新农科与物理学

2019-02-18贾贵儒何志巍刘玉颖

物理与工程 2019年6期

贾贵儒何志巍刘玉颖

(中国农业大学理学院应用物理系，北京 100083)

2004年至2019年连续16年的“一号文件”讲的都是农业问题，可见中央非常重视农业。党的十九大报告中指出：农业农村农民问题是关系国计民生的根本性问题。必须始终把解决好“三农”问题作为全党工作重中之重。农业出路在现代化，农业现代化关键在科技进步。农业4.0的乡村振兴、产业兴旺、生态文明、健康中国等都对推进我国农业现代化建设、对农业高等教育提出了新的要求。

1 我国农业现状

1.1 改革开放四十年的辉煌成就

四十年的改革开放，中国农业发展成就辉煌。2017年，粮食总产量6.18亿吨，人均445公斤；肉类总量8588万吨，人均62公斤；水产品总量6953万吨，人均50公斤。1978年，第一产业劳动力占比70.5%，到2017年第一产业劳动力占比为27%。(1)数据取自2018年1月在北京国际会议中心招开的“全国智慧农业论坛”中张红宇报告“现代农业的第三条道路——中国的现状与未来”。

1.2 差距依然存在

2017年我国粮食累计进口1.3062亿吨，其中，大豆9553万吨，稻米403万吨，小麦442万吨，玉米283万吨。粮食进口实际已占我国全年粮食总量的17.45%，超过“红线”12个点。农业劳动生产效率低下，2015年四国人均农业生产总值：美国：80537.73美元；日本：55900.97美元；中国：1465.22美元。①

1.3 当前农业面临的问题

当前我国农业也面临着严峻的挑战，主要表现在农村劳动力老龄化、农业生产成本上升、农产品国际竞争力下降、农业生产组织化与市场化程度低、生态环境亟待改善等方面。

(1) 还有农村土地无人耕种。一些远离城镇的乡村，年轻人进城打工，孩子进城读书，还在务农的多是老人和妇女。

(2) 种地的成本增大。出现农民不愿意卖粮、不愿意种粮的现象。

(3) 有些高产量是化肥农药过度催生的结果。

(4) 如果进口粮食价格更低，有些粮库就一味地收购进口粮食。

(5) 生态环境被破坏。有关部门通过对118个城市连接监测数据显示发现，约64%的城市地下水遭受严重污染，33% 的地下水受到轻度污染，基本清洁的地下水只有3%;目前全国耕种土地面积的10%以上已受重金属污染，共约1.5亿亩;此外，因污水灌溉而污染的耕地有3250万亩;因固体废弃物堆存而占地和毁田的约有200万亩，其中多数集中在经济较发达地区。

2 当代世界农业的几种先进模式

它们的共同特点是科技领先，形成规模，实现机械化、标准化和专业化生产，农业劳动生产效率高。

2.1 美国农业：大农场模式——机械化、标准化和专业化

美国人口只有3亿左右，其中农业人口还不足全国人口总数的2%。一个农民可以照料6～7万只鸡、5000头牛，可以生产谷物10万公斤，生产肉类1万公斤，养活98个美国人和34个外国人。美国对农业人才的培养是成功的，秉承科研+教育+推广“三位一体”的体系，有4大研究中心、130多所农学院、56个州农业试验站、1200家科研机构主要服务于农业、3300多个地区性推广站和农业合作推广机构、63所林学院、27所兽医学院、9600名农业科学家、1.7万人左右的农技推广人员。[1]

2.2 荷兰农业：人工环境农业

荷兰国土面积41864平方公里，只有重庆市的一半，但是全球第二大食品出口国。荷兰是世界上最大的土豆和洋葱出口国。在全球蔬菜种子贸易中，超过1/3的种子来自荷兰。荷兰种植大棚具有高净空、增温、补碳、补光、营养控制、消毒的特点。番茄温室种植，12月种植，3月初收获，到11月结束。8个月采收期。温度不超过28℃，晚上在20℃左右，形成温差。一亩地50吨产量(每平方米75公斤)。辣椒大棚，每平方米30公斤。[2]

2.3 德国：农民持证上岗、农产品标准化严格农业法律法规完善

德国的城市和农村几乎没有差距，到处都是农田。农业利用的土地占国土面积的47.4%，柏油路通达每家每户。德国的农业从业人员约占总劳动力的2%，一个农民可以养活150人，未来，还要达到300人的目标。德国农民均为持证上岗，年轻的新农民必须受过9年义务教育，再经过最少3年的职业培训。德国农产品标准化严格，十分强调农产品安全问题。德国农业法律法规完善为农业发展保驾护航，为农业发展建立了金融体系和土地流转制度，政府大力的财政支持让土地和农民都活了起来。[3]

2.4 以色列：节水灌溉、商品率高

以色列资源非常稀少，有一半的土地是沙漠，可耕地面积非常少，水资源非常缺乏。以色列的农业非常发达，一个农业人口可养活90～100人。发达的自动化温室控制技术，先进的节水灌溉技术，精确化的育种开发技术及水肥一体化技术。劳动生产率达到日本3倍，中国12倍，耕地生产率是世界最高，达到了美国的近5倍。以色列平均每头牛产奶10500公斤，棉花单产居世界之首，亩产近500公斤(中国为114公斤)、柑桔亩产多达3吨(中国为0.5吨)。[4]

2.5 日本农业：商品率十分高——第六产业

日本属于岛国，没有发展农业的先天条件，但是日本商品率十分高，高达95%，部分达到100%。商品率是农业上从自给性生产向商品经济转化的重要指标。一般农户全年只生产1～2个品种。搞农业的不仅只搞种养(第一产业)，还要加工农产品(第二产业)，销售农产品(深加工)或配套服务(第三产业)，这样才能获得多环节增值价值。“1+2+3”=6。这就是“第六产业”的来历。[5]

3 对农业问题的认识及规划的建议

3.1 规划未来的中国农业必须要解决的几个问题

3.1.1 确保粮食安全

这是个关系国计民生的大问题。必须以中国供给解决中国需求，以中国资源解决中国问题。既不排斥进口，又不能依赖进口。

3.1.2 确保增加农民收入——提高农业生产效率

这是个关系社会稳定的大问题。

3.1.3 建立新时代的土地制度

目前我国土地所有权、承包权、经营权“三权分置”，我们要完善土地流转制度，让土地和农民都充分运行，保证国家和农民的利益。[6]

3.2 对农业问题的认识与规划的建议

3.2.1 树立正确的农业观念

仍有个别人对农业的认识仍停留在一个家庭种几亩地，以自给为主的生产模式，对当今世界先进农业缺乏了解。建议将当代几种农业先进模式和国内一些优秀的农业模式制作成电视片，在电视台长时间连续播放，拓展视野、开启民智，让各地农民参考借鉴，创造自己的农业新模式。

3.2.2 未来农业的根本问题是科学技术

农民的整体文化偏低，缺少农业科技知识。现在农村人口约80%在36岁以上。我国农业高校的优势学科主要集中在传统的种植与食品加工领域，相对单一，与农业产业链与价值链结合不足，尚未实现农科与资源集约利用、生态文明建设等领域的有效衔接，高等教育中人才培养结构与市场脱节，专业设置及课程体系陈旧，农科大学生科学基础知识不厚，运用现代科学技术的能力不足，人文素养欠缺等问题。农业院校用统编教材，缺少特色，缺乏针对性。

美国、德国的农业生产模式给我们的启示——未来农业不一定需要那么多的农民；荷兰的农业生产模式给我们的启示——未来农业不一定需要那么多的耕地；以色列的农业生产模式给我们的启示——未来农业不一定需要那么多的水。务农人口减少，耕地流失，这些是表面问题。未来农业的根本问题是科学技术。

3.2.3 对全国地势平坦的大片耕地建立大型农场

改革开放40年农业成就辉煌，以黄淮海平原的曲周为例，过去是盐碱地亩产粮仅100公斤，现今粮食亩产达1000公斤。下一个40年怎么办？建议对全国地势平坦的大片耕地建立大型农场，作为国家商品粮基地，确保粮食安全。这样有利于大规模集约化，实现机械化、自动化、智能化、标准化生产，有利于减少务农人数、提高生产效率、增加农民收入。

3.2.4 在大中城市50～100公里范围建立副食品基地

建立蔬菜大棚、大型养殖场、大型加工厂，副食品基地提供城市中所需求的70%副食品。这样有利于减少中间环节、消除长途运输、降低损耗、保鲜、降低成本、增加农民收入，有利于城市副食品数量与质量的保障，同时发展旅游观光农业。

3.2.5 在多山地区以特色农业为主

组织农业合作社，提高商品率，把小农户带入现代农业产业链。农民只负责种、养，只生产1～2个品种，政府负责修路，企业负责销售。

4 新农科

“近年来我国高等农业教育取得了飞速发展，国际地位显著提升，但仍存在总体水平有待进一步提高，与农业产业发展结合不够紧密，对农业发展的贡献率不足，学科结构相对单一，课程体系陈旧，重专业教育轻通识教育，学生科学基础知识不深厚，运用现代科学技术的能力不足，交叉融合不足，人才培养结构不尽合理等诸多问题，尚不能满足国家农业农村现代化对农业科技教育的需求[7]”。传统农科发展面临的这些瓶颈问题，依靠传统发展路径难以在人才培养、引领国际科技前沿以及重大科技成果产出等方面实现大的突破。

农业系统是复杂巨系统，已经很难再依靠“点”上的技术突破实现整体提升。整体思维和系统认知分析技术是实现农业科技突破的首要前提。当事物发展到“拐点”时，必须调整方向。农科教育沿着惯性轨道前进已经行不通了。到目前已经有浙江大学、上海交大、北京大学等8所大学成立了农学院或涉农专业，今年中国农科院成立了中国农科院大学。与传统农科相比，“新农科”更强调整体思维和系统认知分析，更强调学科的实用性、交叉性与综合性，要用现代生物技术、信息技术、工程技术等现代科学技术改造现有涉农专业，加快布局涉农新专业，助力打造天蓝水净、食品安全、生活恬静的美丽中国。过去“工科”与“农科”经纬分明，“新农科”将使“工科”与“农科”的界线模糊不清，“新农科”对物理学的需求将越来越高。

传统农业所关注的“种”和“养”的基本问题，已经转移到现代农业的信息化、智能化、机械化和生态环境的化肥农药超标、农业废弃物的处理和防疫等问题。使命呼唤担当，使命引领未来。新时代下“新农科”的提出既展现了高等农林教育的美好愿景，也对高等农林教育的理念内涵拓展、人才培养模式、协调发展格局提出了新的挑战和更高的要求。面对新时代的呼唤，高等农林教育必须从根本上解决专业内涵、知识结构、培养模式等问题，识变、应变、求变，大胆改革、主动担当，加快新农科建设，才能把握发展机遇，与新时代同行。

现代农业发展要求与生命科学、信息科学、工程技术、新能源、新材料及人文社会科学的深度交叉与融合，拓展传统农业学科的内涵，提升改造传统涉农学科专业，布局发展新兴新生农科专业，构建高等农业教育的新理念、新模式，培养科学基础厚、视野开阔、知识结构宽、创新能力强、综合素质高的现代农业领军人才。实现农林教育从基于生产环节向基于产业发展环节转变、从基于农业单一维度向基于生产生活生态多重维度转变、从基于单项农业知识结构向基于交叉融合知识体系转变。

新农科遵循“学生中心、发展导向”理念，聚焦学生核心素养与能力，培养学生具备坚定的理想信念、良好的人文素养、扎实的理学基础、宽广的全球视野和过硬的核心专业能力。拓展培养规格，实现农林高等教育人才培养定位从过于强调单一专业人才培养向通专结合人才培养的转型，能够成长为具有知识融合、创新引领和服务社会的卓越农林人才。坚持目标导向，设计能够支撑新农科人才知识、能力、素质培养的新课程体系；立足新农科人才观，构建具有农科特色的通识教育课程体系；面向新专业布局，构建交叉融合、复合贯通的新农科知识体系。

2019年6月28日建设新农科的“第一部曲”《安吉共识》发布；“第二部曲”《北大仓行动》2019年在国家粮仓——东北地区开启；“第三部曲”《北京指南》2019年12月在北京中国农业大学推出。

新工科与新医科、新农科交织交融、相互支撑，新文科为新工科、新医科、新农科注入新元素，“四新”是下一轮高等教育改革的先行者、探索者、引领者。

5 物理与农业

物理学是对世界的合理解释；物理学具有极其重要的应用价值；物理学为我们提供了研究方法和思维方式；物理学总是对未知世界做永无止境的探索。物理学由知识(概念、定理和公式)、研究方法和思维方式3个层次构成。

新农科要求培养视野开阔、科学基础厚、知识结构宽、创新能力强、综合素质高、具有国际竞争能力的现代农业领军人才。新农科的物理课程既要保证物理学的系统性，又要服务于新时期的农业。教材中的内容都是昨天的科学，我们的目标是把学生送到明天的前沿。

5.1 光合作用中的物理学

5.1.1 普朗克黑体辐射公式

单位时间内，从温度为T的黑体单位面积上，频率在ν→ν+dν范围内所辐射的能量。

单位时间内，从温度为T的黑体单位面积上，频率在ν→ν+dν范围内所辐射的光子数量。单位为mol或E(爱因斯坦)，常用单位为μmol或μE。光合作用中一个光子激活一个分子。

建议编写、修订教材时将其补入。

5.1.2 光合作用中的吸收光谱曲线

为什么植物一般是绿色，因为蓝色光和红色光被植物吸收了，反射的是绿色光。下图中深色线是光合作用线，浅色线是呼吸作用线，植物的积累=光合作用—呼吸作用。植物积累较多的温度区间约10℃左右。

5.1.3 温度与光合作用和呼吸作用

光合作用，一定温度范围内线性增长，最优生长范围很小，一般不超过10℃。呼吸作用，随温度不断增强。如果夜间温度较高，反而消耗养分。

5.1.4 日照因素

太阳常数：1.3608±0.0005千瓦每平方米。光合作用饱和光强：～100瓦每平方米，不同植物有差异。

温度有季节变化，昼夜变化，不能出现霜冻。

5.1.5 光合作用中的能量传输

光合过程的量子研究已得到了可核查的重要的结果。光子被叶绿素捕捉到后，被传递到叫做反应中心的地方，在这里它被转化成化学能。而到达反应中心的路线不止一个；光子会同时走多个路线，最后找出最高效的路线达到反应中心，从而不会消耗成余热。传输效率很高，几乎没有能量损失。

5.2 教材中的内容是昨天的科学，我们的目标是把学生送到明天的前沿

物理学是由知识(概念、定理和公式)、研究方法和思维方式构成。在农耕文化的影响下，上千年来倡导唯书、唯上，反对冒险，凡事求同，随大流，不敢为天下先，缺少创新的意识和勇于探索的精神。长期以来，把知识本身看成教学的主要目的，重视学生对知识理解和记忆，而对发展人的智慧、培养创新能力关注不足。

不同专业的学生学习物理学有不同的侧重：物理系的学生为研究物理而学物理；非物理专业的学生为应用而学物理；包括文科在内的所有学生应该为提高科学素养而学物理。

中国有个故事，说是有个人遇见一位神仙，神仙问他需要什么东西。他说他需要金子。神仙用手指头点了几块石头，石头立即变成金子。神仙叫他拿去，但是他不拿。神仙问：“你还要什么呢？”他答道：“我要你的手指头。”[8]

(我们不追究故事的真实性，只研究它给的启示。)故事中的“金子”相当于物理学的概念、定理和公式，故事中“点石成金的神仙的手指头”相当于物理学的研究方法和思维方式。汪洁在《星空的琴弦》中讲：“科学精神比科学知识更重要”。《星空的琴弦》中讲：“宇宙学原理：这是现代天文学家研究宇宙天体演化所依据的基本原理，它的核心概念就是俩字平庸——就是说我们在宇宙中所处的位置和演化的阶段都是平庸而无任何特殊之处的。”“这个原理隐含着一个推论：同一个星系的多个时间断面，与多个星系的同一个时间断面是等价的。”“比如说我们要研究某个细菌的一生，不需要盯着一个细菌连续不断地拍摄，只需要对着一片细菌拍一张照片，那么这张照片中就会包含细菌们在各个年龄阶段的形态，因为我们知道所有的细菌演化过程都是差不多的”[9]。对非物理专业的学生，物理学的研究方法和思维方式比知识更重要。这是一个很好的例证。生命在各个层面都是“平庸”。我常用类似细菌的问题问学生，当他们答错时，我会对他们讲：“还需要多学一点物理学。”

物理学教育的目的不仅是学会书本上的概念、定理和公式，而更重要的是学习物理学的研究方法和思维方式。对非物理专业的物理教学要：深度适当，宽度拓展，高度突出。物理教师不仅要带领学生走前人走过的路，而且要通过这个过程让学生自己会走路、会探索，因此，仅教书本上的概念、定理和公式是不可能把学生送到明天的前沿。