张正斌：生物节水潜力巨大
时间:2009-11-06 来源： 作者:
中国科技信息网
干旱使作物枯萎
经过治理的黄土高原小流域
节水农业概念的发展
我国历史上曾在农艺抗旱节水方面取得过不少成就，例如，我国约在6世纪30~40年代写成的《齐民要术》的最大功绩之一，就是它全面完整地总结了以耕—耙—耱为主体、以防旱保墒为中心的旱地耕作技术体系，记载了旱稻栽培的经验。
目前我国旱地农业研究中应该实现三大观念的转变，一是是否真正缺水缺肥，二是如何提高水资源利用效率，三是育种中的水分高效利用。从被动的耐旱性研究到主动的抗旱性研究再到节水研究，在未来必将转向水分高效利用研究。在利用农艺和工程节水措施，提高水资源利用率之后，随着淡水资源数量短缺和质量受到严重污染及气候日趋干旱，必须要利用现代农业和生物新技术，开拓生物节水新途径，培育和推广抗旱抗逆节水生物新品种，让每一滴水生产出更多的食物，创造出更多的经济价值。
在我国，节水农业是针对灌溉农业中节约用水提出来的，现在也包括旱地农业中的水分高效利用。水分高效利用是指具有高新技术体系的新型农业配套技术。目前我们强调，在雨养农业地区，特别是我国北方缺水地区发展节水农业，利用有限的水分生产出更多的粮食。在我国南方不缺水的地区也要开发对劣质水资源的利用技术，走水资源高效利用和高效产出之路。
随着节水农业的迅速发展，人们对宏观水资源和微观水分的高效利用有了更加深刻的认识和理解，并产生了许多新的概念和研究方向，特别是要提高水资源和水的利用效率。随着水资源的日益短缺，我国农业发展在经历了“以粮为纲，全面发展”→“以钱为纲，全面发展”之后，将要迈进“以水为纲，和谐发展”的第三个阶段。
从现代广义的水资源保护和高效利用的概念理解，水土保持可能是我国最早提出的广义节水农业或者是水（土）高效利用农业的雏形。它包括了旱地农业、灌溉农业、生态环境改善等更大的内涵，有建立新学科的意义，不但要利用生物措施、工程措施等，在农田和非农田地区充分保持和高效利用水分，也包括对土壤养分等资源的保持和高效利用；不但要抗旱还要防洪，改善水资源循环和生态环境。目前水土保持这一概念逐渐被国内外认同。生物节水应该是水土保持和节水农业的基础和核心。
生物节水概念的发展
生物节水概念的发展大概经历了作物生理节水、作物遗传节水、生物（包括动植物、微生物）节水三个阶段。“生物节水”一语是山仑院士1991年提出来的，当时主要强调生理节水。石元春院士在1999年发表了一篇名为《开拓中的蹊径：生物节水》的文章，强调了生理节水和遗传节水。我于2003年对生物节水的概念进行了扩展，指出随着生物节水概念的发展，通过培育抗旱节水和水分高效利用的动植物和微生物品种，利用各种抗旱节水栽培和管理措施，提高生物链过程由微生物→植物→动物的不同能量级生物的水分利用效率，产生出更多的和质量更优良的食物，将成为未来农业研究的关键问题。我们认为，生物节水是一个广泛的概念。广义的生物节水应该是指利用森林和草原进行水土保持，产生更大的经济效益和生态效益。狭义的生物节水应该是利用抗旱和高水分利用效率、高产优质的动植物品种，特别是以农作物为主的生物节水，产生更大的经济效益和生态效益。将水分高效利用从旱地农业向湿润地区和盐碱滩涂湿地以及河湖海等方向开拓，将提高粮食水分利用效率向提高经济水分利用效率的层次发展，发展高水效农林复合型农业，特别是农产品出口，才能使中国农业走向世界，才能保障中国农业的可持续发展。
生物水与水资源概念的发展
水是生物圈的血液，是环境可持续发展的决定因素。2000年以色列的UriShamir等提出了“蓝色水”（地表和地下水资源）、“绿色水”一般也称为“虚拟水”（围绕农产品运动的水）、“金色水”（货币和资金意义的水）和“灰色水”（管理水）的新概念。我们需要保护更多的“蓝色水”资源，通过人工调配和管理及加工改造，将更多的“蓝色水”转化为“灰色水”和“绿色水”，建立“绿色水”库，改善生态环境，同时产生更多的“金色水”。生物也是淡水资源的一个水库，生物水是各种水资源转换的中心环节之一。目前生物节水还有很大研究空间及开发潜力。例如，有人将需水多的生物叫“水猪”，如水牛、水稻、苜蓿等。将需水少的生物叫“水吝啬鬼”，如骆驼、仙人掌、谷子等。通过自然进化和人工改良进化，特别是利用现代的分子遗传转基因技术，可以将“水猪”驯化和改良成“水吝啬鬼”。如将水稻可以变成旱稻等，培育新的抗旱节水高产优质生物新品种，这就是生物节水研究的重要方向。
国际生物节水研究
1983年出版的《美国干旱和半干旱地区可持续农业发展水分相关技术》中有一章为影响动植物水分利用效率的技术。以色列科学家Stanhill于1992年指出：只有提高生物自身的水分利用效率，才能取得节水的新突破。国际农业研究磋商小组2003年启动了关于水资源与粮食等问题的“挑战计划”。2005年欧盟启动了“提高地中海地区农业水分利用效率”的研究项目（WUEMED）等等。这说明生物节水和水分高效利用已经受到国内外有远见的科学家的重视，成为国内外研究的热点。
为了加快生物节水研究的国际交流，提高我国生物节水的研究水平，我们将于2006年5月21~25日在北京召开第一届国际生物节水的理论与实践会议，本次会议由中国科学院主办，副院长李家洋院士担任会议主席，中国工程院协办，国家自然科学基金委员会资助。会议主题包括：水资源与粮食和经济及生态安全、生物节水研究的发展方向、农艺节水和工程节水、植物水分高效利用和抗旱的生理遗传育种、动物和微生物水分高效利用和抗旱的生理遗传育种、生物对不良水资源的改良和高效利用。
生物节水的研究方向
生物节水有三层含意，一是利用生物覆盖减少水土流失，多保持水分；另一层意思是利用抗旱耐旱节水植物品种，减少对土壤水分的消耗和对灌溉用水的需求，即节约用水；第三层意思是提高水分利用效率，让每一滴水生产出更多的粮食和提高经济效益。因此，生物节水或者是生物水分高效利用及高水效农业研究的未来方向和关键问题应该有以下几个方面：
以生物水转化为中心的五水转化体系
刘昌明院士于1993年指出，降雨、地表水与地下水“三水”转化的研究，再考虑到土壤水，称为“四水转化”，进一步联系到植物水分，称为“五水转化”，这是研究工作的一种循回渐进，从简单到复杂的过程。到上世纪90年代，在土壤—植物—大气循环系统（SPAC）方面有了深入的研究。但目前在宏观水资源的“五水转化”中，实际上只重视了大气水—地表水—土壤水—地下水运移与转化大中尺度上的研究，对植物水在五水转化中的功能及机理研究重视不够，更没有重视动物水和微生物水转化，和自然界生态系统的构成和发展变化严重脱节。
水资源是可以流动的资源，是一个循环系统，应该加强生物自身对水分的及时、高效利用研究。特别是利用生物改良不良水资源。我国海洋学家曾呈奎院士提出要开展“蓝色革命”，“耕海牧渔”，向海洋要粮食。这方面在我国沿海滩涂地区，生物水分高效利用还有很大的潜力可以挖掘。
我国著名科学家钱学森上世纪80年代就提出了“沙产业”，就是生物水分高效利用的典型例证。我国陕、甘、宁地区出现许多治沙模范，就是在荒芜的沙漠中植树造林，建成了历史上没有的人工生态林，目前中国科学院植物研究所的科学家在内蒙古草原利用自然恢复法进行草原改良和建设。这些都得到了世界治沙领域的高度重视。说明只要按照科学的方式治理沙漠，就可以植进沙退，改善沙漠生态环境。
植物高效用水研究
在埃及等许多国家和地区，由于地表河流水资源短缺，改种抗旱节水的小麦、棉花、玉米和高粱等旱地作物。美国、巴西等许多国家改种抗旱耐瘠的高粱，利用高粱发展酒精等生物能源产业，取得了农业和经济的良性发展，值得我们借鉴。
在我国南方湿润地区和季节性干旱地区，可以改水稻为旱稻、玉米、高粱、小麦等相对耐旱的作物；利用水稻收割后的秋冬季休闲农田，发展马铃薯产业；在我国北方寒冷地区，因为全球气候变暖，许多地区通过种植抗旱节水的水稻、小麦、玉米、棉花品种，减少对水库灌溉用水和地下灌溉用水的消耗。因此，通过不同植物的布局与种植制度的改变和生物抗旱节水品种的选育推广，生物节水和水分高效利用还有很大的潜力可挖。
作物自身水分高效利用的生理遗传机制和育种改良研究
植物在抗旱和水分高效利用方面有明显的遗传和生理差异，像人类一样“有人喝凉水都长胖”。小麦等作物里有四种水分利用效率类型：一种是耗水少、产量低、水分利用效率低，即三低型；二是耗水中少、产量中低、水分利用效率中高，如在我国北方冬麦区推广种植的旱薄地小麦生态型；三是耗水中上、产量最高、水分利用效率最高，如在我国黄淮旱地和节水灌溉地区推广种植的旱肥型和水旱兼用型小麦生态型；四是耗水多、产量低、水分利用效率低。我们希望选育出第二种和第三种抗旱高水分利用效率和高产类型的优良新品种。
从旱地作物高产发展趋势来看，在我国500毫米降水的地区，从1950年旱地亩产平均不到50公斤，到现在我国旱地小麦亩产平均150公斤~250公斤，在山东省莱州地区，旱地小麦亩产达千斤，说明旱地作物高产育种和栽培还有很大的潜力可挖。另外，随着抗旱节水高产品种的推广，原来的水稻栽培将变成杂交旱稻栽培，原来水地小麦将变成水旱兼用型小麦，原来它们一生中要灌溉10~5次，现在只灌溉1~3次，照样可以亩产500公斤。特别是玉米、水稻、小麦等作物超高产品种的培育成功和推广应用，通过作物自身水分利用效率的提高，将大大提高我国粮食持续增产的能力。
目前国外已经克隆了控制拟南芥蒸腾效率的基因，利用转抗旱节水基因提高了小麦等植物的水分利用效率。我国在作物的水分利用效率生理遗传育种及分子生物学等方面的研究还很薄弱。我们认为，抗旱节水应用研究从农艺保水节水→以肥调水增水效（水肥耦合）→作物抗旱耐旱育种→高水分利用效率育种→抗旱性和丰产性统一于一体→生物节水→WUE是未来可持续农业发展的关键，目的是让每一滴水生产出更多的食物。植物抗旱机理进展从被动的耐旱性研究（细胞质浓度、束缚水含量、细胞膜稳定性、离体失水等）→主动的抗旱性研究（根系吸水、渗透调节等）→节水研究（ABA根冠信号调控叶片气孔开关、优化调节叶片WUE等）→水分高效利用研究（水通道蛋白、高收获指数等）。植物抗旱节水遗传改良的学科发展趋势是从耐旱抗旱形态和育种研究→耐旱（水分胁迫）生理调控机制→抗旱和高WUE遗传→抗旱和高WUE分子生物学→抗旱和高WUE分子遗传→WUE基因工程。目前在作物自身水分高效利用的生理遗传机理研究方面，应该从作物生长发育、形态结构、组织细胞、分子基因、代谢调控等层次，在以下几个方面进行深入研究：一是作物的抗旱机理、二是作物的水分高效利用机理、三是作物高收获指数的机理、四是抗旱和水分高效利用及高产的协调关系、五是水分和养分耦合共同高效利用的机理、六是水分和光合高效利用和转运的机理。因此，生物节水研究还有待大力加强，建议设立一个“生物节水机理和应用”或者是“提高作物水分利用效率的机理和应用”的研究项目，对我国节水农业和可持续农业的深入发展有重要意义。（中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心 张正斌）
