◇◇新语丝(www.xys.org)(xys5.dxiong.com)(www.xinyusi.info)(xys2.dropin.org)◇◇ 　　亩产万斤到底可不可行？ 　　作者：Mayfly 　　亩产万斤曾是历史口号，也可能是一些人的理想或幻想。其虽然被多次批判 或捧红，至今也还有人相信其真实性，那么我们就需要对其进行科学考察一番。 即亩产万斤到底可不可行？尤其是随着科学技术的提高和改进，其会不会在将来 实现？乌托邦或桃花源到底存在不存在？ 　　植物将光能转化为可供人类食用的粮食有好几个步骤或过程（主要参考Zhu 等2008的报道）：1）光照射到植物体上。实际上到达地面的很多光因被遮挡、 反射、照到植株之间的空地上等原因没有被利用；2）吸收光能中的有用部分， 即植物只能吸收太阳光中的部分能量。这个步骤相当于只有一部分光到达植物体 内；3）因植物本身有颜色，吸收进来的光中有一部分因不能参加光合作用而没 有用处，只能损失掉；4）光到达叶绿体、激活光合作用反应过程要损失掉一部 分；5）光合作用过程将光能转化为植物有机质，这里植物进行光合作用反应过 程也需要消耗部分太阳能，即被叶绿体吸收的光能不能全部转化为有机质，一部 分要用于光合作用本身；6）消耗有机质用于植物的光合作用，即维系光合作用 植物需要通过呼吸作用消耗一部分能量，如分子运输等；7）生长繁殖过程要通 过呼吸作用消耗掉部分能量，即植物生成的有机质只能部分积累。比如成年人每 天都吃东西但体重却不增加，就是因为我们所食用的能量全部消耗掉了。植物生 长也一样需要消耗能量；8）人类只能取用植物已积累有机质中的一部分，如树 干和树根等就不能食用。在这八个步骤中，每一个步骤都需要消耗能量，都有能 量的耗散，因此在计算粮食产量时必需要将这八个步骤中的转化率计算在内。另 外，这些步骤过程都还受到其它条件的限制，如温度、湿度、二氧化碳浓度、植 物本身状态、多少甚至病虫害等因素的影响。 　　在第一步中，植物能接受到的太阳能一般只有全部入射能量的1%左右，Odum (1957)的实验显示水体可达到25%。据Zhu等（2008）的报道，在第二步中，植物 对光的吸收效率为48.7%；第三步的转化效率理论最大值为438×100%/487=90%； 第四步的效率为372×100%/438=85%；第五步中的理论光合作用最大效率在C3植 物（如大豆、小麦和水稻等）为65×100%/372=17.5%，在C4植物（如高梁、玉米、 甘蔗等）为85×100%/372=22.85%，平均为20%；第六步效率最大为70%；第七步 过程中的植物积累效率大约为70%－85%；第八步为30%左右（第一和最后两个数 据参考生态学教材）。 　　据钱学森1993年的说法，“据气象记录，在中国大地上每年每平方厘米上接 受的日光能量为120-200大卡，即每年每亩地接受日光能量为8-13.3×108大卡。 如百分之百地用空气中的CO2和从根吸取的水合成碳水化合物，则每亩地每年有 190-320吨。光合作用的能量效率可达50%，而粮粒只占全部产物的1/3，故理想 最高年亩产是32-53吨。说亩产万斤，才5吨，远远小于理想数。所以充分发挥科 学技术的作用是可以实现的，现在我国的亩产最高记录为1.5吨。” 　　这里钱学森所讲的“每亩地每年有190-320吨”相当于全部光能；“光合作 用的能量效率可达50%”数值太高，且只相当于上述八步中的第五步； “粮粒只 占全部产物的1/3”相当于上述八步中的最后一步。可见钱氏所考虑的能量转化 过程太简单，数值也太高，其合理性值得怀疑。如果将钱氏所说的“光合作用的 能量效率可达50%”理解为植物将光能转化为有机质的实际转化率，即认为其包 括了上述五步中的5－7步，那么钱氏所述至少还缺少上述八步中的第1－4步。 　　如果以钱学森所讲的“每亩地每年有190-320吨”作为开始，依据上述八步 中的转化率计算，则年亩产为（第一步以20%计，第七步以90%计）：190×20%× 48.7%×90%×85%×20%×70%×90%×30%＝0.54吨或320×20%×48.7%×90%×85% ×20%×70%×90%×30%＝0.9吨。实际数值只有钱氏所讲的六十分之一左右。注 意，这里还是指理想条件下的状态。实际情况是：理想条件（如温度、湿度和二 氧化碳浓度等）极难达到最适，植物也不可能天天生长等原因，这个数值至少要 打半折。在自然条件下，实际光合作用效率或植物转化率只有0.1%－2%，极少数 植物如甘蔗可达到7%－8%。如果以1%计， “每亩地每年有190-320吨”入射光能， 实际亩产只可能达到1.9－3.2吨，这还是整个植株的重量，如果考虑种子只有其 三分之一左右，故实际粮食产量只有1吨左右，所以说亩产万斤是不可能的。另 一个直观一点的数据是：亩产万斤相当于666平方米的土地上产出一万斤的粮食， 即每平方米为15斤，这意味着一米见方的地上要产出一小袋的米或是铺着一层米， 似乎也不可能。还有，根据生态学定律，能量传递大致为10%左右，故“每亩地 每年有190-320吨”入射光能似乎只能变成19－32吨的植物有机质，我们人能够 利用的最多也只有1.9－3.2吨左右。 　　Zhu等（2008）根据光合作用过程和原理推算出，考虑到光合作用过程中光 的损耗，在温度为30摄氏度、二氧化碳浓度为380ppm的条件下，C3植物的理论光 合作用最大效率为4.6%，C4植物为6%。这个数值只有钱学森所说的光合作用能量 效率为50%的十分之一左右，况且这个数值计算的起点是从植物吸收进太阳光后 进行的，即为合成的有机质占吸收光能的比值，并不是有机质与所有照射到地面 的太阳光能的比值。如果以5%计，在理想条件下，据钱学森所言之数据推算出的 理想最高年亩产为：190吨（地面光能）×20%（吸收进的光能）×5%（光合作用 效率）×90%（有效积累）×30%（种子比率）＝0.513吨或 320吨×20%×5%× 90%×30%＝0.864吨。事实上，一些高产水稻的亩产也只达到1吨左右。 　　吕盘明（http://www.docin.com/p-35191260.html）也对此问题做过计算。 根据他的数据，到达地面的太阳能为其到达地球能量（1.384千瓦/平方米/秒） 的70%，一年的日照时间为2600－2900小时（青藏高原），而植物能够利用的太 阳能只占入射能量的30%左右，其中只有50%的有效辐射，光合作用理论效率为6%， 植物可食用部分占全部植物的20%，那么这些太阳能可转化而成的植物性粮食为： 1.384千瓦/平方米/秒×666平方米/亩×3600秒/小时×2600小时× 70%× 30%× 50%×6%×20%/（4.18千焦耳/大卡）/（4000大卡/公斤）＝650公斤/年/亩。 参 考Zhu等（2008）及其它数据，这个计算中的30%略偏高，但最后的20%略偏低， 两者相抵后与现实应该相差不远。 　　每年太阳入射到地面的光能基本是固定的，因而从上述由太阳光转化为植物 有机质的步骤来看，第一步似乎有提高的空间，比如密植、尽量减少漏光或反复 照射（用镜子反射等）、培养植物新品种可以有所提高，但幅度相信有限，最多 可能只会到达30%左右（自然条件下目前只有1%左右）；第二至第七步基本无法 提高，但考虑到第五步中C4植物的光合作用效率可达22.85%，理论光合反应最大 效率可达26%，姑且认为这一步也可提高到30%；第八步可通过培养新品种来提高 产量，假定可达50%。用吕盘明的数据和此处的估计，通过提高技术手段和植物 新品种，理论上的粮食亩产量可达：1.384千瓦/平方米/秒×666平方米/亩× 3600秒/小时×2600小时× 70%/（4.18千焦耳/大卡）/（4000大卡/公斤）×30% ×48.7%×90%×85%×30%×70%×90%×50%＝3815公斤/年/亩。这可能是理论上 的粮食年产最大值或极限值。 　　如果是在室内增加光照（用强烈单色红光）、密植或立体种植、尽量减少漏 光或多重照射（用镜子反射等）、培养黑色植物（多吸光、不反射）、培养高产 植物品种如杂交水稻、保持湿度、温度等的最佳状态、时刻给予光照的情况下， 相信产量可进一步增加，如达到万斤左右。但这个过程中的能量消耗和成本可能 大于粮食产出值，人工光源也无法达到太阳的强度和效果。 　　另外一个选择是改变我们的食物成分。现在人类的主要粮食如水稻、小麦等 都是植物的种子，产量相对较小，因为植物只将三分之一左右的能量用于繁殖。 而土豆、萝卜、甘蔗、大白菜等的产量则较高，亩产一季可达到5吨以上。一是 因为这些作物含水量大，二是其可食用部分是植物粗大的根茎叶等而非较小且干 燥的种子。 　　主要参考文献 　　Odum HT. 1957. Trophic structure and productivity of Silver Springs. Florida Ecological Monographs, 27: 55-112. 　　Zhu XG, Long SP, Ort DR. 2008. What is the maximum efficiency with which photosynthesis can convert solar energy into biomass? Current Opinion in Biotechnology, 19:153–159. (XYS20110310) ◇◇新语丝(www.xys.org)(xys5.dxiong.com)(www.xinyusi.info)(xys2.dropin.org)◇◇