李興華，汪吳凱，楊特武，周強(qiáng)，夏方招

1.黃岡市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，黃岡438000； 2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中游作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430070

我國(guó)60%以上的人口以稻米為主食，水稻生產(chǎn)在保障我國(guó)糧食安全戰(zhàn)略中占有至關(guān)重要的地位[1]。得益于水稻育種和栽培技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)已建立眾多適宜不同生態(tài)區(qū)和耕作制度的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)水稻生產(chǎn)系統(tǒng)。然而，普通水稻品種適應(yīng)水生環(huán)境生長(zhǎng)，抗旱性差，其分布和種植范圍高度依賴于水資源條件，進(jìn)一步擴(kuò)大栽培面積已受到極大的局限。近年來(lái)，我國(guó)科技工作者在節(jié)水抗旱稻品種培育和推廣上取得重要進(jìn)展，為突破水資源限制、擴(kuò)大水稻種植面積以及保障糧食安全開辟了新途徑，同時(shí)也有利于促進(jìn)我國(guó)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型“兩型”農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

1 節(jié)水抗旱稻及其抗旱生理機(jī)制

節(jié)水抗旱稻是指集普通水稻高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)與旱稻節(jié)水抗旱特性于一體的栽培稻品種新類型，既可在水田節(jié)水栽培，也可在旱地種植。在水田栽培，產(chǎn)量和稻米品質(zhì)與普通水稻相當(dāng)，但可節(jié)水50%以上；在旱地種植，幾乎達(dá)到旱稻的抗旱能力，但產(chǎn)量明顯高于旱稻[2-3]。前人研究發(fā)現(xiàn)，在干旱條件下節(jié)水抗旱稻根系干物質(zhì)積累量、根系總吸收面積和活躍吸收面積、根長(zhǎng)等大于普通水稻[4]，可最大限度地吸收土壤水分，使葉片保持較高的水勢(shì)[4]和較強(qiáng)的光合作用[4-5]。此外，在干旱條件下節(jié)水抗旱稻根系含有較高的過(guò)氧化物酶和超氧化物歧化酶活性，具有較強(qiáng)的活性氧清除能力，同時(shí)還含有較高的玉米素、玉米素核苷含量[4,6]和組織束縛水含量，有利于在干旱條件下維持生存[7]，并能在干旱復(fù)水后快速恢復(fù)生機(jī)[4,8]。

2 節(jié)水抗旱稻的發(fā)展

節(jié)水抗旱稻是在旱稻研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一類新型栽培稻品種[3]。旱稻在我國(guó)具有悠久的種植歷史，在北魏賈思勰編纂的《齊民要術(shù)》中就已詳細(xì)記載了旱稻的栽培技術(shù)。建國(guó)初期，我國(guó)旱稻種植面積達(dá)330多萬(wàn)hm2，但種植的品種均為農(nóng)民自主改良或引進(jìn)的傳統(tǒng)常規(guī)品種[9]，產(chǎn)量低，種植效益差。由于灌溉條件的改善和水稻高產(chǎn)育種技術(shù)的進(jìn)步，旱稻逐漸被水稻所替代[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)旱稻種植面積約為177萬(wàn)hm2，僅占稻作總面積的5%左右，主要分布在廣西、云南、貴州等省(自治區(qū))山區(qū)和半山區(qū)，以及河南、河北等干旱少雨地區(qū)[9]。

20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著水資源短缺問(wèn)題日益突出，我國(guó)加快了旱稻研究及育種的步伐。1992年，我國(guó)從巴西引進(jìn)旱稻品種“IAPAR 9”，并在江西等地試種獲得成功，引起有關(guān)部門和專家的高度重視[10]。2000年，我國(guó)首次召開了旱稻生產(chǎn)研討會(huì)，之后農(nóng)業(yè)科研單位加強(qiáng)了傳統(tǒng)旱稻品種的改良和水稻抗旱性育種研究，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)育成“旱稻297”“旱稻9號(hào)”等品種，中國(guó)水稻所選育出“中旱3號(hào)”等品種，云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院選育出“云陸”“陸引”等品種，遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院育成“旱72”等品種，丹東農(nóng)業(yè)科學(xué)院育成“丹粳”等品種，上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生物基因中心育成“滬旱3號(hào)”和“滬旱7號(hào)”等品種(https://www.ricedata.cn/variety/index.htm)。然而，這些品種往往忽視了病蟲抗性、水肥利用效率和稻米品質(zhì)等性狀的改良，在水資源較好的條件下種植優(yōu)勢(shì)不強(qiáng)[10]。

2003年，上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生物基因中心將旱稻抗旱特性與普通水稻高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)性狀相結(jié)合，育成世界上第一個(gè)節(jié)水抗旱稻三系不育系“滬旱1A”[11]，隨后相繼配組出“旱優(yōu)2號(hào)”“旱優(yōu)3號(hào)”“旱優(yōu)73”等雜交節(jié)水抗旱稻品種，尤其是“旱優(yōu)73”，在產(chǎn)量、節(jié)水抗旱和稻米品質(zhì)等方面表現(xiàn)優(yōu)異[12]。目前，節(jié)水抗旱稻品種培育已成為我國(guó)水稻育種的一個(gè)重要方向，不斷有新品種問(wèn)世并得到推廣應(yīng)用，如廣西柳州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所選育的“玉優(yōu)柳旱1號(hào)”，湖北黃岡市農(nóng)業(yè)科學(xué)院選育的“節(jié)優(yōu)804”等。根據(jù)國(guó)家水稻數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)(https://www.ricedata.cn/variety/index.htm)統(tǒng)計(jì)，在2005-2020年的16年間，我國(guó)培育并通過(guò)省級(jí)及以上審定的節(jié)水抗旱稻品種共12個(gè)(不含不育系)，其中2020年審定的品種數(shù)最多(3個(gè))，占25%。在品種類型上，秈型品種占92%，其中秈型三系雜交品種占67%；在地域分布上，審定品種主要集中在上海，占76%，湖北、安徽、廣西等省(自治區(qū))各有1個(gè)品種通過(guò)省級(jí)審定。

目前，我國(guó)節(jié)水抗旱稻的推廣應(yīng)用主要集中在安徽、上海、浙江、江西、河南、湖北、湖南等省市，種植面積逐年擴(kuò)大，2019年推廣面積約13.3萬(wàn)hm2(https://www.360kuai.com/pc/9fde707526961eda6?cota=3&kuai_so=1&tj_url=so_vip&sign=360_57c3bbd1&refer_scene=so_1)，其中安徽省推廣面積最大，達(dá)到7.8萬(wàn)hm2(https://kd.youth.cn/a/18KAmAVv1Ad4pro)。

3 發(fā)展節(jié)水抗旱稻的優(yōu)勢(shì)

3.1 有利于緩解水資源短缺的危機(jī)

我國(guó)是一個(gè)水資源短缺的國(guó)家，人均水資源占有量不足世界平均水平的1/4。由于95%以上的水稻生產(chǎn)需要額外灌溉，僅水稻生產(chǎn)就消耗了我國(guó)50%的淡水資源[13-14]。此外，在我國(guó)水稻主產(chǎn)區(qū)也常常發(fā)生季節(jié)性和區(qū)域性干旱，導(dǎo)致水稻大幅減產(chǎn)[15]。節(jié)水抗旱稻水分利用效率較普通水稻提高近40%[16]，具有明顯的節(jié)水優(yōu)勢(shì)(表1)。汪吳凱[17]研究表明，節(jié)水抗旱稻在水勢(shì)低于-65 kPa的土壤中仍可正常生長(zhǎng)，以節(jié)水抗旱稻作再生稻種植，兩季生產(chǎn)比普通水稻節(jié)約灌溉用水488.8 mm。因此，發(fā)展節(jié)水抗旱稻對(duì)于緩解我國(guó)水資源短缺危機(jī)具有重要意義。

3.2 擴(kuò)大水稻的種植范圍

節(jié)水抗旱稻不但可以在傳統(tǒng)水田種植，也可在山坡崗地、工業(yè)拋荒地、鹽堿地等旱地種植，從而可擴(kuò)大水稻種植范圍和面積，確保糧食生產(chǎn)不留死角。周愛華[18]試驗(yàn)表明，在工業(yè)拋荒地種植節(jié)水抗旱稻品種“旱優(yōu)8號(hào)”，可獲得500 kg/667 m2以上的產(chǎn)量；筆者所在研究團(tuán)隊(duì)連續(xù)2 a在湖北省黃岡市山坡崗地采取撒播方式種植節(jié)水抗旱稻品種“節(jié)優(yōu)804”，可達(dá)550 kg/667 m2左右的水平。

3.3 節(jié)本省工，降低水稻生產(chǎn)勞動(dòng)強(qiáng)度

節(jié)水抗旱稻主要利用自然降水生產(chǎn)，不需長(zhǎng)期淹灌，改變了傳統(tǒng)水稻生產(chǎn)的作業(yè)方式，即使在普通水田種植，也可在中后期實(shí)現(xiàn)“穿皮鞋下田”，大大降低了水稻生產(chǎn)的勞動(dòng)強(qiáng)度，達(dá)到輕簡(jiǎn)化栽培目的，并可節(jié)約生產(chǎn)成本。據(jù)高歡等[10]統(tǒng)計(jì)，在旱播旱管條件下種植節(jié)水抗旱稻，一季可節(jié)省育秧、插秧等人工30～45個(gè)/hm2，減少投入3 750～4 500元/hm2。Bi等[19]研究發(fā)現(xiàn)，在節(jié)水灌溉條件下節(jié)水抗旱稻根系可分泌大量有機(jī)酸，促進(jìn)植株對(duì)土壤磷的利用，有利于節(jié)約磷肥的投入。

3.4 減少溫室氣體排放

普通水稻田甲烷(CH4)排放量大，而旱地一氧化二氮(N2O)排放量大[20]。普通稻田土壤長(zhǎng)期處于淹水狀態(tài)，氧化還原電位低，促使CH4不斷產(chǎn)生和排放[21]。Weller 等[22]研究表明，節(jié)水抗旱稻田的CH4排放量較普通水稻田減少93.8%，而N2O排放量增加50%，溫室氣體排放強(qiáng)度降低51.2%；孫會(huì)峰等[23]研究表明，在節(jié)水灌溉條件下節(jié)水抗旱稻田的CH4排放量較普通水稻田減少71.7%，N2O排放量增加38.4%，溫室氣體排放強(qiáng)度降低46.2%(表1)。不同研究者的結(jié)果差異可能與不同品種本身的溫室氣體排放特性有關(guān)[24]。據(jù)Zhang等[25]估測(cè)，假如安徽省以節(jié)水抗旱稻替代普通水稻種植，溫室氣體減排潛力可達(dá)到16.92 Mt CO2-eq?？梢姡l(fā)展節(jié)水抗旱稻有利于降低溫室氣體排放，促進(jìn)低碳農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

3.5 削減農(nóng)業(yè)面源污染

普通水稻田在施肥后如遇強(qiáng)降雨或人工排水，大量氮(N)、磷(P)養(yǎng)分隨地表徑流進(jìn)入自然水體，造成農(nóng)業(yè)面源污染[26]。種植節(jié)水抗旱稻由于減少灌溉次數(shù)，可降低化肥、農(nóng)藥隨耕層滲漏或地表徑流產(chǎn)生的面源污染。孫會(huì)峰等[23]研究表明，在節(jié)水灌溉條件下，種植節(jié)水抗旱稻土壤總氮徑流流失總量較普通水稻減少35%，總磷徑流流失總量則相近(表1)。高歡等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在旱播旱管種植模式下節(jié)水抗旱稻土壤總氮和總磷徑流流失總量比普通水稻分別降低67.6%和33.3%，農(nóng)藥總流失量減少85%以上(表1)。

表1 節(jié)水抗旱稻與普通水稻品種的環(huán)境效應(yīng)比較 Table 1 Comparison of environmental effects between water-saving and drought-resistant rice(WDR) and common rice varieties

3.6 改善稻米品質(zhì)

堊白粒率是衡量稻米外觀品質(zhì)的主要指標(biāo)之一，堊白粒率越低，稻米品質(zhì)越好。在旱播旱管條件下節(jié)水抗旱稻稻米堊白粒率比在水田淹灌種植平均低12%(圖1)。楊曉龍等[28]研究也表明，在灌漿期土壤干旱條件下節(jié)水抗旱稻“旱優(yōu)113”的稻米堊白粒率比淹灌種植低13.4%。生育后期水源不足是造成稻米堊白粒率升高的主要原因[29]，節(jié)水抗旱稻因抗旱力較強(qiáng)，灌漿期在干旱條件下仍可積累光合產(chǎn)物，從而有利于稻米品質(zhì)的改善。

長(zhǎng)期淹灌常導(dǎo)致普通水稻籽粒砷顯著積累[30]，這是由于淹水使土壤氧化還原電位降低，砷(Ⅴ)被還原成砷(Ⅲ)，造成土壤砷的生物有效性提高，致使水稻對(duì)砷的吸收增加[31]。趙方杰等[32]研究表明，淹灌種植的稻谷中砷含量較旱作種植高10～15倍。節(jié)水抗旱稻不需長(zhǎng)期淹水種植，有利于降低稻米中砷的含量。

圖1 旱播旱管和水田淹灌條件下節(jié) 水抗旱稻稻米堊白粒率差異[27]Fig.1 Difference in chalky grain rate of WDR under the dry cultivation combined with direct seeding and the traditional flooding cultivation

4 當(dāng)前發(fā)展節(jié)水抗旱稻存在的主要問(wèn)題

4.1 優(yōu)良品種少

盡管目前在節(jié)水抗旱稻品種的選育上已取得重要進(jìn)展，但通過(guò)審定的品種數(shù)量仍然較少。對(duì)已通過(guò)省級(jí)及以上審定的節(jié)水抗旱稻品種分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)量大多介于7 500～9 800 kg/hm2，最低者僅6 447.0 kg/hm2(表2)。在稻米品質(zhì)上，僅旱優(yōu)3號(hào)、旱優(yōu)8號(hào)、旱優(yōu)540和滬旱1512等4個(gè)品種達(dá)到農(nóng)業(yè)農(nóng)村部NY/T 593—2002《食用稻品種品質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)，占33.3%；在稻瘟病抗性上，僅旱優(yōu)8號(hào)、旱優(yōu)681和節(jié)優(yōu)804這3個(gè)品種達(dá)到中抗等級(jí)(3級(jí))，占25%(表2)。綜上可知，與優(yōu)良普通水稻品種相比，現(xiàn)有節(jié)水抗旱稻品種在產(chǎn)量、米質(zhì)和稻瘟病抗性上均不具明顯優(yōu)勢(shì)。另外，適應(yīng)輕簡(jiǎn)化栽培、機(jī)械化生產(chǎn)、不同耕作制度和種植方式的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)節(jié)水抗旱稻品種也尤為缺乏。

表2 目前通過(guò)省級(jí)及以上審定的節(jié)水抗旱稻品種及其特性 Table 2 WDR varieties and their characteristics currently released by provincial

4.2 適宜栽培技術(shù)缺乏

節(jié)水抗旱稻屬于新生事物，大面積推廣才剛剛起步，配套栽培技術(shù)尚未建立。已有研究表明，不同管理模式對(duì)節(jié)水抗旱稻的產(chǎn)量形成具有顯著影響[27]。畢俊國(guó)等[33]研究發(fā)現(xiàn)，隨著灌溉量的減少，節(jié)水抗旱稻產(chǎn)量呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，當(dāng)節(jié)水達(dá)到60%時(shí)產(chǎn)量較淹灌種植顯著降低。筆者所在研究團(tuán)隊(duì)試驗(yàn)表明，采用平作直播方式栽培時(shí)，由于土壤墑情差異及鳥害等因素的影響，常常很難保證節(jié)水抗旱稻一播全苗和出苗整齊一致。汪吳凱[17]研究發(fā)現(xiàn)，將節(jié)水抗旱稻用作再生稻種植時(shí)再生季產(chǎn)量形成機(jī)制與普通水稻品種存在明顯差異。因此，根據(jù)不同生態(tài)區(qū)的自然資源特點(diǎn)、種植制度和品種特性開展適宜栽培技術(shù)研究，對(duì)于促進(jìn)節(jié)水抗旱稻的發(fā)展具有重要意義。

4.3 養(yǎng)分需求規(guī)律不明，缺乏適宜施肥技術(shù)

國(guó)內(nèi)外研究者在普通水稻養(yǎng)分利用規(guī)律和適宜施肥技術(shù)等方面開展了長(zhǎng)期的大量研究[34]，而目前關(guān)于節(jié)水抗旱稻的相關(guān)研究較少，生產(chǎn)上仍參照普通水稻的技術(shù)方案進(jìn)行施肥。在節(jié)水栽培條件下，由于土壤水分條件和氧化還原狀況不同于常規(guī)稻田，因而會(huì)影響土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和有效性[35]。趙全志等[36]研究表明，土壤水分狀況顯著影響旱稻對(duì)養(yǎng)分的吸收，植株的養(yǎng)分吸收量隨土壤含水量的提高而顯著升高。筆者所在研究團(tuán)隊(duì)初步觀察發(fā)現(xiàn)，節(jié)水抗旱稻對(duì)養(yǎng)分的吸收利用規(guī)律可能不同于普通水稻品種，有待于深入探討。

4.4 雜草難防治

在旱播旱管條件下，田間雜草叢生導(dǎo)致嚴(yán)重減產(chǎn)甚至絕收，是制約節(jié)水抗旱稻大面積推廣的主要因素之一。在上海市節(jié)水抗旱稻種植區(qū)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，節(jié)水抗旱稻田雜草種類多達(dá)12科26種，尤其以千金子、稗草、馬唐等發(fā)生頻率高[37](表3)。目前市面上節(jié)水抗旱稻專用除草劑很少，生產(chǎn)上一般應(yīng)用普通稻田除草劑，防治效果差，需要加強(qiáng)研究。陳博聰?shù)萚38]研究表明，出苗后用噁唑·氰氟乳油防治節(jié)水抗旱稻田禾本科雜草，用藥后30 d的防效達(dá)到84.1%，也可用噁唑酰草胺乳油防治馬唐，用氰氟草酯乳油防治千金子。筆者所在研究團(tuán)隊(duì)試驗(yàn)表明，在旱直播后3 d內(nèi)應(yīng)用二甲戊靈和吡·松·丁草胺進(jìn)行苗前封閉，可有效降低節(jié)水抗旱稻田間雜草的發(fā)生。

表3 上海試驗(yàn)區(qū)節(jié)水抗旱稻田間主要雜草[37] Table 3 Major weeds in the field of water-saving and drought-resistant rice in Shanghai City

4.5 長(zhǎng)期環(huán)境效應(yīng)不明

盡管目前多數(shù)研究認(rèn)為，相對(duì)于普通水稻品種而言，發(fā)展節(jié)水抗旱稻有利于消減環(huán)境污染，但未見相關(guān)長(zhǎng)期研究報(bào)道。同時(shí)，前人研究發(fā)現(xiàn)，旱稻存在連作障礙問(wèn)題，主要是在連續(xù)種植條件下土壤線蟲不斷增加所致[39]。關(guān)于在長(zhǎng)期節(jié)水灌溉種植下，節(jié)水抗旱稻的病蟲害發(fā)生規(guī)律、對(duì)土壤環(huán)境的影響以及是否存在連作障礙等問(wèn)題，目前知之甚少。筆者所在研究團(tuán)隊(duì)初步觀察發(fā)現(xiàn)，在旱管條件下節(jié)水抗旱稻蟲害發(fā)生特點(diǎn)和防治要求可能不同于普通水稻品種，有待深入研究。

5 節(jié)水抗旱稻未來(lái)研究方向

綜上所述，發(fā)展節(jié)水抗旱稻在緩解水資源危機(jī)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境和保障糧食安全等方面展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，但仍存在諸多可能制約其未來(lái)發(fā)展的因素，仍需加強(qiáng)研究：

1)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)多抗新品種選育。一是要加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)有節(jié)水抗旱種質(zhì)的研究與利用，將節(jié)水、抗旱、水分和營(yíng)養(yǎng)高效利用等特性進(jìn)行聚合，創(chuàng)制新的種質(zhì)資源。Xia等[40]通過(guò)全基因組關(guān)聯(lián)分析，鑒定出多個(gè)與抗旱性相關(guān)的數(shù)量性狀位點(diǎn)；畢俊國(guó)等[41]篩選獲得抗咪唑啉酮類除草劑的水稻新種質(zhì)，經(jīng)序列分析發(fā)現(xiàn)為ALS基因編碼區(qū)突變導(dǎo)致第627位絲氨酸改變?yōu)樘於０匪?。這些新發(fā)現(xiàn)的基因未來(lái)可用于節(jié)水抗旱稻新品種培育。二是結(jié)合常規(guī)雜交育種、分子標(biāo)記輔助選擇等方法，選育集節(jié)水抗旱、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病蟲等優(yōu)良性狀于一體的新品種。張安寧等[42]采用常規(guī)回交育種和分子標(biāo)記輔助選擇相結(jié)合的方法，獲得了聚合抗褐飛虱基因Bph6、Bph9、Bph14和Bph15的節(jié)水抗旱稻“旱恢3號(hào)”改良系。三是針對(duì)不同耕作制度和種植方式，選育適應(yīng)輕簡(jiǎn)化栽培和機(jī)械化生產(chǎn)的品種，包括種子活力高、苗期生長(zhǎng)勢(shì)強(qiáng)，適宜于旱直播的品種，以及再生力強(qiáng)、適宜于再生稻生產(chǎn)的品種。王飛名等[43]選育出了早熟、米飯口感好、中抗褐飛虱且耐直播的節(jié)水抗旱稻新組合“滬旱1509”。

2)配套栽培技術(shù)研究。一是深入開展節(jié)水抗旱稻產(chǎn)量形成機(jī)制和養(yǎng)分吸收利用規(guī)律研究，建立配套高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效栽培及適宜施肥技術(shù)方案。二是深入開展節(jié)水抗旱稻病蟲草害發(fā)生規(guī)律和防治技術(shù)研究，集成綠色高效防控技術(shù)體系。

3)加大節(jié)水抗旱稻長(zhǎng)期環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)研究，尤其應(yīng)加強(qiáng)長(zhǎng)期連作對(duì)土壤理化和生物性質(zhì)的影響研究，提高對(duì)未來(lái)發(fā)展的預(yù)見力并針對(duì)性地提出相應(yīng)的預(yù)案。