〔提要〕通过变更植物及其环境，科学家们正在寻找利用世界干燥地区充沛阳光和少雨的好方法。
在靠近美国内布拉斯加州斯科特布利夫地方的一块充满阳光的甜菜地里，内布拉斯加州大学的大学毕业生记录着风速和气温。在美国蒙大拿州，植物育种者从一株大麦到另一株艰苦地传递花粉，试验培育耐寒谷物。在美国加利福尼亚州酷热的莫麄夫沙漠，植物学家研究了顺利适应不毛之地生活的沙漠报春花。与世界其他各地的研究结合起来，它将有助于回答本世纪的最大问题之一：我们如何供应不断增加的全世界人口对更多、更好食物的需求？此外，我们能在什么地方生产这些食物呢？
生长季节短和土地贫瘠限制了纬度很高的北方地区生产，需要庞大和不切实际规模的灌溉才能使大片荒漠地区成为沃土。在热带地区，为发展农业清除了热带雨林，土壤很快就变坏了。
许多地理学家、土壤学家和农业气象学家认为世界上半旱地区和半湿地区是能很快增加粮食生产的最理想地方。这些区域范围从中等纬度到热带，并且包括美国的密西西比河以西的大平原和加拿大、苏联西伯利亚地区的无树林大平原、阿根廷的南美大草原、巴西的西北部、南部非洲的大部分地区和澳大利亚、印度和斯里兰卡西北部、非洲南部的撒哈拉沙漠、干燥炎夏的地中海气候的一些地区、如意大利、西班牙和北部非洲、美国一些沿海地区和澳大利亚。虽然在这些地区也能找到一些世界上最大的粮仓和肉类生产地，许多科学家认为这些地方还能够大大增产。这些地区一般都有充足的太阳光和风，而这二者对于谷物生长很重要。
地理学家用复杂的数学公式对半旱地和半湿地加以定义，即和降雨量以及由于阳光和风作用绿色植物引起土壤中蓄水的损失有关。一般来讲，这个地区的年降雨量少于因蒸发引起的一年水损失。
在这些地区，每年的降雨量可以变化很大。例如在斯科特布列夫地区，从1941至1970年的年平均降雨量为370毫米（14.6英寸），但在每三年中有二年的降雨量上下误差为平均值的百分之二十五。尼埃曼、奈杰尔的降雨量，每年有类似变化。相反，在哥伦布、奥希沃周围的湿地，每三年中二年的年降雨量通常仅变化百分之十五。
半旱地和半湿地区的许多土地已被用于粮食生产。如果我们能够节省和更好使用不固定的，甚至有时不足的供水以及培植用水更为有效的植物，那么我们将可以生产更多和更好的谷物。
几个世纪以来，旱地的农民保存稀少的雨水，并用于他们的谷物。二千多年前居住在现在以色列内杰夫沙漠的纳巴塔人所作的这种努力，特别富有成效。在他们的主要村落之艾夫达脱，每年只能得到86毫米左右雨水。很少发生下雨，可是一下雨就很猛。土壤只吸附了少量水就板结了，大部分水在暴雨造成的骤发洪水中流掉。
1930年，美国密西西比河以西的大平原焦干，长期的旱灾促使人们对水土保持研究，直到现在人们还在研究治水办法。平整丘陵土地成梯田，梯田可以使水的流失速度变慢，让更多的水渗到土壤里。在丘陵或者成斜坡的地带，循等高线开沟也可以减慢水的流失以及减少土壤侵蚀。
轮作也是重要的，对美国密西西比河以西大平原种粮食的农民来说尤其重要。把土地分成30 ~ 90米宽的地带，每年种植地带的一半，而另一半则让其休耕、用以收集雨水、在下一年再耕种。采用这种方法，每隔一年在每一地带里就可以有足够的含水量，农民能用来生产粮食作物。耕作地带垂直于强有力的风，致使耕作地带可以保护另外的地带。
为了保持含水量，越来越多的农民采用了浅耕法——他们铲土浅耕，在一次操作过程中进行播种、施肥和除草，并且不使土壤翻过来。类似的方法——留荏 - 覆盖耕作，可以用于种植一些谷物（如小麦）。为了保护土壤，在收获谷物以后，让茎、秆留在地里。在种植时，不耕土壤，仅仅是疏松和播种。内布拉斯加州大学的农机工程师Howard Wittmuss报道：在应用这些水土保持方法的条件下所生长的谷物产量，要比常规耕作土地的产量高。
水利灌溉有助于稳定雨量多变区域的谷物产量，水利灌溉已经得到很大推广。
直到1950年，美国密西西比河以西大平原的许多农民还是从河、池塘、水库里取水灌溉。这些水主要靠自然流动灌溉田地。现在日益转向用抽水机将地下水抽到地表面灌溉整个田地。可是，比较高的石油价格大大增加了用抽水机灌溉水的费用。
科学家们寻找别的方法来帮助农民处理这个地区耕作所存在的问题。植物生理学家、土壤学家研究了；植物和它们的环境二者之间的关系，特别是接近地面的“小气候”。他们希望或者改变环境，或者改变植物本身来使植物更好应用太阳光和水。植物消耗大量水。在不太发达国家的正常耕作条件下，植物从土壤中吸取1000公斤水，只产生120克植物材料。若采用密集耕作技术，例如大量施肥和粗放的杂草防除，则吸收同样的水，可以产生1000克植物材料。植物在维持它们生长的内部化学变化过程中，仅仅利用了百分之一或二。按照理论上的最大光合作用效率，植物每吸收1000公斤水，可以产生10公斤植物组织。
一些科学家也试验使农作物更有效地使用太阳光。这些植物在这方面也是十分低效的。在一般耕作条件下，植物在光合作用中也只利用了百分之零点零四到百分之零点一可利用的太阳光。通过光合作用过程，植物转换光、二氧化碳和水成植物材料。农业科学家的工作做得稍微好些。营养素和水供应好的正常农作物，在一个阳光充足的工作周中，能够固定或“收获”百分之一点五的太阳能，甚至个别天可达百分之四。可是，植物学家相信最大的光合作用效率是百分之八到十。还有充分利用的余地。
植物学家用光合作用产生的农作物材料被蒸腾作用的耗水量除所得的二者比率，来计算植物的用水效率。科学家们正在试图增加这个比率。如在不影响光合作用情况下，减少蒸腾引起的水分损失；不增加水消耗，而增加光合作用。
水蒸气和二氧化碳二者都通过扩散运动，即从浓度高扩散至浓度低的区域。靠近植物的空气中二氧化碳浓度越高，则扩散至植物中的速度就越快。同样，空气湿度较高，也将使植物蒸腾作用引起的水分损失较少，因为空气湿度接近相等于气孔下洞穴的湿度（实质上百分之百相等）。
影响一种过程的环境变化，通常也影响另一过程。例如：空气流将二氧化碳分子带到叶表面、增加了光合作用速度；而同一空气流也从叶表面带走了水分子和使水分子从植物内部扩散得更快，这就增加了水分损失。因此，当科学家试验控制半旱地区和半湿地区光合作用和蒸腾作用速度时，他们必须发现适合于环境状态的最佳平衡条件。
在最近的将来，要通过改变气候使这些地区每天或者长时期的气象变化，还不大可能。但是，改变小气候是可能的。
为了得到光合作用和蒸腾作用之间的最好比例，我们必须知道关于土壤上面随着高度不同、风、空气温度、湿度和二氧化碳浓度是如何变化的更多情况。我们可以用温度计测量温度和用风速表测定风的速度，还有另外的仪器可以测定湿度和二氧化碳。我们将感应器夹在叶片上，能够了解叶子失去水分的速度。我们必须建立一种计算机模式，这种模式将能告诉我们，当我们变更环境或者植物任何因素时将会发生什么。
1960年末，在内布拉斯加州大学由我指导的一项这样的科研项目中，农学系学生Kirk W. Brown，等四人研究了防风林对小气候和植物生长的影响。后来Brown根据这些研究累积的资料，建立了一个计算机模式。
我的学生们仔细研究了防风林对保护区域气候起什么作用和它是如何影响生产的。他们种植了甜菜、干菜豆、食荚菜豆和大豆，并用可以移动的木质防风屏障和高大植物来保护部分田地。他们测量了整个生长季节期间的温度、风速、水分消耗和其他因素，并和无保护田地的这些数据进行比较。他们发现：障碍因素显然减小了风速和气流，然而它们也减少了出入植物的热和水蒸气运输。被保护的农作物上面的气温与未保护者相比，则在白天更热，而在夜晚更冷。但其湿度不论昼夜，均比未保护者更高。
测量表明，当温度适宜和空气不太干燥时，防风林不能大大减少蒸腾作用。但是在刮大的干热风的晴天，防风林可以减少用水百分之二十到三十，我们的研究也指出，尽管是低气流，对于二氧化碳的移动和浓度以及对光合作用影响甚少。在这样的大气和温度条件下，被保护的植物保持不萎蔫状态和继续进行光合作用，并有较多的产物。
防风林是调节小气候和改善用水效率的一种方法。还有许多办法可以改变植物本身的结构，以便更适应环境条件。
在一株植物上的叶片形状和排列，叫做植冠。可以培育植冠，提供能增进植物用水效率的“结构”。在1960年，澳大利亚米切根大学的农学家D. M. Gates、麦克夸尔大学的农学家E. T. Linacre和别的科学家，为了计算叶片形状如何影响在叶片和空气之间热量交换的效率，用矩形板作为叶片模型。叶片所吸收的热量取决于它的温度和能蒸腾出多少水。他们发现狭窄的叶片每单位面积交换热量更有效，因为在遇到风的情况中，最初的变化出现在叶片的前缘。当风从叶片前缘沿叶前进时，它越来越多地调整着叶片温度。如果叶片比空气更热，那么当空气经过叶片运动时，空气将会变暖。因此，缩小了温度差异和减少了热交换。
具有长而薄叶片的热带禾本科植物，例如玉米、高粱、甘蔗等，在太阳光照射最强烈时，可以利用更多的二氧化碳进行光合作用。事实上，研究者证实，在比正常的强烈日光更强的人工照射条件下，玉米能够继续增加它的光合作用速度；而其他许多植物则在低于强烈日光的光线时，达到最大的光合作用。
—些几何学模型是根据下述观点建立的，即每个叶片是一个平面，这个平面表示其形状及太阳光入射角的特性。另一种模型是根据模仿不同种类植物的形状和排列建立的。例如，能用一定排列的一批粗略表示个别植株形状的圆柱体，做玉米植株的模型。可以用放置在不同间隔的锥形物，表示松树林的模型。
如果我们能设计出一个具有理想植冠的植物，它将像什么呢？叶子多而种植稠密的植物，在其植冠外缘，将可以吸收几乎所有的阳光，而其内部叶子将短缺阳光。最有效的植物可以打开其植冠，让光线能到达最低和最里面的叶子。顶端向上生长的叶片，可允许光线透过而照射至较低的叶片。水平生长的较低的叶片，能够吸收透过的光线。在晚上，叶片交迭的植物显现出较小的表面，这样它们就不会像别的植物那样很快变冷。
它也可以证明植物反射掉在光合作用中多余的太阳光是有效的。在哈艾法（Haifa）的以色列技术中心的农业工程师Ido Seginer推测：植物反射太阳光的能力增加，将大大减少使植物发热的能量和引起蒸腾作用。加利福尼亚大学的农学家Antoine Aboukhaled，Robert M. Hagan和David C. Davenport以及Davis，将高岭石（一种天然的粘土）覆盖物放在橙、莱檬、菜豆和橡胶作物的叶片上反射光线。他们在温室中种植这些植物，以便能测量光合作用和蒸腾作用。他们报道：在所有情况下，植物的蒸腾作用都减少，而仅在植物处于很低光照水平时，才减少光合作用。
我们内布拉斯加州大学研究组用不同的模型，计算出在半旱地条件下、作物上用具反射性的覆盖物，可以减少百分之十五到二十叶表面净得的辐射能，用水量的减少也有类似结果。我们也推测这样一种具反射性的覆盖物在大豆上不会明显减少光合作用，因为在比较低水平的光照条件下，大豆可以达到它们的最大光合作用。由于国家科学基金会支持，我们进行了一系列田间试验。我们用高岭石和硅藻土覆盖在大面积的大豆上，并测量了射入的太阳光辐射和自然状态的及被覆盖植物所反射的太阳光。我们也测定了不同波长的光线如何被反射和传播至植冠以及自然状态和被处理植株植冠的温度。
这些研究清楚地表明这些覆盖物增加了反射性，正如计算机模式所预告的那样，蒸腾作用减少了百分之十五左右。光合作用则不受影响。虽然预期光合作用会有些减少，但实际增加了光线透过植物，因为反射物强使光线进入了植冠。
除了遇到像旱灾这样的紧急严重情况，在田野的农作物上普遍使用具反射性的覆盖物，很可能是花钱太多的。但是，现在能用自然原理，发展更适宜于世界干燥地区的新品种。美国蒙大拿州大学的农学家Hayden Ferguson在七十年代初研究了二个大麦品种。除了它们是黄色外，这二个品种在每一方面都和其他大麦品种相同。Ferguson报道了上述改良品种的产量与原来的亲本品种相同，但是用水少，因为它们反射掉相当部分其他把植物加热的太阳光。
能够用许多方法培育植物的高度反射性。我们所看到的在非常明亮的室内的植物光彩，通常是由于反射光线的植物表面上的天然蜡质所引起。卡内基大学和斯坦福大学的生理生态学家James Ehlcringer、Olle Bjorkman和Harold Mooney相信，短柔毛或者多毛也是植物适应于干燥、减少吸收太阳辐射能的一种机制。他们发现沙漠灌木的短柔毛，在更加干燥的荒漠部分长得也更多。在美国查佩恩 - 厄贝那的伊利诺斯州大学农学家S. R. Ghorashy及其同工作者，在1971年发现“Clark”品种大豆的短柔毛可以降低蒸腾作用，但对光合作用显然无影响。
1976年10月，Ehleringer和他的同事报道了生长在加利福尼亚州死谷中的越冬一年生的沙漠报春花的行为。这种沙漠植物在下雨后异常迅速地生长。研究者测量了它此时的光合作用速率。他们发现它是一般植物在正午阳光条件下光合作用速率的百分之八点五，即为理论可能最大值的百分之八十，因而大大超过了一般农作物的性能。
在六十年代末，西德植物学家0. L. Lange、W. Koch和E. D. Schulze比较了纳巴塔人在内杰夫沙漠建立的农业基地的一些栽培植物和野生植物的用水效率。他们报道了二种本地植物用水极其有效。枸橼西瓜在溪谷中生长溪谷是传送该地区稀有雨水的地方，那里植物生长茂盛。而另一种矮小的丛生灌木用水很少，但令人遗憾的是它只能产生很少的植物材料。
许多其他沙漠植物具有适合它们在极干燥条件中生存和有效生长的特性，科学家们研究了在百万年以上逐渐形成的、这些具有不同特征的植物的手段。将来培植的农作物是可能会利用这些种植物优点的。
当然，植物栽培、水土控制和改变小气候，还不能对世界粮食问题提供完善答案。营养物和食物分配问题，经济和政策问题仍然存在。但是，这一农业研究将帮助我们使用世界较干燥部分供应人类食物，甚至可让我们总有一天可以控制沙漠。
〔译自Science Year，The World Book Science Annual 1979〕
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* 作者系美国内布拉斯加州（Nebraska）大学农业气象学教授。