盐碱地上的奇迹：“海水稻”

2022-10-27策划本刊编辑部

大自然探索 2022年9期

关键词：盐碱化耐盐盐碱地

策划本刊编辑部

撰文供图罗越华康海岐

三亚市G98 环岛高速路旁种植的耐盐碱水稻

有一首歌唱道：“都说那海水又苦又咸……”海水为什么会又苦又咸？因为海是盐的“故乡”。起伏的海水潮汐永无休止地冲刷着海滩，那富含盐的海水不断地浸润着海边的土地，土地已被盐碱化，完全无法耕种庄稼。

在辽东湾、渤海湾、莱州湾、江苏和浙江沿海地区，甚至在西北内陆盆地、沿黄河经济带、黄淮海平原、松辽平原和三江平原，这样的盐碱化土地很多。

这是大地之殇。据统计，世界范围内不同类型的盐碱化土地，几乎占陆地总面积的10%。在我国，海岸线长达3.24 万千米，现有滩涂总面积3500多万亩（1 万亩≈6.67 平方千米）。此外，我国内陆盐碱地总面积近15 亿亩（其中，盐碱荒地约5.19 亿亩，包括耕地盐碱化的1.14 亿亩，约占耕地面积的6%）覆盖全国17 个省份，且耕地盐碱化问题日益严重，盐碱地80%处于荒芜状态。

随着社会经济的发展和人口的增多，我们对粮食的需求量越来越大，如何培育出能够适应在盐碱化土地上生长的农作物——耐盐碱作物？如果这些滩涂和盐碱地能够种上耐盐碱的水稻——“海水稻”，那么，土地盐碱化的大地之殇将被“海水稻”的碧绿和金黄所取代，耕地匮乏的现象将得到缓解，我国的粮食安全将得到有力的保障。这是我国农业科学家们孜孜以求的夙愿。

新疆阿图什市的盐碱地。我国内陆盐碱地近15 亿亩。80%处于荒芜状态

“海水稻”的由来和袁隆平院士的设想

1986 年11 月，刚从湛江农专（广东海洋大学的前身）毕业分配到雷州林业局工作的陈日胜，偶然在海边滩涂地里发现了一株野生稻，这个发现让他喜出望外。

海边土壤的盐分含量那么高，这株野生稻能在这种地方正常生长，就有可能在更多的海边滩涂地正常生长。如果能在滩涂地大量种植水稻，就可以为国家增加粮食产量。于是，陈日胜小心翼翼地收集了这株野生稻的500 多粒种子。第二年，陈日胜在虎头坡村租下了13.3 公顷的临海滩涂，开始了漫长的“海水稻”育种工作。

1987 年，他种植了400 株这种水稻，选择优良单株51 个；1988 年种植51 个株系，经过淘汰后选择了15 个株系，从中选择了株高、熟期一致的单株80 个。之后，陈日胜年复一年地种植和优选，到1991 年，最终选定了一个比较理想的株系，定名为“海稻86”，在最后选定的10 个株系中收获种子3.8 千克。而之所以取名“海稻86”，是为了纪念1986 年的那次“发现”。

虽然之前的科学家在水稻耐盐碱研究方面已经做了不少工作，但多半“关在深闺”，影响不大。而“海水稻”这个名字形象生动、通俗易懂，便开始在国内广泛传播，也引起了相关各方的高度重视。

2014 年，中国工程院院士、“杂交水稻之父”袁隆平获悉“海水稻”情况后，致信时任国家科技部部长万钢，认为“海水稻是一种非常宝贵的水稻种质资源，具有极高的科学研究和利用价值”。

2016 年5 月，袁隆平院士了解到海南大学有从事耐盐水稻研究基础，邀请笔者（罗越华）和他们的专家组一起到越南进行了一周的考察。我们回国后向袁隆平院士进行了汇报。

我国内陆尚有15 亿亩盐碱地，其中有2 亿亩具备种植水稻潜力。若按照每亩产值200～300 千克计算，可增产粮食500 亿千克，多养活约2 亿人。袁隆平院士设想，若能在超级稻之外，再大面积推广高产耐盐碱水稻，中国的粮食安全保障就有了两座长城，以共筑中国粮食安全的堡垒。

斯人已仙去一年多，我们对这位战略科学家怀着深深的敬意和思念。

光照培养箱“海稻86”盐处理15 天的结果，从左到右盐浓度依次为0、0.6%、0.75%、0.9%

2016 年，作者（罗越华）在袁隆平院士办公室，给袁隆平院士汇报耐盐水稻工作时的合影

“海水稻”的硬核本领——耐盐碱性

“海水稻”，顾名思义，是能在又苦又咸的海水中生长的水稻。但是从科学的角度来看，目前的“海水稻”并不能直接在海水里种植。“海水稻”只是对耐盐碱水稻的一种通俗表述。

据科学家研究，“海水稻”的耐盐能力一般可以达到耐盐浓度0.4%～0.5%，“海稻86”可以达到0.8%。迄今为止，科学家发现的耐盐水稻最高耐盐浓度不超过1.2%，而海水的平均盐分浓度是3.5%，即每千克海水中的含盐量为35 克。显而易见，直接在海水中种植水稻是不可行的。

水稻属于中等盐敏感植物。“海水稻”的硬核本领就是具有较高的耐盐碱性,这使它可以在海边盐浓度较低的海水中生长。目前的“海水稻”，一般是指能够在盐分浓度为0.3%以上的土壤中正常生长且亩产量可达到300 千克以上的一类水稻品种。那么，“海水稻”为什么能够耐盐碱呢？

盐碱地土壤中含有高浓度的钠离子，这就会引发渗透胁迫、离子毒害和离子不平衡等盐胁迫，会引起植物的各种生理、生化变化，如光合作用降低、能耗增加、营养物质摄取受阻、活性氧增多和代谢毒物积累等，这些变化导致植物生长发育受抑制，植株最终因碳饥饿而死亡。但是，“海水稻”对盐分有较高的耐受能力，它具有对钠离子毒害作用的适应能力和保持自身钾营养的能力，能够“想方设法”地减少细胞内的钠离子浓度并提高钾离子浓度。在盐碱土壤里，大量的钠离子从根部进入水稻植株体内，使钠离子浓度增高而钾离子的吸收受到抑制，但“海水稻”在整体水平和细胞水平上，能够尽量维持高钾离子、低钠离子的状态，从而在盐碱地上得以生存。

在近海水域，海水盐分浓度因降雨、洋流、海水混合等因素而变化较大，特别是在河流的入海口或被海水浸润的沿海滩涂等地，土壤中所含的盐分浓度，会远远小于海水的盐分浓度。因此，“海水稻”就可以在沿海地区和其他盐碱地种植并收获。例如，对于四面环海的海南，台风季节常发生海水倒灌情况，造成大量农田盐分过高，不能种植农作物。如果种植的是普通水稻就可能颗粒无收，而在这些滩涂地，“海水稻”就会一展身手。

不同品种、不同盐浓度的试验对比

耐盐碱品种（左）和普通水稻品种（右）在盐浓度为0.3%的试验田里的生长情况。“海水稻”明显优于普通水稻

“海水稻”的耐盐碱本领，不仅使自己得以立身和发展，而且还可以对立身之地的盐碱地有改善作用。栽种“海水稻”的水环境，可以对可溶性盐碱起到淋洗降盐作用；“海水稻”生长期间，自身也具备降低盐分的生物作用；海水稻的秸秆还田又可增加土壤的有机质。因此在滩涂和盐碱地栽种海水稻，是培肥土壤、改良盐碱地的一项有效措施。

钾是植物中含量最丰富的营养元素，占干物重的0.3%～0.5%，它在细胞内的浓度非常高，细胞质中钾浓度较低且十分稳定，为100～200 毫摩尔。当钾的数量超出最适水平后，过量的钾几乎全部转移到液泡中。液泡是钾的储藏场所，它是细胞质中钾的补给者。成熟细胞的液泡体积占细胞总体积的80%～90%，所以液泡内储藏着植物体中大部分的钾。植物之所以储存这么多钾，与它的生长和生理代谢有着重要的关系。钾在植物细胞的伸长、叶片运动、向性运动、保持代谢的动态平衡、萌发、渗透调节、气孔运动和耐受盐胁迫的过程中都起着重要作用。钾离子还是细胞质中许多酶的激活剂，但钠离子却是许多酶的抑制剂。水稻受盐碱胁迫时就是过多的钠离子进入了水稻植株内部，与钾离子竞争，从而使水稻受到伤害。

“海水稻”的发展历史

如果从1939 年斯里兰卡育成世界第一个抗盐水稻品种“Pokkali”算起，耐盐碱水稻品种培育已有80 多年的历史。“Pokkali”的耐盐性可达0.3%以上，于1945 年获得推广，亩产可达300 千克以上。随后，印度、菲律宾也先后育成“Kalarata 1-24”等耐盐水稻品种，孟加拉育成了“Sail”等耐盐水稻品种。国际水稻研究所育成的“CSR23”可在pH 值2～10 的条件下生长，亩产300千克。日本、韩国、俄罗斯等国家也纷纷育成了耐盐碱水稻品种。国际水稻研究所于1975 年实施了“国际水稻耐盐观察圃计划”，一些耐盐水稻品系在轻盐渍化土壤上种植，亩产量可以比不耐盐品系增加100 千克。

早在20 世纪50 年代，我国的水稻耐盐性研究就已经起步。辽宁盐碱地利用研究所采用在人工盐池对优良品系进行抗盐鉴定等方法，培育出多个耐盐碱水稻品种，并在生产上利用。江苏省农业科学研究院在20 世纪70 年代，先后对2000 多份国内外水稻种质资源进行耐盐性鉴定与评价，鉴定筛选出了一批有应用价值的耐盐水稻种质。江苏沿海地区农业科学研究所1987 年育成耐盐种“籼稻盐城156”，此后又育成“盐稻12”等耐盐种粳稻品种。

“七五”期间（1986～1990），国家启动了水稻种质资源的耐盐性鉴定，开展了全国范围内的大协作，筛选出了一批耐盐性水稻资源。然而，由于农艺性状较差等原因，这些筛选出来的耐盐资源大多没能在耐盐水稻育种实践中得以有效利用，更没有进入盐碱地区进行生产应用推广。

随后，海南大学经历十多年培育出了具有强耐盐特性的水稻新种质。2012 年海南大学、江苏省农业科学研究院与江苏沿海地区农业科学研究所合作，在江苏盐城沿海滩涂（盐分浓度0.3%）试种的“海湘030”，亩产达400 千克，受到广泛关注，并引起国家科技部的重视。2015 年国家科技部启动了国家科技支撑计划“耐盐水稻新品种选育及配套栽培技术研究”，筛选出耐盐分浓度0.3%以上的各类材料534 份，鉴定出“南粳9108”“盐稻12”等14 个在0.3%盐分浓度下表现较好的品种。近年来，江苏省农业科学研究院等单位育成适宜沿海滩涂种植的耐盐水稻品种“南粳9108”，核心区和示范区平均亩产均超过500 千克。

耐盐水稻选育

由袁隆平院士领衔的青岛海水稻研究发展中心于2016 年试验种植材料，其亩产突破500 千克，2017 年小面积测产最高亩产已经达到621 千克。2018年筛选出176 份优良材料在全国五大典型盐碱地试种。

“海水稻”的用武之地——盐碱地

在我国，内陆盐碱地总面积近15 亿亩，比3500 多万亩海边滩涂地大得多。

土壤是一个包含固态、液态、气态物质的复杂系统，除了其本身的固体颗粒外，还包含可溶性盐类，如氯、钠、钾、钙、镁等离子，通常情况下它们在土壤溶液中作为营养成分。但是，当这些离子的浓度达到足以对土壤性状和植物生长产生不良影响时，这些营养成分就变成了有害物质，使得土壤失去了生产能力，形成盐碱地。

盐碱地在全球分布广泛，从寒带、温带到热带，从美洲、欧洲、亚洲到大洋洲，到处都有大量含盐、干燥、板结、荒芜的盐碱地。我国内陆盐碱地主要分布在地势低平的盆地和干旱平原地区，如西北内陆盆地、沿黄河经济带等地区。土壤中的盐分主要来自岩石的风化、溶解、风蚀，以及含盐岩土层中的盐分在地表水及风力作用下转移到土壤中形成盐碱土。冲积平原盐碱地主要分布在黄淮海冲积平原、松辽平原以及三江平原上，主要是由于河床淤积或兴修水利等因素使得地下水位升高，致使局部地区土壤盐碱化。滨海盐碱地主要分布在华北平原东北沿海地区，如辽东湾、渤海湾、莱州湾和江苏及浙江沿海地区。

新疆阿图什市的盐碱地

新疆阿图什市红旗农场（背景为戈壁）稻田种植的耐盐碱水稻，平均盐浓度为0.5%，pH 值9.5

我国盐碱稻作区面积约占水稻栽培总面积20%。种植“海水稻”，开发利用好沿海滩涂以及现有内陆的盐碱地资源，是保障耕地面积、增加粮食产量的有效途径。袁隆平院士生前在很多场合描绘过我国“海水稻”的推广前景，即种植海水稻一亿亩，按照最低亩产300 千克计算，每年可增产粮食300 亿千克，能养活8000 万人。

这一亿亩“海水稻”种在哪里？显然，除了滩涂，主要是在广袤的内陆盐碱地。

盐碱地是包含盐土和碱土的土壤总称。盐碱地在世界各大陆中均有大量的分布，我国的盐碱地面积位居世界第三，面积将近100 万平方千米。

那么，盐碱地是如何形成的呢？这里说的盐是一种酸和碱中和而成的化合物。所谓的盐碱地，是指土壤表层聚集过多的盐碱成分。盐碱会影响到作物的正常生长。典型的盐碱地一般以白色为主。

在我国东北、西北和华北的干旱或半干旱地区，由于降水量小、蒸发量大，溶解在水中的盐分很容易在土壤表面聚集。在夏季雨水多的时候，盐分可以随雨水渗透到土壤底下，或者直接流走；而在春冬季节，降雨稀少、地表水分蒸发强烈，地下水中的盐分就会上升，并且聚集在土壤的表层。

盐碱地除了跟气候相关以外，跟地形条件也有关联。由于水往低处流，所以在一些低洼的地方，如果长时间不排水，水中的盐分就会越积越多，形成盐碱化的土地。西北地区的盆地以及东北低洼的平原的盐碱地，很多都是这样的地形原因造成的；此外，河流两旁的土地，因河水常年渗透，致使地下水位逐渐抬高，促使地表蒸发形成积盐；而沿海地区则是因为海水浸渍或者海水倒灌形成了滨海土地盐碱化。

“海水稻”的美好前景

我国耐盐碱植物有白蜡、月季、枸杞、沙枣、白柳、紫穗槐、黑松、木麻黄、梭梭、珠美海棠、杨树等。在青海盐湖的盐盖上常有芦苇生长；南海之滨的海边有红树林生长。我国许多农作物具有耐盐性，比如玉米、茄子、西红柿、甜菜、油葵等，棉花的耐盐性也较高。

这些耐盐性强的植物，也为“海水稻”育种的未来勾画了一幅美好的前景：克隆鉴定植物的耐盐碱基因，解析植物耐盐碱的分子机制，并利用生物技术将这些耐盐基因导入“海水稻”，不断提高“海水稻”的耐盐水平。将这幅前景变为现实，是科学家们今后长期奋斗的目标。

在我国土地资源极度紧张，全球气候变暖，极端异常气候频发，生态环境急需改善的背景下，“海水稻”作为沿海滩涂和盐碱地改良的首选粮食作物，凸显了其重要性。通过遗传改良来提高“海水稻”耐盐碱能力，培育耐盐碱新品种并推广应用，是培育新的经济增长极、保障国家粮食安全的重要举措。

如今，我国“海水稻”育种成就蔚为壮观，这展现出我国“海水稻”实际应用的广阔前景。

2017 年，湖南杂交水稻研究中心牵头组建了耐盐碱水稻国家区域试验联合体。2021 年，国家批准以湖南杂交水稻研究中心牵头，联合海南大学、青岛海水稻研究发展中心有限公司等单位在海南省三亚市共同组建挂牌成立了国家耐盐碱水稻技术创新中心。2020～2021 年，8 个耐盐碱水稻品种通过国家审定。迄今为止，耐盐浓度达0.6%、亩产量达400 千克的杂交水稻新品种已经选育成功。而且，这些耐盐品种在淡水条件下产量也很高，有些组合还通过了品种审定（非耐盐）。

广西钦州种植的耐盐碱水稻品种“赤禾”，长势良好

广西钦州“海水稻”种植试验。如今，我国“海水稻”育种成就蔚为壮观，展现出“海水稻”实际应用的广阔前景

近年来，科学家借助分子生物学的方法和技术，使耐盐水稻转基因研究取得了较大的发展。在国家科技支撑计划的资助下，江苏省农业科学研究院等单位通过分子标记辅助选择与常规育种技术相结合，建立耐盐、优质、抗病、高产多基因聚合育种技术体系，将优质、抗病、高产、耐盐基因聚合到优良水稻品种中。海南大学与湖南省水稻研究所合作，通过外源基因组DNA导入和耐盐作物筛选的技术，采用高耐盐野生植物芦苇DNA 作为基因供体，通过花粉管通道导入普通水稻，培育出具有强耐盐特性的水稻新种质。

随着科技进步和科学家的不断努力，我国“海水稻”育种和科研将为将来盐碱化土地的大面积开发利用奠定坚实的基础。科学家们不仅能为我国的盐碱化土地利用发挥作用，还可以为其他国家的盐碱化土地利用提供重要帮助。