低碳农业【低碳农业背景下生物技术的应用】

　　摘要农业已成为重要的温室气体来源。发展低碳农业，减少农业温室气体的排放量，改善农业生态环境已成为当务之急。运用生物技术进行农作物新品种的培育，提高作物的抗病虫害、除草剂能力，固碳和固氮能力，进而改善人类的生活环境，降低温室效应，促进农业产业链不断延伸。针对目前农业生产与气候变化的关系提出低碳农业，并阐述了生物技术在低碳农业生产中的应用。
　　关键词低碳农业；温室气体；生物技术；固碳；固氮
　　中图分类号F062.2文献标识码A文章编号 1007-5739（2011）02-0315-02
　　
　　ApplicationsofBiotechnologyintheContextofLow-carbonAgriculture
　　QIAN Li-na 1ZHOU Zhen 2
　　（1 School of Life Science，Xuzhou Normal University，Xuzhou Jiangsu 221116； 2 School of Mines，China University of Mining and Technology）
　　AbstractAgriculture is the important source of greenhouse gas. The urgent affairs are to develop low-carbon agriculture，reduce agricultural greenhouse gas emissions and improve agricultural ecological environment.Biotechnology could be used to cultivate new varieties of crops. The crop resistance to pests and herbicides should be enhanced. And the carbon sequestration and nitrogen fixation ability should be improved.And thus it will improve the human living environment，reduce the greenhouse effect and promote the continuous extension of the agricultural industrial chain.This paper put forward low carbon agriculture on the base of the relationship between agricultural production and climate change and describe the applications of biotechnology in the low-carbon agricultural production.
　　Key wordslow-carbon agriculture；greenhouse gas；biotechnology；garbon sequestration；nitrogen fixation
　　
　　目前，随着经济的快速发展，气候变化形势越来越严峻。同时，气候变化将使农业生产的不稳定性增加，产量波动增大，这就对农业结构调整提出新要求。发展适应气候变化、减少温室气体排放的低碳农业经济已迫在眉睫。据联合国粮农组织估计，低碳农业系统可以抵消80%因农业导致的全球温室气体排放量[1]。然而我国的农业是一种高耗能、高污染、高排放的“三高”农业生产方式。实现农业的可持续发展，必须促使高碳经济向低碳经济的转变，通过农业科学技术来发展低碳农业，以应对未来我国农业的发展。
　　1农业生产与气候变化
　　WMO2008年温室气体公报公布了各种温室气体增温效应比例，CH4和N2O的影响比例达21%，这两者主要来源于农业和农业相关的生产活动[2-3]；同时，农业是大气碳含量增加的第二大来源。最新数据表明，农业直接和间接排放的温室气体对全球变暖的影响超过50%。全球气候变暖连带着一系列的气候变化最终又影响农业生产的稳定性，从而影响产量，这将对国民经济造成一定的打击。由此可以看出，农业生产与气候变化极为密切。若要从根本上解决全球气候变暖的问题，就必须减少温室气体的排放，发展低碳农业。
　　2低碳农业
　　2.1低碳农业内涵
　　低碳农业应该是低耗能、低排放、低污染的“三低”农业生产经营方式；是在农业生产、经营中排放最少的温室气体，同时获得整个社会最大收益的一种经营模式；其本质是节约型、效益型、安全型农业。低碳农业以减少碳排放、增加碳汇和适应变化技术为手段，通过开发生物质能源和可再生能源，进而维护全球生态安全，改善全球气候条件[4]。
　　2.2低碳农业发展策略
　　目前，我国低碳农业发展策略主要包括4个方面：一是加大宣传力度，培育低碳理念，以科学发展观指导低碳农业的发展；二是强化科学研究，加快技术创新，全面开发与推广低碳农业技术；三是结合各地实际情况，探索合适模式，大力发展低碳农业产业化；四是破除制度障碍，完善保障体系，促进低碳农业可持续发展[5]。其中，技术创新和制度创新是关键因素。随着高新技术的快速发展，采用生物技术促进低碳农业的发展是一有效途径。
　　3生物技术在低碳农业生产中的应用
　　农业是国民经济的基础，也是生物技术应用最广阔、最活跃、最富有挑战性的领域。常规农业生产严重影响环境，而生物技术能用来降低农业对环境的影响，实现低碳农业生产。运用生物技术培育作物新品种，提高作物的抗病虫害、除草能力，固碳和固氮能力，进而改善人类生活环境，降低温室效应，促进农业产业链不断延伸。
　　3.1生物技术提高作物的抗病虫害、除草能力
　　降低杀虫剂和除草剂的喷药量，可以长期消减二氧化碳的排放量。因此，利用生物技术培育农作物新品种、增强防病虫害能力势在必行。由于与病虫害防治有关的各类基因的发现以及植物转基因和微生物重组技术的一系列突破，用于植物保护的基因工程产品首先得到开发，并且有11种作物，100多种转基因抗虫、抗病、抗除草剂植物品种已在进行商品化生产。我国转基因棉花的应用显著减少了农药的使用量，降低了劳动强度；国外抗除草剂转基因大豆的应用，实现了密植和免耕。2006年因杀虫剂和除草剂用量的减少而削减的二氧化碳排放量估计为120万t，相当于50万辆汽车的排放量，通过免耕方法提高了土壤固碳量，二氧化碳固存量达1 360万t，相当于减少了600万辆汽车的排放量[6]。据ISAAA报告，1996―2006年累计减少使用杀虫剂有效成分约30万t，使全球农药对环境的破坏性影响降低15.5％。
　　3.2生物技术提高植物固碳能力
　　生物固碳就是利用微生物和植物的光合作用，提高生态系统的碳吸收和储存能力，将二氧化碳资源转化为碳水化合物和氧气，变废为宝，从而减少二氧化碳在大气中的浓度，减缓全球变暖的趋势。生物固碳因其成本低廉、无副作用且可实现人类可持续发展等优点越来越受到国际社会的重视[7-8]。
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 　　我国具有先进的选种育种技术，可借助先进的转基因生物育种技术，提高作物的生产力和固碳能力，为生物固碳提供保障。多年生草本植物中，C4植物的固碳速率比一般C3植物要高，C4植物和豆科植物的功能群组可以提高生态系统的固碳效率5~6倍[9]。近年来，基因工程在固碳领域取得了一系列成果，如C4植物玉米和高粱等的C4基因先后被克隆导入C3双子叶植物矮牵牛、烟草、马铃薯。2007年，我国科学家成功完成转C4光合固碳相关基因水稻的育种研究，转基因疏导使水稻的PEPC活性提高了20倍，光合速率和和羧化效率也分别比原种提高55% 和50%，光饱和点比原种提高200 μmol/（m2・s），其产量提高14%~22%[10]。
　　3.3生物技术提高作物固氮能力
　　农业生产中氮肥的大量使用，使土壤中有效氮元素大量增加，氮素作为硝化和反硝化作用的底物，其含量增加必然导致N2O排量增加[11]。研究表明，农田土壤N2O排放量在一定施氮量范围内随施氮量的增加而上升[12]，生物固氮的发展可替代化肥为农作物提供氮素。
　　生物固氮是指某些种类的原核生物利用体内的固氮酶，将空气中的氮气还原为氨，为植物生长提供氮素。现已从含C 的作物如玉米、高粱、甘蔗、黍的根际，分离出不同的联合固氮菌。对它们性质的研究已经广泛开展，主要侧重从分子遗传角度改造基因，提高固氮效率[13]。有研究表明，铵对西固氮螺菌Yu62菌固氮酶活性的抑制已基本研究清楚，构建成脱铵阻遏的工程菌株UB37，在玉米田间小区试验中达到减少氮肥用量20%的效果[14-15]。根瘤菌对宿主有专一性，在对宿主专一性基因了解的基础上，用基因重组等方法扩大宿主范围，特别是扩大到非豆科植物上结瘤和固氮是始终的愿望[16]。目前，已有研究表明，中国科学院遗传研究所把带有固氮基因的质粒PRD1从大肠杆菌K12jc5564导入到无固氮能力的水稻根系菌4502Y中，表现出较强的固氮能力[17]。
　　同时，利用生物技术了解、掌握土壤和作物根际微生物群落的多样性变化和活动机制，是农业生产适应气候变化的一个重要措施。2007年，福建省农业科学院生物技术研究所利用PCR-RFLP检测水稻根际土壤及根组织内外固氮微生物的nifH基因，证明了水稻根际土壤和水稻根组织的固氮微生物具有显著的多样性，也初步显示了土壤中某些固氮微生物能定植于水稻根内或根表[11]。还有研究发现，C4作物比C3作物具有较高的氮肥利用率，同种作物内不同基因型间的氮肥利用率也有差异，品种的改善可使氮肥利用率提高20%~30%[18]。因此，用生物技术改良作物以及菌种的营养遗传性状，筛选出符合人们要求的产物，实现肥料的高效利用，在我国将有良好的发展前景。
　　4小结
　　低碳农业是现代农业为了应对能源危机和气候变暖而产生的一种新的经济形态，低碳农业不只是一个时尚的概念，而且还是人类建设低碳优质生活的必然选择。生物技术在低碳农业生产中的应用，不仅能改善人类生活环境，降低温室效应，而且还能促进农业产业链的不断延伸，同时还能带动农业产业科学技术的不断升级。可以预见，生物技术在今后低碳农业生产发展中将起到一个主导的作用。
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