节水抗旱稻研究进展及其在水稻绿色生产的作用

高 欢，赵洪阳，聂元元，张剑锋，周佩雯，黎佳佳，龚丽英**

（1上海市农业生物基因中心，上海 201106；2上海天谷生物科技股份有限公司，上海 201203；3江西省超级稻研究发展中心，南昌 330200）

节水抗旱稻研究进展及其在水稻绿色生产的作用

高 欢1，赵洪阳2*，聂元元3，张剑锋1，周佩雯1，黎佳佳1，龚丽英1**

（1上海市农业生物基因中心，上海 201106；2上海天谷生物科技股份有限公司，上海 201203；3江西省超级稻研究发展中心，南昌 330200）

传统水稻生产消耗大量的淡水资源，过量使用农药化肥带来严重的面源污染。通过梳理节水抗旱稻研究进展及近几年多年多点示范数据，指出节水抗旱稻在高产稻田种植可大幅度减少灌溉用水和化肥及农药施用，降低面源污染；在中低产田表现高产稳产。近几年，节水抗旱稻在“玉米改稻”和“棉改稻”上的成功应用，也为当今农业种植结构调整提供了可行的参考方向。推进节水抗旱稻的选育和开发，将有利于粮食安全、生态安全、生产安全。建立标准的审定体系和完善配套栽培技术是节水抗旱稻今后发展中需重点解决的问题。

节水抗旱稻；绿色生产；粮食安全；生态安全

我国资源总量和人均资源相对短缺，农业近几十年的粗放式生产，造成资源消耗过高、过快，资源利用率低，导致农业发展和资源环境之间的矛盾日趋尖锐，重要资源难以为继，生态环境不堪重负［1-2］。中共十八大明确提出要加快转变农业生产方式，到2020年要基本形成资源节约型，环境友好型农业生产体系（简称“两型农业”）［3］。十九大提出推进农业绿色展，实施国家节水行动；着力解决突出环境问题，加强农业面源污染防治［4］。“两型农业”就是围绕转变农业发展方式，以提高资源利用效率和生态环境保护为核心，以节地、节水、节肥、节药、节种、节能、资源综合循环利用和农业生态环境建设保护为重点，推广应用节约型的耕作、播种、施肥、施药、灌溉与旱作农业、集约生态养殖、秸秆综合利用等节约型技术，推广应用减少农业面源污染、减少农业废弃物生成，注重水土保持和保护环境等环保型技术，大力培养农民和农业企业的资源节约和环境保护观念，大力发展循环农业、生态农业、集约农业等有利于节约资源和保护环境的农业形态，促进农业实现可持续发展。

2005 年我国有学者提出培育绿色超级稻的设想和基本策略［5］，即在不断提高产量、改良品质的基础上，实现节水抗旱，基本不打农药，少施化肥，在国内外引起巨大反响。开展节水抗旱研究，通过少灌水及精细施肥用药，可以避免灌溉水和化肥农药的过量使用，不仅可以节约农业用水，节省农业生产成本，而且可以最大限度的降低农业面源污染，在缓解水资源供需矛盾的同时实现生态安全，实现农业及区域社会经济的可持续发展和环境友好型社会的形成。2017年，农业部先后发文，提出 “加快现代种业创新”“大力发展节水农业”“大力推进化肥农药减量增效”；还明确指出，解决我国农作物品种方面存在着“高产品种多、优质专用品种少，粮食作物品种多、经济作物品种少，资源消耗型品种多、资源节约型品种少”的“三多三少”问题，急需一批绿色生态、优质安全、特色专用、高产高效的新品种［6-7］。节水抗旱稻低碳、环保的绿色生产种植模式不仅契合“两型农业”发展理念，还能有效提升中低产田的产量潜力，对于我国粮食安全具有重要意义。

1 常规水稻生产面临的挑战

水稻是我国主要的粮食作物之一，优良水稻品种的选育与推广对保障我国粮食安全发挥了重大的作用，但目前水稻生产面临着严峻挑战。

一是我国水稻生产发展过度依赖资源消耗［8］。过去半个世纪，矮杆、耐肥品种的大面积推广，使得水稻生产中化肥、农药、水及劳动力投入激增，产量增长与环境污染和资源消耗不成比例，而这种以高投入换取高产出，同时带来高消耗、高污染的粗放式增产方式在中国表现得尤其突出；

二是水稻生产追求的高产往往需要“良田、良种、良法”的多良综合配套，具有极强的区域性和时效性。我国水稻总种植面积中有70%是中低产田，中产田的理论增产潜力为63 505万t，约占全国的46.61%，相当于其现实产出能力的2.34倍；低产田的理论增产潜力为32 787万t，约占全国的24.06%，但相当于其现实产出能力的6.26倍［9］。中低产田主要限制因素是水资源，过度依赖资源消耗的高产品种无法在中低产田发挥高产的作用。

三是新一轮农作物种植结构调整的一个重要方面是提高农作物产品的品质以满足市场需求。我国多年来对新品种的评价审定主要以产量为主要指标，轻视品种的营养、加工、口感等品质性状，加上大肥大水，导致农作物产品产量高但品质劣。另外，随着种子、肥料、农药和人工成本的不断上涨，棉花、玉米等作物种植效益不断降低，已给传统水稻种植区以及部分玉米、棉花种植区的农民造成了极大的增收困扰，迫切需要改变传统生产方式，调整农作物种植结构［10］。

2 节水抗旱稻的提出及其研究进展

我国水稻品种抗旱性改良可追溯到20世纪30年代，农民自主对传统旱稻品种进行改良、引种［11］。真正系统的研究起源于1992年，李鹏总理从巴西带回了巴西陆稻‘IAPAR 9’，在我国引进、试种成功后，引起了有关部门和专家对早稻的高度重视［12］。2000年农业部组织全国旱稻区试，并建立了全国旱稻的区域网络。同时，一些农业科研院所加强传统旱稻品种的改良、早稻种质资收集，开展水稻抗旱性研究等育种工作，相继育成了一些适合不同地区的不同类型的旱稻品种，如中国农业大学育成的‘秦爱’及‘旱稻2号’等系列品种［13-14］；云南省农科院选育的云陆、陆引等系列［15］；中国水稻所育成的‘中旱3号’等系列［16］；辽宁省农科院育成的‘旱72’等品种［17］；丹东农业科学院育成的‘丹粳 5号’‘丹粳6号’等品种［18-19］，然而这些品种的选育依然参照的是传统旱稻的选育模式，单一注重抗旱性的提升，忽略了水肥利用效率、抗病虫能力和品质等性状，在高产田块没有竞争优势。节水抗旱稻里程碑事件是上海市农业生物中心于2003年育成的世界上第一个节水抗旱不育系‘沪旱1A’［20］，其改良培育的‘旱优73’［21］在安徽、湖南、湖北、江西展示出良好的适应性，尤其在近两年极端天气频发的恶劣气候下，在抗旱、产量和品质等方面表现优异，极大地推动了我国节水事业的发展。

20世纪初，国内外科学家已经对水稻抗旱机理方面的系统研究。1996年，Ray等［22］首次利用RIL群体对作物根系在土壤中的穿透能力定位后，人们对作物抗旱机制的研究不断深入。截止到目前，作物的大部分抗旱相关性状均有 QTL报道，如根粗，根长［23-25］；株高、分蘖［26-27］；叶片性状［24，28］；生育期［28］；产量性状［27-33］等。近两年，利用生物信息学、转录组学、表观遗传等多组学研究手段，发现品种抗旱性的提高不是来源少数几个基因的表达，而是多个基因网络互做的结果［34-37］，也在一定程度上印证了抗旱机理的复杂性。

我国科学家在2009年第三届国际干旱大会上首次正式提出“节水抗旱稻”［38］，明确定义是指既具有水稻的高产优质特性，又具有旱稻节水抗旱特性的一种新的水稻品种类型，它是在水稻科技进步的基础上，引进旱稻的节水抗旱特性而育成的新品种［39］。在有水灌溉的高产田，节水抗旱稻的产量、米质与水稻基本持平，但可节省50%以上的灌溉水，大量地减少面源污染和温室气体排放，对比‘中浙优1号’，节水抗旱稻‘旱优3号’在节水50%以上情况下，产量仍可达7.5 t/hm2，同时还表现出明显的节肥节农药，有效减少径流带来的面源污染［40］；在灌溉条件不足的中低产田，节水抗旱稻可表现出明显的抗旱优势，在缺水条件下可实现稳产保收，江西通称是“六山一水二分田、二分道路和庄园”，由于江西地处丘陵地区，坡地较多，水利设施不完善，使得大田的坡耕地只能依靠自然降雨成为“望天田”“高台田”，耕地利用率低，引进适宜的节水抗旱稻，加上合理的种植模式就能最大限度的扩大耕地面积，可以较大幅度的提高农业生产，也能保证江西省“旱地改水田”项目的顺利实施［41］；在生产上，简单易行，可适宜水种水管、水种旱管、旱种旱管等多种种植方式，适应性广，投入低，节能环保，在国家取消棉花储备政策后，棉花生产效益下降，农民改种意向强烈，湖南省有超过20万hm2的棉地需寻求改种生产出路，山丘区和部分湖坪区水源困难和水利设施不配套的农田，正常年景下也有20万hm2以上水稻生产面积受旱情威胁，节水抗旱稻以较强的耐旱性、丰产性，对轻简栽培和机械化生产的适应性，成为棉田改种和水资源不足稻田高效种植的选择［42］。

3 节水抗旱稻在水稻绿色生产中的作用

3.1 节水抗旱稻可推进高产田节水节肥减排

种植节水抗旱稻的一大特点是田间不需要一直保留淹水层，这一改变一方面直接减少农田灌溉用水，另一方面减少了水稻淹水种植所产生的温室气体，同时降低了纹枯病等病害发生的几率，减少了农药的施用量，再一方面节水抗旱稻比一般水稻根系更加发达，扎根深，吸水吸肥能力比较强，提高了肥料的利用效率。2016年，常规粳型节水抗旱稻‘沪旱61’在上海金山和奉贤示范面积约13.3 hm2。其中在上海金山廊下镇进行高产节水节肥示范试验中，对照‘秀水134’，在少53.0%灌溉用水、少76.0%尿素、少23.3%复合肥条件下，‘沪旱61’增产5.4%，米质达国标2级。同时，‘沪旱61’在旱种旱管栽培模式下能大幅度地减少农业面源污染，其中，总氮和总磷的排放对比分别减少69.0%和36.6%，茚虫威和烯啶虫胺排放量对比分别减少88.9%和86.1%，而灭草松、2-甲-4-氯二甲酰胺和阿维菌素三种农药在旱作模式下几乎零排放（表1）。

3.2 节水抗旱稻可有效挖掘中低产田产量潜力

节水抗旱稻一方面具有水稻高产、优质的特点，另一方面具有耐高温干旱的突出特点，在大田生产上体现了一个“稳”字，降低了水稻生产中干旱缺水带来的减产风险，尤其在灌溉条件不足的中低产田可表现出显著的产量优势。例如：由于季节性集中降水或季节性干旱，安徽省阜南县部门区域旱涝灾害频繁，濛洪洼地区域性欠收或绝收经常发生，易涝易旱是当地农业生产的重要限制因素。2012年，该县洪河桥镇试种节水抗旱稻‘旱优73’6.67 hm2，10月13日现场实地收割0.18 hm2，收湿谷1.86 t，按13.5%标准水份折算后实际产量9.29 t/hm2（表2）。

节水抗旱稻种植轻简，栽培上可采用旱种旱管、旱种水管、水种水管、机械旱条播等多种轻简化种植模式。在目前农村劳动力缺乏，土地流转后集约化种植要求有比较轻简的栽培技术来适应规模发展的需要，节水抗旱稻通过多年的推广，在直播方面形成比较成熟的配套技术，以‘旱优73’‘沪优2号’［43］为代表的节水抗旱稻品种推广面积迅速增长。以公顷为单位计算，节水抗旱稻的旱直播和后期旱管，可以节省30—45个人工的投入，另外减少灌溉用水次数，减少了水资源的使用和水运输的动力投入，人工和资源的投入可以减少3 750—4 500元（人民币，下同）/hm2。以‘旱优73’为例，其在江淮流域的生育期为125 d，平均产量约为9.00 t/hm2，日产量为72.00 kg/hm2［44］。而近几年安徽区域推广面积较大的中稻品种，如‘丰两优1号’［44］，生育期为135 d，平均产量在9.75 t/hm2左右，日产量也为72.00 kg/hm2，可见两者的日常量相仿，而生育期短的品种可以减少水费和人工的投入，更加符合“两型农业”实际需求。

表1 节水抗旱稻‘沪旱61’上海示范Table 1 The demonstration of WDR‘Huhan 61’in Shanghai

表2 节水抗旱稻‘旱优73’示范汇总Table 2 The summary of demonstration by WDR‘Hanyou 73’

3.3 节水抗旱稻可为种植结构调整提供可行的方向

节水抗旱稻的推广，契合现今绿色农业改革发展方向，轻简的栽培方式使得原先抛荒的田块具备开发价值，旱种旱管的种植模式使得因灌溉系统破坏的传统旱作田块得到持续利用和改良，农民也可通过规模种植增加收入。

2016 年，在安徽省利辛县永兴镇原来种植玉米的旱地试种‘旱优73’6.67 hm2，机械旱直播，整个生长期间仅灌水3次，最终实测产量为8.34 t/hm2；同年，在江西省永修县三角乡原来的棉花地里，试种24 hm2节水抗旱稻‘旱优73’，8月26日经现场实地收割测产，平均产量达9.54 t/hm2（表2）。节水抗旱稻在玉米地和棉花地等传统旱作田块的成功试种，为当地农户增收提供了一种新的生产种植发展模式，为当今农业种植结构“玉米改稻”“棉改稻”提供了有力支撑，也为种植结构调整提供了一个可行的改革方向。

随着工业化进程的加快，大量农村劳动力向城市转移，传统需要耗费大量人工育秧移栽、抢收抢种的双季稻种植方式已不再适宜当前水稻生产实际，水稻种植逐步朝着省工省时的轻简栽培方式发展。目前，在湖北南部、湖南、江西、福建等地“双季改单季，一季加再生”的水稻种植模式正在成上升趋势。在湖南省常德市澧县节水抗旱稻‘沪优2号’做再生稻种植，头季2016年4月8日播种，8月16日田间现场收割，平均产量9.90 t/hm2；第二季再生稻谷11月2日收割，平均产量达4.99 t/hm2（表2）。此外，第二季再生稻通过米质检测，多项指标达到国标一级优质米标准。由此表明，节水抗旱稻在再生稻生产模式中也具有广阔的发展前景。

4 展望

过去几十年，为满足快速工业化、城市化发展需要，各产业过度地依赖和消耗水土资源，但也付出了极大的代价，农业资源利用强度过大，耕地、水资源约束日益趋紧。推进我国水稻生产向“两型农业”转型已迫在眉睫。节水抗旱稻是我国科学家历经数十年潜心钻研出的重大发明，其“少施化肥、少打农药、节水抗旱、优质高产”的选育和生产理念完全契合当今农作物品种“优、新、绿”的发展模式，同时其“资源节约、环境友好”的绿色生产种植模式也为现今农业种植结构调整提供一条新的思路。

4.1 建立符合节水抗旱稻品种的审定、示范和推广体系

在我国，水稻新品种必须先通过省级以上审定才能推广。目前，节水抗旱稻的审定只能参加水稻区域试验，而现行的水稻品种审定主要以产量作为新品种的评价指标，忽视了抗逆境影响、肥料利用效率、节水抗旱等特殊性状，导致许多通过申报的新品种高产不优质、高产不高效或高产不抗逆，非常不利于节水抗旱稻品种的选育和推广工作，限制了节水抗旱稻新品种的可持续发展。基于此，应努力推进多元化品种审定制度。在主要农作物新品种审定制度上，应着力完善品种区域适应性试验制度，从过去的“严格”产量标准逐步转向综合控制，建立专门的抗病虫、抗逆、水分养分高效利用性状的综合评价体系。

4.2 建立节水抗旱稻的配套栽培技术体系

节水抗旱稻是个新生事物，在典型推广区域，应加强推广和服务力度，应对各种栽培模式建立配套技术体系，利用多媒体信息服务平台，及时发布天气、品种和栽培信息，让农户真正获益，才能逐步扩大节水抗旱稻的影响力，树立良好的品牌形象，增强农户对节水抗旱稻的信心。

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Research progress and application of water-saving and drought-resistant rice（WDR）on rice green production

GAO Huan1，ZHAO Hong-yang2*，NIE Yuan-yuan3，ZHANG Jian-feng1，ZHOU Pei-wen1，LIJia-jia1，GONG Li-ying1**

（1Shanghai Agrobiological Gene Center，Shanghai201106，China；2Shanghai Tiangu Biotechnology Co，Ltd，Shanghai201203，China；3Jiangxi Provincial Super Rice Research and Development Center，Nanchang 330200，China）

Rice production consumed a large amount of water resources，pesticides and fertilizers，caused serious non-point source agricultural pollution.Based on the recent research process ofWDR and itsmulti-years demonstration data acrossmultiple sites，this study illustrated thatWDR could greatly reduce the consumption of irrigation water，chemical fertilizer and pesticide which caused non-point source pollution in high-yield paddy field.Meanwhile，it could produce high and stable yield in middle-and low-yield field.In recent years，the successful implementations of“rice replace corn”and“rice replace cotton”on WDR cultivation provided a feasible direction for the adjustment of agricultural planting structure.Propelling breeding and development of WDR will be beneficial for food security，ecological security and production safety.The key problems now to be solved for WDR development were corresponding systematic cultivation techniques and normative certification system.

Water-Saving and drought-resistant rice（WDR）；Green production；Food safety；Ecological safety

2017-06-12

上海市农委重点攻关项目（2017-02-08-00-08-F00071）；国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2014AA10A604，2014AA10A601-2）；上海市科技兴农种业发展项目［沪农科种字（2016）第1-6号］

高欢（1987—），男，硕士，主要从事节水抗旱稻研究及推广。E-mail：gh08＠sagc.org.cn

*并列第一作者：赵洪阳（1987—），男，硕士，主要从事节水抗旱稻推广。E-mail：tgkjzhy＠126.com

**通信作者，E-mail：gly＠sagc.org.cn

S511

A

1000-3924（2017）06-123-06

张睿）