宋显伟：绿肥田菁，让“八百里瀚海”破“碱”重生

专题：2024年CC讲坛

　　由北京君和创新公益基金会、中国科学院大学校友会联合主办，主题为“和而不同，思想无界”的CC讲坛第62期演讲2024年10月26日在中国科学院大学（北京玉泉路校区）礼堂举行。来自中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员宋显伟出席，并以《绿肥田菁，让“八百里瀚海”破“碱”重生》为题发表演讲。

　　以下为演讲实录：

　　今天我跟大家分享一种植物和盐碱地的故事，提到东北，大家自然会想到黑土地，大粮仓，的确我国东北地区拥有大面积的黑土地，产出了国家1/3以上的商品粮，所以在保证国家粮食安全方面发挥了至关重要的作用。但是在这广袤的黑土地之间，也点缀着一点白，也就是我们今天的主角苏打盐碱地。我国东北地区拥有苏打盐碱地的面积近5，000万亩，如果加以改良和利用，将极大缓解我国人多地少，人均耕地不足世界1/4水平，所带来的粮食安全的隐患。

　　但是谈到改良谈何容易，苏打盐碱地被誉为土壤的癌症，具有碱、硬、瘦、死的特点。碱从它的名字上可以得出它含有苏打成分，碳酸钠、碳酸氢钠、高pH值、高碱化度。硬是指它土壤的结构，旱的时候坚硬板结透水透气性极差，植物在其上很难扎根生存。瘦是指它贫瘠，有机质含量非常的低，养分有效性很低，比如说磷的有效率通常小于20%。死是指土壤的生物含量很低，缺乏土壤的微生物和土壤的动物。当地人形象的比喻是风吹沙土遍地跑，盐碱地上不长草，可见改良的难度还是非常大的。

　　那么我们又是怎么跟这么恶劣的盐碱地结上缘的呢？我们之前其实一直是从事植物表观遗传学的基础研究，也就是做为什么同一种植物，在不同的环境条件下，表现出不一样的表型，这样的一个基本的科学问题。但是在8年前面向国家的需求，我们团队的leader曹晓风院士就谋求研究方向的转型，瞄准了盐碱地。所以东北的苏打盐碱地就成了我们首先要啃的硬骨头，说实话，当时我们对盐碱地还是一无所知。我把这个想法跟我一个东北长期从事盐碱地研究的同学说了之后，他就苦心劝我，你们最好不要碰，因为苏打盐碱地太难了，特别是盐碱的旱地，很可能你一头扎进去之后，到头来一无所获，但是本着无知者无畏的态度，我们决定还是要试一试。

　　首先要改良它，第一点就得认识它，所以我们就用了长达一年多的时间，进行了实地的调研，我们走访了多个盐碱的地块，同当地的科技工作者进行沟通，同农民进行聊天，然后也实地取一些样品进行化验和测试。后来我们感觉到盐碱地存在着一些特殊的性质，比如说它的异质性，俗话讲就是盐碱地上是一步三换土，就是说每一块的盐碱地，盐碱程度都是不一样的。还有苏打的盐碱地，由于它的成因关系，通常地势比较低洼，所以在雨季的时候它很容易积水，发生涝害。再有就是跟其他的盐碱类型一样的，苏打盐碱地存在着盐随水来，盐随水去，一年四季的动态的变化。我们也了解到在重度盐碱地上经常是寸草不生，要么就长一些原生的，没有什么特别大的经济价值的植物，比如碱蓬、星星草、芦苇、虎尾草等。

　　我们同时也了解到，目前盐碱地还没有好的治疗的方法，以往工程的，包括农业的，化学的改良方法，在一定程度上确实有效，但是要么成本太高，对于资源的耗费太大，要么存在着反复以及二次污染的风险，所以目前没有大面积应用的可能。而生物改良其实作为一种新型的手段，它是通过种植耐盐碱的植物，然后通过逐年改良的方法把土壤变好，被认为是最经济，同时也是最有前途的一种方法，所以我们就把目标锁定了生物改良方面。但是生物改良方面的核心，就是要找到合适的植物。通过我们前期的调研，对于苏打盐碱地的了解，我们总结了设想中这种超级植物要有几个特点，首先要耐碱，其次它还得耐涝，同样最重要的是要让老百姓能接受，它还得有用，能产生经济价值。那么这种植物怎么去找呢？

　　《中国植物志》当中所记载的植物超过了3万多种，如果直接进行去找，无异乎大海捞针，所以此时我们就从我国传统农业当中去寻找线索。我们注意到，我们的老祖宗经常是用一种绿肥的植物，用它做肥料去种植庄稼，千百年来保证了我国的土壤没有被退化。春秋的《诗经》当中就有记载，用这个绿肥来种庄稼，包括把一些杂草，翻压到田里，这样堆沤之后就会成为很好的肥料，植物在它上面就能很好的生存。

　　到北魏时期，就很详细的记载了绿肥的使用的方法。比如《齐民要术》当中就说“凡美田之法，绿豆为上，小豆、胡麻次之；” 这个也凸显出豆科绿肥是非常好的。为什么？因为豆科绿肥通常蛋白质含量高，而且整株比较幼嫩，更重要的是一些豆科的绿肥，具有结瘤固氮的功能，利用它跟根瘤菌这种共生，能够产生这种固氮的根瘤，然后将空气中氮固定下来转变成氨，被植物所吸收和利用，也就是为植物供给氮肥。所以在农业上也有一句话“绿肥种三年，瘦地变肥田”，可见它的改土培肥的效果是非常好。那么我们接下来就把我们的研究精力重点放在绿肥上。

　　我们通过跟合作者一起收集了800多份的绿肥，然后把它种在我们东北最重的盐碱地当中。完了之后问题接踵而至，因为我刚才说了，盐碱地上是一步三换土，每一块其实都是不一样的盐碱程度，那么如何评价植物的耐盐碱性？我们当时也是经过了思考，也采用了一种近乎看似非常笨的一种方法，把它长出来的植物旁边的土壤进行测定，把它得到的pH值跟它长势进行对应，这样来评价。800多份的植物，每个三个重复，一共每个重复测三个点，这样大概7000多个样点的测定。我们在一周之内顶着7月份的酷暑在大田当中完成。

　　当我们在一种植物，也就是我们今天的主角田菁当中，把它周围的土壤测定了之后，发现pH值表现出10.02的时候，我们现场所有的人都非常的兴奋，也都为田菁点赞。田菁确实很耐盐碱，左边这张图是在pH10.02的一个田块当中，它跟耐盐碱的先锋植物碱蓬可以长在一起，而且长势非常的好，后期能达到一人多高。在左边盆栽当中能更加明显得看到，被誉为牧草之王的紫花苜蓿，在碱土当中是不能生长的，田菁的生长是不受抑制的，可见它的耐碱性非常的突出，这也就满足了我们所要寻找的超级植物的第一个特点就是耐碱。

　　在发现它耐碱之后的第二年，我们在吉林的长岭这样一块田平均的pH值达到9.5。我们春天把它种上去之后，其实它的出苗和它的生长都完全没有问题，但是也伴随着杂草丛生，因为当时研究的比较早，所以我们还是苦于没有合适的除草剂可用的时候，这时候下了两场大雨，我们半个月之后再去那里一看，杂草已经被泡死了，但是田菁仍然坚挺的活着，而且长得特别好。所以说它在水淹条件下，能诱导它产生发达的水生根和海绵组织，能够抵御进行水淹的这种胁迫，所以田菁也满足我们要找的超级植物第二个特点那就是耐涝。

　　那么田菁是否有用？古人给它起的名字为什么叫田菁？古人视之为田地的精华。我们也发现在盐碱地的条件下，它可以产生大量的根瘤，而且这种根瘤都是非常有活性的，固氮效率也很高，所以田菁可以固氮，能够提供有机的氮肥供土壤和供植物进行吸收，所以它还是很有用的。

　　但是要让老百姓能接受，还似乎不够。接下来我们就发现田菁还有饲用的价值，这个发现其实多亏了一只野兔，这个是我们在发现田菁耐盐碱筛选的田当中，恰好碰见一只野兔在津津有味的吃田菁，我们就发现田菁说不定动物很喜爱吃，采摘了一些进行了牛和羊的饲喂，发现它们都还很喜欢吃，这就引发了我们对田菁饲用价值的挖掘。其实田菁蛋白含量还是蛮高的，它幼嫩时期的粗蛋白含量能达到20%，叶片的蛋白含量更能超过30%，完全可以媲美目前高蛋白的饲草牧草之王苜蓿。所以田菁耐碱耐涝，而且还有用，完全符合我们所找的超级植物的三个特点。

　　它似乎对于盐碱地的改良和利用有很大的潜力。那么如何把它用好？田菁是属于豆科蝶形花亚科田菁属，它原产于是热带和亚热带的地区，世界上有50多个种，而我国其实有5种，广泛分布在长江以南的沿海地区。我们所用的这种田菁，其实它种质目前多半还都是野生没驯化的，还有一些不良的这种性状，比如说它炸夹性状，还有它的花序是无限生长的，这样就给它生产的种子带来很大的不便。

　　再比如田菁其实容易掉叶，尤其是后期，而且它容易发生木质化，这样的话会有影响它作为饲草这样的一个品质。所以我们也在积极的研究如何用一些育种的方式，把它从野生变为驯化，也就是打造这种超级植物的升级版。

　　此外在农业生产上大家都知道的，其实种子，栽培方法，和好的田块共同决定了最后的产量。有了好的种子之后，一定要有好的栽培的方法，我们也是深有体会。当时我们因为苦于没有合适的播种的机器，没有合适的播种的深度，经常出苗的非常的惨淡，同时出来之后也苦于没有合适的除草剂，经常是从草里头找苗，但是经过我们和合作者几年的努力，我们现在也完全把这方面克服了。

　　良种和良法进行了配套之后，我们就对于一块盐碱地进行了这种治疗。这一块是在吉林长岭的一块100亩左右的盐碱荒地。从以往的卫星上可以看到，以往8月份都是就庄稼长得非常茂盛的时候，但是在这个土里头看不到一丝的绿意，当我们当年种植了田菁之后，在8月份可以看到的，它长的是郁郁葱葱，为这里平添了一丝的绿意，同时更是对比相邻的地块，基本上没有长出任何的庄稼来，所以田菁可以说是初见成效。

　　那么对土的改良治疗效果又是怎么样？我们通过土壤的剖面可以对比看到，没种植田菁的土壤会更加的紧致，一看就是通透性很差，但是种了田菁之后，田菁的根扎进去之后，土壤的疏松性就会变得更加的疏松，也就变得更加的通透。我们也进行了化验，我们也把田菁作为绿肥，然后翻压回田，第二年当它腐烂了堆沤之后，我们再测土壤的pH值，发现pH值下降了，同时土壤的养分升高了，也就是说田菁让盐碱地变得更加肥沃了。

　　最直观的例子是什么？就是后续种植庄稼的效果，这是我们选取了一个种植田菁一年的一个地块再种植玉米，它相较于没有种植田菁而直接种植玉米来讲，它变得效果更加的好，也就是说田菁让盐碱地更适合种植庄稼。

　　光伏其实现在大家非常热的一个产业清洁能源，但是国家也大力提倡光伏下面必须发展农业，也就是光伏加农业，这也是一种新型的农业形式。理想的状态情况下，它是充分利用土地的空间，在上方架设光伏板往外发电，在下方种植一些作物或者是一些牧草发展农业，这个理想是很丰满的，现实却很骨感。

　　在我国东北地区，光伏经常会落在大量的盐碱地上，仅白城地区就有15万余亩，当地的企业和政府苦于没有合适的植物种植，常年处于撂荒的状态。当一个企业的老总得知我们在吉林松原种植田菁这个事儿，他就主动找到我们，说能不能对他们的光伏地进行一下治疗，我们当时就去了调研。调研之后从左边这个图当中就是没有种植之前，6月19号我们可以看到它的碱斑的比例其实超过了50%，而且它的pH值也非常的高。当时我们也是心里很打鼓的，这块田比我们之前改良松原长岭那一块田，环境条件更加的恶劣。当把我们新研制的品种中科菁1号，以及我们新研发的一些固氮的菌剂，一些微生物的菌剂参进去之后，它的效果还是非常不错的。到8月11号就基本上把原来碱斑很大的这样的一个土地，进行了绿色的覆盖，到9月份之后它长势就非常的郁郁葱葱，可以达到一人多高，当地的企业和当地的政府的人也感到非常的震惊。

　　其实我们的工作还涉及到更大的一块，对草原的改良。我们都知道东北草原的盐碱地的面积是是要更大的。比如说作为最大的草原，松嫩草原的盐碱化的面积已达到了240万公顷，占它总面积的2/3以上，并以每年很快的比例进行递增。导致的后果就是它优势的建植种羊草的比例显著的降低，再也不复当年风吹草低现牛羊的景象。多半现在都是左边那个图的景观，急需进行生态这种修复，恢复羊草的覆盖度。

　　那么怎么进行恢复？首先我们就要了解一下羊草，羊草其实被誉为禾草之王，它耐力性很强，耐寒、耐旱、耐盐碱、耐踩踏，营养价值高，适口性好。更重要的是它地下根茎非常发达，像竹子一样，它有很大的空间的拓展能力，防风固沙，涵养水源，这也是我国北方草原的非常重要的优势的生态草种。但是它自身也存在着前期长势非常弱的特点．当地人形象的比喻说第一年种子种下去之后，它长得非常瘦弱，像一根针，第二年由于空间扩展能力非常的强，它就能连成一条线，而等到了第三年它就能连成一大片。

　　所以如果要加以进行恢复它的覆盖度，首先就要从它早期建植入手。因为盐碱地恶劣的环境，及其抑制羊草的早期的建植。我们就想田菁既然非常耐盐碱，而且它改土培肥能力也很强，能不能把它跟羊草混着进行播种，利用它的特点，能够为羊草的这种早期的建植，创造一个比较好的立地的环境呢？带着这个思路我们也是结合了一些耕作栽培方式，经过了几年的努力，我们建立了盐碱化草原羊草田菁混播的改良技术，这项技术应用之后效果还是非常好的，当年它覆盖度就能达到一定的比例。第二年羊草以及其他的一些多年生的草种就迅速的蔓延上来，对于土壤的改良效果也是很好的。这项技术我们已经在东北地区进行了15，000余亩这样的一个草原的生态修复，产生了很好的这种效果和效益。

　　田菁这么耐盐碱，那么它的基因组肯定含有一些很独特的耐盐碱的基因，如果能将它挖掘出来，进行作物的改良，那将对于应对全球气候逐渐的恶化是非常有意义的。我们也是通过全基因组测序，挖掘到了一类田菁特有的，跟磷高效利用相关的基因家族，很可能缓解了在盐碱条件下，由于缺磷所导致的缺磷的胁迫，而赋予了田菁更加的耐盐碱。

　　我们对盐碱地的研究工作也是刚刚开始，有5年多的时间，我们也非常的幸运能够获得了田菁这个超级的植物，我们也再次能感受到大自然的力量，能够创造出这么多形形色色拥有超能力的植物。这都是大自然赐予我们的礼物，也需要我们更多的人去发挥我们的智慧和努力，去把它挖掘好，把它利用好，把它用在最恰当的地方。我坚信世界上总有一款植物是适合你的。

　　我今天只讲了关于田菁跟耐碱方面的故事，其实田菁还很耐盐，还很耐酸。田菁耐酸在pH值2和3左右的红壤当中，它长的也很好，而且它的修复效果也很棒。这个就引发出我们有一个很大胆的想法，把田菁应用到更广阔的边际土地的改良和利用，边际土地通俗一点讲其实是不好的土地，含有盐、碱、酸、旱这样类型的土地，我国的边际土地面积大概总结起来有11.7亿亩。如果将田菁用于这种土地的改良和利用，将对于保证我国粮食安全也是非常重要的。

　　为此我们也拟定了一个田菁的培优计划，就是利用我们的力量，以及跟很多的合作者一起，能够从种质创新角度，培育适合不同盐碱，不同边际土地类型，不同用途、不同气候特点的优质的良种。我们坚信田菁在边际土地上一定会大有作为。

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