源自大麥里的一段基因，幫高產(chǎn)水稻摘掉溫室“黑手”之名。

作者 | [中]劉強(qiáng) [日]名古屋大學(xué)農(nóng)學(xué)院

?當(dāng)我們吃飯的時(shí)候，不會(huì)想到，米飯正在被西方國家所詬病。當(dāng)我們經(jīng)過一片稻田，也不會(huì)想到，它們竟然還為氣候變暖做了“貢獻(xiàn)”。

據(jù)2016年聯(lián)合國糧農(nóng)組織報(bào)告，以二氧化碳、甲烷等為代表的主要溫室氣體的產(chǎn)生，除去工廠、汽車等大家熟知的人類活動(dòng)外，還有約30%來源于農(nóng)業(yè)。換句話，農(nóng)業(yè)要為氣候變暖付約三分之一的責(zé)任。

其中，水稻因?yàn)榻N植導(dǎo)致的超高甲烷排放尤其受詬病。

中國是世界水稻的第一生產(chǎn)消費(fèi)國，種植面積占全球總體三分之一以上。西方國家因此對(duì)我們國家研究高產(chǎn)水稻一直大加指責(zé)，對(duì)我國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展也持懷疑態(tài)度。

不過最近，中國農(nóng)科院的一項(xiàng)研究對(duì)此給出了有力反擊：50年來我國的水稻品種改良與稻作技術(shù)創(chuàng)新，在促進(jìn)糧食增產(chǎn)的同時(shí)，也為碳減排做出了重要貢獻(xiàn)，糾正了此前人們對(duì)于現(xiàn)代稻作“高產(chǎn)高碳排”的錯(cuò)誤認(rèn)知。

該研究于11月發(fā)表在《環(huán)境研究快報(bào)》上。

水稻田是甲烷排放重災(zāi)區(qū)

和其他植物一樣，農(nóng)作物的光合作用會(huì)將空氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣。另一方面，它們自身也會(huì)呼吸，消耗氧氣排放出二氧化碳。在一些特定的長黑夜周期，其對(duì)于碳循環(huán)（減少碳排放）的貢獻(xiàn)甚至呈現(xiàn)負(fù)值。

此外，大量的化肥和農(nóng)藥的使用，也加劇了農(nóng)業(yè)的溫室氣體排放。據(jù)統(tǒng)計(jì)，常用殺蟲劑、殺菌劑和除草劑的生產(chǎn)碳排放分別是4.9，5.2和4.7千克每公頃(以二氧化碳換算)，其理論熱值可以燒開300-400升的水。

而這其中，最令人關(guān)注的是水稻的碳排放，更具體地，水稻的甲烷排放。

和玉米、小麥等旱地種植的作物不同，由于采用浸水種植，水稻的甲烷排放在諸多作物中十分突出，達(dá)到25.6百萬噸每年。與它相比，玉米和小麥的甲烷排放幾乎可以忽略不計(jì)。

因?yàn)槠渲仓瓴糠纸谒袝r(shí)長得最好，稻田多為灌溉模式。而在淹水的條件下，稻田土壤中殘存的腐爛植物體等有機(jī)物會(huì)被產(chǎn)甲烷細(xì)菌分解，產(chǎn)生大量甲烷，并經(jīng)液相擴(kuò)散、氣泡和植株傳輸這三種途徑釋放到大氣中。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

這些氣體，和天然氣同屬一種成分（CH4，也稱沼氣），進(jìn)入大氣后，與二氧化碳、氧化亞氮一樣都會(huì)導(dǎo)致氣候變暖，從而造成災(zāi)害頻發(fā)（甲烷所起的作用約占15%）。

據(jù)《政府間氣候變化專門委員會(huì)第二次評(píng)估報(bào)告》（1992，此后數(shù)值小幅浮動(dòng)），地球表面每年向大氣釋放甲烷約5.15億噸，其中約12％來自稻田。

而根據(jù)當(dāng)前研究，在百年尺度上，單位質(zhì)量的甲烷對(duì)氣候變暖的貢獻(xiàn)是二氧化碳的25倍，減少甲烷排放顯得尤為迫切。

在我國，水稻是主要糧食作物，且以灌溉稻田為主，甲烷排放比較顯著。80年代末，據(jù)國外研究機(jī)構(gòu)推算，中國水稻田甲烷排放量為每年0.30億噸，占當(dāng)年世界稻田年排放總量的27％。

雖然這一測算的科學(xué)根據(jù)并不充分，卻給我國環(huán)境外交帶來深刻的負(fù)面影響，在包括《京都議定書》、《巴黎協(xié)定》等重大國際氣候談判中制造了許多責(zé)難中國的聲音。

多年來，為了應(yīng)對(duì)有限的耕地和龐大人口糧食需求的矛盾，中國的水稻研究主要集中在如何提高畝產(chǎn)上。隨著雜交水稻不斷創(chuàng)造高產(chǎn)紀(jì)錄，我國實(shí)現(xiàn)了用7%的耕地面積養(yǎng)活22%人口的創(chuàng)舉。

在解決了國人吃飯問題后，中國也逐漸將目光轉(zhuǎn)向水稻生產(chǎn)的生態(tài)影響及全生產(chǎn)環(huán)節(jié)的環(huán)境代償控制上。

在這一思想的指導(dǎo)下，尋求一種高產(chǎn)、同時(shí)減少碳排放的水稻品種和耕作模式，成了水稻創(chuàng)新的時(shí)代命題。

高產(chǎn)就高排嗎？沒有必然聯(lián)系，甚至相反

好在，大自然從來不會(huì)辜負(fù)勇于探求的人類。

在上世紀(jì)90年代，荷蘭科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)，雨季稻田的甲烷釋放量要高于旱季。聯(lián)想到雨季作物減產(chǎn)，研究人員提出假說：甲烷的生成量與作物的收成呈負(fù)相關(guān)。

為了檢驗(yàn)這一猜想，他們設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)：通過去除一些植株的花朵來控制稻米的收成。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，去除的花朵越多、產(chǎn)量越低，甲烷生成量就越多?！獛缀踝C明了猜測。

究其原因，甲烷排放的重點(diǎn)不在于產(chǎn)量，而在于碳在哪里?；ㄉ俚闹仓陜?chǔ)存光合作用生成的碳的能力較低，碳轉(zhuǎn)而被儲(chǔ)存在土壤中，被土里的厭氧細(xì)菌轉(zhuǎn)化成了甲烷。

也就是說，花穗越多、產(chǎn)量越高的植株體內(nèi)存的碳越多，流入土壤的碳足跡減少，從而使甲烷的釋放量也減少了。

順著這個(gè)思路，研究者設(shè)想：只要能有效調(diào)整水稻體內(nèi)的有機(jī)物分配過程，讓一些本該運(yùn)輸?shù)礁康挠袡C(jī)物進(jìn)入植物軀干乃至果實(shí)籽粒中，就既能夠減少植物碳足跡向土壤釋放，又能有效增加果實(shí)籽粒中有機(jī)物的含量，從而實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)低排這一完美構(gòu)想。

事實(shí)證明，這是一條極為精妙的水稻育種思路。通過篩查，一個(gè)來自大麥的基因SUSIBA2，幫助踏出了走向?qū)嵺`的第一步?？茖W(xué)家們將該基因插入水稻中，觀察其碳排放，并于2015年7月在《自然》雜志上發(fā)表了成果（孫傳信、王峰等）。

注：該研究從源頭上減少了甲烷的產(chǎn)生，也為本次研究（為高產(chǎn)水稻正名）提供了技術(shù)背景。

通過對(duì)照實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)，SUSIBA2基因在水稻上表型明顯，不僅實(shí)現(xiàn)了稻粒淀粉含量升高，顆粒飽滿，還大幅度降低了水稻種植過程中的甲烷排放。

這是首例高產(chǎn)低甲烷排放的大米，為稻田的強(qiáng)效溫室氣體排放問題提供了可持續(xù)的解決方案。

應(yīng)對(duì)全球變暖，農(nóng)業(yè)也要積極改革

全球變暖已是地球生態(tài)安全頭上的一朵烏云。除去工業(yè)革命帶來的大規(guī)?；剂先紵龑?dǎo)致的二氧化碳濃度驟升，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已是不可忽略的溫室氣體重要來源。

水稻作為五谷之首、在我國源遠(yuǎn)流長，從長江中下游向南一直延伸到印度平原和東南亞熱帶雨林，一塊塊水田勾勒著千年不變的農(nóng)耕風(fēng)貌。

古往今來，這些默默長在蒼穹下的作物，用春耕秋收的節(jié)律支撐著人類文明的延續(xù)。在科技高速發(fā)展的今天，我們不能讓它成為地球生態(tài)的“問題”。

本次的研究表明，培育高產(chǎn)低排水稻，是實(shí)現(xiàn)生態(tài)和生產(chǎn)共存的需要。此外，改進(jìn)耕作工藝，也是降低碳排放的重要手段。

比如，使用淺灌代替間歇性淹水，有望將水稻對(duì)氣候變暖的影響降低六成。若綜合考慮化肥施用和水稻自身生長階段，科學(xué)合理地安排蓄放水，甚至可以使一些農(nóng)場的溫室氣體凈排放降低九成。這也是需要我們努力的方向。

和自然相處，我們不能只想著碗里的方寸，還要有俯仰之間對(duì)天地的敬畏。金色稻浪聲不應(yīng)只是人類貪欲的佐證，更應(yīng)是我們和自然和諧共處的協(xié)奏曲。

（責(zé)編 高佩雯）

文章由“科學(xué)辟謠平臺(tái)”（ID：Science_Facts）公眾號(hào)發(fā)布，轉(zhuǎn)載請注明出處