“农业生产与农业科学”这个题目很大, 成千上万的学者研究过这个问题。写这篇文章的目的, 只是想说明几十年来笔者对农业生产的认识和体会, 是个人的一些不成熟的思索和考虑, 提出来和大家讨论。

谈到农业生产, 归根到底是能量的转化。自然界的光能、热能、水能, 通过植物的光合作用, 转化成为人类能够直接利用的“化学能”。一万多年以前, 人类开始栽培植物、饲养牲畜、利用植物转化积累的太阳能。从那时起开始了简单的农业生产, 当然是一个很大很大的革命。直到现在, 包括250多年以前, 从瓦特发明蒸汽机引发的“工业革命”, 以及1948年申农 (C.E.Shannon) 开始的“信息革命”^[1], 虽然人类已经取得许许多多的科技进步, 但是人类的生存与发展, 一刻也离不开农业生产。西方有一句俗话:“一日三餐, 谁说与农业无关。”在科学上, 人类也不能在没有植物的情况下, 完全由人工把太阳能转化为“食品”。虽然人类认识了太阳能的转化和积累是农业生产最基本的活动, 是农业生产的本质。但是, 在实践中, 特别是在宏观战略上, 并没有认识利用这条规律。例如:1956年我国所制定的《农业发展纲要》, 对日照率只有22%～40%, 日照时数只有600 h的贵州水城到日照时数900 h的长江流域, 要求每公顷生产粮食 6 000 kg, 而对日照率65%～78%, 日照时数 2 400～2 700 h的黄河流域, 反而每公顷只要求生产粮食3 000 kg。这个纲要, 重视水热条件对粮食生产的影响, 忽视光照对农业生产的特殊作用, 是非常明显的。

内蒙古2 400万人口, 一直缺粮。1966年以前, 人均占有粮食35 kg。表面看来, 内蒙古地广人稀、缺劳力, 内蒙古是牧区, 内蒙古缺水, 内蒙古缺粮似乎是很自然的。虽然内蒙古光照好, 年日照时数2 769 h, 相当于重庆的3.5倍, 总辐射量在586 152 J/cm²以上, 非常适宜栽培籽实类作物, 粮食增产的潜力很大。可是一直没有引用黄河水在内蒙古开辟粮食生产基地。实践是检验真理的标准, 群众是创造历史的主人, 内蒙古人民在区党委领导下, 在北纬度40°～41°、海拔1 220 m、≥10℃的有效积温只有2 800～3 000℃的地方, 引来了黄河水, 充分利用内蒙古光照优势扩种粮食, 结果粮食大幅度增产, 全区水稻单产平均5 700 kg/hm²。托锦后旗、巴盟、五原3个地方共有7.8×10⁴ hm²种粮食, 连续3年单产达到15 000 kg/hm²以上, 现在内蒙古人均占有粮食678 kg, 在全国排第三位。

内蒙古粮食大幅度增产的经验表明, 创造良好的水、肥、土壤条件使作物能充分利用太阳能, 是进行农业生产的基本原则。新疆的棉花也是这样, 《经济日报》2000年3月28日报道:新疆101.2×10⁴ hm²棉花收了150×10⁴ t皮棉, 面积占全国棉田面积的27.3%, 总产占全国的34.5%, 皮棉单产达到1 500 kg/hm², 为全国平均单产的1.49倍, 其中有18.7×10⁴ hm²达到1 800 kg/hm² , 农11师12团8 000 hm² 棉花单产2 220 kg/hm², 小面积皮棉单产最高的达到3 945 kg/hm² 。新疆和内蒙古的经验一样, 创造良好的水、肥、土壤条件, 使植物充分利用当地优越的太阳能, 这是最重要的。长江流域、黄淮海平原都是我国重要的棉区, 水肥条件和农民植棉技术, 达到了相当高的水平。但是它的单产, 特别是大面积的单产, 还不如新疆高, 差就差在光照条件上。

实践证明了光照对农业生产起着特殊重要的作用。反映在国民经济上过去是“南粮北调”, 现在将是“北粮南运”了。

太阳能是植物光合作用的原料。保证植物生长发育, 进行光合作用, 还有许多必须的因素, 如水、肥、气、热、土壤等, 被称为“生长因素”。它们同等重要, 不可代替。有人说, 现在搞组织培养, 不是在试管里就可以生产许多花卉、苗木, 无土栽培, 同样能够生产大量蔬菜瓜果吗!不错, 是这样, 但是这些生产模式和大田生产相比, 只差一个“土”字, 其他几个因素还是和原来的一样。我们这里所讲的“农业生产”, 是全世界几十亿人口赖以生存的农业生产。这样的“农业生产”, 没有土地是不可想象的。组织培养、无土栽培、工厂化生产, 只能应用到某些特定的作物上面, 或者应用到某一些特殊的生育阶段, 而且成本很高, 不是所有地方都能采用的。有的人认为“工厂化农业”, “无土栽培”是“农业发展的方向”, 是“农业的未来”。这些观点很早以前就有人提过, 事实将会证明它是正确还是错误!

植物生长因素同等重要, 不可代替, 不能理解为各种因素的数量和作用都是相同的。100多年以前, 科学家就发现在许多因素中有一个起决定作用的因素。这个规律叫做“最小因子律”^[2]。就是这个因子制约着植物生长发育, 发现和打破这个限制因子, 是农业科学家的重要任务。当然, 还有另一种办法, 就是提高作物利用自然界各种生长因素的能力, 或者提高其抵御外界不良环境的能力, 简言之, 就是提高作物的种性和抗性。育种学家进行的杂交育种、辐射育种、抗病、抗虫育种, 抗旱抗寒育种、高光效育种、超高产育种等, 都属于这个范畴。

植物生长因素中有比较易于调节、控制的, 如水、肥、土壤因素;也有比较难于调节控制的, 如光照、空气、湿度、热量等因素。植物生长发育的不同阶段, 对生长因素的需求不同。不同地点、不同时间各种生长因素的组合也不同, 最大限度地满足植物对生长因素的需求, 是作物栽培学、土壤学、植物营养学苦苦追求的目标。我们经常说的因时、因地、因条件、因植物需求制宜, 就是根据实际情况, 使植物和它需要的生长因素有效结合起来, 才能获得优质高产的农产品。

地区不同, 光、热、水、气的组合与变化不同。时空条件不同, 植物生长与各因素间的关系不一样。上世纪30年代威廉斯的“农业原理”和米齐里希的“土壤学”中都曾引用过一些实验材料, 想把植物生长因素和作物产量之间的相互关系研究清楚, 并用数学方程表达出来。1970年费茨帕克 (Fitepatriek) 和尼克逊 (Nixon) 提出:植物生长指数=光指数×温度指数×土壤水分指数。这些研究是有价值的。它是学术界对自然界复杂现象的一种探索, 但是这个问题太复杂了, 许多因素变化太大, 许多应该量化的问题, 很难得到准确的结果。在计算机、数字化迅速发展的今天, 对研究农业生产的许多基本问题, 应当说提供了新的机遇。

农业是地球上最大的产业。植物生产一项, 就包括几百种作物, 有的学者主张分区进行研究, 根据各种生长因素的特点, 将大地空间进行科学分区、分带。竺可桢先生^[3]、黄秉维先生在这方面做出了杰出的贡献。根据他们的研究, 采取相应的耕作栽培措施, 把农业生产建立在地理科学的基础上, 分区种植, 分区管理。这样能使各种生产因素发挥最佳的效果。

正因为农业生产的本质是太阳能的转化和积累, 植物的光合作用是地球上最伟大、最基本的化学作用, 农业生产必须遵循生物学的原理。然而农业生产又是在地球表面上、在人的社会中进行的, 植物生长因素既是地球的组成部分, 又是人类经济活动的一部分。因此, 农业生产、农业科学的研究方法既要符合生物学、地学的规律, 又要符合经济学规律。因此它的研究方法有许多特殊性, 必须重视。

首先, 农业科学的研究方法与物质科学的研究方法有重要差别^[4]。“物质科学”最基本的特点, 就是精确的、人工完全控制的科学。离开生命越远、越准确, 越易于控制, 效率越高, 它的数学工具是数学方程。生物学、地学特别是经济科学, 以及与此相联系的农业科学, 现在还是描述性科学。虽然在许多方面, 许多分支农业科学也在运用物质科学的原理和方法, 希望农业生产能够被人类完全控制, 希望其过程和结果能够准确预测。但事实上做不到, 西方有一句名言:“完全能够预测, 但不能够完全预测。”在许多方面, 经验还起很大作用。世界上著名的经济学家、哲学家舒马赫 (E.F.Schumacher) 认为生命科学与物质科学在研究方法上有原则差别:他说:“一克土壤中有几亿个微生物, 要想用方程式把它们的作用完全表达出来, 这几乎是不可能的。”

当然, 随着信息技术的迅速发展, 计量技术的不断提高, 多种“数据库”的建立与完善;地理信息系统, 全球定位系统, 遥感系统数字化系统的广泛应用, 过去很难观测准确的现象, 过去很难量化的事物, 也将会获得精确可靠的数据, 进行计算分析, 得出规律的认识。例如气象科学属于地学范畴, 在5～7 d内的天气预报是通过多种观测仪器, 所获得的数据, 通过计算机直接计算出来, 其预报结果比较准确。然而中期或长期的天气预报因为时间越长, 变数越多, 直接计算的困难越大, 只能靠统计和概率论来处理, 准确度相对要低一些。

农业科学是研究生物生长发育的科学, 当然要运用“生物学”的理论与方法, 它的研究对象是一个有生命的活体。它属于“实验科学”的范畴, 要创造特定的实验方法。例如进行多重复田间实验;温网室系统的盆栽实验等;要勤于观测比较, 仔细分析总结。俄罗斯著名的植物生理学家季米里亚节夫有一句名言:“要学会同植物说话。”我国水稻劳动模范陈永康全凭他一双眼睛, 可以看出水稻生长发育过程中碳代谢与氮代谢的生理过程。这就是上世纪50～60年代在报刊上谈论最多的“三黄三黑”的经验。河南小麦劳模刘应祥, 勤于田间观察, 发现小麦在拔节期的三种长相, 与小麦的产量有某种相关, 总结出“马耳朵、驴耳朵、猪耳朵”生动地提示了小麦拔节期的植物营养状况。笔者长期在水稻区工作, 可以识别水稻叶色变化和植物营养的某些联系, 叶面光泽与植物钾素营养的关系, 水稻僵苗、出叶错位与土壤中锌元素的关系。这些直观的、表面的、感性的认识, 当然是经验性的。但是它能帮助我们很快从现象深入到事物的本质提高到理性的认识。毛泽东的“认识论”, 强调实践在认识过程中的作用, 强调“感性认识”是“理性认识”的基础, 强调实践是检验真理的标准。提倡调查研究, 获取第一手材料, 对农业科学研究是非常重要的, 对其他任何研究也是重要的。在农业社会是这样, 在工业与信息社会也是这样。

农业是地球上最大的产业, 农业生产是在地球表面上大面积生产, 农业科学很多方面要沿用地球学原理和方法。俄罗斯伟大的土壤学家杜库恰耶夫的“土壤学”, 就是沿用地学的研究方法发展起来的。当时俄罗斯工商业发展, 城市出现, 大量耗用木材, 开垦林地。连续几年出现旱灾, 草原退化、畜牧业减产。为了解旱灾真实情况, 杜库恰耶夫对俄罗斯草原进行了大面积调查, 发现广大黑土地带, 原有的森林严重破坏, 湖泊、湿地、水塘、水沟明显减少, 引起气候变化, 出现了大面积的干旱, 结果导致草原和土壤退化。杜库恰耶夫写了一本很有名的书:《我国草原的过去与现在》明确揭露了森林破坏, 导致气候变化、生态环境恶化、草原退化和土壤贫瘠化的事实。

我国著名的水稻生态学家丁颖院士在我国各气候带, 南自海南岛北至黑龙江漠河, 约跨50个纬度的生态实验, 用来自我国不同地区的水稻品种150个, 进行生长因素适应性研究, 得到了许多创新的结果。对我国水稻生产、分布、栽培起了开拓性的指导作用。大面积的、多点的、多品种的田间试验, 与非常重要的、简单的观测项目相结合, 并辅助以必要的分析。为作物生态学、栽培学、土壤学, 为整个农业科学提供了一条很有创意的研究方法。笔者学习丁颖院士的思路, 在中国科学院长沙农业现代化研究所工作的时候, 在桃源建立13个生态点, 用3个早稻种、2个布期, 并辅助以许多对比实验, 从1978年至1981年进行连续的观测实验, 获得了百万个第一手的科学观测数据, 正在中国农业科学院土壤肥料研究所梅旭荣、张维理教授的支持与帮助下建立“科学数据库”。待逐步整理成文, 启动“数据共享”。

上述实例说明:农业科学研究方法的特殊性是生物学、地学和生态学结合的方法。实践证明:它是成功有效的。

笔者是一个老科学工作者, 在这里说的是一些老话, 炒的是“现饭”, 不是新闻, 但是希望它对农业科学引起一些新的思索, 起一点“温故而知新”的作用。

最近几年, 科教战线变化很大, 农业方面也是一样。2002年, 全国科研费从占国家GDP的千分之几增加到百分之几, 240多个研究所为适应需要改变了体制;被SCI收录的文献数, 我国从原来在世界上排第14位提前到了第8位。许多单位用高薪聘用了拔尖人才。报刊上常常讨论知识创新、科技创新、制度创新、持续创新等话题。建立国家创新体系, 创新文化培养创新人才, 改善创新环境, 运用创新机制, 坚持创新战略, 为科技界如何创新已经考虑得很全面很周到了。的确, 许多地方建立了农业高新技术园区, 有的地方提出了“跨越式创新”口号, ……形势一片大好!

看来, 目前大家公认的, 真正困绕我国的是“三农问题”, 农业科技工作者当然会为解决“三农问题”而努力奋斗。我们更希望在科技方面有影响的同志们, 为解决“三农问题”有更多的创新。