作物科技，博大精深

王艷杰 常旭虹 王德梅 楊玉雙 趙廣才

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所,北京 100081）

農(nóng)作物是指人類對(duì)原始野生植物經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期有意識(shí)或無(wú)意識(shí)的選擇、隔離、馴化、培育，形成了比原始植物更適合人類需要的品種和類型，為人類栽培和利用的各種植物。也可以說(shuō)是人類大面積栽種或大面積收獲其果實(shí)、種子、葉、根（變態(tài)根）、莖（變態(tài)莖）以及花，供盈利或食用的植物的總稱。野生植物被馴化栽培成為作物已有1 萬(wàn)多年的歷史。

1 作物分類與方法

農(nóng)作物通常有不同的生命周期。一般草本作物從春季播種萌發(fā)到秋季成熟收獲，其全生命周期在一個(gè)年度內(nèi)完成的，稱為“一年生作物”。有些作物如冬小麥、冬大麥等秋季播種后須經(jīng)過(guò)低溫的冬季到翌年夏季成熟的，稱為“越冬一年生作物”或“越年生作物”。有些作物如甜菜、菠菜、白菜、蘿卜等，第1 年播種后當(dāng)年完成營(yíng)養(yǎng)體生長(zhǎng)，必須經(jīng)過(guò)一個(gè)冬季到翌年才開花結(jié)實(shí)的，為“二年生作物”。還有如苧麻、苜蓿、甘蔗、除蟲菊、菠蘿等的生命周期延續(xù)3 年以上，每年除收獲地上部分外，其地下部的根芽或根狀莖可連續(xù)生長(zhǎng)并可用以進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)體繁殖的，為“多年生作物”，多生長(zhǎng)在亞熱帶或熱帶。有的作物如棉花、蓖麻，在溫帶為一年生，在熱帶則可成為宿根性多年生作物。至于茶、桑、果樹等木本植物，則都屬多年生作物。

從作物生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)光周期的反應(yīng)看，大致可分為長(zhǎng)日照作物和短日照作物兩類。前者在生長(zhǎng)期間的某個(gè)階段每天所需光照時(shí)間較長(zhǎng)，一般須超過(guò)臨界日長(zhǎng)才能完成生殖生長(zhǎng)而形成花芽。若光照時(shí)間不足，生殖生長(zhǎng)就會(huì)減緩而推遲開花結(jié)實(shí)；反之，則能促進(jìn)生殖生長(zhǎng)。這類作物多為適于北方生長(zhǎng)的麥類、亞麻、甜菜和馬鈴薯等。短日照作物生長(zhǎng)過(guò)程中的某個(gè)階段每天光照長(zhǎng)度短于其臨界日長(zhǎng)才能形成花芽，黑暗時(shí)間延長(zhǎng)可促進(jìn)生殖生長(zhǎng)；而光照時(shí)間延長(zhǎng)只能促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)。一些春播秋熟作物如水稻、玉米、高粱、大豆和大麻等屬于這一類。

根據(jù)作物在光合作用中如何固定二氧化碳（CO2）又可分為碳三作物和碳四作物。CO2同化的最初產(chǎn)物是光合碳循環(huán)中的三碳化合物3-磷酸甘油酸的作物，稱為碳三作物（C3 作物），如小麥、大豆、煙草、棉花等。生長(zhǎng)過(guò)程中從空氣中吸收CO2首先合成蘋果酸或天門冬氨酸等含四個(gè)碳原子化合物的作物稱為碳四作物（C4 作物），如玉米、高粱、甘蔗、莧菜等。C3 作物比C4 作物CO2補(bǔ)償點(diǎn)高，所以C3作物在CO2含量低的情況下存活率比C4作物低。

作物的繁殖方法一般可分為有性繁殖與無(wú)性繁殖兩種類型。

一是有性繁殖。指作物親本產(chǎn)生的有性生殖細(xì)胞（配子），經(jīng)過(guò)兩性生殖細(xì)胞（例如精子和卵細(xì)胞）的結(jié)合，成為受精卵，再由受精卵發(fā)育成為新個(gè)體的生殖方式。通俗地講就是作物經(jīng)過(guò)開花結(jié)實(shí)，利用種子傳播后代。其中，有的作物可進(jìn)行自花授粉，就是雌蕊和雄蕊在同一朵花內(nèi)，自交結(jié)實(shí)，其異交率低于5%的稱自交作物，自然界少數(shù)植物是自花授粉的，如大麥、小麥、水稻、大豆等。自交率在5%～50%的作物則稱為常異交作物，如棉花、高粱、谷子等。有的為異花授粉，雌雄花異株或雖同株但雌雄蕊不在同一花內(nèi)；也有雌雄蕊雖在同一花內(nèi)，但由于形態(tài)上、時(shí)間上和生理上的限制，自花授粉困難，須通過(guò)風(fēng)媒、蟲媒，其天然雜交率在50%以上，高的可達(dá)100%，這類作物屬于異交作物，如玉米、甜菜、大麻等。

二是無(wú)性繁殖。無(wú)性繁殖不涉及生殖細(xì)胞，不需要經(jīng)過(guò)受精過(guò)程，是直接由母體的一部分直接形成新個(gè)體的繁殖方式。無(wú)性繁殖在生物界中較普遍，有分裂繁殖、出芽繁殖、孢子繁殖、營(yíng)養(yǎng)體繁殖等多種形式。最常見(jiàn)的就是利用營(yíng)養(yǎng)器官進(jìn)行繁殖，如塊根、塊莖、根莖、球莖、鱗莖、地上莖等均為無(wú)性繁殖體，常見(jiàn)的有大蒜、馬鈴薯、甘薯等。此外，還有扦插、壓條、分株、嫁接等方式都屬于無(wú)性繁殖，以果樹居多。

農(nóng)作物種類繁多，曾為人類栽培利用過(guò)的植物有2000 種以上，根據(jù)人類利用農(nóng)作物的類型，通常分為糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物、飼料作物和綠肥作物等。

2 糧食作物

糧食作物是以收獲成熟果實(shí)為目的，經(jīng)去殼、碾磨等加工程序而成為人類基本食糧的一類栽培植物。糧食作物是農(nóng)作物中的主導(dǎo)作物，也是人類主要的食物來(lái)源，世界糧食作物種植面積約占農(nóng)作物總播種面積的85%，其中小麥、水稻和玉米是糧食作物中最重要的3 種作物，約占世界糧食總產(chǎn)量的80%，占世界食物的一半以上。糧食作物不僅為人類提供食糧，以維持生命的需要，并為食品工業(yè)、飼料工業(yè)等提供原料，故糧食生產(chǎn)是多數(shù)國(guó)家農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)。糧食作物包含以下幾種類型。

2.1 谷類作物（絕大部分屬禾本科）谷類作物是以收獲籽粒食用為主要目的。籽粒中含有大量的淀粉和一定比例的蛋白質(zhì)、脂肪、礦物質(zhì)、維生素、纖維素以及其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等。主要的糧食作物有小麥（包括普通小麥和硬粒小麥）、水稻（包括秈稻、粳稻、糯稻）、玉米（包括普通玉米、糯玉米、甜玉米等）、大麥（包括皮大麥和裸大麥）、燕麥（包括皮燕麥和裸燕麥）、蕎麥（包括甜蕎麥和苦蕎麥）、黑麥、小黑麥、谷子、高粱、黍稷、稗和薏苡等，這些作物屬于禾本科，也叫禾谷類作物。但蓼科的蕎麥、莧科的籽粒莧和藜麥等，因其用途與禾本科糧食作物相似，通常也歸入谷類作物，或名為假谷類。谷類雖然有多種，但其結(jié)構(gòu)基本相似，都是由谷皮、胚乳、胚芽3個(gè)主要部分組成。谷類是人體最主要的熱能來(lái)源，中國(guó)傳統(tǒng)食物是以谷類食物為主的，人體所需熱能約有80%、蛋白質(zhì)約有50%都是由谷類作物提供的。

2.2 豆類作物（屬豆科）豆類作物是以收獲成熟籽粒為目的，主要有大豆、花生、綠豆、小豆、蠶豆、豇豆、豌豆、菜豆、蔓豆、鷹嘴豆、飯豆、刀豆和濱豆等。豆類作物的種子含有大量的淀粉、蛋白質(zhì)和脂肪，是營(yíng)養(yǎng)豐富的食料。中國(guó)是栽培豆類最豐富的國(guó)家之一。豆類成熟籽粒中的蛋白質(zhì)含量高于其他作物，如大豆可達(dá)40%，其他豆類大多在20%～30%。豆類可直接食用或加工成各種豆制品。大豆、花生榨油以后產(chǎn)生的豆餅或粗粉，除可作為精飼料外，還可精制成濃縮蛋白。此外，由于與豆類作物共生的根瘤菌能固定空氣中的游離氮，同時(shí)豆類的圓錐根吸收土壤深層養(yǎng)料和水分的能力優(yōu)于谷類作物，因此，種植豆類作物時(shí)同谷類作物輪作或間作，還有充分利用和培養(yǎng)土壤肥力的作用。

2.3 薯芋類作物（或稱根莖類作物）薯芋類作物是以收獲富含淀粉和其他多糖類物質(zhì)的膨大塊根、球莖或塊莖為目的。有旋花科的甘薯，茄科的馬鈴薯，大戟科的木薯，薯芋科的薯芋、山藥、大薯，天南星科的芋、紫芋、蒟蒻，菊科的菊芋，豆科的豆薯，美人蕉科的蕉藕等。這類作物的地下根莖膨大，由薄壁細(xì)胞所組成，以貯存淀粉為主，也含有2%左右的蛋白質(zhì)和一些維生素。除豆薯用種子繁殖外，其余均用根、莖繁殖。這類作物對(duì)逆境和病蟲害抵抗能力強(qiáng)，易于栽培，產(chǎn)量高。因鉀能促進(jìn)淀粉的合成和積累，施肥時(shí)重視鉀在三要素中的配比常有利于增產(chǎn)。薯類除供食用和飼用外，還是工業(yè)上生產(chǎn)淀粉、葡萄糖、糊精、合成橡膠和酒精的原料。

3 經(jīng)濟(jì)作物

經(jīng)濟(jì)作物又稱工業(yè)原料作物，指具有某種特定經(jīng)濟(jì)用途而為人類栽培的一類植物。廣義的經(jīng)濟(jì)作物還包括蔬菜、瓜果、花卉、果品等園藝作物。經(jīng)濟(jì)作物按其用途分為以下幾種類型。

3.1 纖維作物纖維作物是以收獲纖維為主要目的?？砂葱纬衫w維的組織、器官類別分為：（1）種子纖維。如錦葵科的棉花，其纖維系由胚珠的表皮細(xì)胞延伸而成，是最主要的紡織原料。（2）韌皮纖維。如各種麻類的纖維，由莖部的韌皮層形成。其中蕁麻科的苧麻、亞麻科的亞麻和夾竹桃科的羅布麻等的纖維長(zhǎng)而整齊，質(zhì)地柔軟，含木質(zhì)素少，可用于紡織優(yōu)良麻織品；大麻科的大麻、田麻科的黃麻、錦葵科的苘麻和紅麻及豆科的檉麻等因紡性較差，多用以制作粗麻布、麻袋、地毯、麻繩等。（3）葉纖維。多為熱帶單子葉植物，如龍舌蘭科的劍麻、番麻，芭蕉科的蕉麻，鳳梨科的鳳梨等。其葉鞘或葉部的維管束纖維粗硬，不能供紡織用，但拉力強(qiáng)、耐濕、耐鹽、耐磨，可用以編制各種粗繩索，在航海、采礦、鐵路運(yùn)輸上用途很廣。棕櫚科的棕櫚則可做墊、刷與簑衣等。其他如莎草科的茳芏、堿草、藨草，燈心草科的燈心草，禾本科的蘆葦、芨芨草等，其葉纖維也可供編織用。以上各種纖維還均可用作造紙?jiān)?。?）木纖維。主要來(lái)自木本作物，常用以制造優(yōu)質(zhì)紙張。

3.2 油料作物油料作物是以收獲含油器官榨油為目的。除豆類作物種子富含油脂的花生、大豆等兼為重要的油料作物外，還包括十字花科的油菜、芥菜、油蘿卜，胡麻科的芝麻，菊科的向日葵、紅花，亞麻科的胡麻，唇形科的紫蘇、白蘇，大戟科的蓖麻等。錦葵科的棉花，其籽仁也含有很豐富的油脂和蛋白質(zhì)。木本植物如油茶、胡桃、油橄欖、油棕、油桐和烏桕等，有時(shí)也被列為油料作物。各種作物種子的含油量不同，如大豆含油量為20%左右，油菜、向日葵、胡麻、油茶、紅花等為40%左右，芝麻、花生、蓖麻、油桐、烏桕等為50%左右，椰子、油棕種子的含油量則可高達(dá)60%。

3.3 糖料作物糖料作物是以收獲植物體的含糖部位供工業(yè)上制糖用的一類栽培植物。糖分在植株上存貯的部位因作物而異，如甘蔗、蘆粟、糖槭在莖部，甜菜在根部，糖棕在花部，其成分主要是蔗糖、葡萄糖和果糖。世界栽植最普遍的工業(yè)制糖原料，在低緯度地區(qū)為甘蔗，在高緯度地區(qū)為甜菜，含糖量均在15%～20%。制糖的副產(chǎn)品糖蜜和殘?jiān)?，可作為酒精或其他化工產(chǎn)品的原料。薔薇科的懸鉤子和菊科的甜菊，葉部含高甜度物質(zhì)糖苷——雙苷配糖體，其甜度為蔗糖的300 倍，可作甜味劑和糖尿病患者的輔助藥劑。

3.4 飲料作物飲料作物是指收獲物中含有一定量的咖啡因，用作飲料時(shí)對(duì)人體有興奮作用的一類栽培植物。主要有茶葉、咖啡、可可、啤酒花等。茶的嫩葉可制成茶葉，咖啡、可可的子實(shí)經(jīng)加工后可制成飲用品。梧桐科的可樂(lè)果，種子中咖啡因含量達(dá)2%，是很強(qiáng)的興奮劑，為制造可口可樂(lè)汽水的原料。此外，大麻科的蛇麻，俗名啤酒花，可作制啤酒時(shí)的添加物，本身不含咖啡因，但其花序所含蛇麻香脂腺分泌的揮發(fā)油、苦味素、樹脂和單寧等成分，能使啤酒具有芳香和略帶苦味，故也可歸入此類。

3.5 調(diào)料作物調(diào)料作物是指能產(chǎn)生芳香或具辛辣味的揮發(fā)性物質(zhì)而為人類利用的一類栽培植物。多用作食品的輔料，以促進(jìn)人的食欲。調(diào)料作物有草本植物和木本植物兩種類型，草本植物主要有姜科的姜，百合科的蔥、蒜，茄科的辣椒，十字花科的芥菜種子，傘形科的茴香等。木本植物有蕓香科的花椒，胡椒科的胡椒，樟科的肉桂，八角科的八角，桃金娘科的多香果等。

3.6 藥用作物藥用作物是指含有各種生物堿和苷類等有機(jī)化合物，可以用來(lái)治療各種人、畜疾病而為人類栽培的一類植物。其植株的全部或一部分供藥用或作為制藥工業(yè)的原料。常用的藥用植物有700 多種，其中300 多種以人工栽培為主，傳統(tǒng)中藥材的80%為野生資源。如人參、杜仲、銀杏、靈芝、代代花、薄荷、枸杞、黃芪、沙參和顛茄等。由于保健事業(yè)的發(fā)展，對(duì)中草藥的需求與日俱增，野生草藥供不應(yīng)求，不斷發(fā)展人工栽培是大勢(shì)所趨。

3.7 染料作物染料作物是指以提取植物的天然色素用作染料而為人類栽培的一類植物。在合成染料未普遍應(yīng)用之前，染料主要取自植物。中國(guó)的傳統(tǒng)染料，藍(lán)色主要原料為蓼科的蓼藍(lán)葉、豆科的木藍(lán)葉；紫色主要來(lái)自紫草科的紫草根；紅色主要為菊科的紅花花冠和茜草科的茜草根等。在歐洲則常用十字花科的菘藍(lán)葉染藍(lán)色，用木藍(lán)草科的木藍(lán)草葉染深黃色，用千屈菜科的散沫花枝葉染橙色，用姜科的郁金塊莖染橙紅色等。

3.8 嗜好作物嗜好作物是指以滿足人類某種嗜好而栽培的一類植物。在中國(guó)常見(jiàn)的嗜好作物為煙草。煙草是茄科煙草屬植物，一年生或有限多年生草本植物，原產(chǎn)于南美洲，在中國(guó)也有悠久的栽培和應(yīng)用歷史。煙草能制成卷煙、旱煙、斗煙、雪茄煙等供人吸食。雖然煙草給人類帶了很多危害，甚至被稱為“毒草”，許多國(guó)家或地區(qū)明文限制流通或抽吸，世界衛(wèi)生組織成員還簽署了《煙草控制框架公約》，但是，煙草尚有多種醫(yī)療用途。全株可藥用，作麻醉、發(fā)汗、鎮(zhèn)靜和催吐劑，還可作為農(nóng)藥用于殺蟲。

3.9 芳香作物芳香作物是指具有香氣和可供提取芳香油而為人類栽培的一類植物。這類植物的根、莖、葉、花、果、種子中具有烴類的萜與氧化、硫化油成分，揮發(fā)到空氣中呈芳香氣味，可用以制造化妝品、食品或熏制茶葉。芳香作物給人心曠神怡的感覺(jué)，越來(lái)越多應(yīng)用于人們的生活，常常被制作精油等。芳香作物提煉出的芳香油是香料工業(yè)和食品工業(yè)的重要原料和配料，在醫(yī)藥、煙草以及油漆、油墨、皮革、塑料和紙張等日用工業(yè)中，亦有廣泛用途，如薰衣草、水仙花、桂花、梅花和球莖茴香等。

3.10 園藝作物園藝作物原指種植在有圍籬保護(hù)的園圃內(nèi)的植物，現(xiàn)代園藝作物泛指那些相對(duì)集約栽培的、具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值、供人類食用或觀賞的一類植物，主要包括果樹、蔬菜、花卉、瓜類和食用菌等。園藝作物和人類的關(guān)系極為密切，是我們?nèi)粘Ｉ铍x不開的一類植物，也是人類較早栽培的一類植物。園藝作物既有喬木、灌木、藤本，也有一年生、二年生及多年生草本，還有許多真菌和藻類植物，資源十分豐富，種類極其繁多。隨著人類文明的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，還會(huì)有新的園藝作物不斷被人類馴化和培育出來(lái)。

3.11 其他作物如橡膠。此類作物含有白色液體乳膠，名橡漿。其成分為水、碳?xì)浠衔铩渲?、油脂、蛋白質(zhì)、糖和生橡膠，凝固后成為彈性、韌性很強(qiáng)的橡膠。橡膠對(duì)人類有很大的利用價(jià)值，是重要的工業(yè)原料。已經(jīng)廣為栽培的木本橡膠作物主要有大戟科的橡膠樹，?？频陌湍民R橡膠樹和印度橡膠樹。草本橡膠作物有菊科的橡膠草和橡膠菊等。在美洲熱帶還有一種糖膠樹，所產(chǎn)生的糖橡膠可制作口香糖。

4 飼料作物

飼料作物是指主要以生產(chǎn)畜禽飼料為栽培目的的一類植物。多數(shù)以全部植株作為飼料，如豆科的苜蓿、草木樨等，禾本科的黑麥草、無(wú)芒雀麥草、燕麥草和蘇丹草等。其他如紅萍、水葫蘆等也可作為飼料作物。另外一些可以兼作飼料的作物，其種子和植株莖葉都可以作為飼料，如小黑麥、谷子、高粱、黑麥和大豆等。還有一些作物的莖葉及其塊根都可作為飼料，如甘薯、甜菜、蕪菁和胡蘿卜等。

5 綠肥作物

綠肥作物是指主要用于提供作物肥源、培肥和改良土壤為目的而栽培的一類植物。栽培綠肥以豆科作物為主，如紫云英、苜蓿、草木樨、檉麻、田菁、蠶豆、豌豆、秣食豆、苕子和紫穗槐等；非豆科作物有肥田蘿卜和蕎麥等；各種水生綠肥，如紅萍和水葫蘆等。根據(jù)農(nóng)耕季節(jié)和人們的需要，在綠肥作物經(jīng)過(guò)一定時(shí)間生長(zhǎng)后，將其綠色莖葉切斷粉碎，直接翻入土中作為肥料，既可以節(jié)省人力，減少運(yùn)輸費(fèi)用，也可以將其漚制成肥或用作堆肥。綠肥可以提供大量有機(jī)質(zhì)和其他營(yíng)養(yǎng)成分，能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)土壤熟化，對(duì)培肥地力和改良土壤有很好的作用。