华中农业大学学者探索出全球水稻可持续发展的实现途径

　　各稻作系统以及全球平均实际水稻产量（黄色）和产量差（红色）占产量潜力的百分比

 

　　近日，华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室、湖北省洪山实验室彭少兵教授团队联合美国内布拉斯加大学林肯分校Patricio Grassini教授团队，与来自全球13家科研单位的科研工作者合作，从全球尺度上科学、全面、系统地评估了水稻生产的产量差、温室气体排放、资源消耗等要素，探明了实现全球水稻生产绿色、高产、高效目标的有效途径和可持续发展的建议。相关研究成果以“Sustainable intensification for a larger global rice bowl”为题于2021年12月9日在Nature Communications在线发表。

 

　　如今，水稻作为全球一半以上的人口提供主粮，在全球粮食安全中发挥着至关重要的作用。随着世界人口的增长，未来全球对稻谷的需求量将进一步加大。然而，在环境变化、能源短缺及资源退化的共同影响下，以可持续方式满足未来的水稻等粮食需求面临着更为严峻的挑战。针对这一国际重大需求，彭少兵教授团队与美国内布拉斯加大学林肯分校Patricio Grassini教授团队联合国际同行学者选择亚洲、非洲、南美洲、北美洲和大亚洲的18个主要水稻生产国开展了系统研究，研究涵盖全球88%的水稻总产量和86%的总收获面积。

 

　　科研团队在“两步法”进行稻作系统区划的基础上，选择了在地理位置、气候环境和栽培管理水平等方面差异较大的32个稻作系统，分析了这些稻作系统的产量潜力和产量差、温室气体排放和碳足迹、水资源消耗和水足迹、农药毒性指数、氮足迹和氮平衡以及劳动力投入和劳动力生产效率。

 

　　研究发现，目前全球平均水稻产量达到了产量潜力的57%，但不同地区之间存在很大的差异。包括中国东北地区、埃及、澳大利亚和美国加州在内的全球三分之一的水稻产区的实际产量超过了产量潜力的75%，但是非洲地区的雨养稻和巴西北部的陆稻的实际产量仅为产量潜力的20%~40%。情景分析表明，提高19个稻作系统的产量至产量潜力的75%可将水稻总产增加32%；降低8个稻作系统的氮素盈余可将目前总氮素损失减少95%。该研究为农业领域制定和实施国家以及全球优先研究和发展策略提供了全新的范式。

 

　　我校植物科学技术学院博士后袁珅是该论文的第一作者，我校彭少兵教授和内布拉斯加大学林肯分校Patricio Grassini教授是该论文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金国际（地区）合作与交流项目、国家水稻产业技术体系、教育部高等学校学科创新引智计划、国家留学基金管理委员会和博士后科学基金的资助。

 

　　据了解，我校彭少兵教授团队多年来围绕水稻绿色发展、农业资源高效利用和粮食安全治理等方向进行深入研究，已取得多项成果。2019年4月，彭少兵教授团队主导合作在Nature Communications发文，探究了全国尺度上的水稻产量差以及保障中国水稻总产稳定增加的有效途径，本文是上述系统研究领域 的进一步延伸。

 

　　【英文摘要】

 

　　Future rice systems must produce more grain while minimizing the negative environmental impacts. A key question is how to orient agricultural research & development （R&D） programs at national to global scales to maximize the return on investment. Here we assess yield gap and resource-use efficiency （including water, pesticides, nitrogen, labor, energy, and associated global warming potential） across 32 rice cropping systems covering half of global rice harvested area. We show that achieving high yields and high resource-use efficiencies are not conflicting goals. Most cropping systems have room for increasing yield, resource-use efficiency, or both. In aggregate, current total rice production could be increased by 32%, and excess nitrogen almost eliminated, by focusing on a relatively small number of cropping systems with either large yield gaps or poor resource-use efficiencies. This study provides essential strategic insight on yield gap and resource-use efficiency for prioritizing national and global agricultural R&D investments to ensure adequate rice supply while minimizing negative environmental impact in coming decades.

 

　　论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-27424-z