作物育种理论研究上的“日心说”——记山西省农业科学院研究员褚清河

刘岩松，金建强

作物育种理论研究上的“日心说”
——记山西省农业科学院研究员褚清河

刘岩松，金建强

早在18世纪中叶，德国植物学家科尔罗伊特就创立了科学的杂交方法。随着遗传学、进化论及有关基础理论的发展，作物育种已逐渐发展成一门应用科学。作物育种通过人工选择，选育成大量优良品种，极大地推动了世界农业的发展。同样，我国在作物育种方面也作出举世瞩目的贡献。我国的袁隆平院士利用发现的野败材料，育成了水稻野败型不育系，并实现了水稻的“三系”配套，显著提高了我国水稻的产量水平；李振声院士通过远缘杂交培育了小偃麦系列品种，较好解决了条锈病的持久抗性问题，无疑是作物育种上的巨大成就。对此，即使是不了解育种科学产生发展的普通人，也必然深信作物育种学肯定有自己的科学理论，而专业育种工作者更会明确地说，作物育种经过一个世纪的发展，已发展为一门具有系统理论与科学方法的应用科学，其基本理论就是目标性状株型育种理论，即组合育种就是将分属于不同品种的、控制不同性状的优良基因随机结合后形成各种不同的基因组合，通过定向选育成集双亲优点于一起的新品种。

然而，有一位学者对此理论不以为然，认为株型育种理论只不过是育种目标思路和实现目标的经验和主观验证的概括。该育种思路恰好与杂交优势的本质和形成规律相反，如同历史上特勒密的“地心日动说”，并没有反映事物的客观变化规律。从大学时代开始，他便关注与针对性的学习研究，历经几十年钻研，最终提出了与传统育种理论截然不同的作物营养遗传特性育种理论，第一次阐明了玉米品种杂交优势产生的原因和高产潜力形成原理。这显然是特勒密的“地动日心说”和哥白尼的“日心地动说”在21世纪作物育种理论研究上的重演，表明新的理论同旧的理论体系之间出现了不可调和的矛盾，无疑是难以使专业研究者甚至普通人接受的一个事实。作为记者更想搞清该理论的来龙去脉，为此，我们专门采访了山西省农科院研究员褚清河博士。

“怪才”与他的“怪论”

褚清河，1957年生，是我国恢复高考制度后培养出的第一代大学生，所学专业是土壤农化专业，但大学毕业后，他却被分配到专业不对口的山西省农科院农业资源与经济研究所工作。

参加工作后，褚清河并没有安于本分从事与所里研究方向密切相关的自然资源调查、农业区划以及农业经济研究等工作，而是自立门户进行“土壤作物系统量比线性极点一次性调控施肥技术”研究，而且矛头直指作物追肥理论和经典施肥最小因子理论，这在当时引起了人们不小的议论，他的想法和最初关于追肥不增产的研究结果受到时任领导和一些专家的严肃批评，认为追肥是已有定论的传统技术，立项进行这样的研究是一个大学生缺乏基本知识的表现。这让他在单位落下基础知识不扎实，搞不了研究工作的名声，甚至影响了他正常上职称，但他并没有就此止步。对此，单位有的人认为褚清河是个“怪人”，性格有点“倔”。而记者通过对褚清河的了解和接触感知到，他并非是个别人所说的“怪人”，更确切地说，应是他导师所说的“怪才”。他也并非是性格“倔”，而“倔”所表现出的是他在科学研究上实事求是、坚持真理、不唯书、不唯上、不唯权的求新精神。正是这种不屈不挠的科学精神，让他突破一道道难关，取得了意想不到的学术成就。他首次提出了作物播种前一次施肥理论：“施肥是一种调节手段，其作用是提高苗期土壤养分供应强度和调整氮磷钾养分供应比例，以协调解决作物苗期土壤供肥能力不足和作物吸肥能力弱的矛盾，并非是满足作物整个生育期对养分量的需求。作物吸肥是由前一阶段吸肥水平决定后一阶段吸肥水平的系统连续过程，作物播种前一次性施肥才能顺应作物的主动吸肥规律，否则就会造成养分的被动吸收，致使产量降低。”之后，他又在小麦、水稻等作物上进行了研究，证明一次性施肥理论反映了作物的普遍吸肥规律，研究论文发表于《土壤通报》。

研究确立作物一次性施肥理论后，褚清河在山西省农科院和省科技厅领导的支持下，通过多次立项研究，终于证明施肥是作物内在营养遗传特性的外在施肥表现形式，决定作物产量的，并非是土壤中相对含量最小的有效植物生长因素，而是取决于施什么肥料效果好，以及以什么比例施用和施多少比较合理的作物品种营养遗传特性，从而提出了土壤施肥配比理论并发明了数字化施肥技术。

土壤施肥配比理论首先提出了平衡与不平衡土壤养分类型及最佳施肥比例的概念，平衡的含义是指作物苗期土壤氮磷或氮磷钾养分供应比例的协调性，即作物对土壤氮磷或氮磷钾各养分苗期供应强度的满足程度相同，不平衡养分类型则是相对于平衡养分类型存在的一种土壤养分形式，并定义氮磷最佳施肥比例则是指作物最高产量施氮量时获得氮磷最大联效应一份氮与几分磷配合施用的配比。阐明施肥比例的作用则是调整土壤供肥由不平衡供应转化为平衡供应，或保持土壤原有供肥的均衡性，而施肥量的作用就是提高作物苗期的土壤养分供应强度，从而阐明了施肥的增产原理。此外，理论确立了氮磷在作物品种允许的任何土壤养分条件下均需施用，而钾和微量元素只有在缺乏时才需与氮磷配合施用的施肥原则，这无疑是科学的概括总结。土壤施肥配比理论的提出是学科发展的重要标志，是世界科技发展史上的又一里程碑。但一些食古不化的人却认为是“砍老祖宗李比希这棵大树”。

追根问底，探索原理

对于自然界的事物，人们不可能通过主观想象推理出其客观运动规律，即使是圣人也不能做到先知先觉，否则科学观测和试验就显得多余和没有必要。然而，个别科学工作者甚至仅仅在大学里学习过专业知识的人，便自认为自己的专业知识已足以判断一个理论正确与否，自认为自己的专业知识和在社会活动中表现出的才干足以想象出事物的运动规律。在科学研究部门中通常有这样一些人，当别人的研究思路和他们的相反以及试验结果超越他们的想象时，他们常常会说研究者是离经叛道的怪人，褚清河在工作中曾遇到这样的人。

褚清河上大学时所学专业是土壤农化专业，循规蹈矩研究土壤施肥自然是他的本行，然而，2014年他却申请了土壤育种课题，在别人看来这是十分离谱的事情，有的业内专家则认为“老褚硬是钻牛角尖了”。在山西，钻牛角尖的人实际就是精神不正常，想法奇离古怪的人。但记者的看法和他的博士生导师一样，褚清河是科学研究上难得的一个怪才，“钻牛角尖”确切表现出了他在土壤施肥研究上追根问底的科学精神。

1883年，美国科学家罗兰在美国《科学》杂志上撰文，“我时常被问及，科学与应用科学究竟何者对世界更重要。为了应用科学，科学本身必须存在，如停止科学的进步，只留意其应用，我们很快就会退化成中国人那样，多少代人以来他们都没有什么进步，因为他们只满足于应用，却从未追问过原理，这些原理就构成了纯科学。中国人知道火药应用已经若干世纪，如果正确探索其原理，就会在获得众多应用的同时发展出化学，甚至物理学。因为没有寻根问底，中国人已远远落后于世界的进步。我们现在只将这个所有民族中最古老、人口最多的民族当成野蛮人。当其他国家在竞赛中领先时，我们国家（美国）能满足于袖手旁观吗？难道我们总是匍匐在尘土中去捡富人餐桌上掉下的面包屑，并因为有更多的面包屑而认为自己比他人更富裕吗？不要忘记，面包是所有面包屑的来源”。李约瑟也提出同样的看法，中国古代科学技术远远发达于西方，但近代科学并没有在中国产生。到了今天，我国学者仍然不重视科学理论的研究，褚清河却要让李约瑟之问不攻自破。

褚清河博士由研究土壤施肥理论技术转向作物育种研究，并非心血来潮的奇思怪想，也非是科学思维不靠谱，而是超常思维下学科问题的延伸探索。

早在2004年，褚清河在数字化施肥技术推广应用中发现，相同玉米品种在不同施肥条件下，产量排序发生截然不同的情况。在常规施肥下，玉米辽127品种产量排序位于第1位，产量较对照农大108增产6.4%，而隆迪205和620500则分别位于第11位和第9位，分别较对照农大108减产7.9%和6.2%；而在数字化施肥条件下，玉米品种620500和隆迪205产量排序分别位于第1位和第2位，分别较对照农大108增产35.8%和30.6%，而辽127仅增产17.2%。相同玉米品种不同施肥条件下产量排序完全不同，表明土壤氮磷单施和配施并非是由土壤养分最小因子决定的，而应是玉米品种的营养遗传特性。他意识到施肥学中的作物最高产量施肥量即最大施肥量，也应该是作物品种的营养遗传特性，土壤施肥应是作物内在营养遗传特性的外在施肥表现形式。如此，土壤应该存在一个由肥力水平和养分共同决定的土壤最大施肥量，而作物品种也存在一个由营养遗传特性决定的最大施肥量，否则同一作物品种在不同肥力土壤上就不会表现出明显的产量差异。褚清河甚至提出作物品种的产量潜力水平就是由土壤养分利用效率和耐肥性即最大施肥量决定的科学假说。为了证明这一假说，2005—2011年，他在山西省农科院玉米所农场进行了平衡与不平衡施肥下的玉米制种和相应施肥环境下的品比试验研究初试。通过试验得出结论，作物品种性状是包括品种外在与内在的一切形态特征和特性。作物品种的耐肥性和利用效率是决定其产量潜力水平的内在性状，它是育种材料适应一定施肥水平和平衡与不平衡施肥环境自然选择的结果。通常品种的耐肥性越好，养分利用效率越高，其产量潜力水平也就越高。作物品种选育实际就是以耐肥性和养分利用效率为核心的各种性状的重新组合过程，即性状所代表基因的重新组合与表达。作物品种的耐肥性和利用效率表现在施肥上就是最大施肥量和平衡与不平衡施肥特性，而平衡与不平衡施肥也就成为相应显性基因和隐性基因转化表达的重要条件。

不同品种植株性状的组合可实现不同或相同的产量水平。一定产量潜力水平的作物品种虽然有相应的植株性状，二者存在必然的联系，但植株性状是从属于产量潜力水平的要素，并非是主导产量潜力水平的主导因子，它们与产量潜力水平并不具有一一对应的函数关系，而施肥量和氮磷施肥比例与作物产量水平存在显著线性相关关系，初步试验证明假说成立。

证明假说成立仅仅是探索自然规律的良好开端，要把已发现的科学现象变化规律上升成为理论，不仅需要有严密而科学的试验方法，而且试验及其结果要有严密的逻辑性，且结论具有普遍规律。因此，褚清河觉得，既然最大施肥量和氮磷单施与配施是作物品种的营养遗传特性，那么，我国现行推广作物品种必然在这2个营养遗传特性上存在显著差异，在获得山西省科技厅批准立项后，他在山西省不同生态区的垣曲县、太谷县和汾阳市不同年份进行了7个玉米品种和13个玉米品种氮磷单施与配施3次重复的田间试验及7个玉米品种氮磷最佳施肥比例下的3个施肥量水平的最大施肥量试验。试验结果，联创808、金满囤、农华101、洛单248、先玉335、中科11、潞玉39玉米品种的最高产量施肥量各不相同，且差异较大；此外，登海605为具有氮磷配合施用营养遗传特性的品种，玉米氮磷配施产量分别较氮磷单施增产19.8%和17.5%；而京科665、金满囤玉米品种为具有单施磷营养遗传特性的品种，单施磷的玉米产量分别为14 696.0，11 616 kg/hm2，京科665分别较单施氮和氮磷配施增产26.8%和39.2%；金满囤分别增产31.3%和34.7%。假说的进一步证实，让褚清河更加确信玉米高产品种一定是父母本具有相同营养遗传特性基因且一方具有较强耐肥性基因在杂交过程中重新组合的结果，为此他进行了育种试验验证。

奇思与妙论

自然界事物的变化错综复杂，千变万化，以致人们难以想象甚至难以通过几次试验就揭开它神秘的面纱。但自然界物质的运动又表现为规律性和相互联系，我们可以通过物质的运动轨迹去探索其规律，通过物质的相互作用探索它们之间的关系。这就像尽管宇宙浩瀚无垠，神秘莫测，但人们还是可以通过测量太阳和地球的相互作用及千百次观测不同季节它们之间的相对位置的变化探明地球绕太阳运动规律这一科学事实。褚清河从研究土壤肥力、土壤养分类型与施肥量和施肥比例的关系开始，一直追寻到研究作物品种营养遗传特性与施肥量和氮磷单施和配施的关联性，找到了事物运动的轨迹。寻着轨迹走下去，必然揭开玉米杂交培育高产品种的奥妙。

现代玉米杂交育种主要有品种间杂交和自交系间杂交等方法。利用2个品种杂交产生的杂交种为品种间杂交种，而利用自交系进行杂交所产生的杂交种为自交系间杂交种。培育自交系的方法是从品种或杂交种群体中分离选择优良单株进行自交，再从第一代中选择较好的植株继续自交，直到最后每一自交穗后代即成为性状相对稳定一致的自交系。

褚清河分析了品种间杂交和自交系杂交培育新品种的过程和方法后认为，品种杂交优势的形成期是在杂交制种时，而杂交形成的新品种之所以高产是因为父母本各自含有一半或部分决定高产特性的基因，这些基因应该是能决定作物品种产量潜力水平的单施氮基因、单施磷基因、氮磷配施基因及耐肥性基因。它们在自交系培育中得到分离纯化，在杂交过程中使父母本耐肥性不同的相同基因重新组合存在于新品种中，使得新品种具备了高产特性。然而现代育种学认为，提高产量的重要途径就是株型育种，而株型主要指矮秆、直立、抗倒伏、耐密植等。株型育种就是要用适当的手段将分布在不同品种中的目标性状重组在一个植株中形成期望的复合性状，整体地提高作物生产力使其产值渐近于期望值，褚清河认为株型育种理论完全违背遗传学原理，认识如同16世纪前的“地心说”，不符合事物的客观运动规律。

他说，孟德尔遗传理论认为，每一个性状都由一对因子所决定，其中一个来自父方，一个来自母方。据此可以认为，作物品种的高产特性必然有相对应的性状，它们就是左右产量高低的耐肥性和养分利用效率，自然每个特性都由一对基因组成，使得品种高产特性得以遗传。而株型育种培育具有优良植株性状的自交系杂交选育新品种，遗传给子代的仍然是植株性状，而株型性状并不能决定产量高低，已有研究证明二者不具有显著相关关系。事实上，株型育种理论并非实证理论，而还停留于主观推断，没有形成概念、原理和科学系统的解释。褚清河却用哲学思想和科学的试验方法证明了作物品种的高产性状及其产量潜力水平的形成原理。

2015年，褚清河在山西晋中市榆次区东阳镇山西省农科院试验基地选用N1，P1（强盛2号）；N2，P2（品玉188）；N3，P3（品玉208）；N4，P4（鑫源596）；N5，P5（强盛1号）；N6，P6（强盛3号）；N7，P7（品玉202）7个玉米品种的父本自交系和母本自交系，在用数字化施肥技术计算的土壤最大施氮量、最大施磷量及氮磷配施3种施肥环境下进行了杂交制种，2016年，对杂交制种品种在相应3种施肥环境下在汾阳市农业局农场进行了品种比较试验，试验发现，参试品种具有2种营养遗传特性类型。一类是氮磷配合营养遗传特性品种，这类品种的父母本本身均含有氮磷配施和单施氮营养遗传特性基因，氮磷配合施用特性是在氮磷以最佳比例配合施用条件下杂交形成的。如鑫源596氮磷配合施用品种，父母本氮磷配施制种的玉米品种以氮磷配合施用种植的产量最高，产量分别较氮磷单施提高9.4%和11.2%，较相同父母本在单氮条件下制种品种氮磷配合种植的高39.5%，但父母本在单施磷条件下制种的品种，玉米产量以单施氮种植最高，而相同父母本在单施氮条件下杂交的玉米品种也明显表现为单施氮特性，产量较氮磷配合施用种植提高18.2%；另一类则是具有单施氮营养遗传特性的品种。此类品种父母本同时含有单施氮和氮磷配合施用的遗传基因，但父母本单施氮的耐肥性高于氮磷配合施用，因此父母本杂交制种的品种突出表现为单施氮特性。但这类品种的单施氮特性是在单施磷环境条件下制种形成的，多数品种表现出交叉遗传现象，很可能是单施磷提高了单施氮基因的表达和利用效率。如强盛2号玉米品种的产量以单施磷杂交制种品种在单施氮条件下种植的产量最高，玉米产量明显高于单施氮与氮磷配合施用杂交制种和种植的产量水平，玉米产量较氮磷配施制种和种植的增产17%。但父母本氮磷配合施用制种品种也表现出氮磷配施种植的营养遗传特性。

通过试验研究，褚清河得出与传统育种遗传认识截然相反的作物育种“日心说”理论：“作物育种是一个性状基因纯化分离、选择和重组的过程，耐肥性和养分利用效率是作物高产品种的基本性状，这些性状是由决定品种最大施肥量和氮磷单施和配施营养遗传特性基因决定的，它们是父母本固有的。通常父母本可同时携带多种基因，可以是相同的，也可以是不同的，但父母本只有含有相同的基因且一方基因具有较强的耐肥性，才能实现杂交重组形成高产新品种。杂交时的施肥环境决定或左右品种氮磷单施与配施的营养遗传特性，施肥条件是隐性基因和显性基因转化的必要条件。通常氮磷配合施用特性品种是在氮磷配合施用条件下形成的，而氮磷单施品种则是在与其特性相反的施肥环境下在杂交过程中形成的。”理论具有极大的科学价值和应用价值。

价值与信念

人类从食物采集者到生产者经历了漫长的过程，直到新石器时代的农业革命，食物采集者向农业生产者的转变成为人类文明的起点。但是，农业革命使人类文明前进一大步后，就再没有作出进一步的贡献。从原始农业品种驯化走向杂交种的选育应用以及有机肥的施用转向化肥的施用，虽然无疑是世界农业技术的巨大进步，闪耀着人类文明进步的火花，但所有这些进步并没有使世界农业发生重大变革，因为人类至今并没有彻底摆脱古代农业生产中的直接经验性，以至于目前在世界很多地方农业技术不再具有增产作用，世界上还有近8亿人没有摆脱饥饿和贫穷。我国古代是一个农业十分发达的国家，可是我国的吃饭问题直到上世纪改革开放后才得到解决。由于缺乏土壤施肥和作物育种理论技术研究上的重大突破，实际上中国的吃饭问题并