保护环境，水稻也能做贡献

资料图

由于水田环境适合产甲烷微生物大量繁殖，大量甲烷从水稻田中逸出。

图片来源：研究论文

编者按

水稻田能产出滋养世界近1/3人口的稻米，却也同时排放大量甲烷等温室气体，加速了全球变暖的进程，令人堪忧。好在，中国、瑞典和美国科学家通过分子生物技术，研究出了在不减少甚至增加水稻淀粉产量基础上，有效减少稻田甲烷排放的办法，这或许为破解粮食安全和遏制全球变暖两大科学难题，提供了新的思路和途径。

最多可抑制九成甲烷排放

——低甲烷排放水稻解析

本报记者缪翼

一种高淀粉含量、低甲烷排放量的水稻品种SUSIBA2不久前被福建省农科院生物技术研究所与瑞典农业科学大学联合开发出来，并被称为是非凡的成果。水稻对全球变暖到底做了多少“贡献”？靠什么才能降低水稻的甲烷排放量？这个新品种究竟有多大的应用前景？为此，记者采访了福建省农业科学院生物技术研究所所长王峰。

全球每年从稻田中逸出的甲烷总量最高达1

亿吨

记者：为何稻田会成为甲烷“制造厂”？

王峰：尽管从总量上来说，排放到大气中的甲烷远少于二氧化碳，但是由于甲烷的温室气体效应比二氧化碳高30余倍，因此甲烷依然为工业化以来的全球变暖做出了约20%的“贡献”——而在这些进入大气的甲烷中，有7%~17%是由稻田释放的。根据测算，全球每年从稻田中逸出的甲烷总量高达2500万吨~1亿吨。

为何稻田会成为巨大的甲烷“制造厂”？这和稻田及水稻种植的特点密不可分。经过多年的耕作，稻田中的土壤颗粒被破碎为极为细小的颗粒，彼此能够紧实的挤压在一起，空隙很小；水田的水分夹杂其中，使得空气无处藏身，整个水田成为极度缺氧的环境。与此同时，耕作和肥料的使用，使得水田中有着丰富的有机物残渣，并且水稻根系在生长过程中，也不断向水田内分泌有机物。此外，种植水稻的水田，大多分布于亚热带和热带地区。

缺氧的环境、大量的有机物和温暖的环境，使得水稻根际土壤中产生大量厌氧型微生物，而这些微生物中，就包含相当多的产甲烷菌。整个水田，就好似一个巨大的无盖沼气池，源源不断将有机物分解为甲烷，并肆无忌惮地排放到大气之中。

改变水稻中碳的分配

记者：怎么“减排”？

王峰：普通水稻光合产物有1/3以上被运输到根系，从而产生大量根系分泌物、脱落物，它们经厌氧菌发酵释放出甲烷，这是一种严重的浪费。如果设想将控制淀粉合成的因子转入，从而改变水稻中碳的分配，最终获得增产结果——将水稻每穗的谷粒从600粒提高到了1000粒，且大米中的淀粉含量明显增加。与此同时，根系分泌物、脱落物显著减少。

事实证明，这个设想是可以实现的。研究发现的SUSIBA2（Sugarsignalinginbarley2）基因，成为了实现这个梦想的关键。

研究发现，在组织细胞内较高水平地表达SUSIBA2基因，可以增强该部位“接纳”有机物的能力，并提高淀粉效率。实践表明，在被筛选出的两个株系中，SUSIBA2得到了理想表达，因此这两个株系被用来进行后续实验。

淀粉干重由76％提高到87％

记者：是否会影响到产量？

王峰：长期以来，减少水稻甲烷排放和增加有机物产量，是一个鱼和熊掌不能兼得的事情。传统上减少甲烷排放的方式，是通过改良耕种、灌溉等农业技术，来改变稻田土缺氧环境、减少有机物残留，以抑制产甲烷菌活动。然而，这些行为会改变水稻根际环境，对水稻生长产生一定影响。同时，因为控制甲烷排放量对于植株个体的筛选来说并非易事，传统的育种方式很难选育出低甲烷排放的水稻。高产的水稻品种意味着向根部输送的有机物更多，同样不利于减少甲烷排放。

新的生物技术让人们看到了解决这一问题的希望。研究者设想，通过调整水稻体内的有机物分配过程，或许能让一些本该运输到根部的有机物进入籽粒当中。这样既能够减少有机物向土壤中的释放，同时又能增加籽粒有机物的含量。3年田间试验数据显示，穗粒数、千粒重和籽粒中淀粉含量等产量指标均有增长，淀粉重量干重由76％提高到87％。

夏季减排90%秋季减少50%

记者：对甲烷的削减有多大？

王峰：研究者发现，相比于传统水稻，这些水稻的地上部分生物量显著增加，特别是籽粒中的淀粉含量提高了约13%。在福建等地连续3年的田间测量表明，这些水稻在生长期的甲烷释放量，只有同样耕作技术下传统水稻的10%；在结实期间，这一数值可继续降低到仅0.3%。

据介绍，3年田间实验数据显示，该项技术培育出的新型水稻在夏季能减少排放90％甚至更多的稻田甲烷，在秋季能减少50％以上的甲烷排放。

同时，对土壤根际微生物菌群的元基因组测序显示，土壤中多种产甲烷菌的数量也有明显下降。研究者们推测，这些水稻能够大幅降低甲烷释放的原因在于减少了根部的有机物分配，降低了根在生长过程中向土壤中释放的有机物，从而减缓了产甲烷菌的活动。

提供了新的思路和途径

记者：应用前景如何？

王峰：课题组将进行一系列后续研究，进一步明确该技术在不同稻区、不同季节、不同稻作类型的甲烷减排效果以及对稻田的生态影响。其实我们只是提出了一种新的理念，距离选育出可大规模推广的品种还很远，但至少我们看到了新的曙光。

若该成果的应用研究在未来取得突破，选育出低甲烷高淀粉水稻新品种，按照减排50%推算，预计每年将使全球稻田甲烷减排5000多万吨，中国稻田甲烷减排1000万吨，福建稻田甲烷减排30万吨，这将为全球温室气体减排作出重大贡献。

给碳减排找条“稻路”

赵熙熙

全国公务员考试曾有一道试题：以水稻为例，如果少浪费0.5千克，可节能约0.18千克标准煤，相应减排二氧化碳0.47千克。如果全国平均每人每年少浪费水稻0.5千克，每年减排二氧化碳约为多少？答案是：61.2万吨。

这是多么惊人的数字。然而，稻田所释放的甲烷，仅仅是其中具有代表性的一员。

2013年，湖南等地稻米检测出镉超标，“倒霉”的是农民；去年，长株潭地区通过种植低镉品种，或在重污染区改种玉米、高粱等替代性农作物，治理170万亩重金属污染耕地，显然，为污染买单的是农业。

种植水稻，不可避免会排放大量温室气体；气候变暖，导致水稻产量下滑，农业生产与生态环境陷入了恶性循环。农业生态系统是地球生态系统中重要的组成部分之一，不可否认的是，数千年以来，为了养活逐渐增加的人口，农业生产渐渐地改变着地球的本来面貌，同时对地球生态产生了或多或少的影响。目前，我国农业源污染排放已经占污染总排放量的一半，在环保呼声日益高涨的今天，农业这个受到人类强烈干预，但又与自然生态系统联系紧密的生态系统，不但要供给人类文明延续和进步所需的物质基础，同时也必须向着对环境更加友好的方向发展。

农业污染不可不治，然而，不能总是如此被动，一再做着“亡羊补牢”式的努力。农业减排，需要的是一场品种革命。

未来新品种的发展，如培育抗高温、耐干旱、作物生长发育期长的品种，应对全球变化。推广高产作物品种，增加多年生牧草种植，大力栽培木本植物，改进牲畜放牧管理等，以提高耕作土地中的碳素储备水平；培育新型氮素高效利用农作物的农业新品种，是农业生产适应气候变化的一个重要措施；开发培育氮素高效利用水稻品种，减少碳排放对环境的破坏，有助于全球温室气体排放的控制。

泰国：少水型糯米稻谷新品种

在人们印象中，温室气体总是和工厂、城市有关，而实际上，农田里也会产生温室气体。近年来，泰国科技人员开发出了一种可以在少水环境中生长的新型稻米品种，能降低水稻田里甲烷的生成量，以保护环境。

通常，收割后的水稻根茎会留在水田里作为下一季水稻生长的肥料，但这些根茎经水长时间浸泡，产生化学反应，会释放出大量甲烷。甲烷是仅次于二氧化碳的一种温室气体，会加剧气候变暖。

作为世界上稻米生产和出口大国，如何减少农田温室气体排放量成了泰国政府面临的一大挑战。科技人员开发出的少水型糯米稻谷新品种，对阳光十分敏感，从发芽、抽穗到成熟的全过程，仅靠雨水即可完成，既减少了用水量和工作量，又降低了甲烷的产生，一举三得。这种糯米稻谷新品种已经在泰国中南部平原地区的粮食产区推广，且泰国开发减排型香米稻谷的计划也已经全面实施。

多年生品种——

将温室气体含量拉回工业革命以前

一旦取代一年生作物的多年生品种登场，它们的普及就可能对碳排放产生极大影响。关键在于，多年生作物的根系有极强的固碳效果——它可以在每立方米表层土中封存相当于土壤质量1%的碳。英国生物技术与生物科学研究理事会会长道格拉斯·凯尔（DouglasKell）计算出，每年只要把全球一年生作物的2%改为种植多年生作物，就能吸收足够多的碳，扭转大气中二氧化碳含量有增无减的势头。而如果将地球上所有耕地全部改种多年生作物，封存的碳可以达到全球二氧化碳总量的118ppm（百万分之118），换言之，足以把大气中温室气体的含量拉回到工业革命以前的水平。

然而，找出与多年生特性相关的基因需要5年时间，而培育一个实用的品种至少还需要再用10年。让我们期待吧！

高产水稻减少温室气体排放

荷兰科学家发现，种植高产水稻，即可减少稻田的甲烷排放量。科学家通过去除一些植株的花朵来控制稻米的收成。他们发现，去除的花朵越多（产量也减少了），甲烷生成量越多。这是因为，花少的植株储存光合作用生成的碳的能力较低。在这种情况下，碳转而被储存在土壤中，土壤中的细菌又将碳转化成甲烷。相反，花越多（产量也高）的植株可储存的碳越多，从而使其不会流入土壤，成为产生甲烷微生物的养料，甲烷的释放量也会随之减少。