近代农业生物学时期的增产作用与理论基础

二、近代农业生物学时期

1.农业生物学之初

（1）植物营养问题

植物生理学是植物学的分支学科，从18世纪开始借助物理、化学的分析技术，首先提出了植物是如何营养的问题？一根柳条扦插浇水增重的试验引人思考，却花去了几代科学家的努力，才搞清楚。长期以来，农民种地都是施用农家有机肥。当时农业土壤学中的腐植质（humus）学说也很流行，认为农作物的生长发育与产量是靠吸收腐植质为主要营养的。1840年，德国化学家李比息（J.Liebig，1803—1873）通过矿物的农田施肥试验，创立了植物矿质营养（mineral nutrient）学说，由此推翻了腐植质的观点。在今天看来，两者并不对立，腐植质富含分解有机物、微生物和矿质之素且物化性能好，是农家好肥料。其中有机酸和氨基酸等小分子化合物都能被根系吸收。

植物的自养性不只是根系营养，还有叶片的光合营养。早在1772年，英国化学家J.Preistley（1733—1804）将一盆植物置于玻璃钟罩内的照光试验，使罩内小白鼠得以生存，表明植物具有净化空气的能力。后来，法国人布森戈（J.Boussingant，1802—1897）的实验揭示了豆科植物的固氮现象和叶片吸收CO₂的光合功能。1859年，Knop溶液培养植物生长发育成功进一步支持了矿质营养理论，开创了无土栽培技术。1864年，Sachs检测光合叶片的淀粉积累并提出光合作用产物葡萄糖的反应式：

这些植物自养性的矿质营养和光合作用研究成果给植物生理学奠定了重要基础。同时，它与农业生产相结合为农作物栽培提供了理论基础和技术实施而发挥很大的增产作用。所以，俄罗斯植物生理学家季米里亚捷夫（К.А.Тимирязев，1843—1920）曾说过：“植物生理学是农业合理的理论基础。”

（2）早期的选育种

遗传育种或选育种是农业生产中一项重要的科学技术，既古老又前沿。例如，稻麦棉、猪牛羊、鸡鸭、金鱼、家蚕、家禽等品种家系，早在数千年之前就开始选育，民间流传的瓜果授粉、作物高产选育、家猪配种和禽畜杂交种选优都是熟悉的技艺。

19世纪，西方的高等学校开办农学院系专业，这时，欧洲农业的动植物杂交工作已有相当开展，但大多只在民间的选育工作水平上多了实验设计与观察记录。自1865年孟德尔提出了豌豆杂交之律之后，才将传统遗传学上升到现代遗传学理论技术之上，奠定了农业的遗传学基础。

（3）林业是农业的组成部分

在19世纪林学院系和专业创建之时，林业只是农业的组成部分，到20世纪，由于大面积造林与采伐，导致采运、木材加工和林产化工业的发展，林业的行政管理机构和教学、科学也相应发展。世界大多数国家重视林业的木材实用性与森林的生态效应，林业仍是农业的重要组成部分。如美国的林业系统一贯从属于农业部下的一个司（局）级机构。

我国在20世纪50～60年代，大力发展林业生产，成立林业部及各类相应的庞大机构。后来证明林业高校培养的单科性专业人才知识面太窄，是不合适的。如今情况大有改观，而林业部也改为农业部下的一个局级机构——国家林业局。这既有利于国家大农业的统一规划与行政管理，也有利于农业的通才培养与交流。

从生物学角度看，农作物与森林只是草本与木本之别；畜牧、禽鱼类都是动物，只不过在分类学上的地位不同。总之，所有的农业生产对象和可利用的野生动植物资源都是生物体。生物科学的基础研究需要采用方便而有代表性的材料，所以某些动植物、微生物与农医有关的材料常被选用而木本植物则很少入选。这并不意味着林业中的重要生物学问题被忽视了，例如人们对林木培育、森林生态系统与森林生态效应的研究给予了极大关注。何况，生物科学中的基本理论技术在农林业科学中都同样可用。

2.农业生物学之发展

（1）作物栽培生理

作物栽培是农业生产的基础。如果说作物栽培是农业的传统栽培，那么作物栽培生理就是用植物生理学知识来指导生产管理。如稻麦棉的不同生育期的群体结构有一个合理的分蘖数或分枝密度和叶面积指数，以达到最大的光能利用率，而它们对肥水的要求给予必要调控。我国稻麦棉的群体高产生理研究就在20世纪60年代由多学科专家参与下完成总结，为作物栽培生理奠定了理论基础。

（2）培育新品种，提高光能利用率

近几十年来的农作物育种技术是在不断提高的，除常规的自交系统和杂种优势选育外，用放射线和化学诱变剂选育，以及航天失重与辐射选育，以扩大变异谱，促进遗传基因重组而培育新品种。用花粉、原生质体的组培方法进行远缘杂交和快速繁殖在稻麦和蔬菜上都已取得成功。

就水稻而言，在50～60年代，我国用常规方式，选育出矮脚南特等不同类型矮秆品种的配套，代替过去的高秆老品种。自70年代以后，进入系列杂交稻育种，从三系、二系、光敏核不育系到品种间雄性不育系的籼型稻、籼粳稻的培育，至今推广各类杂交稻面积达30亿亩，增产稻谷约2000亿kg。杂交稻呈现杂种优势，穗大粒多、米质好，且有高的光能利用率。如今，我国进入转基因稻（抗螟虫稻）、高光效育种稻（C₄稻）和综合型培育的超级稻，其中，由袁隆平院士培育的超级稻最高亩产达800～1000kg。(www.xing528.com)

（3）生物固氮的利用

大气中含有78％的游离氮，只能被原核的固氮生物所利用。生物固氮在生物界有其重要意义，而且与农业生产关系密切。在农林业上具有可利用的共生固氮是豆科植物的根瘤、非豆科木本植物结瘤的放线菌属的弗氐菌和蓝藻三类。

我国农民利用豆科植物固氮肥田，历史悠久，直至现在仍保留豆科植物与非豆科作物轮作、套作和间作的耕作制度，但已被淡化。在当今化肥广泛使用出现富营养化之时，减少化肥，恢复利用生物固氮资源是十分必要的。据估计豆科一年之内能从空气中吸收氮100～300 kg/ha。红萍的蓝藻固氮可达313kg/ha，而且是湖泊鱼类、家鸭、家猪的好饲料。

全球非豆科木本植物有10科27属200多种可结瘤固氮，其固氮量能在恶劣的自然环境和森林山地起着非常重要的先锋作用。据报道，沙棘（Uippohac）作为农作物种植在苏联西伯利亚已达到商品化规模。近些年，我国西北和华北地区也有开发利用沙棘，而南方地区大面积种植杨梅和木麻黄，它们都是良好的固氮先锋树种。

（4）动物育种

我国过去禽畜的常规育种是源于亲本杂交对后代变异的选择与培养。在20世纪50～60年代开展了全国性的猪、牛、羊杂种群的良种选择工作取得了很大成绩。在此期间，新疆、东北、内蒙古、甘肃、青海的细毛羊和半细毛羊等品种的培养而形成种群，大大改善了毛纺织品资源。

自80年代开始，为适应商品市场的需求，有计划对畜牧、家禽进行肉、乳、蛋等特种型的良种选育。各地方培育许多优良的鸡鸭鹅肉用和蛋用新品种，建立起养殖场。瘦型肉猪的培育曾一度走俏。中国黑白奶花牛的培育形成了优良种群，已得到广泛推广使用。近年，奶牛优良品种更见多样。

在水产方面，鱼虾贝类和藻类的培育繁殖技术也取得进展，如海带、紫菜和江蓠菜的人工育苗和养殖技术；青、草、鲢、鳙四大家鱼的人工繁殖与养殖技术；以及鲤、鲫鱼的核质杂交新品种早在60年代就培育成功，在当时也是很先进的。近些年来，对虾、贻贝、扇贝、鲍鱼、真鲷、青蟹等人工育苗和养殖而逐步走向现代化、工业化和养殖场的生产方式。

（5）农药、兽医药与激素的应用

农药、兽医药和激素是现代农业生物技术的重要成分，在农业生产中发挥着不可估量的作用。农药化学防治害虫始于第二次世界大战的DDT，从此以有机氯杀虫剂为代表的合成化学很快使用开来。鉴于它的残留毒性，新一代合成菊酯类杀虫剂产生了，它属于高效低毒残留农药。

除草剂是现代农林业生产上广泛使用的化学剂。除草剂的杀伤原理，它的化学结构与杀草生理机理有关，因此，一般按照化学结构分类有苯氧羧酸类（2.4—D）、酰氨类和醚类（敌裨、除草醚）、取代脲类（敌草隆）、均三氮苯类（西马津）、甲氨酸酯类（苯胺灵）等。

20世纪50～60年代，我国开始生产制备猪瘟、鸡瘟疫苗。据1978—1988年资料，经农业部审定颁布的兽医生物制品11种，疫（菌）苗64种。在这些疫苗中，如猪瘟、牛瘟、马传染性贫血病、马淋巴管炎、牛肺疫、猪肺疫、猪丹毒、羊瘟、羊支原体苗、布氏杆菌病和鸡瘟等使用使传染病得到有效控制。到2001年，我国兽医生物制品共有188种，其中灭活疫苗56种，活疫苗52种，抗血清7种，诊断制品61种，其他制品7种。

激素又称化学信使，它们在动植物的生长发育与生理功能的调节中起着非常重要的作用。如昆虫等节肢动物蜕皮激素和保幼激素的作用机理就可在家蚕和虾蟹养殖上应用。家畜卵巢发育与人工授精经常注射雌激素、孕酮等。某些鱼虾产卵孵化也会使用促性腺激素。植物激素有五大类：生长素、赤霉素、激动素、脱落酸和乙烯。它们具有促进茎、芽生长、细胞分裂和抑制生长、休眠、促熟果实和叶片脱落等生理作用。人工合成植物生长调节剂就是按以上五大类生理活性而制备的。

（6）农产品发酵技术

农产品发酵工艺源于民间，现赋予生物技术已成为农业食品或饲料很有特色的产品。发酵工业内容广泛，如工业酒精、食用酒类、有机溶剂、生化试剂和抗生素等药物类发酵，通常被视为轻工业、工业或医药类产品，但有互相交叉。然而，农业上的许多传统发酵产品还是存在的。譬如，“酒曲”是酿酒、制酱之谷物发酵，实为酵母或霉菌发酵产生的水解酶类。现代工业化制酒，同样加曲酶发酵，只是发酵罐加大，工艺流程先进。干酪与发酵乳品，是来自民间的一种食品保存形式，它将奶中的蛋白（酪蛋白）和脂肪浓缩，利用乳酸菌将奶中的糖（乳糖）发酵成乳酸。

发酵酸菜是家庭制作的传统食品，现已工业化生产。制作酸菜在一定盐分和温度下，经乳酸杆菌无氧发酵之后再经调味包装而成。发酵鱼和鱼酱制作具有广泛的实用性，其原理在鱼的盐腌发酵中，酶的作用使物质结构发生变化，水解产物有氨基酸和多肽及某些风味物质的形成。鱼酱发酵有使鱼体变为酱状的特点。

发酵青贮饲料是目前喂养奶牛最主要的青饲料。青料在储存堆料过程中经乳酸菌（LAB）利用物料的碳水化合物发酵使纤维素软化酸甜味并抑制梭状芽孢杆菌发酵，以保持乳酸、糖类、蛋白质、氨基酸不被分解的优质饲料。