海涂上的生命之歌——記南京農(nóng)業(yè)大學(xué)劉兆普教授海涂資源高效安全利用創(chuàng)新團隊

文/高妍 毛艷玲

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海涂上的生命之歌——記南京農(nóng)業(yè)大學(xué)劉兆普教授海涂資源高效安全利用創(chuàng)新團隊

文/高妍 毛艷玲

劉兆普教授（右）考察南菊芋9號

劉兆普，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，多年致力于海涂資源高效利用研究，特別在海涂鹽土資源、海水資源與耐鹽能源植物資源的開發(fā)研究中取得了一系列創(chuàng)新成果?，F(xiàn)任南京農(nóng)業(yè)大學(xué)海涂工程技術(shù)中心主任，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)（海南）灘涂農(nóng)業(yè)研究所所長。

海涂，指海岸潮間的淺灘。潮水漲落間將泥沙一層層堆積在岸邊，最終形成平整和緩的灘面，是海岸帶最主要的組成部分。

我國擁有18000千米的大陸海岸線，跨越熱帶、亞熱帶與暖溫帶等氣候帶，南北一線約有5000萬畝的海涂資源，且以每年30萬畝的速度淤長。

海涂是豐富的土地資源，但含鹽量高，因此海涂區(qū)域鹽堿土壤發(fā)育廣泛，大多一片荒蕪。如何高效開發(fā)利用海涂資源，已經(jīng)成為沿海各國關(guān)注和研究的焦點。

“由于濱海鹽土淤積物富含營養(yǎng)元素，出水成陸后，可以高效利用與快速改良；相對于內(nèi)陸鹽土，沿海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達(dá)，人口較多，有較強的海涂開發(fā)利用實力與旺盛的市場需求；而且海涂為海陸過渡地帶，是對陸、對海最為敏感的環(huán)境地帶，利用耐鹽植物進(jìn)行鹽土修復(fù)與土壤固碳增匯，環(huán)境意義重大。因此海涂的高效農(nóng)業(yè)利用及地力提升、建成高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)農(nóng)田，是緩解我國沿海人多地少矛盾、守住18億畝耕地的重大戰(zhàn)略舉措。”深耕30年，劉兆普比一般人更加清楚開發(fā)海涂資源的重要性和可行性。

劉兆普，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，從1985年就開始與同事嚴(yán)少華、沈其榮一起研究海涂。這位扎根海涂30年的老科學(xué)家，與創(chuàng)新團隊成員一起，讓一片片的荒蕪海涂，煥發(fā)了勃勃生機。

30年來，他潛心致力于海涂資源高效利用研究，不僅在海涂鹽土資源、海水資源與耐鹽能源植物資源的開發(fā)研究中取得了一系列創(chuàng)新成果，還帶出了一支精干的創(chuàng)新團隊——海涂資源高效安全利用創(chuàng)新團隊，為我國海涂農(nóng)業(yè)的發(fā)展積蓄了人才資源。

30年來，劉兆普帶領(lǐng)創(chuàng)新團隊根據(jù)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)理論，通過新品種選育與應(yīng)用、多種水源循環(huán)利用，以及海涂健康養(yǎng)殖的源頭技術(shù)創(chuàng)新，集成了海涂高效利用與地力提升的種與養(yǎng)復(fù)合生態(tài)技術(shù)體系，構(gòu)建了3套海涂生態(tài)高值農(nóng)業(yè)模式，建設(shè)了240多萬畝高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)農(nóng)田。

相關(guān)項目以企業(yè)示范應(yīng)用為載體，持續(xù)進(jìn)行了30年的研發(fā)，形成了植物生物和經(jīng)濟特性，海涂水鹽時空分布、運動特征，田間農(nóng)業(yè)工程構(gòu)建三大方面技術(shù)體系耦合、互利、增效的一整套海涂高效利用成果，對調(diào)整海涂農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)、提升海涂農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)層次、提高鹽土地力產(chǎn)生了重大引領(lǐng)作用。

巧用“水”，改鹽土為良土

在中國，海涂的開發(fā)始于漢代，筑堤圍墾始于唐代。宋代在江蘇北部沿海修建的范公堤，就是開發(fā)墾殖海涂的工程之一。想利用海涂，就要先脫鹽，這是先決條件。

1985年起，劉兆普開始帶領(lǐng)團隊研究海涂開發(fā)，他們也是從脫鹽開始的。

雨水是自然界最卓越的“鹽堿地改良大師”。當(dāng)雨水在地表流動時，就會溶解土壤里的部分鹽分，把它們帶進(jìn)河流，最終匯入大海。但在自然條件下，雨水改良鹽堿地的速度是很慢的。為了更高效地利用雨水，劉兆普根據(jù)靜止雨水溶解鹽分多的原理，想出了囤蓄雨水洗鹽改土的方法。

他們利用灘涂大面積高位的特點，框圍、囤蓄雨水，建成了海涂地上“水庫”，再利用雨水洗、泡、淋、抑鹽，效果顯著——重鹽土雨水浸泡排鹽達(dá)800kg/畝/年；雨水漫灘，抑制積鹽而促進(jìn)淋鹽，使鹽土脫鹽率達(dá)到自然拋荒法的3倍以上，海涂可種植時間也由傳統(tǒng)的10多年變?yōu)?年即可種植。

他們還在水庫中養(yǎng)起了淡水魚，并幫助、帶動沿海灘涂的上萬農(nóng)民以此走上了致富之路，培養(yǎng)出了上百個擁有千萬元的海涂養(yǎng)殖大戶，創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

除了利用天然的雨水，劉兆普的另一個法子更簡單，直接利用海水。

自1999年起，劉兆普開始帶領(lǐng)團隊進(jìn)行海水及其養(yǎng)殖廢水安全灌溉研究。

他們選取了海南樂東、江蘇大豐、山東萊州三地作為南北3個氣候帶的代表。在多年的研究中，他們發(fā)現(xiàn)適量的咸水灌溉能夠使土壤水勢長時間保持在20kPa～30kPa（千帕）之間，而菊芋、油葵等耐鹽植物則可有效利用這一滲透勢的水而增加產(chǎn)量。

基于這一發(fā)現(xiàn)，他們率定了3個氣候帶海涂海水及其養(yǎng)殖廢水安全灌溉的各項指標(biāo)，首次研發(fā)了海水定向調(diào)控特質(zhì)植物品質(zhì)的關(guān)鍵技術(shù)。在此項技術(shù)的指導(dǎo)下，他們用適量海水灌溉，使庫拉索蘆薈葉中多糖和蘆薈甙的含量提高3倍，使長春花中一類廣譜性抗腫瘤藥物（長春堿與長春新堿）的含量提高了46%。

此外，他們還集成了海涂“適”用咸水、“巧”用雨水的源頭關(guān)鍵技術(shù)，集成了不同來源養(yǎng)殖廢水（微咸水）對土壤發(fā)育與植物生長的安全灌溉量、淋洗份數(shù)、灌溉時間等關(guān)鍵技術(shù)體系，提高了海涂農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的自凈化能力，確保了陸源氮（N）、磷（P）不入海。

育耐鹽新品，變?yōu)┩繛榱继?/h2>

近年的江蘇大豐海涂，正在發(fā)生變化。往年的冷清荒蕪，已被大片的綠色覆蓋。如果是秋天，迎接你的還有滿眼的淡黃色小花。

這樣的變化還發(fā)生在海南樂東、山東萊州等地。讓曾經(jīng)的鹽堿地重新煥發(fā)生機的功臣，就是菊芋。

菊芋，又叫洋姜，鬼子姜，是一種并不起眼的草本植物。它的獨特之處在于生命力頑強，不挑土壤，普通的菊芋就能在有輕微鹽度的土壤里生長。

而在江蘇大豐海涂上茂盛生長的菊芋，則是劉兆普帶領(lǐng)團隊通過十多年悉心研究培育出的耐鹽菊芋1號與9號。這種菊芋的本領(lǐng)不止是能夠在鹽堿地上生長，更重要的，它們能夠在短時間內(nèi)快速降低土壤中的鹽度。“我們選育的菊芋形象地稱天上一把傘（莖葉遮蓋抑制返鹽），中間一個庫（莖桿貯鹽），地下一張網(wǎng)（發(fā)達(dá)的根系穿插促進(jìn)土壤脫鹽），種一年的話，能使鹽土脫鹽達(dá)每畝200公斤到300公斤。”劉兆普介紹。

這就意味著，一片海涂鹽堿地經(jīng)過兩三年的耐鹽菊芋種植后，就可以變成良田，可種植玉米、大豆甚至水稻等農(nóng)作物。這對于擁有豐富海涂資源，且耕地資源緊缺的中國來說，意義非同小可。

海水灌溉蘆蕓試驗田

這神奇的“吸、抑、脫鹽植物”到底怎么來的？

劉兆普介紹，他們首先選取了普通菊芋的3個主要品種，在海涂4個典型地段進(jìn)行了連續(xù)兩年的田間試驗，以探索菊芋與塊莖產(chǎn)量相關(guān)的因子。結(jié)果表明，菊芋的分枝數(shù)與其塊莖產(chǎn)量的鮮重、干重的產(chǎn)量第1年相關(guān)系數(shù)R2達(dá)0.9809與0.9719，第2年為0.9514與0.9504，均達(dá)到極顯著水平。

然后，他們建立了選育耐鹽菊芋的高產(chǎn)新品種的株型模型，并在各地試驗驗證。而后是連續(xù)3年的室內(nèi)與大田反復(fù)交叉試驗，最終創(chuàng)建了咸水組培與栽培交替脅迫以篩選耐鹽高效植物新品種方法。簡單來說，耐鹽菊芋就是一代一代在海水里泡大的，經(jīng)過了近十年的耐鹽實驗才選育成功，連海水都不怕，更別提鹽度低于海水的灘涂了。

就是利用上述方法，劉兆普帶領(lǐng)團隊先后育成了海涂適生、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低肥水需求、鹽土生物修復(fù)功能顯著的菊芋、油菜、海水蔬菜等新品種8個。其中，“南菊芋1號”僅需畝施純氮6kg左右，在鹽土上長出的塊莖鮮重卻達(dá)3噸/畝，比傳統(tǒng)品種增產(chǎn)20%以上，而后選育的南菊芋9號更具明顯的優(yōu)勢；耐鹽油菜品種的畝產(chǎn)菜籽達(dá)300公斤以上，含油量超過傳統(tǒng)品種的40%。

新品種的選育克服了重重困難才得以成功，而新品種從實驗室種到海涂間，更是難以在短時間完成。如何標(biāo)準(zhǔn)化種植？如何規(guī)范施肥？這都是問題。

為了實現(xiàn)從實驗室到海涂場的跨越，劉兆普帶領(lǐng)團隊開展了栽培技術(shù)研究。

種在高鹽的海涂上，如何科學(xué)施肥？

他們首先著重探索了營養(yǎng)元素氮（N）、磷（P）、鈣（Ca）對各種植物鹽害的緩解機制。他們發(fā)現(xiàn)，“P主要提高蘆薈等植物根系的活力，增強根系對K+、Ca2+的選擇吸收，而阻擋Na+、Cl-進(jìn)入根部的機制；N主要通過增加菊芋等植物體內(nèi)有機滲調(diào)物的含量以增強植物滲調(diào)能力來提高植物耐海水能力； Ca2+的功能是通過調(diào)控丙二醛含量以維持膜透性，同時調(diào)高TDC與POC的酶活，以提高長春花次生代謝產(chǎn)物長春堿與長春堿的含量?！?/p>

以上述機制探索為依據(jù)，他們進(jìn)行了多年的大田試驗，分別在江蘇、山東及海南等省海涂集成了菊芋、油葵、籽粒莧、蘆薈、長春花等耐鹽特質(zhì)植物鹽土施肥技術(shù)體系，系統(tǒng)地研究了菊芋海涂種植、促進(jìn)菊芋經(jīng)濟產(chǎn)量形成的水肥、田間管理技術(shù)體系與操作規(guī)程。

他們根據(jù)海涂水鹽運動規(guī)律，建立了鹽土免耕播種立苗、中耕覆壟、周年生物覆蓋的立體種植等海涂特質(zhì)植物種植核心技術(shù)體系，并在海涂首次大面積推廣菊芋—馬鈴薯、菊芋—油菜等10多種立體種植模式，畝產(chǎn)值4000元以上。最終集成了菊芋—馬鈴薯、菊芋—油菜等間套作新型栽培與種植制度，形成濱海鹽土植物生產(chǎn)管理配套體系6套。

該成果實現(xiàn)節(jié)肥約50%、節(jié)水約66%、節(jié)約成本30%，在海涂高效植物輕簡種植技術(shù)及耕作與種植制度的完整性與可操作性上，達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。

隨著海涂資源的開發(fā)，海涂鹽土農(nóng)業(yè)逐漸興起，產(chǎn)業(yè)鏈開始慢慢形成。

作為最了解自己作品的人，劉兆普創(chuàng)新團隊也在耐鹽特質(zhì)植物的高值化利用方面投入了很大精力，并取得了一定的成果。

他們成功構(gòu)建了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的菊粉酶高產(chǎn)工程菌株6525，在50L中試發(fā)酵罐中糟液酒精度達(dá)12%（V/V）；創(chuàng)建了菊芋葉片活性物質(zhì)提取方法，獲國家發(fā)明專利，并從南菊芋1號葉片中得到了8個酚酸單體，驗證了其具有顯著的殺、抑菌功能；完成了菊芋塊莖生產(chǎn)菊粉的生產(chǎn)工藝。

此外，他們還對蘆薈、長春花等高效植物的多糖與生物堿的提取分離工藝進(jìn)行了比較深入的研究，取得了一些重要成果，為海涂鹽土農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的構(gòu)建提供了堅實的技術(shù)支撐。

創(chuàng)“混套”新模式，提升地力互利增效

在灘涂上筑笛，而后脫鹽，之后要么發(fā)展水產(chǎn)，要么種植作物。大部分人都是這么做的，但劉兆普創(chuàng)新團隊卻走出了一條不同尋常的路——

他們沒有遵循以往單一的養(yǎng)殖模式，而是讓改造后的海涂水、陸并存，水中養(yǎng)魚，陸上種麥或田菁，混套種養(yǎng)，從而創(chuàng)建了新型海涂高值生態(tài)農(nóng)業(yè)模式。

這一模式的研究創(chuàng)建也是從上世紀(jì)80年代末開始的。他們根據(jù)濱海鹽土向鹽漬化土過渡的土壤發(fā)育規(guī)律，按照創(chuàng)建新型海涂高值生態(tài)農(nóng)業(yè)模式與最終建成高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)農(nóng)田的目標(biāo)，大膽創(chuàng)新，積極探索，創(chuàng)建了鹽土高位蓄雨養(yǎng)魚與田菁混作養(yǎng)，魚與麥套作養(yǎng)兩種“前后相互銜接、有序過渡”的海涂高效利用模式。

“該模式的創(chuàng)新點之一，是高效利用水生生物的光合潛力，攻克了鹽土高鹽分抑制植物對光能吸收轉(zhuǎn)化的瓶頸，鹽土脫鹽周期縮短2/3。”劉兆普介紹，第二個創(chuàng)新點則體現(xiàn)在該模式所產(chǎn)出的效益上?！敖?jīng)能值分析，3年田間試驗種養(yǎng)復(fù)合模式的能值產(chǎn)出率、凈經(jīng)濟效益及系統(tǒng)貯存能值都大幅增加，分別是單一養(yǎng)殖模式的1.36、1.35與1.71倍，且基礎(chǔ)能值改變一直為正值，這證明了海涂種養(yǎng)復(fù)合模式三大效益的高效性與可持續(xù)性?！?/p>

多年的研究中，劉兆普帶領(lǐng)創(chuàng)新團隊集成了魚和麥/田菁套混作復(fù)合生態(tài)結(jié)構(gòu)中“相互兼容”的種植與養(yǎng)殖的深度跨界融合技術(shù)體系6套，包括種植與養(yǎng)殖復(fù)合的品種組合與兼容技術(shù)、田間生產(chǎn)管理、放養(yǎng)與播種、收獲與起捕等，并配置了相應(yīng)深度“兼容”的農(nóng)業(yè)工程化體系，使海涂土壤畝產(chǎn)值5000元以上（為拋荒法100倍以上），地力提升速度提高30%左右，系統(tǒng)內(nèi)自凈化能力提高80%以上。

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，魚和麥/田菁套混作復(fù)合模式下，土壤中有機碳的增加幅度在22.11%～70.02%之間，3年鹽土累計固碳1032.1萬噸；同時，鹽土中磷的有效性也顯著提高，田菁水植養(yǎng)魚有效磷比例比田菁旱作提高了29.33%；而全氮的增幅則是單一模式的3～5倍，鹽土的地力得到了持續(xù)提升。

各方面的數(shù)據(jù)表明，該模式既適于大面積植物機械種植管理與機械收獲，又便于水產(chǎn)養(yǎng)殖與大規(guī)模起捕的田間農(nóng)業(yè)工程設(shè)計，能夠保證海涂各種利用模式轉(zhuǎn)換、銜接與兼容，對海涂鹽土農(nóng)業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整與長遠(yuǎn)發(fā)展具有重要意義。

用腳步丈量科研成果，在大地上書寫論文。劉兆普和他的創(chuàng)新團隊，就是這樣的人。30年來，他們奔波在祖國南北各地的海涂上，用汗水哺育了多項創(chuàng)新成果與技術(shù)的誕生。

他們先后獲發(fā)明專利10項、新品種8個（含保護(hù)權(quán)等），僅2012年～2014年，就將新品種和新技術(shù)推廣1883.85萬畝次，新增產(chǎn)值376.3666億元，節(jié)支增收137.908億元，節(jié)水54.421億m3。

他們完成企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)3項；發(fā)表核心期刊論文180篇，其中SCI論文45篇，較早發(fā)表的20篇被Plant Cell等國際知名雜志共引用303次；多次獲得科技進(jìn)步獎勵。

他們先后建立了5個萬畝規(guī)模自負(fù)盈虧的基地進(jìn)行試驗示范，培育了如“江蘇鹽土大地”、“江蘇明天灘涂”、“江蘇省海北農(nóng)業(yè)科技”等6個規(guī)模超過10萬畝海涂的農(nóng)業(yè)企業(yè)，帶動萬戶農(nóng)民走上了致富之路。

他們都是普通的科研工作者，卻都擁有”化腐朽為神奇“的力量，他們讓荒蕪已久的海涂，涌動起了美妙的生命之歌。