摘自（《海水西调与再造西北》（河北人民出版社2005年9月出版）

国家软科学研究计划指导性项目（编号：2003DGQ3B168）

西安交通大学学术专著出版基金资助

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海水西调发展海水灌溉农业与绿化北方沙漠

霍有光

西安交通大学生态环境与现代农业工程中心

 

    摘要：西调渤海水可以直接用来绿化我国北方纬向展布的沙漠带，改善沙漠生态环境，实现山川秀美工程。本文通过梳理当代利用海水与咸水方面取得的一些重大成果，说明西调渤海水，绿化北方沙漠具有科学性、可行性。

    关键词：渤海，耐盐生物，生物工程，绿化沙漠 ，引渤入疆，海水西调

 

    美国著名的未来学家阿尔温·托夫勒最近在其专著中指出：21世纪世界农业将迎来大变革的时代，全球范围内将出现第三次浪潮农业。在高科技的指导下，21世纪将崛起海水灌溉的陆上耐盐植物，这些农作物将为人类创造巨额财富。科学家预测，通过基因重组，适应海水灌溉的作物将达数千种，甚至有朝一日海水农业的生产规模会超过海洋渔业。可以想象，一旦海水农业形成气候，传统的以淡水灌溉支持的传统农业将发生巨变，农业生产将进入一个更为广阔的空间。

 

    1.海水灌溉农业与咸水灌溉农业

 

    “海水农业”就是直接用海水灌溉农作物，开发利用我国沿海岸带大片的盐碱地、沙漠、荒漠和滩涂，发展海洋农业是未来农业发展的一个重要的方向。“海水农业”的科学原理是利用生物细胞的全能性，使陆生植物“下海”，或曰使陆生植物重返海洋。人类可以通过多种途径获得耐海水植物，比如通过遗传改良，将耐海水和耐盐碱的野生植物改造成可以栽培的农作物品种，通过基因工程和细胞工程技术以及常规育种技术将不耐海水的植物培育成耐海水的植物等等。

 

    早在20世纪80年代，美国科学家采用基因工程技术和微电子技术，把仙人掌基因转移到小麦、大豆等农作物中，育成了可在干旱缺水地区生长的高产谷物新品种。90年代中期，他们又将海草基因注入高粱获得成功，奠定了“海水农业”这一新学科。目前沙特阿拉伯和墨西哥等国已成为发展“海水农业”的大国，如墨西哥培植的“海芦笋”完全用海水灌溉，生长过程中无需使用农药和化肥，产品除含有维生素A、C和铁、钙、钠、糖、蛋白质等营养成份外，还含有能降低胆固醇、防止皮肤起皱衰老的亚麻酸，已出口至数十个国家。实践证明，将初级海洋生物的基因与陆生农作物的基因重组，将培育出大量可在沙漠和盐碱地生长并用海水灌溉的新型农作物，使农业进入一个全新的发展领域。

 

    据美国《科学》杂志在线新闻报道，通过基因工程，科学家新近研制出一种西红柿具有超级去盐（salt－pumping）基因。加州大学戴维斯分校的植物生物学家Blumwald和加拿大多伦多大学的Hong－Xia Zhang将拟南芥（Arabidopsis）植物中的“去钠蛋白质”引入到西红柿植物中，实验结果表明，普通西红柿品种在含盐量达到海水浓度一半的溶液中栽培时就会凋亡，但具有去钠蛋白质的西红柿在这样的溶液中却可健康地生长并结出西红柿。这种引入的蛋白质起了明显的作用：转基因植物叶子中的液泡泵出钠的速度比普通植物快7倍，而且只累积其中5%的盐分。这种西红柿的味道也不错，与普通西红柿相比，它们具有相同的糖分和更少的盐分。

 

    前苏联中亚地区已成功地开发出直接用咸水灌溉的技术。阿塞拜疆水利技术与土壤研究所，在濒临里海干旱的阿普伦半岛进行了多种作物的盐水直灌试验。利用海水直灌蔬菜、西红柿，粮食作物高粱青饲料，观赏灌木柽柳与石榴及爱尔大松、齐墩果树、皂荚树和其它许多树木及灌木，经过别赫布托夫5年的长期试验，已做出“利用海水直灌完全可以代替淡水灌溉多种植物”的结论。证实其中抗盐性最高的是爱尔大松、柽柳和石榴，它们完全适应海水浇灌并在沙地茁壮成长。如将海水掺合一半淡水，或将海水通过磁铁管道装置输送，其效果更佳：每公顷面积土地能收获23000公斤高粱青饲料。证明磁铁对脱盐有最佳效果，为海水脱盐创造了简易而有效的条件，盐水的磁化脱盐，不仅适用于一般盐水直灌；而且也适宜于盐渍地排盐洗碱。盐水直灌与磁化，现在已全面推广至中亚土库曼沙漠、乌兹别克与饥饿草原、伏尔加河流域及许多其它地区。

 

    山东社会科学院海洋经济研究所徐质斌先生（1999）介绍说：“美国已经培育出2种全海水小麦、29种半海水春小麦和耐三分之二海水的番茄。印度已经培育出耐80%海水的春小麦。沙特阿拉伯的拉斯扎乌尔以南2公顷种植场，使用SOS—10号种栽培海蓬子，收获油籽7吨，平均亩产116.7公斤。阿拉伯盐水技术公司首期试种了250公顷海蓬子获得成功，继而准备扩大到4500公顷，最终目标是在沿海种植20万公顷，年产12万吨植物油。”

 

    中央电视台报道（2000-12-21），中国科学家正在山东、江苏、广东、海南等省的沿海滩涂上试行海水灌溉农业，以帮助解决农业增产、农民增收和水资源短缺的世纪课题。“自九十年代以来，中国已经有近三十万公顷的荒碱地和沿海滩涂上种上海水灌溉作物。这在世界上居于领先地位。”专门研究海水灌溉的山东大学夏光敏教授预测，如果将荒碱地和沿海滩涂都种上农作物，那么我国可多增耕地4000万公顷，相当于中国现有耕地面积的1/3，可增产小麦、水稻和油料等作物1.5亿吨。他认为，如今利用海水灌溉，相当于每年节约淡水22.5亿立方米。若所有盐碱地和沿海滩涂都用上海水灌溉，则全国每年可节约淡水资源3000亿立方米。海水灌溉的方式是直接挖渠把咸海水引入，或把农作物直接种在含有大量地下咸水的土壤中，其成本是海水淡化的1/30。如今，相关的技术难题已基本解决。

 

    海南大学生物科学技术研究所林栖凤等先生（2002）认为：“土壤盐渍化是影响农业生产和生态环境的严重问题，耕地的减少和淡水资源的不足将迫使人类开发和利用大面积的盐碱地、海岸带和滩涂地带，植物耐盐的机理和耐盐植物的培育研究将成为研究的热点。”她指出，国内外近十年来在植物的耐盐性、植物中各种渗透调节剂及植物耐盐相关基因等方面的研究进展是：

 

    （1）植物适应高盐环境的对策。植物为了消除盐胁迫所造成的伤害，通常在细胞内主动积累一些小分子有机化合物和蛋白类保护剂来维持渗透平衡和体内水分，一般称之为渗透调节剂(Osmoprotectant)。小分子有机化合物有如下几类：①多元醇，如甘油、山梨醇、甘露醇、右旋肌醇甲醚等；②糖类，如蔗糖、海藻糖等；③氨基酸及其衍生物，如脯氨酸、甘氨酸甜菜碱(简称甜菜碱)等。其中右旋肌醇甲醚、海藻糖、甜菜碱是次生代谢产物。这些化合物之所以成为有效的渗透调节剂是因为它们易溶于水，且相对无毒，即使在细胞内的浓度很高，也不干扰细胞的代谢过程和蛋白质的结构与功能以及其它许多生物高分子物质的活性。例如已知右旋肌醇甲醚对于红树是合适的溶质，甜菜碱对于多种耐盐性植物及菠菜、甜菜、大麦、小麦、玉米等是合适的溶质。渗透调节剂的积累在一定范围内可以维持盐胁下细胞的正常膨压和细胞的正常代谢功能。目前对于脯氨酸和甘氨酸甜菜碱的研究比较深入。

 

    (2)耐盐相关基因及其应用。S0SI是一个研究得较深入的基因，被认为是植物耐盐性的一个必需基因，位于第二条染色体上。Wu等人在含NaCl（氯化钠）的琼脂培养基上对拟南芥(Arabidopsis)的根部进行弯曲检测，发现了一些对盐超敏感的突变体，它们是在S0SI基因上由单一、隐性的突变造成的。拟南芥通常对低、中水准的NaCl（氯化钠）胁迫都很敏感，从中分离得到的超敏感突变体比野生型对盐的敏感性高20倍，而且这种超敏感性存在于拟南芥的任何发育阶段。因此，S0SI基因很可能对于普通植物的生长发育是非必需的。而今已相继克隆了一些与渗透调节物质如甘氨酸甜菜碱、脯氨酸、果聚糖、糖醇等生物合成相关的基因及其它相关基因如S0SI、Lea等，这些基因的转化，不同程度地提高了转基因植物的耐盐能力。

 

    陈受宜的课题组将山菠菜(Atriplex Hortensis)甜菜碱醛脱氢酶(BADH)基因转化草莓、烟草，得到的转化株能分别在0.4%～0.7% NaCl和2% NaCl培养基上生长，获得的转基因水稻可以在0.5% NaCl盐田中生长结实。他们还将果聚糖蔗糖转移酶基因转化烟草，得到了能在1% NaCl培养基上生根的植株。梁峥等先生通过转入BADH基因获得的烟草在300mm/L NaCl的Hoagland营养液中能够生长。刘俊君、刘岩等先生克隆了大肠杆菌糖醇代谢关键酶-1-磷酸甘露醇脱氢酶(mtl D)基因和6-磷酸山梨醇脱氢酶(gut D)基因，转入烟草和玉米，分别获得在1.75% NaCl培养基中有一定耐盐能力的转基因植株。Ray Wu等获得的转基因水稻提高了p5cs mRAN和脯氨酸的水平，秧苗对100～150mm/L NaCl有一定抗盐性。

 

（3）目前普遍认为植物的耐盐性是多种抗盐生理性状的综合表现，由位于不同染色体上的多个基因控制，因此，培育转基因植物可能需要同时转移多个基因。红树林是热带、亚热带海岸河口地区潮间带木本植物群落，是世界上生产力较高的自然群落植物之一。红树林生长于海岸潮间带的盐渍海滩，其重要的生境特征就是高盐分。盐度的大小对红树植物的生长、水分代谢、光合、呼吸，对离子的吸收和某些酶系活动以及超微结构都有明显影响，生长在该环境下的植株在长期进化过程中也必然形成了一套独特的适应机制。根据红树植物对盐分的适应形式可将其分为两大植物类群：一类是泌盐型，如桐花树(Aegiceras Corniculatum)，其上下表皮都有盐腺，可排出体内多余的盐分；另一类是非泌盐型，如秋茄(Kandelia Candel)，其上下表皮没有盐腺，但上下表皮内都有一层贮水功能较强的下皮，秋茄已形成一套有效的根系保护机制。林栖凤、李冠一等先生利用花粉管通道技术，将海岸耐盐植物红树DNA导入辣椒、茄子、番茄等，获得的转化株后代已在海滩上试种，可以用含盐2.5%的海水浇灌，部分植株能开花、结果，已繁殖到第三代，而对照株几乎全部死亡。

 

    据悉，我国学者在实验田中利用体细胞杂交技术培育成功耐盐小麦，获得了能够在海水浸染过的盐土中生长的后代。这种小麦亩产达300至400公斤，作物口味与淡水浇灌的一样。中科院植物所用细胞克隆技术，培育出可用1/3～1/2海水浇灌的十余种蔬菜，包括西芹、蕃茄等。海南大学生物科学技术研究所林栖凤教授等人将野生海水植物红树、盐藻的总基因通过生物技术导入淡水作物茄子、蕃茄、辣椒、豇豆之中，进而又扩展到油菜、水稻、树木，获得了耐盐能力明显提高的后代。这些新品种从盆栽、小土栽培到海滩试种，再到海水直接浇灌，均获成功，已传到第四或第五代。

 

1996年，山东东营市建成我国第一家盐生植物园，占地3.5公顷，有525平方米的玻璃温室和900平方米的冬暖式大棚，收集、保存耐盐植物150多种，成功培育和引进耐盐经济作物80余种，成为科研、观赏、示范为一体的高新科技园区。

 

所有这些说明海水灌溉正在引起一场新的农业革命，海水灌溉农业离我们的现实生活已并不遥远。

 

    2.海水（咸水）同样可以用来发展“沙漠海水农业”

 

    地球上的生命原本来自海洋，但海水灌溉却长期被视为禁区。其实，沙漠人造海既可以发展海水养殖业，也可直接用来绿化沙漠，而人造海蒸发富集之后的盐水，则可通过次一级循环工程来发展盐化工业。随着海洋科学和生物工程技术的迅猛发展，令陆生植物“下海”或“海水”登陆浇灌，不仅能解决发展农林牧渔业的嗜盐物种问题，而且也将解除21世纪我国面临水资源与土地资源“两不足”问题所造成的沉重压力。

 

    中国地质科学院盐湖与热水资源研究发展中心郑绵平院士（1995，1999）指出：“盐湖系统的生物资源包括盐沼带和盐水域两个亚系统。盐沼带往往有多种盐生植物分布，如盐蒿、盐生藜科、田菁、红柳、紫穗槐、沙枣、沙柳、杞柳、沙拐柳、花棒以及沙棘、麻黄、沙冬青、甘草等，多为牛羊喜吃的饲料或可作燃料，有的还可作苗林(如后列3种)，故在盐沼带以盐生植物发展牧场是大有前景的，我国许多盐湖区的盐沼带往往就是重要牧场。有的盐生植物还有吸取大量盐碱、改良土质的效果。如盐蒿含丰富的粗脂肪、钾、钙等成分，不但是牲畜喜食饲料，还可聚集大量盐分。据测定，每0.66公顷生长1年的盐蒿，能吸取盐土中72公斤盐和64公斤粗碱。澳大利亚的一种Ataciplex盐生植物，亦有吸取土壤盐分特性，并已用其帮助印度改造盐碱地。据印度科学家反映，该植物是极好的饲料和廉价燃料，对于将沙漠中的含盐土壤改造为良田极有意义。阿拉伯联合酋长国用盐地上2种藜科遍生性的肉质盐生植物喂养山羊、绵羊，其结果：羊的体重比用一般干草饲养增长快，估计每公顷盐地的盐生植物的收获量可养20只羊。”

 

    我国的沙漠和沙漠化土地主要分布在西部及西北部的北纬37°～42°之间，现有沙漠戈壁116.2万平方公里，加上沙漠化土地33.4万平方公里，风沙化土地3.7万平方公里，共153.3万平方公里，占国土总面积的15.9%，已超过全国耕地的总和。沙漠化土地的分布概貌是：大兴安岭两侧的半干旱地带约占41%；干旱草原的荒漠草原地带约占32%，西部干旱荒漠地带约占27%。近年来，沙漠面积还以每年约2460平方公里的扩张速度在膨胀，每年有3400平方公里的土地沙化，约等于5个新加坡。

 

    沙漠与沙化土地惟一的弊病是缺水，但其他资源并不匮乏。据肖洪浪等先生（1999）归纳概括：一是我国后备土地资源的68%分布在干旱、半干旱地区，其中沙漠和沙地面积辽阔，类型繁多，涉及212个县(旗)。二是光热资源丰富，属光能资源高值区。全年日照时间一般在2500～3000小时，日照百分率高达70%～80%，植物光合潜力大，有利于开发优质特色品种，太阳能有着广泛的利用前景。三是沙漠地区风力资源较大，尤其西北地区风力资源丰富。四是物种资源丰富，有极端生境下的种质基因库，成为培育抗寒、抗旱、耐盐、耐沙等治沙植物的珍贵的遗传材料。沙漠地区野生经济动植物种类繁多，如野生维管束植物，内蒙古有2271种、宁夏有1839种、甘肃有2054种、新疆有3270种。这些植物种的生境特殊，尚无人工栽培的种类可以取代。饲用植物约1800种，占全国总数70%以上，尤其饲用价值很高的禾本科、豆科牧草成为许多草地类型的优势品种。食用植物有发菜、沙枣、沙木耳等数十种，有独特的营养成分。药用经济植物是沙生植物的重要类型，有甘草、麻黄、枸杞、锁阳、苁蓉、冬虫夏草等700多种，医疗用途广泛，许多种类每年大量出口，大部分种类尚无栽培品种可取代。野生动物种类有野骆驼、高鼻羚羊、雪豹、旱獭、白唇鹿、野驴、野马、盘羊、黑颈鹤、天鹅、中华秋沙鸭等数十种国家级保护动物。

 

    用相当于海水矿物质浓度的大陆咸水进行绿化，我国已有成功的范例。塔里木沙漠石油公路全长522公里，其中446公里在被称作“死亡之海”的塔克拉玛干沙漠中穿行，是世界上第一条修筑在流动性沙漠上的长距离等级公路，沿线沙丘高大，流动性强，自然条件恶劣，风沙危害十分严重，要保证沙漠公路的畅通必须采取防沙措施。国家“八五”科技攻关项目《塔里木沙漠石油公路防沙治沙技术综合研究》，选择出忍耐盐渍化土和高矿化皮水的耐盐固沙植物，进行了对比筛选实验。实验区的自然环境是，地处塔里木盆地的中部，年均降水量仅10毫米，地面蒸发量为3500毫米左右，含盐的地下水不断随土壤毛细管上升，易溶盐分在土体和土表中聚积，致使土壤中的盐分逐渐增多形成盐霜、盐结皮、盐结壳、盐积层，在沙漠边缘及腹地局部造成大面积的盐渍土。区内土壤盐清化程度极重，表层含盐量一般为50～200克/公斤，个别盐土的结壳层含盐量还高达500～800克/公斤，这样高的含盐量不仅国内罕见，世界也少有。虽然极端干旱，但地下水资源却十分丰富，地下潜水埋藏浅，沿线高大沙丘、沙垄的丘间地下水位深3～5米，个别地段只有1米左右。可是地下水水质特差，很难找到淡水资源。浅层地下水的矿化度一般在5～10克/升左右，所含盐分以氯化物和硫酸盐为主，金属离子主要有K、Na、Ca、Mg。中国科学院新疆生物土壤沙漠研究所徐新文等先生（1998）公布了科学实验的结果：

 

    （1）柽柳属植物的耐盐性：试验选用刚毛、乡枝、乡花、甘肃、甘蒙、长穗、山川七个品种。水培液用肖塘矿化度为25克/升的井水配制而成，共配制了10个梯度的水培液，矿化度分别为：0.5克/升，2克/升，3克/升，5克/升，7克/升，8.5克/升，10克/升，14克/升，20克/升，25克/升（注释：渤海海水的含盐量为23‰～31‰），每种柽柳插穗各选取200根并随机分成10组，每组20根，分别插入盛有不同含盐量的水培液玻璃器皿内，试验期50天，每日定时观察补水，记录每种柽柳在各个梯度水培液中生根发芽的日期、生根串、发芽率、根、芽生长量。

 

    试验所取得的资料表明：①七种柽柳在不同含盐量的水培液中均能生根和发芽，含盐量小于10克/升时开始发芽的时间基本相同，但当盐水含量超过10克/升时，七种柽柳根时间明显推迟，当含盐量大于14克/升时，发根发芽时间出现较大差异。②七种柽柳的不同含盐量的水培液中发芽率一般都高于生根率，芽的生长量均大于根的生长量。③发现参试的七种柽柳中，甘肃、长穗柽柳的耐盐性最强，在沙漠石油公路生物防沙过程中，只要提供含盐量小于25克/升的地下水可重点选用。其次是刚毛和甘蒙柽柳，多花、多枝柽柳的耐盐性相对较差。当水的矿化度不超过7克/升时七种柽柳均可选用。

 

    （2）不同耐盐物种的配水灌溉生长表现：选用的植物材料有乔木五种：胡杨、灰杨、小叶白腊、沙枣、白榆。灌木十种：柽柳属、沙拐枣。草木四种：白茎盐生草，红茎盐生草、驼绒藜、刺沙蓬。利用肖塘25克/升的高矿化度水配成3克/升、6克/升、9克/升、13克/升、25克/升灌溉各类植物。试验见到成活的却能生长发育，其平均生长量无明显差异。长期灌溉25克/升的井水对植物生长有无影响仍需进一步观察试验。

 

    （3）丘间盐渍地沟种植沙拐枣不灌溉成活率统计：试验区设置塔中路139～140公里处，在一个南北长近10公里、东西宽2～3公里的丘间平地上，该区地表有一层2厘米左右的盐结皮，含盐为47.2克/公斤，从0～100厘米土壤含盐量逐渐降低，0～30厘米含盐量14.63克/公斤，30～50厘米含盐量5.8克/公斤，50～100厘米含盐量3.23克/公斤。土壤表层有30厘米的干沙层，30～50～100厘米的土壤含水量分别为4.6%、9.83%、27.9%，地下水位2米左右，为了使沙拐枣栽植的根系分布在水分含量比较高的土层里，我们在丘间平地上开挖1米深的种植沟，3月份将沙拐枣苗栽植于沟内，到十月底沙拐枣成活率为50%，平均生长量为55.57厘米，最高达101.5厘米，平均冠幅50.93×51.14厘米。

 

    （4）低洼地扦插柽柳成活率与生长量：在塔中公路139～140公里路边的低洼地上，表层盐结皮含盐量为129.08克/公斤，盐结皮以下为湿沙，10～30～50厘米的土壤合水量分别为8.7%、18.2%、25.4%，地下水位1米，地下水含盐量20.42克/升。在低洼地上直接扦插甘肃、多花、长穗柽柳，栽植了头状沙拐枣。观察得到：甘肃柽柳的萌发率60%，成活率50%，当年枝条平均生长量32厘米；多花柽柳成活率58%，枝条生长量32.9厘米；长穗柽柳成活率、萌发率为20%，当年枝条平均生长量21.8厘米。头状沙拐枣萌发率为60%，但萌发后逐渐死亡。

 

    （5）固沙草方格内植绿试验：在沙漠公路零公里至2公里路段西侧的固沙芦苇草方格内，少量灌溉25克/升的高矿化度水，种植的沙拐枣、梭梭、白梭梭均正常生长，种植的盐生草、刺沙蓬长势良好。

 

    （6）结论：①尽管塔里木沙漠石油公路路线的自然环境条件十分恶劣，土壤盐渍化严重，浅层地下水含盐量高，若能就地开采地下水资源，栽植适宜的植物品种，生物防沙措施是完全可行的。②考虑耐盐植物品种间仍有强弱的差异，研究表明：在丘间低洼地上营建生物阻沙林时宜选用甘肃、长穗、刚毛柽柳。③在流动性强的高大沙丘上，植物材料可选用耐盐、耐旱、固沙能力强的梭梭、白梭、沙拐枣和盐生草、刺沙蓬。

 

    塔里木沙漠石油公路沿线地表厚达2厘米左右的盐结皮、表层含盐量一般为50～200克/公斤，是我国北方其它沙漠所不常见的。塔里木沙漠防沙治沙在高盐沙壤里，“灌溉25克/升的高矿化度水，种植的沙拐枣、梭梭、白梭梭均正常生长，种植的盐生草、刺沙蓬长势良好”，意味含盐量为23克/升～31克/升的渤海水，是可以直接用来沙漠绿化的。如果能够与沙漠中自产的含盐量较低的咸水（或淡水）混合使用，那么人工绿化沙漠效果会更好。

 

参考文献

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[6]霍有光.西调渤海水改造我国北方沙漠生态环境的设想.科技导报，1997，3，41～43.

[7]霍有光.关于西调渤海水改造北方沙漠的设想.中国科技论坛，1997，第3期.（中国人民大学书报资料中心：《中国地理》1997年第4期全文转载。）

[8]霍有光.渤海水西调工程续论.科技导报，1997，5，34～38.

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[11]竹守章，东水西调彻底改造沙漠[N].科技日报，2000-08-07.

[12]竹守章.呼唤东水西调改造北方沙漠[N].中国环境报，2001-01-05.

[13]竹守章.呼唤东水西调改造北方沙漠[N].中国矿业报，2001-01-20.

 

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