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      氣候變化對蔬菜學(xué)科的影響

      2011-08-15 00:49:35鄒學(xué)校蔡立湘彭新德朱校奇
      湖南農(nóng)業(yè)科學(xué) 2011年17期
      關(guān)鍵詞:農(nóng)作物蔬菜品種

      鄒學(xué)校,蔡立湘,彭新德,朱校奇

      (湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院,湖南 長沙 410125)

      全世界無數(shù)的獨立研究機(jī)構(gòu)多方觀測和研究結(jié)果表明:全球陸地、大氣、海洋以及極地都顯示出氣候變暖的趨勢。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)在其2007年的評估報告中表示,自20世紀(jì)中期以來,大部分已經(jīng)觀測到的全球平均氣溫的升高,很可能是人為產(chǎn)生的溫室氣體濃度增加所致[1]。

      全球氣候變化受影響最大的是農(nóng)業(yè)。溫度升高將延長農(nóng)作物生長期,減少霜凍,二氧化碳的“肥料效應(yīng)”會增強(qiáng)光合作用,對農(nóng)作物等蔬菜生產(chǎn)有利。但土壤蒸發(fā)量上升,洪澇災(zāi)害增多和海水侵蝕等也將造成農(nóng)業(yè)減產(chǎn)。我國是世界上最大的蔬菜生產(chǎn)國,全球氣候變暖,總體上對我國的蔬菜生產(chǎn)發(fā)展利大于弊。特別是對我國葉菜類蔬菜種類的布局和生產(chǎn)、供應(yīng)和消費等將產(chǎn)生積極的影響。我國日益豐富的蔬菜生產(chǎn)實際,是我國蔬菜學(xué)科建設(shè)與發(fā)展的基礎(chǔ)。

      1 蔬菜科學(xué)技術(shù)的概念

      蔬菜學(xué)是以生物學(xué)為理論基礎(chǔ),研究蔬菜作物生長發(fā)育和遺傳規(guī)律的一門學(xué)科,也是研究蔬菜種質(zhì)資源、遺傳育種、栽培、病蟲害防治及采后處理、貯藏、加工等應(yīng)用技術(shù)與原理的綜合性專業(yè)學(xué)科。

      在我國蔬菜學(xué)作為一門實驗科學(xué)誕生于上世紀(jì)初,但直到改革開放之后,主要由于國內(nèi)消費的發(fā)展,才極大地促進(jìn)了蔬菜科學(xué)技術(shù)的普及和發(fā)展;特別是改革開放以來近30 a的實踐,蔬菜育種、栽培、貯運(yùn)、加工及蔬菜消費保障技術(shù)的不斷進(jìn)步,蔬菜設(shè)施栽培技術(shù)不斷完善,又對我國蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了巨大的推動作用[2]。

      2 全球氣候變暖對蔬菜生產(chǎn)的影響

      全球氣候變化對我國蔬菜生產(chǎn)產(chǎn)生的影響是多方面的。有積極作用的是,由于生產(chǎn)季節(jié)熱量、雨量的分布發(fā)生變化,蔬菜適宜的種植區(qū)將擴(kuò)大,如西北目前不適宜大規(guī)模生產(chǎn)蔬菜的傳統(tǒng)干旱區(qū),將有條件發(fā)展生產(chǎn),使蔬菜生產(chǎn)季節(jié)延長,適栽的蔬菜品種增加。同時,原用于蔬菜儲運(yùn)的成本將大幅度下降。綜合各方面的因素估算,全國蔬菜生產(chǎn)成本將下降15%~20%。

      全球氣候變化對我國蔬菜生產(chǎn)不利的影響更大、更深遠(yuǎn)。如蔬菜的區(qū)域宏觀布局;區(qū)域內(nèi)的品種搭配;土地的連作、輪作、套種,土著品種的收集、整理、利用;蔬菜生產(chǎn)、加工、貯運(yùn)、消費以及相應(yīng)的政策扶持等,都將產(chǎn)生一系列的深遠(yuǎn)影響。

      有人對我國1951~2003年氣候資料分析,我國氣溫呈明顯上升趨勢,特別是20世紀(jì)80年代中期以來,升溫速度顯著加快,全國各地區(qū)近20 a來溫度都是逐漸升高的,1998~2003年的6 a中有5 a是1951年以來最暖的年份,其中北方地區(qū)增暖趨勢非常顯著,華北、東北及西北地區(qū)增溫幅度達(dá)到0.4~0.8℃/10 a。與北方不同,我國南方各省區(qū)增暖趨勢沒有北方明顯。

      經(jīng)過建立農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與氣溫、農(nóng)業(yè)投入關(guān)系的數(shù)學(xué)模型和測算,華北地區(qū)溫度的主效作用大于投入的主效,說明溫度變化對蔬菜等農(nóng)作物生產(chǎn)的影響比投入變化的大。同時,溫度與投入對產(chǎn)量的影響均達(dá)到0.01的顯著水平,但影響趨勢不同,負(fù)值表現(xiàn)為隨著溫度的升高,對總產(chǎn)量的增加有極大的抑制作用,而投入對產(chǎn)量的影響是一條開口向下的拋物線,即在早期產(chǎn)量隨著投入的增加有很大的提高,但到后期,雖然投入繼續(xù)加大,但產(chǎn)量增加變緩,甚至有所下降。

      東北地區(qū)溫度的主效大于投入的主效,且溫度對蔬菜等農(nóng)作物總產(chǎn)量的正效應(yīng)達(dá)到0.01的顯著水平,表明溫度變化對產(chǎn)量的影響比投入變化的大。與華北地區(qū)不同的是,東北地區(qū)溫度的升高對總產(chǎn)量起到明顯促進(jìn)作用。投入對產(chǎn)量的影響達(dá)到0.05的顯著水平,表現(xiàn)為開口向下的拋物線,即早期的投入增加提高了總產(chǎn)量,到后期投入增加,總產(chǎn)量的增加放緩,甚至還有所下降。

      溫度和投入變化對華東地區(qū)的蔬菜等農(nóng)作物產(chǎn)量影響不顯著,這可能與播種面積的持續(xù)減少對總產(chǎn)量的影響有關(guān)。

      中南地區(qū)溫度的增加對蔬菜等農(nóng)作物產(chǎn)量沒有顯著的抑制作用。

      西南地區(qū)溫度與投入變化對蔬菜等農(nóng)作物產(chǎn)量的影響達(dá)到0.05的顯著水平,且溫度的主效大于投入的主效,溫度的升高對總產(chǎn)量增加產(chǎn)生很大的抑制作用,投入增加對總產(chǎn)量有促進(jìn)作用。

      西北地區(qū)溫度與投入對蔬菜等農(nóng)作物產(chǎn)量的影響達(dá)到0.05的顯著水平,但趨勢不同,溫度的主效大于投入的主效,表現(xiàn)為隨著溫度的上升,產(chǎn)量的增加受到抑制,隨著投入的加大,產(chǎn)量由開始的顯著增加,到后來增加變緩,甚至有所下降[3]。

      氣候變暖使冬油菜及十字花科蔬菜的播種期推遲了7~13 d,停止生長期也相應(yīng)推遲,返青后的生育期提前了8~12 d,全生育期縮短17~32 d,是農(nóng)作物中全生育期縮短比較明顯的。馬鈴薯生產(chǎn),如果地溫提高2.2~2.5℃,出苗期將提前13 d,全生長期會適當(dāng)延長[4]。

      氣候變暖已經(jīng)使西北地區(qū)農(nóng)作物種植面積和種植格局發(fā)生了較大改變。馬鈴薯適宜種植區(qū)上限海拔高度也平均提高了100~200 m,馬鈴薯的適宜種植范圍也有所擴(kuò)大,尤其是甘肅隴中地區(qū)的種植面積擴(kuò)大迅速。冬油菜及十字花科蔬菜的種植帶向北擴(kuò)展了約100 km,種植區(qū)海拔高度提高了約100~200 m,種植面積擴(kuò)大了大約1倍。

      由于氣候變暖,多熟制種植帶向北推移,種植海拔高度提高了200~300 m;復(fù)種指數(shù)明顯提高,復(fù)種面積擴(kuò)大了4~5倍。西北地區(qū)蔬菜等農(nóng)作物品種熟性總體上正在由早熟型向偏晚熟型發(fā)展。

      西北地區(qū)冬油菜及十字花科蔬菜的產(chǎn)量與冬季平均氣溫密切相關(guān)。一般,每升高1℃,生物學(xué)產(chǎn)量將增加172 kg/hm2[5]。氣溫升高會使馬鈴薯等塊根類蔬菜減產(chǎn)。馬鈴薯產(chǎn)量與塊莖膨大期(7月份)的平均氣溫和分枝-開花期(6~7月份)的降水相關(guān)密切。一般,如果降水不變時,馬鈴薯等塊根類蔬菜產(chǎn)量會隨溫度升高而降低;若氣溫升高,降水量也變化時,產(chǎn)量與降水呈正相關(guān),隴東南影響最大,隴東次之,隴中較小[6-9]。

      總之,20世紀(jì)末與20世紀(jì)80年代相比,環(huán)境溫度升高,使綠洲灌溉區(qū)農(nóng)作物的生物學(xué)產(chǎn)量提高了10%~20%,特別是冬油菜及十字花科蔬菜、馬鈴薯等塊莖類蔬菜等的種植面積擴(kuò)大,其生物學(xué)總產(chǎn)量可增加30%左右。

      氣候變化對蔬菜等農(nóng)作物病蟲害的發(fā)生和流行均有比較明顯的影響。由于氣溫升高,特別是冬季溫度增加使目前大多數(shù)農(nóng)作物,尤其是蔬菜的病蟲害發(fā)生及危害呈逐年加重的趨勢[10]。

      3 全球氣候變化對蔬菜品種多樣性的影響

      生物多樣性和氣候變化之間的聯(lián)系是雙向的。氣候變化是生物多樣性喪失的一個重要驅(qū)動力。

      Myers估計,在過去的兩億年中,大約每27 a就有一種高等植物滅絕。Wilson等估計,隨著人類活動的增加,現(xiàn)在物種的滅絕速率是自然的1000倍。中國的生物多樣性居世界第8位,北半球的第一位。同時,中國又是生物多樣性受到最嚴(yán)重威脅的國家之一。在《瀕危野生動植物種國際貿(mào)易公約(CITES)》列出的640個世界性瀕危物種中,中國占156種,約為其總數(shù)的1/4。目前,全世界絕大多數(shù)的糧食供應(yīng),僅僅來源于100個物種的農(nóng)作物,而自人類有農(nóng)業(yè)以來(約12000 a前)曾種植過幾千個物種及更多的品種(或亞種)。美國農(nóng)業(yè)部1903年列出的商品蔬菜品種中,目前已有96%滅絕。

      高、低溫及高低溫變溫的幅度,是蔬菜栽培過程中比較常見的兩種逆境因子,溫度變化過大會對蔬菜生產(chǎn)產(chǎn)生嚴(yán)重影響,有時可能造成失收,是蔬菜冬春和夏秋之交供應(yīng)淡季形成的主要原因[11]。

      高溫脅迫對蔬菜的危害主要是高溫下水分失調(diào)、原生質(zhì)膠體結(jié)構(gòu)破壞、導(dǎo)致蛋白質(zhì)失活和降解。若及時采取相應(yīng)的栽培措施,改善植株體內(nèi)的水分狀態(tài),提高細(xì)胞含水量特別是膠體束縛水的含量,將有助于增強(qiáng)植株對高溫的耐受能力和抗性[12]。

      蔬菜作物對于高溫脅迫的響應(yīng)并非是完全被動的,其體內(nèi)會發(fā)生相應(yīng)的適應(yīng)反應(yīng)來降低脅迫造成的危害,以維持基本的代謝過程,甚至通過開啟某些基因的表達(dá)來緩解高溫的傷害。

      蔬菜的抗熱育種,一般通過芽變選種、實生苗選種、雜種優(yōu)勢利用、誘變等育種途徑獲得;近年通過抗性強(qiáng)的砧木品種培養(yǎng)新的抗熱品種、利用細(xì)胞工程和基因工程等生物技術(shù)來培育抗熱突變體或轉(zhuǎn)基因植株,成為蔬菜育種的一個熱點??娐胍钥剐詮?qiáng)的云南黑籽南瓜為砧木嫁接冬春季黃瓜,大幅度提高了夏季黃瓜產(chǎn)量;馬德華等通過雜交的方法,育成了適合華北地區(qū)越夏栽培的耐熱黃瓜品種。

      轉(zhuǎn)耐冷基因育種,是科學(xué)家想盡快解決蔬菜耐冷問題的熱點。目前利用較多的是來自北極深海魚類的抗凍基因(AFPS)。將鰈魚科的抗凍基因轉(zhuǎn)入番茄,發(fā)現(xiàn)其具有抑制冰塊重新結(jié)晶的能力,從而使蔬菜免遭凍害。將美洲擬鰈抗凍蛋白基因AFP直接轉(zhuǎn)入番茄,得到的轉(zhuǎn)基因植株,在平均氣溫低于4.4℃的情況下生長好于對照,并且果實成熟提前。致死溫度也降低了l~2℃。

      氣候變化會對蔬菜品種多樣性產(chǎn)生影響。一方面對土著蔬菜品種多樣性形成威脅、使生物多樣性不斷喪失;另一方面,蔬菜品種在長期的進(jìn)化過程中,由于自然選擇、人為品種改良(包括轉(zhuǎn)基因育種等),形成了對氣候變化(高溫、低溫)的適應(yīng),產(chǎn)生了新的基因型及表現(xiàn)型,一定程度上增加了蔬菜的生物多樣性。

      4 應(yīng)對氣候變化蔬菜學(xué)科面臨的問題

      氣候變化對蔬菜等農(nóng)作物生產(chǎn)發(fā)展的影響非常顯著,給蔬菜學(xué)科提出的問題是非常嚴(yán)峻和迫切需要解決的問題。首先,是國家要從保障國家食物安全的角度,思考和重新部署國家的蔬菜生產(chǎn)、貯運(yùn)、加工和消費布局。有針對性的出臺相關(guān)政策和措施,積極應(yīng)對全球氣候變暖和極端性氣候事件可能給我國蔬菜生產(chǎn)、貯藏、運(yùn)輸和消費等帶來的影響。

      其次,要研究制定相應(yīng)的應(yīng)急方案,盡量利用氣候變化可能帶來的機(jī)遇,發(fā)展我國的蔬菜科學(xué)技術(shù)。目前,特別是要利用國際后金融危機(jī)時代給我國帶來的歷史機(jī)遇,集中優(yōu)勢力量,提高我國的自主創(chuàng)新能力;以提高我國蔬菜生產(chǎn)的科技水平為中心,保障國內(nèi)蔬菜消費的穩(wěn)步發(fā)展;確實轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長方式,促進(jìn)我國蔬菜生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。

      第三,要研究制定蔬菜科學(xué)技術(shù)發(fā)展目標(biāo)。包括蔬菜學(xué)科的生態(tài)學(xué)目標(biāo)、生物學(xué)目標(biāo)等。要針對我國蔬菜生產(chǎn)過程中的污染問題,運(yùn)用生態(tài)學(xué)的基本原理和方法,研究蔬菜生長及蔬菜安全、可持續(xù)生產(chǎn)環(huán)境的理論和技術(shù)。要根據(jù)現(xiàn)代消費的發(fā)展,研究蔬菜的個體和群體生理基礎(chǔ),為蔬菜的鮮銷、延后或反季節(jié)生產(chǎn)、遠(yuǎn)距離輸運(yùn)和適于加工等專用性生產(chǎn)目標(biāo)提供技術(shù)思路和方法。

      第四,國家要出臺保障蔬菜生產(chǎn)和消費可持續(xù)發(fā)展的政策、法規(guī)。從當(dāng)前我國蔬菜生產(chǎn)的實際著手,重點研究土著蔬菜品種資源及基因資源的收集、保存、利用。特別是重要戰(zhàn)略型品種資源、野生資源的嚴(yán)格保護(hù),要及時發(fā)布和適時修改國家農(nóng)作物及近緣野生植物種質(zhì)資源保護(hù)名錄。加大對農(nóng)作物新品種選育的公共財政支持。支持開展具有我國特色的蔬菜生產(chǎn)及消費保障技術(shù)體系研究;加大對具有我國地方特色的蔬菜品種的研究,經(jīng)濟(jì)、適用的工程設(shè)施及科學(xué)的蔬菜低碳生產(chǎn)技術(shù)。出臺政策,把支持蔬菜生產(chǎn)和支持采用新技術(shù)結(jié)合起來。用實在的政策指導(dǎo)鼓勵生產(chǎn)者應(yīng)用新技術(shù)、新成果。

      要利用我國目前正在加速走出去步伐,加快與世界融和的機(jī)遇,通過大范圍的合作,促進(jìn)我國的蔬菜生產(chǎn)、蔬菜產(chǎn)品、蔬菜消費服務(wù)和消費文化走向國際大市場。

      5 蔬菜學(xué)科應(yīng)對全球氣候變暖的對策

      5.1 加強(qiáng)蔬菜生產(chǎn)布局規(guī)劃研究

      蔬菜因品種類型豐富,不同氣候類型區(qū)基本上都有相適應(yīng)的品種可以栽培和生產(chǎn),同時,蔬菜產(chǎn)量的高低以及品質(zhì)的優(yōu)劣也在很大程度上受到氣象條件的制約,因此使得蔬菜生產(chǎn)形成了相對穩(wěn)定的區(qū)域分布?,F(xiàn)有的研究表明,氣候變暖將使作物生長期的光能資源和熱量資源增加,同時,各個地區(qū)的降水量還會增加或減少。因此,應(yīng)根據(jù)氣候變暖發(fā)展趨勢,適時調(diào)整蔬菜的種植結(jié)構(gòu)和分布,有規(guī)劃地將有關(guān)品種種植區(qū)域北移,包括喜溫蔬菜品種種植區(qū)域北移,也包括喜冷、耐寒蔬菜品種種植區(qū)域的北移問題。同時,應(yīng)根據(jù)各地氣候特點和生產(chǎn)實際,針對不同品種安排播期,充分考慮各季茬口安排,有效利用各地氣候資源發(fā)展蔬菜生產(chǎn)[13]。

      5.2 培育抗逆性強(qiáng)的蔬菜新品種

      氣候變暖將導(dǎo)致蔬菜生長環(huán)境的一系列和綜合性的變化,而且極端性天氣出現(xiàn)的頻率將增加,因而對蔬菜生長產(chǎn)生綜合性影響,選育優(yōu)良品種是最根本的適應(yīng)性對策之一[14]。應(yīng)充分挖掘我國豐富的蔬菜品種資源,加強(qiáng)生物技術(shù)與常規(guī)技術(shù)的融合,通過單倍體培養(yǎng)技術(shù)、原生質(zhì)融合技術(shù)、DNA重組技術(shù)以及雜種優(yōu)勢利用等,提高蔬菜育種的目的性和育種效率,培育出抗逆性強(qiáng)、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的蔬菜新品種。未來蔬菜品種抗逆性的目標(biāo)要求,一是要耐高溫、耐干旱、抗病蟲害,以應(yīng)對氣候變暖和干旱的影響。氣候變暖對蔬菜病蟲草害發(fā)生與危害將產(chǎn)生重要影響。已有的研究表明,暖冬造成主要農(nóng)作物病蟲越冬基數(shù)增加、越冬死亡率降低、次年病蟲發(fā)生加重、全國大部地區(qū)病蟲發(fā)生期提前、危害加重,使農(nóng)作物害蟲遷入期提前、危害期延長[15]。二是要耐鹽堿,以滿足海平面升高而使部分地區(qū)鹽堿加重時發(fā)展蔬菜生產(chǎn)的要求,同時,土壤次生鹽漬化已成為影響蔬菜設(shè)施生產(chǎn)發(fā)展的主要問題之一[16],對設(shè)施栽培品種特性也提出了同樣的要求。

      5.3 發(fā)展蔬菜工程學(xué)理論和技術(shù)體系

      蔬菜工程學(xué)是近幾年才發(fā)展起來的一門新興學(xué)科。特別是設(shè)施栽培技術(shù)的廣泛應(yīng)用,促進(jìn)了蔬菜生產(chǎn)地膜、遮陽網(wǎng)、膜,蔬菜設(shè)施材料及保暖、降溫技術(shù)的發(fā)展。要立足我國的實際,繼續(xù)推廣行之有效的地膜覆蓋、薄膜小拱棚育苗栽培,以及遮陽網(wǎng)、容器育苗等技術(shù)。同時,要進(jìn)一步開展集成技術(shù)研究,從不同地區(qū)適宜的設(shè)施選型與現(xiàn)有設(shè)施的改造升級,到設(shè)施栽培關(guān)鍵技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)體系的研究與應(yīng)用,以及設(shè)施專用品種的選育等主要技術(shù)環(huán)節(jié),聯(lián)合有關(guān)高校、科研單位、設(shè)施制造企業(yè)進(jìn)行攻關(guān),逐步建立起有中國特色的蔬菜工程學(xué)理論與技術(shù)體系。重點要針對我國現(xiàn)有的設(shè)施專用品種質(zhì)量和品質(zhì)與國外品種差距較大的狀況,加大設(shè)施栽培專用品種選育力度,盡快扭轉(zhuǎn)設(shè)施栽培品種需大量從國外進(jìn)口的尷尬局面[17]。

      要制定相應(yīng)的政策措施,鼓勵有實力的企業(yè),特別是科技性企業(yè)加速與國際蔬菜市場的接軌。近期應(yīng)以我國周邊國家的合作為主,通過合作,積累經(jīng)驗,再逐步擴(kuò)展。

      5.4 大力發(fā)展蔬菜物流、加工和綜合利用技術(shù)

      目前,我國已經(jīng)初步形成了以各類農(nóng)產(chǎn)品批發(fā)市場為中心,以城鄉(xiāng)農(nóng)貿(mào)市場為基礎(chǔ),以直銷配送和連鎖超市為補(bǔ)充,以產(chǎn)區(qū)、銷區(qū)、集散地市場相結(jié)合的農(nóng)產(chǎn)品市場體系。但我國的蔬菜流通還處在時間長、消耗大、效率低、效益差的低層次上。蔬菜在物流環(huán)節(jié)上的損失率在25%~30%之間,而發(fā)達(dá)國家的蔬菜損失率則控制在5%以下[18]。要在加強(qiáng)市場體系建設(shè),扶持蔬菜運(yùn)銷大戶發(fā)展的基礎(chǔ)上,重點發(fā)展蔬菜第三方物流,為蔬菜供應(yīng)方或需求方提供包括蔬菜物流計劃、控制、執(zhí)行等不同層次的、高質(zhì)量的個性化蔬菜物流綜合服務(wù)。

      其次,要立足全球視野,大力發(fā)展我國的蔬菜貯藏加工技術(shù)。在做好蔬菜產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后服務(wù)的基礎(chǔ)上,抓好冷藏保鮮、加工、包裝等蔬菜產(chǎn)后技術(shù)的研究與應(yīng)用。重點加強(qiáng)高溫瞬時殺菌、無菌包裝、膜分離等蔬菜制汁加工技術(shù),超微粉碎等蔬菜制粉加工技術(shù)研究以及蔬菜功能成分提取技術(shù)與下游產(chǎn)品研發(fā)等。

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