规模地生产各种示踪肥料，广泛应用示踪肥料来解决作物施肥上的一系列问题，得出了许多对生产实践有益的结论。例如应用示踪磷肥能够准确地测定磷肥利用率，区别土壤中的磷酸盐和肥料中的磷酸盐。
在采用示踪方法之前，人们根据施肥与未施肥的植物所吸收的磷量的差数，测定磷肥利用率。这种方法认为植物从施肥土壤中吸收土壤磷酸盐的程度与不施肥土壤中的程度完全相同，得出了作物磷肥利用率低的结论。但是，近年来利用示踪磷酸盐肥料所进行的大量研究证明，根据施肥方法和土壤特性的不同，施用磷肥能增强或者减弱土壤中磷酸盐进入植物的程度。因此，以前采用差数法测定磷肥利用率，得出的是不正确的结论。
通过植物对示踪肥料中营养元素利用情况的观测研究，能够更正确地评价各种类型肥料在不同土壤、气候条件下，用不同的施肥方法所取得的增产效果。例如使用示踪磷肥研究施肥方法表明，在植物生长初期，植物强烈地利用局部施用的肥料中的磷素；待较成熟时，磷肥无论是局部施用（如层施、穴施）或者是混施在土壤中，植物对其中磷素的利用均一样的强烈。然而在整个生长期中进入到植物中磷素的总量，局部施用者显著地大于混施者。这就证明了局部施用磷肥的优越性。
由于示踪原子法的灵敏度高，方法简便，所以它也用来研究微量元素和植物生长刺激素在植物生活中的作用，各种营养元素根外追肥的效果，以及植物根系在土壤中的分布等问题。
除了前面介绍的几方面外，示踪原子法也应用在动植物、生物化学方面，研究生物有机体的新陈代谢，了解蛋白质、氨基酸、脂肪等重要生物物质的合成、转化、更新及分解。近年来，示踪方法在动物饲养方面，用来测定饲料的消化率及研究无机盐、微量元素、生长刺激素的生理功能。在病虫害防治方面，利用示踪原子标记昆虫，来观察昆虫的分布、飞翔、食性、为害及越冬等问题。利用示踪原子法研究杀虫药剂对昆虫的毒理作用，以及药剂在植物体内的变化等。
射线的应用
利用不同物质对于射线具有不同吸收或散射的原理，能够制成各种放射性仪器及仪表。例如用由放射性物质钴、铯、钋、铍等做成的γ放射源和中子源制成的测量土壤水分含量和密度的装置，已用在土壤及土壤改良工作中。用放射性同位素所制成的测量风速、积雪中水分含量和土壤表面蒸发的仪器及液面仪等，已在水文气象工作中应用。
在农业上应用这种仪器及仪表虽然仅有十几年的历史，但由于操作方法简单，能够迅速得到所需结果，所以发展前途是很大的。用γ射线测定土的密度和土壤湿度，用晶体管辐射仪测量渠道、河床和水库的污泥密度，极为方便。
根据利用辐射效应的性质及目的不同，射线的应用可以分为以下三个主要方面：
在遗传研究及育种实践上应用辐射效应
电离辐射能改变有机体的遗传性，因此可以利用放射性同位素的射线对生物有机体的辐射效应，创造出有经济价值的大田作物、果树、蔬菜、家畜等的新品种。在本世纪二十年代就有人开始了辐射育种工作，直到最近这方面的工作才有了较为迅速的发展。瑞典的科学家应用辐射育种方法，获得了大麦品种的新突变类型。
通过辐射育种方法不仅能改变遗传性，选育出优良品种，而且能做到其它育种方法不易做到的事。例如燕麦的冠锈病有两个生理小种，有些品种能抗其中的一个而不能抗另外一个。用杂交育种的方法，一直没有能选出同时抵抗两个生理小种的品系；后来采用辐射引变的方法，终于获得同时抵抗两个生理小种的新类型。
用电离辐射的方法，可以创造丰富的突变类型。育种工作者可以利用有益的突变类型，选育出优良的动植物品种。
利用射线对生物体的刺激生长作用
利用电离辐射刺激作物生长发育，提高产量的方法大体上有四种：（1）利用射线在播种前照射种子；（2）利用有放射性物质的溶液在播种前浸种；（3）利用射线在作物生长期中进行照射；（4）把放射性物质作为超微量肥料施用。
用X射线照射种子，可使甘蓝、豌豆、黄瓜等作物增加产量，提早成熟。四季萝卜的种子被X射线照射后，可以增产百分之二十到三十。
用放射性钴作为辐射源在作物生长季节进行田间照射，可刺激荞麦生长、提早开花，并可提高甜菜的含糖量。
对多种作物，用含有放射性物质的溶液及原子能工业的放射性废液浸种后，都有增产效果。
用含有铀和钍的溶液，处理羽扇豆和豌豆的种子，播种后不仅提高产量，也提高根上形成根瘤的强度以及种子和根瘤中的含氮量。用含有放射性磷和钙的溶液浸泡小麦种子，能提高小麦产量百分之十左右。
近几年来，我国在低剂量辐射增产方面，也开展了许多研究工作。利用低剂量放射性溶液浸种而获得丰产的作物有黄瓜、甘蓝、白菜、番茄、水稻、小麦等；利用射线照射种子而获得丰产的作物有花生、棉花、黄瓜、芝麻及小麦等。有些作物因受低剂量电离辐射的作用而提高了产品的品质，如提高了向日葵的含油量及甜菜的含糖量等。采用适当的剂量照射种子或浸种，可以促进种子早期发芽和生长，这对于不易发芽及植株早期生长迟缓的作物有一定的意义。
利用射线对有机体的抑制作用
高剂量的电离辐射可以抑制生物有机体的生长发育，甚至造成死亡。因此，射线可以用来抑制马铃薯、洋葱和其它肉质直根饲料发芽，延长它们的贮存期限。在粮食贮存方面，利用射线可以杀死粮食害虫，便于贮存。我国在这方面研究了γ射线对仓库害虫的致死和不孕剂量，被照射过的粮食的营养成分的变化，以及射线对粮食工艺性状的影响等问题，取得了良好的结果。射线还可以用来作为罐头食品的消毒灭菌的手段。
此外，用射线照射昆虫可以使其不育，这是防治害虫的好方法，大有发展前途。