生物多样性原理与生态农业发展

    美国上世纪70年代爆发的玉米小斑病，我国稻瘟病、马铃薯晚疫病也曾严重爆发。最直接有效的方式就是施用农药，但大量施用农药带来环境破坏和食品安全问题。不施用农药如何抗作物的病虫害？我们想到用生物多样性来解决这个问题。

 

——朱有勇

 

1.种植业中的难关——病虫害问题

 

    在过去的一百年，全世界种在田里的农作物，品种、土壤大幅度消失，美国、欧洲、南美和南亚，大概平均减少了85%，我们国家解放初期的时候种的水稻品种有4万多种，到现在为止种的品种只有1000个；解放初期的小麦品种有1万个，现在才有500多个；玉米由1万多个到现在100多个。农作物品种减少，生物多样性降低，其中就出了一个大问题：病虫害发生严重。这些例子太多，比如美国上世纪70年代爆发的玉米小斑病，我国稻瘟病、马铃薯晚疫病也曾严重爆发。发展生态农业里面临一个重大的问题：品种单一化造成病虫害的不断发生，那怎么办？最直接有效的方式就是施用农药，但大量施用农药带来环境破坏和食品安全问题。

 

    农业的病虫害问题十分严重，世界各国科学家都在寻找解决的办法。他们提出了很多思路，通过多系品种，利用水平抗性，聚合育种，育成广谱抗病虫品种。国外提出的这些思路好不好？当然很好。我们也想找到一个品种对什么病、什么虫都抗，不需要使用农药。但这个路子很难。怎么办？我们想到用从生物多样性来解决这个问题。经过十多年的实验，得到国际上高度认可。因为云南有这样的条件，利用品种资源多样性、生态多样性、生境多样性。在田里种植三至五个品种，不同的品种有不一样的抗病基因，田间就有N个不同的抗病基因，可以对抗不同的病害。我们把试验结论提升为科学理论，再将科学理论应用到生产实践中进行检验，并且获得了成功，2000年获得联合国粮农组织科学技术研究一等奖。

 

2.生物界的秘密——生物多样性原理

 

    生物多样性这个名词很生僻，但记住三个层面就比较容易理解：一个是遗传多样性，一个是物种多样性，一个是生境多样性。

 

    为什么生物多样性种植方式可以减少农药使用量，还能够较好控制住作物病虫害？原因有六个方面。

 

    第一个是遗传异质作用。我讲个例子大家就很清楚了。如果说在间屋子里的一两百人都是一个父母生的，一个人生病其他人很可能也生病，这就是遗传。实际上大家都来自不同的家庭，遗传背景不同，所以即便一个人生病了，跟其他人没有关系。回到作物上，品种多样化了，病菌也就多样了，会致病的那个病菌量就少了，如果只栽单一品种，那致病菌就会大量产生。

 

    第二个是化感作用。作物之间不会说话，但是有化学感应，不同作物种植在一起，既有不同作物的根交织在一起，也有不同作物的根相互之间呈分离状态。比如说玉米和小麦的根挖开看，各走各的，但玉米和大豆的根和根是缠到一起的，大豆的根部会分泌一种有机酸，这种有机酸融合土壤里的铁或者磷，玉米又会分泌一种叫黄酮类的物质，要有这些分泌物唤醒彼此根系活跃起来，促进生长。

 

    第三个是稀释阻隔作用。病菌的寄主不同，田间作物不同，就起到了稀释病菌的作用。多样性种植作物，高矮搭配形成障碍，病菌、害虫要传播，需要越过障碍，对它们来说，就像翻长城一样，翻不过去，防火墙一样阻隔了有害生物的传播。如果是一百万亩、两百万亩大面积去做，病虫害大发生会越来越少。

 

    第四是减少初侵染。种庄稼的人都知道，今年种花生，明年要种玉米，同一个地方不能年年种同一种作物。什么道理呢？能使作物生病的病菌会残留在土壤里，如果第二年继续种，病菌萌发以后就能找到寄主，如果换一个作物，因为寄主不同，田间残留的病菌和新的作物互相没有关系，或者关系很小，就降低了病害的发生。

 

    第五是混淆干扰和引诱趋避。玉米和甘蔗种在一起可以干扰玉米螟的产卵和成活率，减少玉米螟的发生，而玉米和马铃薯种在一起，马铃薯开花引诱寄生蜂去采蜜，从而减少田间害虫的发生。所以现在要发展生态农业，一定要建设像花一样的农田，是有很重要的科学依据的。此外稻田里面养鱼又是为什么？水稻茎秆上有害虫，鱼要取食，会用头撞水稻，把虫子撞下来后吃掉，由此形成了一个生物链，这些都是通过做实验验证知道的。

 

    第六是立体空间效应。如果只是种一种作物，它就是一个平面，风吹不进去，田间湿度高，肯定容易生病；如果种两种，有高的有矮的，就成为立体的空间，通风透光，就不容易生病。

 

3.“天敌”来消灭害虫

 

    遗传多样性

 

    云南的特色三个字就可以记住：多样性。第一是地理地貌多样。东部靠贵州，是喀斯特地貌，北部靠西藏这边，是雪山冰川，靠西部腾冲这边有地热火山，西双版纳南部是热带雨林。中间有很多高原湖泊，如滇池、澄江等。云南的地理地貌几乎囊括我国所有的生态类型。所以做生态研究云南条件最好。第二是气候多样。从热带一直到寒带，囊括了全国各种不同的气候类型。第三是动植物多样。第四是生态环境多样，且生态环境好，空气、土壤、植被和水质好。第五是民族文化多样，26个少数民族在云南省形成了丰富多样的农耕文化。

 

    这里要讲的就是云南元阳哈尼梯田农耕文化：水稻遗传多样性。现在已列入世界农业文化遗产名录。这个地方的哈尼族人们种植的水稻品种至少已一千多年，而我们现在的很多新品种，种三到五年，老百姓就知道要去买一个新的品种。这有什么科学道理？为什么种植千年不会衰竭？我在这个地方已经研究了八年。知道了这个品种产量稳定，虽然不高，一亩地300多公斤，但农民不用化肥，病害发生不严重，也不施农药。我们把这个品种拿去做全基因组测序，发现它内在的遗传多样性非常丰富，这也就是它不生病持久利用的基因多样性原理。传统农耕文化隐藏着非常大的梯田之光，这是我们人类可持续利用的资源。

 

    物种的多样性

 

    前面我说了，物种之间相克相生，如果利用起来可以增产增收。水稻也好，玉米也好，小麦也好，哪个搭哪个是关键，怎么搭，什么时候搭，效果如何，我都做了很多研究，已经找到一套科学的办法，推广后效果很好，农药可以减少一半以上，在西南地区，包括四川、重庆、贵州推广了几亿亩。

 

    一个应用就是橡胶林的生态多样性种植。云南现在是橡胶生产大省，效益很好。但带来一个问题，一百万亩、几百万亩全部种橡胶树，橡胶单一面积大了以后白粉病很重，如果不及时治理，橡胶林是要毁林的。我认为从物种多样性入手改造它，把一些老树砍了，种上其他品种的树，一亩地多种上另外的6-10棵其它树种，再与树农的经济挂钩，比如种植铁梨木、黄花梨、柚木、紫檀等。我们要长短结合，从经济的角度，从多样性的角度，不同的物种插进去减少病虫害发生。目前部分胶林已在改造，老百姓积极性很高。

 

    另外一个是茶园的生态多样性种植。茶叶在云南省是非常重要的经济支柱。要把生态茶做好，就要在茶园里面增加物种，像香樟树、樱桃树等，还可以在茶园里面种花草，比如玫瑰、熏衣草、鼠尾草等，在一个鸟语花香的环境里生长出来的茶就会非常好，一个是借助花香的味道，另外一个是刚才讲到的吸引，吸引天敌来消灭害虫，就不用农药了。

 

    生境多样性

 

    在云南，一个坝子就形成一个生境，一条沟乃至一个流域就是一个生境。云南地处北纬30度，这里有很好的热区资源，再加上土地、水资源丰富，一年四季都可以做农业，特别是冬季的农业特色更明显，农民更赚钱，增收更多。比如西双版纳，德宏、临沧、红河等地都可以发展冬季特色农业。我认为要有“一带一路”的眼光，走出去，把菜外销到泰国、老挝，到马来西亚、新加坡。再比如云南的香格里拉地区，金沙江、澜沧江、怒江三江并流，降雨量太大，降雨量超过1600毫米，而梅里雪山脚下的干冷河谷区降雨量却很低，适合种葡萄，是世界海拔最高的葡萄生产区，具有独特的物候条件，紫外线强、光质好、水质好、风土好，生产的葡萄果小、皮厚、籽多，做葡萄酒最好。云南生境多样，除了热区、干冷河谷区，还有红河、怒江等干热河谷区，干热河谷区最适合种柠檬，是比较好的产果区域。

 

    最后总结一下，在西南地区，尤其是云南省，农业生产一定要抓住“早”——发展冬季农业。因为是在热区，北方还在冰天雪地的时候，我们这里已经春暖花开了，要抓一个时间差，比如说早马铃薯或者早杨梅，杨梅是5月份上市，最早福建的杨梅是要在6月中旬，玉溪的柑橘7月份上市，其他地方上市要到9月份。云南就主“早”，打一个时间差，满足国内的市场，老百姓就有钱了，老百姓就增收了，我们生态农业也就有效益了。

 

    第二是要发挥“热”——自然光热资源。云南许多地方的自然光热资源充足，一年四季露天条件下种植的蔬菜花卉品种很多。不需要建大棚或温室，只要利用好充足的光热资源就可以在自然状态下，生产出自然的生态水果和蔬菜。

 

    特别需要彰显“绿”——绿色生态安全。好的食材，好的气候，就一定要追求高质量，一定要有生态的概念，在鸟语花香的生态环境里面生产出香喷喷的农产品，没有公害，没有任何的有害物质，是生态的、有机的农产品，这是云南省追求的目标，切忌盲目高产再高产，那样只会破坏生态。

 

    还有要做强“精”——农产品精深加工。要把农产品变成商品，才是路子。一斤葡萄变一斤葡萄酒酒，一朵花变成一瓶护肤品、保健品，提升科技含量附加值，提倡大健康。

 

    最后，要争当一个“兵”——生态文明建设排头兵。云南很多地方生态环境很好，但也是最贫穷的地方。如果能把这些生态环境好的地方生产的生态产品变成市场经济的产品，就能让老百姓富起来。我们利用好的生态环境，帮助老百姓脱贫，我们就能成为生态标兵！

 

    链接一

 

    从生态角度探索作物多样性解决难题的新途径，该途径须回答三个关键问题：能否控制病害？何为控病机理？能否推广应用？近三十年来的系统研究，逐一回答了三个关键问题，建立了作物多样性控制病害新途径，大面积推广应用通过了实践检验。

 

试验确证，探索作物多样性控病新途径

 

    上世纪八十年代在云南山区朱有勇观察到水稻品种多样性有效控制稻瘟病的现象，随后试验验证了控病效应及其相关规律。九十年代拓展到玉米、马铃薯、小麦、蚕豆等物种多样性控制病害的研究，探明了禾本科与豆类、禾本科与薯类等控病效应及相关规律。1997年至1999年进行了万亩放大验证，明确了利用作物品种时空优化配置能有效地控制病害。根据大量试验结果，确证了从栽培角度利用作物多样性控制病害新途径。2000年8月标志性研究结果在Nature上作为封面文章发表，并以热点和亮点论文被专题评论，在国内外产生了较大影响。历时14年回答了第一个问题，即“作物多样性时空配置能有效控制病害”。

 

揭示机理，为技术创新提供科学依据

 

    作物多样性控制病害新途径推广应用面临的问题是：品种如何搭配？什么栽培方式？什么种植时间？为了建立科学的应用技术，针对面临问题，他从引起作物病害发生的寄主品种、病菌和气象因子“三要素”揭示了控病机理。一是品种遗传异质。试验探明品种抗性遗传异质与控病效应呈正相关，且抗性基因同源序列类似性RGA（NBS-LRR遗传距离大于0.35）的品种搭配有显著的控病效果。并通过11年的定位试验，明确了品种多样性减缓病菌方向选择压力，寄生适合度高的小种菌量显著降低，验证了品种多样性减少病害的作用。二是稀释和阻隔作用。试验探明作物多样性平均稀释亲和性病菌孢子45.6%，阻隔效率24.6%，减少初侵染源76.7%。三是改变微环境气象因子。试验探明高秆群体风速和透光率提高，相对湿度和结露面积降低，不利病害发生。矮秆群体结果则相反。针对矮秆群体的负面影响，探明了矮秆作物提前或推后种植使发病高峰期避开降雨高峰的作用。该研究前后十余年回答了第二个问题，即“何为控病机理”。

 

技术创新，大面积推广应用产生显著社会经济效益

 

    通过机理研究，建立了一系列技术参数，完成了技术创新。一是品种搭配技术创新。根据遗传异质（NBS-LRR遗传距离大于0.35）具显著控病效果的研究数据，利用基因芯片技术建立了品种多样性搭配快速测配体系。二是优化空间配置技术创新。根据稀释系数、阻隔效率和减少初侵染的试验数据，建立了作物多样性带状轮作的行比、行宽技术参数。三是优化种植时间技术创新。根据错峰种植避雨避病试验数据，建立了马铃薯等矮杆作物提前或推后种植的技术参数。集成技术创新，形成了12项作物多样性控病技术规范，2001-2009年累计推广12，287万亩，示范点调查表明主要病害平均病指分别降低17.4～62.5%，减少农药量53.9～71.8%，增加产量16.7～56.9%。主要结果获发明专利16件。水稻遗传多样性控制稻瘟病技术分别获国家技术发明二等奖。作物物种多样性控病增产技术获云南省科技进步特等奖。十余年来通过大面积实践应用回答了第三个问题，即“能够推广应用”。

 

    他的近三十年对生物多样性控制病害的系统研究，主要有三方面学术成绩：一是上世纪八十年代开始，历时14年试验确证了作物多样性控制病害新途径，研究结果在Nature作为封面文章发表。二是九十年代深入机理研究，十余年揭示了主要机理，发表160余篇论文，专著3部，获省自然科学研究一等奖。三是近十年来，通过机理研究进行了技术创新，形成16项技术规范，推广应用2亿余亩，获专利26件，获国家技术发明二等奖1项，省科技进步特等1项，一等奖3项。

 

    链接二

 

    研究的主要创新点如下：

 

    理论创新 试验确证了从栽培角度利用作物多样性时间和空间优化配置控制病害新途径。该创新点标志论文“Genetic Diversity and Disease Control in Rice”单篇被引用927次。经云南科技情报所检索，单篇引用率在国际相关领域排名前列，在我国植物病理学领域排名第一。Nature和Science等刊物进行了专题评论，认为该研究突破了品种单一化的弊端，为解决现代农业生产中出现的问题提供了佐证。

 

    技术创新 根据机理研究进行了技术创新，建立了技术参数，形成了一系列控病增产技术，并大面积推广应用。该创新点的应用研究处于国际同领域前列。国外长期限于理论研究及田间小试和中试，我国2004年应用超过1000万亩，2009年超2000万亩，2010年超4000万亩。2004年获联合国粮农组织国际稻米年科学研究一等奖，颁奖评语“为利用生物多样性促进粮食安全提供了成功范例”。受邀国际生物多样性与农业大会、国际农业生物多样性大会、全国植物病理学大会等作大会报告25次，主持农业生物多样性国际、多边、双边及全国会议11次。主持973项目2项，其中完成1项，滚动1项，主持完成863等项目10余项。研发技术作为重大农业成果被政府纳入工作计划推广，为地方经济发展提供了技术支持。

 

    促进学科发展 该研究将植物病理学理论与生物多样性原理相结合，形成了作物多样性控制病害研究新生长点。为满足学科新生长点发展需要，得到国家相关部委支持，建成了国家农业生物多样性应用研究工程中心和教育部农业生物多样性控制病害重点实验室，建成博士点和博士后流动站。培养国内博士后、博士和硕士100余人。培养国外博士4人，培训15个国家专业同行428人。农业生物多样性创新人才培养获国家教学成果二等奖及国家级教学名师奖等。

 

    朱有勇 1987年云南农业大学植物病理硕士毕业，1996年澳大利亚悉尼大学留学回国，任云南省重点实验室主任，教授；2000年获中国农业大学博士学位。2002年任教育部重点实验室主任；2003年任国家农业生物多样性工程中心主任，博导，并兼任英国Wolverhampton大学和荷兰Wageningen大学博导；2004年任云南农业大学名誉校长；2006年任国家973计划项目首席科学家。2011年当选中国工程院院士。

 

    （文字整理：本报记者 陈鹏）