保護(hù)環(huán)境，水稻也能做貢獻(xiàn)
《農(nóng)民日?qǐng)?bào)》（ 2015年09月14日 06 版）
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編者按 水稻田能產(chǎn)出滋養(yǎng)世界近1/3人口的稻米，卻也同時(shí)排放大量甲烷等溫室氣體，加速了全球變暖的進(jìn)程，令人堪憂。好在，中國、瑞典和美國科學(xué)家通過分子生物技術(shù)，研究出了在不減少甚至增加水稻淀粉產(chǎn)量基礎(chǔ)上，有效減少稻田甲烷排放的辦法，這或許為破解糧食安全和遏制全球變暖兩大科學(xué)難題，提供了新的思路和途徑。 |
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最多可抑制九成甲烷排放 本報(bào)記者繆翼 一種高淀粉含量、低甲烷排放量的水稻品種SUSIBA2不久前被福建省農(nóng)科院生物技術(shù)研究所與瑞典農(nóng)業(yè)科學(xué)大學(xué)聯(lián)合開發(fā)出來，并被稱為是非凡的成果。水稻對(duì)全球變暖到底做了多少“貢獻(xiàn)”？靠什么才能降低水稻的甲烷排放量？這個(gè)新品種究竟有多大的應(yīng)用前景？為此，記者采訪了福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所所長王峰。 全球每年從稻田中逸出的甲烷總量最高達(dá)1億噸 記者：為何稻田會(huì)成為甲烷“制造廠”？ 王峰：盡管從總量上來說，排放到大氣中的甲烷遠(yuǎn)少于二氧化碳，但是由于甲烷的溫室氣體效應(yīng)比二氧化碳高30余倍，因此甲烷依然為工業(yè)化以來的全球變暖做出了約20%的“貢獻(xiàn)”——而在這些進(jìn)入大氣的甲烷中，有7%~17%是由稻田釋放的。根據(jù)測(cè)算，全球每年從稻田中逸出的甲烷總量高達(dá)2500萬噸~1億噸。 為何稻田會(huì)成為巨大的甲烷“制造廠”？這和稻田及水稻種植的特點(diǎn)密不可分。經(jīng)過多年的耕作，稻田中的土壤顆粒被破碎為極為細(xì)小的顆粒，彼此能夠緊實(shí)的擠壓在一起，空隙很小；水田的水分夾雜其中，使得空氣無處藏身，整個(gè)水田成為極度缺氧的環(huán)境。與此同時(shí)，耕作和肥料的使用，使得水田中有著豐富的有機(jī)物殘?jiān)?，并且水稻根系在生長過程中，也不斷向水田內(nèi)分泌有機(jī)物。此外，種植水稻的水田，大多分布于亞熱帶和熱帶地區(qū)。 缺氧的環(huán)境、大量的有機(jī)物和溫暖的環(huán)境，使得水稻根際土壤中產(chǎn)生大量厭氧型微生物，而這些微生物中，就包含相當(dāng)多的產(chǎn)甲烷菌。整個(gè)水田，就好似一個(gè)巨大的無蓋沼氣池，源源不斷將有機(jī)物分解為甲烷，并肆無忌憚地排放到大氣之中。 改變水稻中碳的分配 記者：怎么“減排”？ 王峰：普通水稻光合產(chǎn)物有1/3以上被運(yùn)輸?shù)礁担瑥亩a(chǎn)生大量根系分泌物、脫落物，它們經(jīng)厭氧菌發(fā)酵釋放出甲烷，這是一種嚴(yán)重的浪費(fèi)。如果設(shè)想將控制淀粉合成的因子轉(zhuǎn)入，從而改變水稻中碳的分配，最終獲得增產(chǎn)結(jié)果——將水稻每穗的谷粒從600粒提高到了1000粒，且大米中的淀粉含量明顯增加。與此同時(shí)，根系分泌物、脫落物顯著減少。 事實(shí)證明，這個(gè)設(shè)想是可以實(shí)現(xiàn)的。研究發(fā)現(xiàn)的SUSIBA2（Sugarsignalinginbarley2）基因，成為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢(mèng)想的關(guān)鍵。 研究發(fā)現(xiàn)，在組織細(xì)胞內(nèi)較高水平地表達(dá)SUSIBA2基因，可以增強(qiáng)該部位“接納”有機(jī)物的能力，并提高淀粉效率。實(shí)踐表明，在被篩選出的兩個(gè)株系中，SUSIBA2得到了理想表達(dá)，因此這兩個(gè)株系被用來進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。 淀粉干重由76％提高到87％ 記者：是否會(huì)影響到產(chǎn)量？ 王峰：長期以來，減少水稻甲烷排放和增加有機(jī)物產(chǎn)量，是一個(gè)魚和熊掌不能兼得的事情。傳統(tǒng)上減少甲烷排放的方式，是通過改良耕種、灌溉等農(nóng)業(yè)技術(shù)，來改變稻田土缺氧環(huán)境、減少有機(jī)物殘留，以抑制產(chǎn)甲烷菌活動(dòng)。然而，這些行為會(huì)改變水稻根際環(huán)境，對(duì)水稻生長產(chǎn)生一定影響。同時(shí)，因?yàn)榭刂萍淄榕欧帕繉?duì)于植株個(gè)體的篩選來說并非易事，傳統(tǒng)的育種方式很難選育出低甲烷排放的水稻。高產(chǎn)的水稻品種意味著向根部輸送的有機(jī)物更多，同樣不利于減少甲烷排放。 新的生物技術(shù)讓人們看到了解決這一問題的希望。研究者設(shè)想，通過調(diào)整水稻體內(nèi)的有機(jī)物分配過程，或許能讓一些本該運(yùn)輸?shù)礁康挠袡C(jī)物進(jìn)入籽粒當(dāng)中。這樣既能夠減少有機(jī)物向土壤中的釋放，同時(shí)又能增加籽粒有機(jī)物的含量。3年田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，穗粒數(shù)、千粒重和籽粒中淀粉含量等產(chǎn)量指標(biāo)均有增長，淀粉重量干重由76％提高到87％。 夏季減排90%秋季減少50% 記者：對(duì)甲烷的削減有多大？ |
泰國：少水型糯米稻谷新品種 在人們印象中，溫室氣體總是和工廠、城市有關(guān)，而實(shí)際上，農(nóng)田里也會(huì)產(chǎn)生溫室氣體。近年來，泰國科技人員開發(fā)出了一種可以在少水環(huán)境中生長的新型稻米品種，能降低水稻田里甲烷的生成量，以保護(hù)環(huán)境。 通常，收割后的水稻根莖會(huì)留在水田里作為下一季水稻生長的肥料，但這些根莖經(jīng)水長時(shí)間浸泡，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，會(huì)釋放出大量甲烷。甲烷是僅次于二氧化碳的一種溫室氣體，會(huì)加劇氣候變暖。 作為世界上稻米生產(chǎn)和出口大國，如何減少農(nóng)田溫室氣體排放量成了泰國政府面臨的一大挑戰(zhàn)。科技人員開發(fā)出的少水型糯米稻谷新品種，對(duì)陽光十分敏感，從發(fā)芽、抽穗到成熟的全過程，僅靠雨水即可完成，既減少了用水量和工作量，又降低了甲烷的產(chǎn)生，一舉三得。這種糯米稻谷新品種已經(jīng)在泰國中南部平原地區(qū)的糧食產(chǎn)區(qū)推廣，且泰國開發(fā)減排型香米稻谷的計(jì)劃也已經(jīng)全面實(shí)施。 多年生品種—— 將溫室氣體含量拉回工業(yè)革命以前 一旦取代一年生作物的多年生品種登場(chǎng)，它們的普及就可能對(duì)碳排放產(chǎn)生極大影響。關(guān)鍵在于，多年生作物的根系有極強(qiáng)的固碳效果——它可以在每立方米表層土中封存相當(dāng)于土壤質(zhì)量1%的碳。英國生物技術(shù)與生物科學(xué)研究理事會(huì)會(huì)長道格拉斯·凱爾（DouglasKell）計(jì)算出，每年只要把全球一年生作物的2%改為種植多年生作物，就能吸收足夠多的碳，扭轉(zhuǎn)大氣中二氧化碳含量有增無減的勢(shì)頭。而如果將地球上所有耕地全部改種多年生作物，封存的碳可以達(dá)到全球二氧化碳總量的118ppm（百萬分之118），換言之，足以把大氣中溫室氣體的含量拉回到工業(yè)革命以前的水平。 然而，找出與多年生特性相關(guān)的基因需要5年時(shí)間，而培育一個(gè)實(shí)用的品種至少還需要再用10年。讓我們期待吧！ 高產(chǎn)水稻減少溫室氣體排放 荷蘭科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，種植高產(chǎn)水稻，即可減少稻田的甲烷排放量?？茖W(xué)家通過去除一些植株的花朵來控制稻米的收成。他們發(fā)現(xiàn)，去除的花朵越多（產(chǎn)量也減少了），甲烷生成量越多。這是因?yàn)?，花少的植株?chǔ)存光合作用生成的碳的能力較低。在這種情況下，碳轉(zhuǎn)而被儲(chǔ)存在土壤中，土壤中的細(xì)菌又將碳轉(zhuǎn)化成甲烷。相反，花越多（產(chǎn)量也高）的植株可儲(chǔ)存的碳越多，從而使其不會(huì)流入土壤，成為產(chǎn)生甲烷微生物的養(yǎng)料，甲烷的釋放量也會(huì)隨之減少。 |
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王峰：研究者發(fā)現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)水稻，這些水稻的地上部分生物量顯著增加，特別是籽粒中的淀粉含量提高了約13%。在福建等地連續(xù)3年的田間測(cè)量表明，這些水稻在生長期的甲烷釋放量，只有同樣耕作技術(shù)下傳統(tǒng)水稻的10%；在結(jié)實(shí)期間，這一數(shù)值可繼續(xù)降低到僅0.3%。 據(jù)介紹，3年田間實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該項(xiàng)技術(shù)培育出的新型水稻在夏季能減少排放90％甚至更多的稻田甲烷，在秋季能減少50％以上的甲烷排放。 同時(shí)，對(duì)土壤根際微生物菌群的元基因組測(cè)序顯示，土壤中多種產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量也有明顯下降。研究者們推測(cè)，這些水稻能夠大幅降低甲烷釋放的原因在于減少了根部的有機(jī)物分配，降低了根在生長過程中向土壤中釋放的有機(jī)物，從而減緩了產(chǎn)甲烷菌的活動(dòng)。 提供了新的思路和途徑 記者：應(yīng)用前景如何？ 王峰：課題組將進(jìn)行一系列后續(xù)研究，進(jìn)一步明確該技術(shù)在不同稻區(qū)、不同季節(jié)、不同稻作類型的甲烷減排效果以及對(duì)稻田的生態(tài)影響。其實(shí)我們只是提出了一種新的理念，距離選育出可大規(guī)模推廣的品種還很遠(yuǎn)，但至少我們看到了新的曙光。 若該成果的應(yīng)用研究在未來取得突破，選育出低甲烷高淀粉水稻新品種，按照減排50%推算，預(yù)計(jì)每年將使全球稻田甲烷減排5000多萬噸，中國稻田甲烷減排1000萬噸，福建稻田甲烷減排30萬噸，這將為全球溫室氣體減排作出重大貢獻(xiàn)。 |
給碳減排找條“稻路” 趙熙熙 全國公務(wù)員考試曾有一道試題：以水稻為例，如果少浪費(fèi)0.5千克，可節(jié)能約0.18千克標(biāo)準(zhǔn)煤，相應(yīng)減排二氧化碳0.47千克。如果全國平均每人每年少浪費(fèi)水稻0.5千克，每年減排二氧化碳約為多少？答案是：61.2萬噸。 這是多么驚人的數(shù)字。然而，稻田所釋放的甲烷，僅僅是其中具有代表性的一員。 2013年，湖南等地稻米檢測(cè)出鎘超標(biāo)，“倒霉”的是農(nóng)民；去年，長株潭地區(qū)通過種植低鎘品種，或在重污染區(qū)改種玉米、高粱等替代性農(nóng)作物，治理170萬畝重金屬污染耕地，顯然，為污染買單的是農(nóng)業(yè)。 種植水稻，不可避免會(huì)排放大量溫室氣體；氣候變暖，導(dǎo)致水稻產(chǎn)量下滑，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境陷入了惡性循環(huán)。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是地球生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分之一，不可否認(rèn)的是，數(shù)千年以來，為了養(yǎng)活逐漸增加的人口，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)漸漸地改變著地球的本來面貌，同時(shí)對(duì)地球生態(tài)產(chǎn)生了或多或少的影響。目前，我國農(nóng)業(yè)源污染排放已經(jīng)占污染總排放量的一半，在環(huán)保呼聲日益高漲的今天，農(nóng)業(yè)這個(gè)受到人類強(qiáng)烈干預(yù)，但又與自然生態(tài)系統(tǒng)聯(lián)系緊密的生態(tài)系統(tǒng)，不但要供給人類文明延續(xù)和進(jìn)步所需的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時(shí)也必須向著對(duì)環(huán)境更加友好的方向發(fā)展。 農(nóng)業(yè)污染不可不治，然而，不能總是如此被動(dòng)，一再做著“亡羊補(bǔ)牢”式的努力。農(nóng)業(yè)減排，需要的是一場(chǎng)品種革命。 未來新品種的發(fā)展，如培育抗高溫、耐干旱、作物生長發(fā)育期長的品種，應(yīng)對(duì)全球變化。推廣高產(chǎn)作物品種，增加多年生牧草種植，大力栽培木本植物，改進(jìn)牲畜放牧管理等，以提高耕作土地中的碳素儲(chǔ)備水平；培育新型氮素高效利用農(nóng)作物的農(nóng)業(yè)新品種，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)適應(yīng)氣候變化的一個(gè)重要措施；開發(fā)培育氮素高效利用水稻品種，減少碳排放對(duì)環(huán)境的破壞，有助于全球溫室氣體排放的控制。 |
