以物理农业改善化学农业

■  文/北京工业大学数理学院 侯碧辉 王代殊 丁晓红

　　 近年来，随着化肥、农药的大量使用，我国环境污染严重，农田环境状况已非常严峻，而物理农业是以物理的技术和方法提高光合作用的效率,促进植物生长，减少化肥、农药的使用量，从而达到保持作物稳产、增产，恢复耕地质量。面对我国当前经济发展中所面临的人口、资源、环境等压力，为保证我国农业的持续发展，必须大力发展物理农业，促进人与自然的和谐，让我们的地球永葆青春。

从化学农业回归物理农业

　　在人类社会发展的历史中，农业或种植业是人类赖以生存和发展最重要的产业。而在相当长的时期,农业或种植业的增产主要是依靠物理的方法和技术，如精耕细作、移植扦插、水田保温等方法，施用的是自然的有机肥料或农家肥料，这样的生产方式在世界各国持续了数千年甚至更长的时间，对地球环境几乎没有造成不良后果或破坏，人与自然得以在过去长期和谐发展。20世纪以前世界各国人民有意或无意，但在客观上都是从事物理农业的生产方式。
　　20世纪随着化学科学研究的进展与化工技术的进步而发展起来的面向农业的化肥和农药，对全球农业的快速发展起到了关键的推进作用，因此在这个意义上20世纪的农业又常被称为“化学农业”。但随着人类对农作物产量的不断追求而造成的对化肥和农药的不合理和过量使用，在不断提高农作物产量的同时也使得全球范围出现的土质退化、污染加重、环境恶化和生态破坏等问题日趋严重，发展中国家特别是我国的这一情况尤为突出。20世纪50年代，我国广大农村几乎都是山青水秀，农田环境状况还是很好的。但经过短短几十年的时间，现在环境污染严重，农田环境状况也已非常严峻。
　　鉴于上述状况，国际上有识之士提出了逐步发展以物理技术方法来发展农业，以确保地球的绿色和人类的可持续发展。联合国已提出了“物理农业”的概念，我国著名战略科学家钱学森先生等也已提出了类似的发展21世纪“阳光产业”（农业、林业等）的概念。国内外已有许多科学家和技术专家在为实现物理农业的愿望而探索努力。
　　现代物理农业与20世纪以前的物理农业相比有了极大的提高，现代物理农业是涉及物理学、材料科学、植物学、农学等多学科的一门交叉和综合的新生学科 ，已经受到国内外许多科学家和技术专家的重视。
　　所谓物理农业（或阳光农业），就是以物理的技术和方法提高光合作用的效率,促进植物生长，减少化肥、农药的使用量，从而达到保持作物稳产、增产，恢复耕地质量，阻止环境恶化与生态退化，实现农业的长久、持续发展的目的。这里的农业是广义的,包括农、林、草、花、园林等人工栽培和种植业。显然，物理农业是涉及物理学（如激光、电磁）和材料科学（如纳米）等领域的诸多方面，与植物学、农学领域的育种、栽培、土壤和遗传等多学科交叉和综合的一门新生学科。国内外进行物理农业探索和物理农业技术发明的信息多年来时有传出，只不过还没有引起人们广泛的注意和足够的重视。例如国内外有人通过用磁场或激光处理水和种子，太空育种，采用磁性肥料添加剂、研制农用电磁机械等，促进植物发芽、出苗、生长，采用光膜技术提高光照率，等等，以达到增产的效果。我国山东省潍坊盛华生物工程有限公司研制的“含中量元素可溶性肥料”（中华人民共和国肥料临时登记证号：农肥[2002]临字672号），又名399植物生长微电活能，是一种典型的我国自主发明的物理农业技术产品。

发展物理农业保育自然环境

　　为满足我国人口过快增长的需求，解决好13亿人口的吃饭问题，应该说我国近代的农业发展是令世界瞩目、功不可没。但同时，我们又必须清醒地看到，在大量、过量使用化肥和农药以获得粮食增产的同时，我国大部分农田的化肥、农药污染、土质退化问题已相当严重，而且我们还必须正视我们在继续发展中所面临的人口、资源、环境等困难与压力。
　　我国东南沿海地区是我国人口、工业和城市分布最稠密、经济增长最快的核心地区，这一地区在我国经济发展中具有举足轻重的地位和作用。但是，随着人类高强度开发和经济快速持续增长，该地区水土资源与环境质量日益恶化，已成为我国人为的生态脆弱带，并对该地区人民的身体健康和经济社会可持续发展构成严重威胁。因此，保护与整治东南沿海地区的水土资源与环境，改善和优化该地区的资源环境质量已成为国家急待解决的任务之一，我国土壤学家赵其国院士在香山科学会议上强烈呼吁：“重视我国东南经济快速发展地区水土资源与环境质量问题”。
　　根据有关方面预测，到2020年我国的人口将达到14-14.5亿，这对国民经济发展是个巨大的压力。按照这个趋势，到2020年，我国的粮食年产量应当保证在6.2亿吨左右。但由于可耕地面积的不可增加的事实，单位面积的产量必须提高才能满足年需粮食总量。仅按每收获1吨粮食投入100公斤尿素计算，到2020年氮肥的需要量总计约6200万吨，则至少还要新建30万吨尿素工厂近70座。这不仅需要巨大的投资（约700亿元），还需要消耗大量不可再生能源——煤、石油等；而且工业生产污染大气，造成对环境的第一次污染；使用过程中的工业化肥只有30%左右的可以被植物吸收，其余大部分流入江河湖泊与进入地下水，造成第二次污染（水系统污染），其结果使江河湖泊富营养化、食物链致癌物质增加。长期使用化肥造成土壤板结，土质恶化、生态失衡和加速土地荒漠化。这些都与我国农业可持续发展，荒漠化控制及治理的国家目标形成尖锐矛盾。
　　因此，为缓解当前我国经济发展中的环境与资源的压力，发展物理农业已成为当前我国的急迫需求，同时也是在经济发展中解决面临的综合难题的一条科学发展的路子。物理农业旨在实现农业的长久、可持续发展，阻止自然环境的恶化及生态退化，使自然环境得以保育(保护和培育)。能够确实地保护环境，当然是上策。对于已遭污染的区域，只要控制污染并减轻污染，也不失为中策。在污染不太大的情况下自然环境有一定的自恢复能力，“环境保育”的概念就是在实行环境保护，同时把已有的污染控制在自然环境自恢复能力之内，并培育自然的自恢复能力，使已有的环境污染逐渐向好的生态方向恢复和发展。
　　山东省潍坊市盛华生物工程有限公司研制成功的“399”植物生长微电活能，是在物理农业研究工作方面取得的一项重要的技术发明，它是由物理材料制成。它已经在相当的农作物品种和地域范围的实际试验中均取得了良好效果。试验结果表明，使用“399”后植物普遍光合作用增强，根系发达，生长旺盛，抗病力强，果实产量增加。在少用化肥的情况下，仍能保持稳产或增产；同时作物发病率降低，农药使用量降低。这一结果告诉我们，采用物理农业技术在减少化肥用量的条件下，保持作物的稳产或增产植物是可行的。这一试验效果的原因是”399”提高了光合作用的效率,促使植物生长旺盛、根系发达，因而对化肥的吸收率增加，作物增产；同时土壤中化肥的残留量降低，达到了稳产增产，改善土壤品质的作用。
　　我们还用环境扫描电镜（ESEM）观察了香椿和蔓青在施用”399”后叶表面结构的变化，并对叶表面不同部位进行了化学成分定性分析。结果表明：在施用”399”后，叶表细胞变得大而饱满，细胞总体积和表面积变大，增大了细胞光合作用的有效面积；叶片表面出现硅富集的亮点，亮点的直径在0.1到30之间。增强了叶片光合作用和抵抗病虫害及抗倒伏的能力，提高了水分利用率，使作物耐干旱和产量增加。

应大力发展物理农业

　　面对我国经济发展中所面临的人口、资源、环境等压力，应该看到，为保证21世纪我国农业的可持续发展，必须大力发展物理农业。大力发展物理农业，促进人与自然的和谐，不仅是21世纪我国农业发展的方向，也是保护环境、保护生态和实现经济可持续发展的重要方向。发展物理农业的同时，适度改善化学农业，使二者相得益彰，以更合理、更自然、更综合的方式发展农业和种植业，让我们的地球永葆青春。
　　应当说，物理农业的研究是一项完全创新性的研究工作，国际上这一概念才刚刚提出，尽管相关技术（如399植物生长微电活能）其科学机理方面的研究尚未深入，物理作用机制尚不清楚，但从已经获得的试验结果来看，这是一项具有重大科学价值和重大社会、经济价值的研究工作，应该加强基础研究和应用研究，它需要科技界组织多学科跨领域的研究队伍合作开展研究。同时，物理农业的技术发明往往是非传统的创新发明，它更需要政府、科技界的关注和支持。

（自《中国农资》2006年第6期）