水稻去“水”與“藍(lán)色革命”

 Rice farming with no standing water and “Blue Revolution”

作者：徐云碧

      本期導(dǎo)讀

      水稻的起源與遺傳改良在中國

      水稻生產(chǎn)瓶頸和水稻去“水”成“稻”

      稻作的藍(lán)色革命之路

      水稻去"水"：理論研究、生產(chǎn)實(shí)踐與減排

      未來稻作育種與生產(chǎn)

      水稻去"水"和"藍(lán)色革命"相關(guān)研究的啟示

      我們在【育種MBA】0004 “稻農(nóng)一席談：作物生產(chǎn)的規(guī)?；蜋C(jī)械化與育種”（https://mp.weixin.qq.com/s/j3PnJu8nEltD0nh15eapcA）一文中，討論了改革開放前近乎原始的稻作生產(chǎn)和我本人的稻農(nóng)經(jīng)歷，同時(shí)提到了我所經(jīng)歷的美國水稻生產(chǎn)和雜交水稻育種。重點(diǎn)提到了傳統(tǒng)的育秧插秧和淹水栽培兩個(gè)重要環(huán)節(jié)對水稻生產(chǎn)產(chǎn)生的諸多限制。

      歷史上的稻作生產(chǎn)主要是種植在淹水條件下，一般要通過育苗和移栽兩個(gè)關(guān)鍵步驟。長期以來，兩大問題一直制約著水稻的高效生產(chǎn)。一是長期淹水種植和大量用水導(dǎo)致水稻很難在缺水或干旱的地方進(jìn)行栽培，限制了水稻的種植區(qū)域。二是育苗和移栽兩項(xiàng)栽培技術(shù)涉及復(fù)雜的農(nóng)事操作，很難實(shí)現(xiàn)高效機(jī)械化，導(dǎo)致傳統(tǒng)的水稻生產(chǎn)嚴(yán)重依賴繁重的手工勞動(dòng)。因此，水稻成為最難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模全程機(jī)械化的作物。這里所說的機(jī)械化不是指那種在日本和中國臺灣利用小型機(jī)械替代部分人工進(jìn)行的育秧、插秧或直播。

      以全程機(jī)械化為主導(dǎo)的高效稻作生產(chǎn)涉及三個(gè)方面，反映了美國雜交水稻公司（RiceTec, Inc.）花費(fèi)二十多年將中國的雜交水稻本地化所經(jīng)歷的路程。一是全程機(jī)械化的水稻生產(chǎn)(從飛機(jī)撒播或大型機(jī)械直播到干燥加工后裝袋銷售，收獲的稻谷不著地，不經(jīng)過人手：要求品種能在淹水條件下發(fā)芽扎根、抗倒伏、自身調(diào)節(jié)能力強(qiáng))。二是全程機(jī)械化種子生產(chǎn)(除滿足上述條件外，還要培育適合機(jī)械化制種的父母本，包括適合直播、基本不需要調(diào)控父母本花期、能夠同時(shí)播種的父母本)。三是簡化高效生產(chǎn)技術(shù) (耐除草劑、抗倒伏、養(yǎng)分高效等，以簡化栽培，并降低勞作強(qiáng)度和生產(chǎn)成本)。

      如果水稻的全生育期需水量與小麥一樣，最理想的稻作生產(chǎn)方式就是直播加旱種，像種小麥一樣種稻。這一方面是因?yàn)橐徊糠值貐^(qū)水資源的嚴(yán)重缺乏已成為這個(gè)最耗水農(nóng)作物的最大制約因素，另一方面是因?yàn)檠退喔葪l件下的育苗移栽，是高效機(jī)械化生產(chǎn)的大敵。兒時(shí)每年一個(gè)多月在泥水里彎腰曲背手工插秧的經(jīng)歷一直讓我懷揣著像小麥一樣種稻的夢想。這個(gè)兒時(shí)的夢想隨著優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)節(jié)水抗旱稻的育成和推廣已經(jīng)和正在變成現(xiàn)實(shí)。旱種與機(jī)械、無人機(jī)或飛機(jī)直播、撒播相結(jié)合，能夠像種小麥一樣種稻是真正意義上的水稻的第二次革命，實(shí)現(xiàn)從“水稻”向“稻”的轉(zhuǎn)變（圖1）。這是最有希望擴(kuò)大水稻種植面積，簡化栽培技術(shù)，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)并大幅度提高生產(chǎn)效率的途徑。培育能夠像種小麥一樣種植的節(jié)水抗旱稻，是稻作生產(chǎn)全程機(jī)械化的需要，是高效規(guī)?；咀魃a(chǎn)的需要，也是減少碳排放的需要。能夠節(jié)水和減少碳排放的節(jié)水抗旱稻也被稱作為稻作生產(chǎn)的“藍(lán)色革命”。本期MBA系列文章將介紹上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生物基因中心歷經(jīng)近三十年研發(fā)育成的節(jié)水抗旱稻及其所引領(lǐng)的稻作“藍(lán)色革命”。

圖1 水稻生產(chǎn)從手工或機(jī)器插秧向機(jī)器和無人機(jī)直播到大規(guī)模飛機(jī)直播的發(fā)展（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

      1. 稻的起源與遺傳改良在中國

      中文辭海是這樣解釋“稻“的（《辭海》第七版）：稻，植物名。亦稱“禾”“谷”，古稱“稌”“秜”等。世界主要糧食作物之一。禾本科。草本。野生稻多為多年生，栽培稻一年生。一般指栽培稻。按土壤水分的適應(yīng)性，分水稻、深水稻、陸稻；按米粒內(nèi)淀粉的性質(zhì)，分黏稻與糯稻。米粒主要作糧食外，可釀酒、制淀粉。稈和米糠可作飼料和工業(yè)原料。

      作為世界上重要的糧食作物，水稻養(yǎng)活了一半以上的世界人口，中國有60%以上的人口以大米為主食。稻屬植物包含兩個(gè)極為重要的栽培物種，即亞洲栽培稻和非洲栽培稻，分別獨(dú)立起源于亞洲和非洲。目前，亞洲栽培稻已在全球范圍內(nèi)廣泛種植。中國是亞洲栽培稻的起源地之一。農(nóng)業(yè)考古界在淮河下游江蘇高郵龍虬莊遺址出土了距今5000-7000年以前的5000多粒碳化稻；在淮河上游河南舞陽賈湖遺址發(fā)現(xiàn)了數(shù)以千計(jì)的7000-8000年以前的碳化稻米；在長江中游湖南澧縣八十垱遺址發(fā)掘出上萬粒7000-8000前的碳化古稻。考古和考古植物學(xué)的發(fā)現(xiàn)似乎都表明，水稻種植始于我國長江中游地區(qū)，而后傳向世界各地。

      研究顯示，栽培稻是由普通野生稻進(jìn)化而來。野生稻則起源于干濕交替的沼澤地帶，屬于中生植物，對水生和旱生環(huán)境具有雙重適應(yīng)性。在野生稻通往栽培稻的長久演化過程中，首先進(jìn)化成旱稻，可以在干旱條件下完成其生長發(fā)育過程，然后，隨著水利條件的不斷改善，演化成適應(yīng)于水生環(huán)境的水稻 (Molecular Plant 15 (2022) 1401-1404)。水稻和旱稻兩者在植物學(xué)和生物學(xué)上沒有顯著區(qū)別，但旱稻具有極強(qiáng)的抗旱性。

      近代以來，中國水稻育種技術(shù)不斷突破，畝產(chǎn)由不足100公斤提升至800公斤，單產(chǎn)、總產(chǎn)均居世界第一。其中，矮化育種的實(shí)現(xiàn)使中國水稻單產(chǎn)提高20%左右，三系雜交水稻的配套使雜交水稻單產(chǎn)比常規(guī)稻進(jìn)一步提升20%左右。近代中國水稻育種大致經(jīng)歷了六個(gè)時(shí)期（胡培松 圣忠華 2021 水稻種業(yè)的昨天、今天和明天）。（1）水稻第一次“綠色革命”（早于國外綠色革命10余年，黃耀祥先生以 “矮仔占”為材料，選育出“矮仔占 4 號”，培育出 “廣場矮）；（2）核質(zhì)互作雄性不育系的培育和水稻三系雜種優(yōu)勢利用（袁隆平先生及其助手李必湖等人發(fā)現(xiàn)花粉敗育野生稻并實(shí)現(xiàn)三系配套；謝華安育成抗病、高產(chǎn)、廣適雜交水稻）；（3）光溫敏雄性核不育系的培育和水稻兩系雜種優(yōu)勢利用（以石明松先生發(fā)現(xiàn)光敏核不育為契機(jī)）；（4）理想株型育種（楊守仁先生等提出高產(chǎn)水稻指標(biāo)和袁隆平先生提出超高產(chǎn)雜交水稻）；（5）秈粳亞種間雜種優(yōu)勢的利用（依據(jù)日本學(xué)者池橋宏提出的廣親和基因的概念）；（6）第二次綠色革命理念及綠色超級稻品種選育（以張啟發(fā)先生為首的一批科學(xué)家提出第二次綠色革命的 10 字口號，“少投入，多產(chǎn)出，保護(hù)環(huán)境”）。而正在經(jīng)歷的一個(gè)新的歷史時(shí)期，就是可以像小麥一樣種植的節(jié)水抗旱稻（圖2）。新的技術(shù)革命都是在過去的基礎(chǔ)上添磚加瓦，節(jié)水抗旱稻（現(xiàn)代和未來版）也將從歷次育種技術(shù)革命中獲取動(dòng)力和營養(yǎng)。

圖2 近代中國水稻育種成就及其對節(jié)水抗旱稻（現(xiàn)代和未來版）的貢獻(xiàn)

      2. 水稻生產(chǎn)瓶頸和水稻去“水”成“稻”

      中國地大物博，自然條件復(fù)雜多樣。一方面南方熱帶和多雨地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)洪澇災(zāi)害，具有充足的水分供水稻生長。另一方面，整體上中國是貧水大國，是世界上13個(gè)嚴(yán)重缺水的國家之一。而且，水資源時(shí)空分布極不均衡，北方一些稻區(qū)地下水超采較為嚴(yán)重，已難以維系同樣的稻作生產(chǎn)方式；南方稻區(qū)局部性、季節(jié)性旱災(zāi)頻發(fā)。而水稻生產(chǎn)是用水大戶，消耗了大量的淡水資源。據(jù)估計(jì)，我國每年農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的70.4%，其中水稻生產(chǎn)用水量又占農(nóng)業(yè)用水量的70% (Zhang Q. Strategies for developing green super rice. Proc Natl Acad Sci USA, 2007, 104: 16404-16407)。因此，水稻種植用水量占全國用水總量的50％左右。因?yàn)樗Y源匱乏，中國百分之七十以上的水稻種植地區(qū)都是望天落雨的缺水型中低產(chǎn)田，“水”成了一道“緊箍咒”，讓稻作改良舉步維艱。因此，農(nóng)業(yè)水資源緊缺，特別是部分地區(qū)水稻生產(chǎn)用水不足已成為繼耕地之后，長期制約中國農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素。另一方面，長期以來的淹水栽培習(xí)慣使水稻種植對水分過度依賴，形成了在其生產(chǎn)過程中田間長期保持水層的種植方式，導(dǎo)致大量的甲烷排放。同時(shí)，化肥和農(nóng)藥的施用量不斷增加，利用效率不斷降低，增加了生產(chǎn)成本，造成了嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)面源污染?？梢?，提高水稻的水分利用效率，增強(qiáng)水稻品種的抗旱性，發(fā)展節(jié)水栽培技術(shù)，是在很多稻區(qū)實(shí)現(xiàn)稻作可持續(xù)發(fā)展的必然需求。

      根據(jù)“中華人民共和國氣候變化第二次兩年更新報(bào)告”（2018年12月），中國農(nóng)業(yè)溫室氣體排放量占總排放量的8.3%，因此農(nóng)業(yè)減排是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展亟待解決的問題。水稻種植離不開水，然而為了淹水種稻而保持的水層在滋養(yǎng)水稻的同時(shí)，也把土壤和氧氣隔離開來，被水層覆蓋的土壤中會滋生大量厭氧菌，由此產(chǎn)生甲烷等溫室氣體。水稻單位面積內(nèi)排放的溫室氣體是小麥、玉米等旱作糧食作物的4倍以上。中國的水稻生產(chǎn)已形成“高產(chǎn)-大水大肥-高碳排放”的惡性循環(huán)。稻田排放的主要溫室氣體甲烷，貢獻(xiàn)了大約全球10-12%的甲烷排放量，提供了2.4%的“全球變暖效應(yīng)”。2022年6月30日，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部與國家發(fā)展改革委員會發(fā)布了《農(nóng)業(yè)農(nóng)村減排固碳實(shí)施方案》，明確提出實(shí)施稻田甲烷減排行動(dòng)。稻田甲烷主要由甲烷菌在淹水厭氧環(huán)境下分解有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生。要減少稻田“排氣”，就要減少土壤淹水的時(shí)間。因此，減少稻田碳排放最有效的方式，就是改變水稻淹水種植的模式，根據(jù)水分供應(yīng)情況，采用靈活適宜的播種方式，在不必要嚴(yán)格平整土地、不必要保留田間水層的情況下，或水直播，或旱直播；或淹水栽培，或靠天雨育。

      上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生物基因中心羅利軍團(tuán)隊(duì)經(jīng)過近30年的研發(fā)和完善，將旱稻的“耐渴”基因引入水稻，育成節(jié)水抗旱稻。它既非水稻也非旱稻，卻可像水稻一樣在水田栽培，也可像小麥一樣在旱地種植。2016年，“節(jié)水抗旱稻” (Water-saving and drought-resistance rice，WDR) 這一術(shù)語通過行業(yè)認(rèn)定并對外頒布，從此節(jié)水抗旱稻成為一種新的栽培稻類型。節(jié)水抗旱稻具有以下三個(gè)特性：節(jié)水：節(jié)水是在整個(gè)生育期間，節(jié)約灌溉用水的能力，包括兩個(gè)方面：一是水分利用效率 (Water use efficiency, WUE)，二是有效利用降水?？购担嚎购凳侵冈诟珊禇l件下的生存與生產(chǎn)能力的總和，即在一定的水分脅迫下，節(jié)水抗旱稻可維持植株較高的水勢以保持正常的生理代謝活動(dòng)?？购敌园ū芎敌?、耐旱性和復(fù)原抗旱性這三個(gè)方面，在干旱的早期，避旱性起主要作用，耐旱性被認(rèn)為是抗旱性的第二道防線。易種：易種是相對于水稻而言，指節(jié)水抗旱稻易于種植的特性，主要表現(xiàn)在耐直播、耐不良土壤（如鹽堿)、化肥利用效率高、適應(yīng)于機(jī)械化種植等。其中，適合直播是最重要的特性。早期的傳統(tǒng)旱稻種植方式是刀耕火種，因此品種適合直播，表現(xiàn)為萌發(fā)能力強(qiáng)、耐深埋、扎根快。但是，在旱稻向水稻的演變過程中，由于采用育秧移栽，這些性能基本傷失。中胚軸延長反映了品種的耐深埋能力，節(jié)水抗旱稻品種 “旱優(yōu)73”，在深埋8 cm的情況下，依靠中胚軸伸長，依然能夠保證正常出苗。

      鑒于節(jié)水抗旱稻在很大程度上不同于水稻的生理特性和栽培方式，以此為主的生產(chǎn)方式可以定義為“稻作生產(chǎn)”，從而取代傳統(tǒng)意義上的“水稻生產(chǎn)”， 淹水和田間持水成為洪澇和低洼條件下的一種特殊的非必需狀態(tài)。這也是本文在大多數(shù)情形下將“水”字去除，使用“稻”或“稻作”的原因。

      3. 稻作的藍(lán)色革命之路

      我國旱稻栽培歷史悠久。在廣西、云南等山區(qū)，目前尚有在山坡上種植旱稻的習(xí)慣。當(dāng)?shù)厣矫褚话阍?月下旬上山，放火燒山之后，將干種子直接撒播（或點(diǎn)播）于燒過的山坡地，清明雨水一澆便發(fā)芽生長。此后不澆水、不施肥、不打農(nóng)藥，直到11月再上山收割 (圖3)。這一種雨養(yǎng)或望天收的栽培模式，稻谷產(chǎn)量較低，畝產(chǎn)只有100多公斤，但適合直播，具有很強(qiáng)的節(jié)水抗旱性，其需水量僅為水稻的1/3—1∕4。據(jù)此，早年在中國水稻研究所工作的羅利軍和團(tuán)隊(duì)決定，把旱稻的抗旱和水稻的高產(chǎn)有機(jī)結(jié)合，培育出既生態(tài)又高產(chǎn)的旱稻新品種。

圖3 山坡上的傳統(tǒng)旱稻（云南景洪, 2018 年；羅利軍提供)

      為了篩選節(jié)水抗旱的稻種資源，羅利軍團(tuán)隊(duì)開始大規(guī)?？购蒂Y源評價(jià)。于1998年底，從1萬個(gè)育種資源里篩選出一個(gè)可以用于培育雜交稻的旱稻保持系，1999年篩選出129份旱稻核心資源。

      2001年，上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院從中國水稻研究所引進(jìn)羅利軍及其團(tuán)隊(duì)，組建上海市農(nóng)業(yè)生物基因中心。同年，羅利軍有關(guān)水稻抗旱性的研究（Towards better understanding and further improvement of drought tolerance in rice) 獲得洛克菲勒基金會水稻生物技術(shù)項(xiàng)目的資助。為了水稻抗旱性研究的國際合作，洛克菲勒項(xiàng)目技術(shù)官員、著名農(nóng)藝與生理學(xué)家Abraham Blum 博士多次來到中國，幫助建立抗旱評價(jià)設(shè)施和研究平臺。羅利軍團(tuán)隊(duì)將研究方向聚焦于水稻的節(jié)水抗旱研究，在海南利用山坡荒地建立了露天抗旱篩選圃，可在旱季進(jìn)行大規(guī)?？购敌栽u價(jià)；在上海建立溫室條件下可進(jìn)行水分有效控制的田間抗旱性鑒定設(shè)施?；诳茖W(xué)的抗旱性評價(jià)體系，開始進(jìn)行大規(guī)模稻種資源抗旱性鑒定評價(jià)，構(gòu)建了抗旱核心種質(zhì)資源，并對綜合抗旱性好的資源進(jìn)行避旱性、耐旱性、水分利用效率的深入研究（圖4）。隨后，相關(guān)研究陸續(xù)獲得國家 “863” 計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、上海市科學(xué)技術(shù)委員會和農(nóng)業(yè)農(nóng)村委員會重大重點(diǎn)項(xiàng)目的支持。

圖4 抗旱性表型鑒定 (Molecular Plant 15 (2022) 1401-1404)

      2003年，羅利軍團(tuán)隊(duì)培育出全球第一個(gè)優(yōu)質(zhì)旱稻不育系“滬旱1A”和首例“雜交節(jié)水抗旱稻”，兩個(gè)新組合“旱優(yōu)2號”和“旱優(yōu)3號”在節(jié)水50%的情況下，產(chǎn)量潛力與大面積推廣的雜交水稻持平，分別通過國家與省級審定。2005年正式培育集水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、旱稻節(jié)水節(jié)肥等優(yōu)點(diǎn)于一身的新型品種類型。2008 年，團(tuán)隊(duì)育成粳型節(jié)水抗旱稻不育系“滬旱 2A”。短短幾年間，包括秈型、粳型、雜交和常規(guī)四個(gè)系列的節(jié)水抗旱稻相繼問世。

      2008年，比爾蓋茨先生親自到羅利軍團(tuán)隊(duì)的試驗(yàn)田考察。隨后，比爾及梅琳達(dá)·蓋茨基金會立項(xiàng)，對抗旱育種項(xiàng)目進(jìn)行了長達(dá)10年的支持，為后期的節(jié)水抗旱稻品種在亞非多國示范推廣奠定了的基礎(chǔ)。

      2009年，羅利軍團(tuán)隊(duì)在上海召開的第三屆世界干旱大會 (InterDrought III) 上提出了并正式命名了節(jié)水抗旱稻。隨后，在世界著名學(xué)術(shù)期刊Journal of Experimental Botany上發(fā)表“Breeding for water-saving and drought-resistance rice (WDR) in China”論文，系統(tǒng)闡述了節(jié)水抗旱稻的背景、目標(biāo)、培育策略與發(fā)展前景。節(jié)水抗旱稻在灌溉條件下，其產(chǎn)量、米質(zhì)與水稻基本持平，但可節(jié)水50%以上；在沒有灌溉條件的中低產(chǎn)田種植，具有較好的抵抗干旱的能力，可實(shí)現(xiàn)旱播旱管，增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

      2016年，中華人民共和國農(nóng)業(yè)部正式頒布實(shí)施《節(jié)水抗旱稻術(shù)語》和《節(jié)水抗旱稻抗旱性鑒定技術(shù)規(guī)范》兩項(xiàng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；2018年，啟動(dòng)國家節(jié)水抗旱稻區(qū)域試驗(yàn)，極大推動(dòng)了節(jié)水抗旱稻的研究與發(fā)展。目前，已培育出秈型、粳型、雜交和常規(guī)4大系列節(jié)水抗旱稻品種30余個(gè)，其中代表品種“旱優(yōu)73”根系發(fā)達(dá)，水肥利用率高，可在海拔1300米以下的地方廣泛種植。

      2022年7月，羅利軍團(tuán)隊(duì)總結(jié)了20多年來在節(jié)水抗旱稻理論與應(yīng)用研究中的發(fā)現(xiàn)，在植物學(xué)國際權(quán)威期刊Molecular Plant上發(fā)表了觀點(diǎn)文章“Blue revolution for food security under carbon neutrality: A case from the Water-saving and Drought-resistance Rice”，提出水稻“藍(lán)色”革命觀點(diǎn)，即通過創(chuàng)新培育節(jié)水抗旱稻，實(shí)現(xiàn)旱種旱管、不需淹水栽培的稻作生產(chǎn)模式，使水稻生產(chǎn)擺脫對水的過度依賴，大幅減少稻田溫室氣體排放，促進(jìn)水稻生產(chǎn)向“資源節(jié)約、環(huán)境友好”的綠色可持續(xù)生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)型。

      4.水稻去“水”：理論研究、生產(chǎn)實(shí)踐與減排

      在節(jié)水抗旱稻基礎(chǔ)研究方面，羅利軍團(tuán)隊(duì)采用大量干旱條件和正常條件對比試驗(yàn)尋找調(diào)控抗旱性的基因，通過精細(xì)定位在第四染色體上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)能讓水稻更抗旱的基因OsRINGzf1，研究成果2022年發(fā)表于植物學(xué)國際知名期刊 Plant Biotechnology Journal。超表達(dá)該基因增強(qiáng)了水稻對干旱脅迫及鹽脅迫的抗性。相反，敲除該基因使水稻對干旱更為敏感。該基因通過減少細(xì)胞上的水分通道來減少細(xì)胞失水，提高植株在干旱條件下的保水能力。在干旱條件下，超表達(dá)該基因?qū)е庐a(chǎn)量比對照組高10%以上，從而減少干旱帶來的產(chǎn)量損失。該基因可以與OsPIP2;1等6個(gè)水通道蛋白結(jié)合，在OsPIP2;1的降解過程中發(fā)揮重要作用。水通道蛋白就是細(xì)胞膜上的“水孔”，為水分跨細(xì)胞運(yùn)輸提供通道。水分通過水通道蛋白進(jìn)入到細(xì)胞間隙，再從間隙來到葉表皮下的氣孔處，進(jìn)而通過蒸騰作用蒸發(fā)到空氣中。因此，超表達(dá)OsRINGzf1基因， “水孔”減少，水分流失就減少。

      在部分地區(qū)，中國的水養(yǎng)不起中國稻，必須解決“稻-水”矛盾。圍繞這一科學(xué)問題，羅利軍團(tuán)隊(duì)聚焦陸稻節(jié)水抗旱特性，結(jié)合水稻優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)特性，通過雜交育種創(chuàng)新培育節(jié)水抗旱稻，解決了產(chǎn)量、品質(zhì)與抗旱性難以兼具的難題。節(jié)水抗旱稻在高產(chǎn)灌溉田，如水稻一般水種旱管，可節(jié)水50％、節(jié)肥30％以上，畝產(chǎn)750公斤；在中低產(chǎn)田，可像小麥一樣旱種旱管，只要保證在出苗、分蘗、孕穗灌漿三個(gè)階段灌溉三次“跑馬水”，畝產(chǎn)600公斤；即便是“望天田”，畝產(chǎn)也能達(dá)到400公斤。實(shí)現(xiàn)了“資源節(jié)約、環(huán)境友好、農(nóng)田增值、農(nóng)民增收”的綠色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)目標(biāo)。中國現(xiàn)有2億-3億畝沙丘、鹽堿地及南方山區(qū)的旱地，如能開發(fā)一部分用于種植節(jié)水抗旱稻，可年增產(chǎn)稻谷250億公斤以上；在10-15億畝的旱地內(nèi)，特別是低洼易澇旱地，如能間種或套種一部分節(jié)水抗旱稻，可年增產(chǎn)稻谷上百億公斤。

      節(jié)水抗旱稻能夠采用水種旱管、旱種旱管，不需要在稻田建立和保持水層，可直接從源頭上解決問題，使甲烷排放量大幅度下降。2019年，上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院氣候變化與綠色生產(chǎn)研究室將此品種作為全球農(nóng)業(yè)減排方案，申請獲批歐盟“地平線2020”節(jié)能減排科研計(jì)劃。2019-2020年，經(jīng)上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生態(tài)所低碳團(tuán)隊(duì)在安徽7個(gè)縣進(jìn)行了稻田溫室氣體排放監(jiān)測，節(jié)水抗旱稻旱種旱管的碳排放相較水田減少90%以上，與玉米等旱作作物持平（圖5）。

圖5 節(jié)水抗旱稻實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約與減污降碳（https://res.cenews.com.cn/h5/news.html?id=995490 中國環(huán)境APP）

      目前，節(jié)水抗旱稻年種植面積已超過300萬畝，其中“旱優(yōu)73”（>200萬畝）已經(jīng)成為長三角種植面積最大的雜交稻品種。節(jié)水抗旱稻已經(jīng)在中國超過2/3的省市及20多個(gè)“一帶一路”國家開展了商業(yè)推廣或示范種植（圖6）。目前，在長江中下游及淮河流域，“旱優(yōu)73”、“滬優(yōu)2號”、“滬旱1516”等品種的年推廣面積超250萬畝，預(yù)計(jì)2025年年推廣面積將超1200萬畝；“滬旱106”、“滬旱6220”在東北、新疆及黃淮海地區(qū)試種示范成功，2030年預(yù)計(jì)新增種植面積將超1000萬畝；適合在華南及云貴川地區(qū)種植的“旱優(yōu)73”、“旱優(yōu)113”、“旱優(yōu)78”等相繼通過審定，2030年預(yù)計(jì)種植面積將超1000萬畝。據(jù)推算，該目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)意味著每年減少稻田甲烷排放15.6萬噸，折合二氧化碳當(dāng)量約440萬噸。如果能將這部分減少的稻田碳排放納入國際碳交易市場，可使農(nóng)民額外增收4400萬美元。

      圖6  節(jié)水抗旱稻示范與推廣。左：節(jié)水抗旱稻新品種2023年在北方（通遼）示范種植。右：在坡地上完全靠自然降雨生長的節(jié)水抗旱稻（浙江建德 2020）。 (羅利軍提供)

      在節(jié)水抗旱稻培育和種植過程中，羅利軍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)推動(dòng)節(jié)水抗旱稻走向“一帶一路”國家，成為講好中國故事、傳播好中國聲音的農(nóng)業(yè)典型案例，為全球農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)了中國智慧和力量。節(jié)水抗旱稻的科學(xué)成就隨之走向世界，在烏干達(dá)、肯尼亞、尼日利亞等非洲國家以及印度、印度尼西亞、緬甸、巴基斯坦等亞洲國家生根發(fā)芽（圖7）。節(jié)水抗旱稻“旱優(yōu)73”具有很好的廣適性，在東南亞及非洲國家，如越南，巴基斯坦，孟加拉，尼泊爾，贊比亞和烏干達(dá)等國都有不俗的表現(xiàn)。該品種在非洲表現(xiàn)十分突出，特別是在抗水稻黃斑病毒方面表現(xiàn)優(yōu)異，增產(chǎn)效果明顯，大面積種植可達(dá)700kg/畝，高出本地常規(guī)稻400kg/畝。

      圖7 節(jié)水抗旱稻在國外。左：2022年6月27日博茨瓦納代總統(tǒng)措霍瓦內(nèi)（前中）在哈博羅內(nèi)收割中國“節(jié)水抗旱稻”；新華社發(fā)，策基索特巴洛攝。右：在越南，節(jié)水抗旱稻長勢良好。

      2022年5月，為推進(jìn)水稻“藍(lán)色革命”，羅利軍提出節(jié)水抗旱稻“1522”新發(fā)展目標(biāo)，“5”是在上述拓展的1億畝中，每畝產(chǎn)量達(dá)500公斤、總產(chǎn)量達(dá)500億公斤，也就是“兩增”。此外還包括“兩減”，即在現(xiàn)有的近1億畝易受干旱影響的水稻田中推廣5000萬畝，可減少200億噸水稻生產(chǎn)用水，減少200億公斤碳排放。

      上大學(xué)前我的種稻經(jīng)歷告訴我，故鄉(xiāng)的稻田在灌漿成熟前大多是一直淹在水里的，每個(gè)村都有田間管理員巡視在地頭，隨時(shí)加固每塊田的排水口，調(diào)整稻田的水位，管理稻田的淹水狀況。灌漿完成后，為了排干田里的積水，還有把稻子移開形成一道一道的排水溝。這是除插秧外另外一種非常辛苦的活兒。在生產(chǎn)實(shí)踐上，將節(jié)水抗旱稻與直播結(jié)合起來，可省去費(fèi)工費(fèi)時(shí)的育秧和移栽環(huán)節(jié)。針對不同稻作區(qū)域，已開發(fā)出水直播旱管、旱直播旱管、覆膜旱直播旱管、 “免耕旱直播＋微噴灌”等新型栽培技術(shù)，使長期以來育秧插秧、稻田淹灌的水稻生產(chǎn)方式得到大大簡化。迄今，節(jié)水抗旱稻的價(jià)值也一再被挖掘，目前已集齊了節(jié)水、抗旱、節(jié)肥、輕簡、高產(chǎn)、質(zhì)優(yōu)、環(huán)保這“七顆龍珠”。

      60年前的“綠色革命”致力于提高作物產(chǎn)量，解決了糧食安全問題；近20年來，逐步興起的“藍(lán)色”革命則致力與解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與環(huán)境，特別是部分地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與水資源間的矛盾。節(jié)水抗旱稻推動(dòng)了中國乃至全球水稻生產(chǎn)的“藍(lán)色”革命，從種質(zhì)創(chuàng)新的角度，培育出“資源節(jié)約、環(huán)境友好”的栽培稻新類型，使水稻生產(chǎn)擺脫了對水的過度依賴，實(shí)現(xiàn)旱作生產(chǎn)，大幅減少了稻田溫室氣體排放，有利于促進(jìn)農(nóng)業(yè)減排和水稻生產(chǎn)綠色轉(zhuǎn)型。隨著節(jié)水抗旱稻國際策源中心的建設(shè)和全國節(jié)水抗旱稻全產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新聯(lián)盟的發(fā)展，節(jié)水抗旱稻在適宜地區(qū)的推廣正在推動(dòng)全球水稻“藍(lán)色紀(jì)元”的來臨，全球水稻種植也將進(jìn)入高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、綠色可持續(xù)的新時(shí)代。

      節(jié)水抗旱稻的理論和實(shí)踐逐步獲得了科學(xué)界的認(rèn)可并被給予眾多的榮譽(yù)。2010年，羅利軍主持完成的 “節(jié)水抗旱稻不育系、雜交組合選育和抗旱基因發(fā)掘”獲上海市技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)，三年后，“水稻抗旱基因資源和節(jié)水抗旱稻的發(fā)現(xiàn)與創(chuàng)制”獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。2021年，“水稻遺傳資源的創(chuàng)制保護(hù)和研究利用”獲得國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)。2023年，羅利軍研究員榮獲2022年度何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)。

      5. 未來稻作育種與生產(chǎn)

      節(jié)水抗旱稻及其類似品種將給稻作生產(chǎn)帶來四項(xiàng)革命性變化。(1) 水種改旱種或采用彈性種植方式：改全生育期淹水種植為因地制宜旱種。在洪澇和淹水地區(qū)采用淹水種植，在雨水充足地區(qū)完全靠雨育，在雨水不足地區(qū)靠間歇性灌溉、噴灌或滴灌。(2) 移栽改直播：省去育秧和插秧環(huán)節(jié)，簡化栽培模式，或旱直播或水直播，便于自動(dòng)化和機(jī)械化操作。(3) 平地改坡地：將水稻種植地從地面平整的平原、碎片式的地塊和梯田轉(zhuǎn)移到可以連片種植、不需精確平整的平原、丘陵和坡地。一方面可以增加稻作種植面積，另一方面可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械和無人機(jī)、飛機(jī)等的規(guī)?；僮?。(4）手工改機(jī)械：在適宜的地區(qū)，讓依賴手工和繁雜機(jī)械作業(yè)的稻作生產(chǎn)徹底告別育秧和插秧等傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，通過大型機(jī)械、無人機(jī)和飛機(jī)實(shí)現(xiàn)全程大規(guī)模機(jī)械化高效生產(chǎn)，極大地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和稻作生產(chǎn)效率。

      為此，進(jìn)一步改良和提高節(jié)水抗旱稻需要在理論上搞清楚為什么節(jié)水抗旱稻能節(jié)水抗旱，涉及到哪些基因、哪些機(jī)制？理論上越清晰，才越有利于進(jìn)一步尋求改良所需的種質(zhì)資源。要在更大范圍，包括 “一帶一路”國家，去推廣應(yīng)用節(jié)水抗旱稻，就需要培育適應(yīng)不同生態(tài)環(huán)境的多樣性、高產(chǎn)、多抗品種。同時(shí)，還需要建立與不同地區(qū)生產(chǎn)種植條件相適應(yīng)的栽培技術(shù)體系。此外，要圍繞種子、化肥、農(nóng)業(yè)機(jī)械、雜草控制、病蟲害防治、可降解膜等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，發(fā)展節(jié)水抗旱稻全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)。

      開發(fā)適合節(jié)水抗旱稻的除草劑，特別是適合播種前和苗期施用的廣譜性除草劑，是大規(guī)模直播種植的關(guān)鍵。在適合旱種的地區(qū)，采用間歇式灌水、噴灌和滴灌技術(shù)的直播旱作栽培方式，實(shí)行大規(guī)模成片種植，可以提升全程機(jī)械化種植水平和生產(chǎn)效率。為解決耕地不足，擴(kuò)大稻作面積，保障食物安全，在一定時(shí)期內(nèi)，需要充分利用坡地、山地、丘陵、實(shí)行“旱稻上山”（圖8）。這就需要強(qiáng)化節(jié)水抗旱稻的抗旱性和直播適應(yīng)性，使之完全可以像小麥一樣進(jìn)行種植和管理。

      圖8 旱稻上山。上圖：山改田中的節(jié)水抗旱稻（左：浙江建德 2020；右：浙江磐安 2021)。下圖：山坡上的節(jié)水抗旱稻（廣西宜州劉三姐鄉(xiāng) 2021)。引自：羅利軍，節(jié)水抗旱稻的概念與發(fā)展歷程. 上海農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào) 2022,38(4):1-8。

      6. 水稻去“水”和“藍(lán)色革命”相關(guān)研究的啟示

      也因?yàn)榇髮W(xué)同班的關(guān)系和我大學(xué)前的稻農(nóng)生涯，很多年來一直關(guān)注著羅利軍團(tuán)隊(duì)關(guān)于節(jié)水抗旱稻的研發(fā)及其進(jìn)展，并在我的微信朋友圈和撰寫的公眾號文章中反復(fù)提及。同時(shí)為該團(tuán)隊(duì)所取得的每一個(gè)進(jìn)展而感到欣慰和高興（圖9）。以節(jié)水抗旱稻為抓手的“藍(lán)色革命”之所以取得成功，我個(gè)人覺得可以總結(jié)為以下三點(diǎn)。一是目標(biāo)遠(yuǎn)大且切合實(shí)際。節(jié)水抗旱稻及其所引發(fā)的水稻生產(chǎn)方式的變革估計(jì)是項(xiàng)目一開始時(shí)并未料到的。改革開放后城市化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化對稻作生產(chǎn)全程機(jī)械化的迫切要求，讓節(jié)水抗旱稻超出了預(yù)期的目標(biāo)；而節(jié)水和減碳更是契合了當(dāng)今世界環(huán)境友好和生態(tài)文明的總體需求。二是專心致志并持之以恒。節(jié)水抗旱稻從早期的抗旱篩選開始到育成品種的大規(guī)模推廣，經(jīng)歷了近三十年的研發(fā)。這對很多人來說，相當(dāng)于窮其一生于一事。這樣既是難能可貴，因?yàn)楹芏鄷r(shí)候缺乏如此的耐心；同時(shí)也是幸運(yùn)的，因?yàn)楹芏嗳丝嗫嗨褜ひ惠呑右参幢啬軌蛘业揭粋€(gè)理想的工作目標(biāo)。三是聚才合作且時(shí)勢相濟(jì)。羅利軍周圍聚集了一批志同道合、各司其責(zé)的研究人員，圍繞一個(gè)共同的目標(biāo)開展工作。節(jié)水抗旱稻項(xiàng)目生逢其時(shí)，得到了國際國內(nèi)基金會、國家和地方政府持之以恒的強(qiáng)有力支持。同心同德的一伙人得到穩(wěn)定而有力的財(cái)政支持，這應(yīng)該是很多研究成功的基礎(chǔ)。當(dāng)我回到故鄉(xiāng)，看見常規(guī)雜交水稻已經(jīng)完全由撒播代替了手工插秧，小型機(jī)器“收割+脫粒”代替了人工割稻、脫粒和晾曬等復(fù)雜環(huán)節(jié)時(shí)，我可以完全想象隨著稻作生產(chǎn)方式的逐漸完善，以節(jié)水抗旱稻為代表的新一代科技產(chǎn)品將會給故鄉(xiāng)的稻作生產(chǎn)和文化帶來怎樣的影響。于是，我期待著兒時(shí)夢想的實(shí)現(xiàn)、稻農(nóng)的徹底解放、高效的稻作生產(chǎn)以及反復(fù)提及但在中國終將成為歷史的“糧食安全”問題。

圖9 羅利軍（左）與筆者2017年8月31日在母校華中農(nóng)業(yè)大學(xué)獅子山

      致謝 感謝羅利軍、張興平（北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院）、胡立勇（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)）、張集文（湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院）對文章初稿的修改建議。

      【附】羅利軍簡介

      上海市農(nóng)業(yè)生物基因中心首席科學(xué)家，研究員，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)兼職教授、博士生導(dǎo)師，長期從事農(nóng)業(yè)生物基因資源的收集保存、評價(jià)創(chuàng)新與利用，重要基因分離、功能研究與種質(zhì)創(chuàng)新，提出了發(fā)展節(jié)水抗旱稻理念與培育策略，選育出“旱優(yōu)73”、“旱優(yōu)3015”等多個(gè)常規(guī)和雜交節(jié)水抗旱稻，并在生產(chǎn)上大面積推廣。在Journal of Experimental Botany、Molecular Plant、Plant Biotechnology Journal等刊物發(fā)表論文20余篇，主持獲得國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)（1項(xiàng)）、國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)（1項(xiàng)），何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)，省級科技進(jìn)步或技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)（4項(xiàng)）。曾獲全國優(yōu)秀農(nóng)業(yè)科技工作者、上海市優(yōu)秀專業(yè)技術(shù)人才、國務(wù)院“政府特殊津貼”、國家“百千萬人才工程”第一、二層次人才、全國創(chuàng)新爭先獎(jiǎng)狀等多項(xiàng)榮譽(yù)。