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【深度科普】巨型稻让“禾下好乘凉”成为现实

来源:中国数字科技馆
  中国是一个历史悠久、以农耕文化为底蕴的国家,对土地的天然热爱,对粮食丰足的自然憧憬,早已化作源远流长的文化印记刻在血液之中。时代在发展,农业在进步,从“刀耕火种”到“精耕细作”,再到“农业现代化”,一路走来,脚步坚定。我们的稻作农业的发展也是如此,杂交水稻、海水稻……它们的出现,极大地提高了水稻的产量,丰富了水稻的品类。现如今,巨型稻的出现更是让“禾下好乘凉”的美好愿景成为了现实。
巨型稻,什么是巨型稻,巨型稻有哪些优点
  何为巨型稻
  巨型稻的特点在于“巨”,主要体现在其植株之巨产量之大。巨型稻是在现有优异水稻种源的基础上,运用一系列生物遗传育种技术,获得的拥有完全自主知识产权的超大生物量水稻新种质材料。巨型稻株远超普通品种的水稻,高达1.8—2.2米,和普通水稻相比,高出1米左右,单位面积生物量(生物量即单位面积上存在的有机体的干重总量或所有植物种的有机物干重总量,亦称为现存量)可达40吨/公顷,为现有水稻的1.5倍以上。
何为巨型稻,巨型稻的特点
  其产量也与“大个头”成正比,通过改进优化栽培种植技术,“巨型稻”杂交品种的收获指数(稻谷重量除以水稻植株的总体生物量的比值)已经提高到现有超级杂交稻水平,其理论单季产量将超过1200公斤/亩。以巨型稻为亲本(水稻杂交时所选用的雌雄性个体),通过杂交,配制培育出高产、优质、广适的巨型稻杂交新品系。巨型稻课题组以籼稻93—11、日本晴等为材料,获得突变体植株,筛选合适目标突变体后经田间授粉杂交,获得较稳定后代群体后再与茶陵野生稻进行授粉杂交,逐年选育纯化,最终获得基本稳定的“巨型稻”株系。经4年的南方多省多区域试验,在中等肥力水平,大田常规肥水管理条件下,单季产量达到800公斤/亩上下。这样的喜人数字背后,是科学家们无数次的实验与等待,目前巨型稻品种之“巨丰5号”已然成为代表性稻种,其株高2米以上,平均有效分蘖51个,比普通稻多2倍;单穂实粒数高达680粒,比普通稻多23倍。有实验数据显示,2017—2018年在长沙站的普通稻田和常规田间管理条件下,其单季产量稳定达到660—860公斤/亩,远高于全国440余公斤的平均产量和湖南当地杂交稻产量。
巨型稻杂交新品系,“巨型稻”株系
  巨型稻优在何处
  巨型稻以其高大的植株、庞大的产量淋漓尽致地展现了其巨型稻的特点,在长期的科研考察中,巨型稻谷的优势也逐渐显露,我们将其特点归纳为以下八个方面:
  (1)在高产的基础上,拥有“前所未有”的优质口感。巨型稻的产量在诸多稻种中“名列前茅”。更令人欣喜的是,巨型稻的米质克服了原本杂交水稻高产量但口感不佳的缺点,一扫固有弊端,口感极佳。经农业部食品质量检验测试中心(武汉)检测,米质已达国家优质稻谷三级,吃起来色香味俱全,突破了杂交稻“高产不优质、口感差”的难关。它的营养价值非常高,富含了丰富的钙、锌、镁等营养元素。民以食为天,巨型稻的好口感,无疑是帮助它走进千家万户,走上家庭餐桌的强大优势。
  (2)农作物收获之后,其遗留的“秸杆”一直是个老大难问题,传统做法是将这些大量的农作物秸秆废弃或焚烧,但是从环保角度看,这种做法既浪费资源,又污染环境,一定程度上影响了经济社会的可持续发展。
  巨型稻的秸秆则直接解决了这一烦恼,反而具有重要经济价值。巨型稻成熟时,籽黄叶绿,可作青贮饲料。青贮饲料属于一类饲料,是将含水率为65%-75%的青绿饲料(即新鲜的、天然水分含量60%以上的植物性饲料)切碎后,在密闭缺氧的条件下,通过厌氧乳酸菌的发酵作用,抑制各种杂菌的繁殖,而得到的一种粗饲料。青贮饲料气味酸香、柔软多汁、适口性好、营养丰富、利于长期保存,是家畜优良饲料来源,主要用于喂养反刍动物。和新鲜饲料相比,青贮饲料耐储存,且营养成分强于干饲料。与此同时,青贮饲料储存占地少,杜绝火灾隐患。
  巨型稻的秸秆经处理后可饲养牲畜,如此一来既可以节省饲料成本,还可以使秸秆通过牲畜粪便实现过腹还田,促进农业良性循环,是一种效益较高的利用方式。
  同时,巨型稻秸秆的高纤特点又为其开拓新用处。一般我们将植物体内管状或长纺锤状的细胞,称做纤维,可做造纸工业纤维原料使用。巨型稻纤维含量较高,在广泛种植后资源充分,运输方便,可造纸与建材用,实现稻谷和秸秆的“尽其用”。
巨型稻优在何处,巨型稻秸秆的高纤特点
  (3)立体农业是近年来的一大热点,立体农业又称层状农业,就是利用光、热、水、肥、气等资源,同时利用各种农作物在生育过程中的时间差和空间差,在地面地下、水面水下、空中以及前方后方同时或交互进行生产,通过合理组装、粗细配套,组成各种类型的多功能、多层次、多途径的高产优质生产系统,来获得最大经济效益。如在葡萄地里种草莓、草莓收后种菜等。鸭河口库区,水库水面发展网箱养鱼、银鱼养殖及库汊养鱼开发,环库发展猪鸡水禽立体养殖,这也是立体农业的典型。立体农业,在中国已有2000多年的历史,最早产生于农作物的间作套种。如长期生产实践中形成珠江三角洲的基塘农业,在江河的低洼地处挖水塘,以作养鱼之用,在塘基上栽桑、植蔗、种植瓜果蔬菜或饲草,形成“桑基鱼塘”“蔗基鱼塘”或“果基鱼塘”等种植和养殖结合的生态农业系统,是一种比较理想的立体农业。
立体农业,种植和养殖结合的生态农业系统
  对现代立体农业来说,适合稻田综合种养的巨型稻为其发展提供了新路径。巨大的个子,根深叶茂,禾下乘凉,为水产与蛙类动物提供足够的荫凉与栖地,很适合开展稻田高效生态种养,从而大大增加农田的产出,提高种植效率。
现代立体农业,稻田高效生态种养
  (4)巨型稻对生活环境的要求并不苛刻,它耐盐碱、抗海水,是真正的海水稻。哪怕是公认不适宜作物生长的海边滩涂,巨型稻亦可扎根生长,经得住潮起潮落、海水浸泡。巨型稻深入地下的根,粗大的茎,高大植株为其生长打下坚实基础。稻田、水沟、水溏、干湿地、贫瘠新垦地、盐碱地均可成为其“落脚地”。2020年种植于广东阳江海边的巨型稻经受住了海水的反复浸泡,每亩产出稻谷1040斤,同时还出产基围虾1000多斤。咸淡水轮灌种植产出的巨型稻大米口感更优,更香,更有纤维度。发达的根系,强大的抗旱力,使得巨型稻能在少水的旱改水贫瘠土壤生长。巨型稻个高体大吃水深,耐淹涝,很适合稻田养鱼。2020年四川健为县种植巨型稻400多亩,每亩产鱼1800多斤,稻谷近1000斤。
  (5)食品安全是时刻悬在全体人头顶的一把剑,随着我们生活水平的提高,人们已经不满足于“吃饱”,而是向“吃得好,吃得健康”转变。巨型稻抵御镉等重金属侵入,降低其含量,有利人体健康。镉的毒性较大,被镉污染的空气和食物对人体危害严重,且在人体内代谢较慢,日本因镉中毒曾出现“痛痛病”。经检测分析,巨型稻米中镉等重金属的含量远低于国家标准红线。
  (6)土地为巨型稻提供茁壮生长的土壤,同样,巨型稻凭借其庞大的根系与禾蔸,“反哺”土壤,有效增加土壤的有机质,改善土质。巨型稻根系十分发达,深度达到35厘米之深,比普通稻的根系长度增长53%,根系总量是普通稻的3-4倍。因其发达的根系,覆盖的土壤范围大,养分流失大幅减少,能够把水稻周边的养分充分吸收利用起来。根系腐烂后还能使养分深度还田,令这片土地更为肥沃。
  (7)种植巨型稻还可用来打造农旅观光生态农业。生态农业,是按照生态学原理和经济学原理,运用现代科学技术成果和现代管理手段,以及传统农业的有效经验建立起来的,能获得较高的经济效益、生态效益和社会效益的现代化高效农业。
  我们可以试想这样一番场景:巨型稻奇高的稻子似芦苇荡,加上养殖的青蛙与泥鳅鱼等,野趣盎然。假若你是来到此处观光的游客,田野之景,自然清新,体现着现代农业的发展。巨型稻稻田景观,既可满足粮食与多种经济作物的生产,还可发展大田种植与副、渔业,实现大农业与第二、三产业的结合。
农旅观光生态农业,巨型稻的优点
  传统农业精华和现代科技成果,再加上人工设计生态工程,巨型稻稻田景观是生态农业的重要参与者,形成生态上与经济上两个良性循环,经济、生态、社会三大效益的统一。或许,那时候,“田埂小路”成为新型网红打卡地,“听取蛙声一片”也将成为实景,而非古人专属。
  (8)在碳中和问题成为热点的今天,截至2020年底,全球已有100多个国家或地区作出了碳中和承诺。目前,英国、日本、墨西哥、欧盟、韩国、菲律宾等国家和地区通过了应对气候变化的专项法律。我国也向世界作出庄严承诺:力争于2030年前二氧化碳排放达到峰值、2060年前实现碳中和。有专家表示生态系统固碳也是实现碳中和的重要路径,通过各种生态建设手段,增强生态系统的碳汇能力。
  无疑,巨型稻的种植就是生态固碳的可行措施,有着巨大的生态效益。巨型稻庞大的生物量,对吸碳固碳,降低二氧化碳排放,促进碳中和具有重要意义。
  巨型稻的“诞生”之路
  稻米是人类最主要的粮食作物,世界上有一半以上人口的主食为稻米。随着全球人口增长与耕地面积减少,不断提高产量仍是当今水稻育种工作者的首要目标。据推测,从2017年到2020年,我国粮食产量基本持平,不到64000万吨,但今后几年的粮食消费量估计会突破72000万吨,供需存在缺口。
  “水稻的产量主要取决于生物量和收获指数两大性状。过去,我国的高秆水稻品种收获指数仅有0.3,也就是三分之二是稻草,三分之一是稻谷。”袁隆平说,20世纪60年代初,通过水稻矮秆化育种(大约有六七十厘米高),亩产提高了20%以上。后来,收获指数逐渐提高到了0.5,但生物量并不高,亩产只有400多公斤。不久,被称为“第二次绿色革命”的杂交育种在保持较高收获指数的基础上,又将水稻改进为半矮秆化(大约0.9米到1米),大幅度提高生物量,实现了作物单产的又一次跨越式提升——亩产大概600公斤。
  然而,经过几十年的不断挖掘,现有水稻的收获指数已经接近植物生理学家认为的上限:0.6。未来何去何从?培育拥有超大生物量的“大个子”水稻成为水稻育种的主流方向。
  作为“巨型稻之父”的夏新界认为:“作为‘父本’(参与杂交的雄性个体叫父本)材料,巨型稻的出现为水稻育种提供了一个新选择,未来有望与其他水稻杂交培育出更多水稻新品种。”近几十年来稻麦等作物产量的不断增长主要得益于收获指数的提高。但因自身生物量的限制,在过去20年间 我国水稻产量增幅十分有限,不超过15%。
巨型稻,巨型稻的“诞生”之路
  面对这样的“平台期”,中国科学院亚热带农业生态研究所夏新界研究员团队与湖南新春农业生物高科技有限公司合作,历经十余年创制了“巨型稻”这一超高产优质水稻新种质。夏新界是中国科学院亚热带农业生态研究所研究员,他是一位从事植物分子遗传学、遗传育种和分子生物学研究的海归科学家,2005年回国开始研究我国的水稻育种。
  “巨型稻”是夏新界团队历经十多年,成功培育出来的。目前,我国已在湖南、湖北、海南等地种植成功。2007年,中国科学院亚热带农业生态研究所首席研究员夏新界带领平均年龄不超过40岁的科研团队培育出湘巨1号、湘巨2号等巨型水稻。2013年在常德西洞庭种下巨型稻试验田,首次试种成功,亩产突破1000公斤。2016年,夏新界带领课题组和湘丰集团合作,在长沙地区种下第一批巨型稻,挑战更高产、更优质、更高效的“巨人稻”。以时间为轴,巨型稻通过产量、质量的变化记录着着科研团队的努力,也见证着中国水稻、农业的发展。
巨型稻,中国水稻发展
  经农业部植物新品种测试中心DNA指纹检测,以及华智水稻生物技术有限公司56K水稻SNP基因芯片指纹图谱检测,确认巨型稻是一种水稻新种质材料。现已初步构建巨型稻的指纹图谱,并向国家农业部提交了巨型稻新品种权申请,并已获得农业部初审合格通知书。目前,该项研究已获得10多项自主国家专利和国际专利。
巨型稻新品种权申请,水稻新种质材料
  巨型稻的未来
  巨型稻的出现无疑是一次新的“种子革命”,它的优势已得到各方面的认可,那么作为新品种,它的明天又是什么样子?它的出现,能否解决当前中国农业的发展瓶颈?
  目前中国农业发展的困境:一是农田产出低下,不足以唤起广大农民种田的积极性,更无以支撑起未来农业的可持续发展。二是食品安全问题,农民自己种的与自己养的自己不敢吃,农药残留、抗生素类药物残留严重影响我国农产品的市场竞争力,也造成社会食品安全的恐慌;三是农药、化肥、抗生素滥用造成的农业污染生态问题。因此,较大幅度地增加农田的产出与生产出优质生态农产品,是未来农业发展的必将选项。
  为解决中国农业发展的困境,不少人对巨型稻充满信心。其株形高大,根深叶茂,茎杆粗壮、宜疏植、生育期较长、淹水深度大,可为蛙、鱼和泥鳅等稻田养殖动物提供良好的栖息环境。结合使用巨型稻科研团队拥有自主知识产权的无抗健康养殖“分子配方”技术,在稻田养殖中保证绿色养殖,生产出安全营养无抗生素残留的畜产品,可用来打造可持续循环发展的高效生态立体种养农业新模式,一揽子解决目前农业农村存在的众多问题。充分利用“巨型稻”种—养结合的这一特殊优势,提升稻田生产经济、生态效益。
  巨型稻科研团队经多年实验测试,建立了多种以巨型稻为核心的种养模式,包括巨型稻-蛙-渔(鱼、虾、鳅、鳖、龟),巨型稻-鸭-鱼,巨型稻-鸭-牛。这是一种完全的立体生态农业,做到了“五无”,无农药、无化肥、无抗生素、无激素、无有毒化学药物。如2017年与2018年在“长沙站”建设了300亩“巨型稻”生态综合种养模式试验与示范区,全程化肥、农药、抗生素等零使用。与现有稻田综合种养模式相比,稻谷产量至少提高一倍以上,青蛙、泥鳅、稻花鱼等养殖动物的成活率亦提高一倍以上,生长周期缩短15-20天,个体重量提高20%以上,产量提高1.5倍以上,完全实现绿色、优质化,亩均纯收入超过万元。
巨型稻的未来,种子革命,目前中国农业发展的困境
  同时,“禾下经济”是“巨型稻”创造出的一个新的经济增长点。以黑龙江为例,该地一直提倡发展立体农业,稻田里养蟹、养鱼、养鸭等,但发展空间有限,而“巨型稻”因为稻子高,稻田里可以进行多种生态养殖,形成“稻鸭、稻渔稻鸭牛”等多种“禾下经济”的种养模式,而且水稻杆收获后,可以进行再利用,加工成青贮饲料,创造出经济效益。
  你不知道的巨型稻
  对于巨型稻,人们也还有一些担忧,一是关于转基因,一是关于抗倒伏。巨型稻可以打消人们对“转基因食品”的隐忧,巨型稻经突变体筛选、籼粳稻与野生稻远缘杂交培育而来,不通过任何转基因技术手段,100%为非转基因水稻。农业部转基因植物环境安全监督检验测试中心及华智水稻生物技术有限公司检测分析均表明巨型稻为非转基因水稻。
  一般来说,稻秆越高的品种越易倒伏,但是巨型稻有抗倒伏的秘诀。如利用优势强大的亚种间组合,使根系十分发达;下垂的稻穗,使重心下降;利用茎秆非常坚韧和基部节间短、粗、脚重头轻的稻种资源;栽培时采取多蔸合植加大株距的方式。多管齐下,选育出高度抗倒的超高产组合。
“杂交水稻之父”袁隆平,禾下乘凉梦,杂交水稻
  多年前,“杂交水稻之父”袁隆平曾做过一个梦:杂交水稻的茎秆像高粱一样高,穗子像扫帚一样大,他和助手们一同在稻田里散步,在水稻下面乘凉。如今,随着“巨型稻”迎来丰收,袁隆平的“禾下乘凉梦”又近了一步。
  纵观人类上万年的农业发展史,大体上经历了三个发展阶段:一是原始农业,约7000年;二是传统农业,约3000年;三是现代农业,至今约200年。人们对现代农业的向往,不仅是具有生产性功能,高产高效、改善生态环境质量、为人们提供观光、休闲、度假的生活性功能也成为重要指标。但愿未来,巨型稻所构建的生态景观能够成为观光农业的一部分,助力现代农业的蓬勃发展。
  作者:程方洁
  文字审核:柏双玲
  科学性审核:夏新界,“巨型稻之父”、中国科学院亚热带农业生态研究所(长沙)研究员
本文来自:中国数字科技馆
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