如何利用绿色技术解决粮食安全和可持续发展,有没有一个发展中国家征收了环境污染税并取得了良好的效果？
如何利用绿色技术解决粮食安全和可持续发展
有没有一个发展中国家征收了环境污染税并取得了良好的效果？纵观历史，当代全球气候变化80%的贡献是由工业化国家100多年的过度排放造成的，但它们基本上已经度过了高资源消耗和高污染排放阶段，进入了后工业化社会。发达国家对发展中国家的产品征收“碳关税”。因此，只有发达国家能够单独获胜，并将公开发行。
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有没有一个发展中国家征收了环境污染税并取得了良好的效果？
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如何利用绿色技术解决粮食安全和可持续发展范文
过去，特别是20世纪，作物育种对粮食产量的增长做出了巨大贡献。例如，从1966年到2000年，人口稠密的低收入国家的人口在这些年里增长了近100%，但粮食产量却增长了125%。1960年，人类为使粮食产量达到10亿吨而努力了近万年，但仅仅过了40年。2000年，世界粮食产量超过20亿吨[1]。这一成就在很大程度上归功于培育和广泛种植转基因品种的“绿色革命”。进入新世纪，展望未来，人们对粮食产量的需求将继续上升，他们也将面临空之前的环境压力。许多新植物科技的诞生并不特别令人沮丧。这些尖端技术为我们培育新品种以应对上述困难提供了理论和方法。
本文将阐述粮食需求现状、自然环境压力、植物科学研究进展以及如何利用新技术解决粮食安全和可持续发展问题。
什么是粮食安全
粮食安全的概念应考虑两个方面:对粮食生产的需求和粮食生产的可持续发展。以下是对这两个问题的简要描述，以中国为例。
1.1粮食总需求
2012年世界人口超过72亿，预计到2050年将达到96亿，到2100年将进一步增加到109亿[2]。联合国粮食及农业组织(粮农组织)预计，与2007年相比，2050年世界粮食生产总需求将增长70%(发展中国家为100%)，以满足世界人口增长40%的需求。确保每个人每天获得3130千卡的能量，[3-5]。这就要求粮食产量每年保持1.2%的增长。这一增长的90%(发展中国家为80%)将来自增加产量、增加种植密度和增加耕地面积。
基于自1960年以来农作物人均热量和蛋白质与人均国内生产总值之间的关系，蒂尔曼等人[[6]预测，到2050年，农作物对热量的需求将是2005年的两倍，对蛋白质的需求甚至将增加110%。这种预测要求此后粮食年产量增加1.5% ~1.6%，高于过去10年大多数农产品的增长率，特别是主要粮食作物[3]。
对中国来说，其总人口预计将从2012年的13.86亿增长到2025年的14.49亿，并在2050年回落到13.85亿[2]。基于人口、城市化、收入增长和消费趋势四大因素，对中国未来农产品需求的预测表明，到2050年，人民粮食消费总值将比2009年增长104%，粮食需求将增长52%，即每年增长1%。
1.2生产的可持续性
本文将阐述我国面临的资源和环境问题。在过去的50年里，包括水稻、小麦和玉米这三种主要粮食作物在内的许多农产品的总产量都大大增加了。具体来说，从1961年到2000年，水稻产量增加了三倍，小麦和玉米增加了五倍[8]，这使我们创造了用世界8%~9%的可耕地养活世界20%~25%的人口的奇迹。
当然，这一成就的成本也是巨大的(图1)。近年来，中国每年消耗5500-6000万吨[化肥，超过世界化肥消耗量的三分之一(2009年为1.72亿吨)。杀虫剂的年消耗量也占世界总量的31%。例如，2005年，世界消费了460万吨，而中国消费了146万吨[。中国每667平方米耕地使用的化肥和农药数量比世界平均水平高出4倍。由此带来的不良后果是土地、大气、水和农产品本身的严重污染，并进一步危及人们的健康。
另一方面，尽管化肥和农药的过度使用，但过去几年主要粮食产品产量的增加已经达到瓶颈(图1)。原因是过量使用化肥不仅破坏环境，而且降低土壤质量。滥用农药不仅不能有效控制病虫害，还会增加病原菌和害虫的抗药性，从而导致病虫害的爆发越来越频繁。
展望未来，中国农产品的增长是严峻的。从资源和环境的角度来看，它主要包括以下三个限制条件。
首先是耕地面积。虽然世界可耕地预计将从2007年的15.48亿hm2略微增加到2050年的16.61亿hm2，但中国将相应地从1.3亿hm2减少到1.22亿hm2[5]，这意味着更多的粮食将在更少的土地上生产。
第二个制约因素在于投入的困难，包括化肥和农药的使用。据估计，2050年世界化肥使用总量将达到2.63亿吨[5]，而我们近年来的年消费量已达到2050年总量的23%，左右为6000万吨。加上环境恶化，我们没有更多的空间增加化肥的使用。农业药物的使用面临着同样的困境。
最后一点是，中国的人均淡水资源只有世界的1/4。干旱频繁发生在许多地区，对农业构成巨大威胁，自古以来就是如此，[。
因此，粮食生产的可持续发展已经成为满足未来需求的先决条件。
2解决粮食安全问题中育种目标的演变
2.1“第二次绿色革命”的定义
20世纪90年代末，中国科学家认识到提高农产品供给、节约资源和保护环境之间的矛盾，提出了“第二次绿色革命”的概念，作为科学研究和作物改良的指导和目标。其主题可以概括为:投入少，产出多，环境友好[12]。
2.2必须深刻改变主要作物育种策略，以实现产量潜力
育种在过去很长一段时间里一直追求粮食产量，使“耐肥抗倒伏”成为育种中最理想的性状。许多新品种是在高肥力、良好灌溉和精心管理的条件下进行试验的，这忽略了我国三分之二的耕地属于“中低产田”的基本情况，使试验的高产品种不适合在大多数土地上种植，无法实现预期的产量潜力。在很大程度上，这导致了过去几十年里农民的实际产量和期望之间的巨大差距。因此，我们需要改变育种策略，提高“中低产田”的实际产量。
2.3农业生产的可持续性应是现代育种目标的主要内容
为了实现粮食的可持续生产，育种策略需要大幅度改变，以节约资源和保护环境。重视农业生产的可持续发展意味着减少资源投入，包括大幅减少化肥、农药、灌溉用水、劳动力等资源。这就要求新培育的作物品种不仅具有良好的产量和品质，而且还具有各种生物抗逆性——包括对主要病虫害的抗性，以及对干旱、盐碱、极端温度等不利条件的非生物抗逆性。为了减少化肥的消耗，新栽培品种应能有效利用土壤中的养分，包括氮、磷、钾等。
2.4绿色超级稻案例
实现上述育种目标的一个例子是中国科学家提出的“绿色超级稻”概念，其目的是解决粮食需求和可持续发展问题。绿色超级稻是以“少农药、少化肥、节水抗旱、优质高产”为目标的水稻新品种。因此，绿色超级稻需要具备以下特征:对不同水稻产区主要病虫害的抗性，对土壤氮磷等营养元素的高效利用，以及对干旱等各种逆境的抗性。
显然，培育绿色超级稻在技术上比传统育种复杂得多。不仅如此，更大的挑战是培育绿色超级稻和其他绿色超级作物，还需要良好的舆论氛围和政府政策的支持和鼓励。我国政府已发誓到2020年建立一个“资源节约、环境友好”的农业体系。尽管我们在植物科学研究和绿色超级稻栽培的技术方面取得了很大进展，但迄今为止，我们在社会建设和公众意识方面取得的进展非常有限。
2.5育种目标的进一步扩大
随着科学技术知识的积累和人类社会的发展，人类社会对食物在人类中的作用的期望也将发生变化。因此，有必要改变包括主要谷物在内的作物的育种目标，以满足未来生产者和消费者的需求。
从消费者的角度来看，农产品不仅提供基本的能量，还需要提供更多的营养来保证健康。例如，国际项目收获逻辑的主要任务是通过增加作物中的铁、锌和维生素A的含量来满足消费者，特别是发展中国家消费者对营养元素的需求，[15]。其他植物营养素，如抗氧化剂[和抗性淀粉[也被认为对人体健康有益。因此，作物的科学研究和育种必须考虑增加这些有益于人类健康的植物营养素，这是“生物强化”的目标。
另一方面，减少劳动力投入，实现机械化生产，降低田间管理成本，已经成为包括中国在内的许多新兴经济体在城市化进程中需要面对的新问题。以水稻为例，上述要求要求水稻新品种要有利于直播、机械化移栽和收获。此外，还需要除草剂耐受性和种子成熟时含水量的降低，以实现降低田间管理和种子干燥所需成本的目标。所有这些，加上上述“少药、少肥、节水、抗旱”的绿色特性，可以大大降低生产成本，给农民带来巨大效益。
3.后基因组时代的作物育种
3.1基因组研究
今天的数据库包含大量基因组信息，如基因序列。人们已经可以获得高质量的水稻和玉米的参考基因组序列，许多其他作物的基因组序列草图正在逐步出版。在此基础上，大量菌株的重新测序为包括全基因组关联研究和等位基因发现在内的许多研究领域奠定了基础。
以发现基因组功能为目的的作物功能基因组研究也取得了很大进展。仍以水稻为例，水稻功能基因组计划开发了可用于高通量基因功能研究的技术和资源库:由T-脱氧核糖核酸和转座子插入、物理和化学诱变等技术构建的超大型突变体库、多个品种和组织的转录组测序数据、水稻两个主要亚种(籼稻和粳稻)的全长cDNA测序数据、具有丰富多样性种质资源的代谢组数据、包括野生稻和栽培稻在内的数千个品种的基因组测序数据。这些资源可以加速水稻基因克隆和功能鉴定的进程。在过去的几十年里，科学家已经克隆了数百个基因并阐明了它们的功能，这一速度在最近几年逐渐加快，[18-19]。
3.2基因组育种
基因组学研究的进展正在使基因组育种成为现实。基因组育种主要包括两个方面:全基因组设计和基因组工程。当然，这两项技术还需要很长时间才能进一步改进。
1)全基因组设计
张等人[18]描述了全基因组设计育种的框架，它主要包括4个不同的层次(这里稍加修改):①在给定的生态条件下，通过设计最大限度利用太阳能的种群结构可以达到的产量极限；(2)设计符合种群结构的理想植物类型；(3)不同育种目标所需的植物类型组成、优质、高效利用土壤营养、抗各种生物和非生物胁迫等性状；④这些性状基因和调控网络的形成。很明显，设计品种的能力取决于我们对基因和基因组调控网络的理解以及大量新技术的发展。
2)基因组计划。育种本身与工程有许多相似之处。根据目前的发展和理解，基因组工程主要包括以下具体技术:全基因组预测、全基因组选择、基因编辑和转基因。
①基因组预测。基因组预测的复杂性因育种目标而异。提高主要基因控制的抗病性等性状相对简单，即使没有复杂的预测方法，预测能力仍然很高。然而，对于产量和杂种优势等复杂性状，需要更复杂的预测方法，这不仅是提高选择效率所必需的，也是全基因组设计的关键。
近年来，通过基因组重测序获得的基因分型和用于确定各种表型的田间试验开发的预测模型取得了巨大进展，[20]。来自其他基因组学的数据，如转录组、蛋白组和代谢组，也可能对表型预测有用。多重基因组学与农艺性状之间关系的分析将促进作物系统生物学的发展，并进一步有助于预测和设计。②基因组选择。基因组选择是基于分子标记辅助选择的自然延伸。得益于高通量测序技术的发展，我们可以掌握更多的全基因组的基因多态性信息，最大限度地利用基因的遗传、功能和表型效应信息。基因组选择可以同时选择特定育种项目的目标(基因和表型)、非目标和全基因组背景。
基因组选择的准确性需要两项关键技术:全基因组水平的低成本基因分型和单一基因的特定选择系统。基于通过大规模重测序获得的多态性设计的芯片已被充分用于各种作物[21-22]的育种计划，并可用于精确鉴定后代个体基因组和重组位点中的数千个多态性核苷酸亲本来源。基因特异性选择系统包括两个部分:使用位于目标基因中的功能标记的阳性选择；反向选择是使用与目标基因紧密相连的双面标记进行的。这两种技术的结合可以成为一种强有力的选择工具，可以在没有连锁障碍的情况下将基因准确导入优良品种，从而构建近等基因系或所需的变异系。
这种策略可能特别适用于多系品种的培育，以获得持久的田间抗性。③基因编辑。近年来，各种基因编辑技术得到了迅速发展，包括ZFNs、TALENs和CRISPR/Cas9[23]。如今，已经实现了基因序列的修饰，尤其是功能缺失突变的产生。功能基因组学研究表明，作物的许多优良性状是由隐性基因控制的。这种基因修饰技术具有很大的应用前景。基因编辑技术的进一步发展将使序列修饰变得更加容易，并且可以容易地实现两种类型的修饰:功能缺失型和功能获取型。这将为作物育种开辟一个新的范式。④转基因技术。转基因作物的研发和大规模应用对作物育种、种子产业和作物生产产生了巨大影响。
在未来的育种中，转基因技术将至少在以下几个方面发挥不可替代的作用:(1)引入作物中不存在的性状，如将芽孢杆菌基因引入作物以提高抗虫性，带来了巨大的经济和环境效益；(2)对于由多种基因调节的途径，如维生素A，它也具有改善世界许多地方人们营养状况的巨大潜力；(3)通过单一转基因事件引入多个基因并同时改善多个性状，如smartstatx[24，可同时实现对昆虫和除草剂的广谱抗性。
3.3技术与种子产业的整合
建立先进技术平台和充分利用尖端技术的能力在很大程度上取决于种业的发展。虽然每一项技术都在一定程度上有助于育种，但只有将这些不同的技术与田间育种相结合，才能发挥其巨大的力量和作用。然而，这种整合需要在基础设施、设备和人力资源以及团队合作方面进行巨额投资，类似于大型种子公司，而不是小型车间。尽管像中国这样的发展中国家的作物科学研究取得了很大进展，但这些国家的种子产业仍然很薄弱。
在中国，政府通过鼓励种子公司大力发展科学研究能力和培育自己的育种计划来加强种子产业，并支持利用最新的基因组学研究成果和生物技术来加强育种。显然，这种发展模式与工业规模相差甚远，对农业生产产生了重大影响。
4展望
随着人口的增加，人民生活水平的提高，资源和环境的压力越来越大，育种目标应该改变，以满足人们对能源、营养甚至环境可持续发展的需求。作物育种需要充分考虑包括个体农民在内的小生产者的利益，通过改变田间管理方式，减少劳动力，减少资源投入，实现机械化，从而大大提高作物生产效率。随着植物科学研究和基因组技术的发展，作物育种将更多地建立在广阔而坚实的前沿科学基础上。
同时，科学技术的发展使人们能够更有效地利用各种种种质资源，包括尚未开发的远缘物种。情报学、生物信息学和系统生物学也将在未来作物育种中发挥重要作用。此外，育种活动的全球化和商业化已经不可逆转，并将继续成为推动种业和育种技术发展的引擎。
参考
[1]胡舒希.格林革命:前进的道路[.Nat RevGenet，2001，2:815-822。
[2]联合国。《世界人口展望》，2012年回顾主要发现和高级表格，[。纽约:联合国，2013年。
[3]粮农组织。《世界农业:迈向2030/2050年——中期报告[报告》。罗马:罗马全球视角研究小组，联合国粮食及农业组织，罗马，2006年。