作物育種理論研究上的“日心說”
——記山西省農業科學院研究員褚清河

劉巖松，金建強

作物育種理論研究上的“日心說”
——記山西省農業科學院研究員褚清河

劉巖松，金建強

早在18世紀中葉，德國植物學家科爾羅伊特就創立了科學的雜交方法。隨著遺傳學、進化論及有關基礎理論的發展，作物育種已逐漸發展成一門應用科學。作物育種通過人工選擇，選育成大量優良品種，極大地推動了世界農業的發展。同樣，我國在作物育種方面也作出舉世矚目的貢獻。我國的袁隆平院士利用發現的野敗材料，育成了水稻野敗型不育系，并實現了水稻的“三系”配套，顯著提高了我國水稻的產量水平；李振聲院士通過遠緣雜交培育了小偃麥系列品種，較好解決了條銹病的持久抗性問題，無疑是作物育種上的巨大成就。對此，即使是不了解育種科學產生發展的普通人，也必然深信作物育種學肯定有自己的科學理論，而專業育種工作者更會明確地說，作物育種經過一個世紀的發展，已發展為一門具有系統理論與科學方法的應用科學，其基本理論就是目標性狀株型育種理論，即組合育種就是將分屬于不同品種的、控制不同性狀的優良基因隨機結合后形成各種不同的基因組合，通過定向選育成集雙親優點于一起的新品種。

然而，有一位學者對此理論不以為然，認為株型育種理論只不過是育種目標思路和實現目標的經驗和主觀驗證的概括。該育種思路恰好與雜交優勢的本質和形成規律相反，如同歷史上特勒密的“地心日動說”，并沒有反映事物的客觀變化規律。從大學時代開始，他便關注與針對性的學習研究，歷經幾十年鉆研，最終提出了與傳統育種理論截然不同的作物營養遺傳特性育種理論，第一次闡明了玉米品種雜交優勢產生的原因和高產潛力形成原理。這顯然是特勒密的“地動日心說”和哥白尼的“日心地動說”在21世紀作物育種理論研究上的重演，表明新的理論同舊的理論體系之間出現了不可調和的矛盾，無疑是難以使專業研究者甚至普通人接受的一個事實。作為記者更想搞清該理論的來龍去脈，為此，我們專門采訪了山西省農科院研究員褚清河博士。

“怪才”與他的“怪論”

褚清河，1957年生，是我國恢復高考制度后培養出的第一代大學生，所學專業是土壤農化專業，但大學畢業后，他卻被分配到專業不對口的山西省農科院農業資源與經濟研究所工作。

參加工作后，褚清河并沒有安于本分從事與所里研究方向密切相關的自然資源調查、農業區劃以及農業經濟研究等工作，而是自立門戶進行“土壤作物系統量比線性極點一次性調控施肥技術”研究，而且矛頭直指作物追肥理論和經典施肥最小因子理論，這在當時引起了人們不小的議論，他的想法和最初關于追肥不增產的研究結果受到時任領導和一些專家的嚴肅批評，認為追肥是已有定論的傳統技術，立項進行這樣的研究是一個大學生缺乏基本知識的表現。這讓他在單位落下基礎知識不扎實，搞不了研究工作的名聲，甚至影響了他正常上職稱，但他并沒有就此止步。對此，單位有的人認為褚清河是個“怪人”，性格有點“倔”。而記者通過對褚清河的了解和接觸感知到，他并非是個別人所說的“怪人”，更確切地說，應是他導師所說的“怪才”。他也并非是性格“倔”，而“倔”所表現出的是他在科學研究上實事求是、堅持真理、不唯書、不唯上、不唯權的求新精神。正是這種不屈不撓的科學精神，讓他突破一道道難關，取得了意想不到的學術成就。他首次提出了作物播種前一次施肥理論：“施肥是一種調節手段，其作用是提高苗期土壤養分供應強度和調整氮磷鉀養分供應比例，以協調解決作物苗期土壤供肥能力不足和作物吸肥能力弱的矛盾，并非是滿足作物整個生育期對養分量的需求。作物吸肥是由前一階段吸肥水平決定后一階段吸肥水平的系統連續過程，作物播種前一次性施肥才能順應作物的主動吸肥規律，否則就會造成養分的被動吸收，致使產量降低。”之后，他又在小麥、水稻等作物上進行了研究，證明一次性施肥理論反映了作物的普遍吸肥規律，研究論文發表于《土壤通報》。

研究確立作物一次性施肥理論后，褚清河在山西省農科院和省科技廳領導的支持下，通過多次立項研究，終于證明施肥是作物內在營養遺傳特性的外在施肥表現形式，決定作物產量的，并非是土壤中相對含量最小的有效植物生長因素，而是取決于施什么肥料效果好，以及以什么比例施用和施多少比較合理的作物品種營養遺傳特性，從而提出了土壤施肥配比理論并發明了數字化施肥技術。

土壤施肥配比理論首先提出了平衡與不平衡土壤養分類型及最佳施肥比例的概念，平衡的含義是指作物苗期土壤氮磷或氮磷鉀養分供應比例的協調性，即作物對土壤氮磷或氮磷鉀各養分苗期供應強度的滿足程度相同，不平衡養分類型則是相對于平衡養分類型存在的一種土壤養分形式，并定義氮磷最佳施肥比例則是指作物最高產量施氮量時獲得氮磷最大聯效應一份氮與幾分磷配合施用的配比。闡明施肥比例的作用則是調整土壤供肥由不平衡供應轉化為平衡供應，或保持土壤原有供肥的均衡性，而施肥量的作用就是提高作物苗期的土壤養分供應強度，從而闡明了施肥的增產原理。此外，理論確立了氮磷在作物品種允許的任何土壤養分條件下均需施用，而鉀和微量元素只有在缺乏時才需與氮磷配合施用的施肥原則，這無疑是科學的概括總結。土壤施肥配比理論的提出是學科發展的重要標志，是世界科技發展史上的又一里程碑。但一些食古不化的人卻認為是“砍老祖宗李比希這棵大樹”。

追根問底，探索原理

對于自然界的事物，人們不可能通過主觀想象推理出其客觀運動規律，即使是圣人也不能做到先知先覺，否則科學觀測和試驗就顯得多余和沒有必要。然而，個別科學工作者甚至僅僅在大學里學習過專業知識的人，便自認為自己的專業知識已足以判斷一個理論正確與否，自認為自己的專業知識和在社會活動中表現出的才干足以想象出事物的運動規律。在科學研究部門中通常有這樣一些人，當別人的研究思路和他們的相反以及試驗結果超越他們的想象時，他們常常會說研究者是離經叛道的怪人，褚清河在工作中曾遇到這樣的人。

褚清河上大學時所學專業是土壤農化專業，循規蹈矩研究土壤施肥自然是他的本行，然而，2014年他卻申請了土壤育種課題，在別人看來這是十分離譜的事情，有的業內專家則認為“老褚硬是鉆牛角尖了”。在山西，鉆牛角尖的人實際就是精神不正常，想法奇離古怪的人。但記者的看法和他的博士生導師一樣，褚清河是科學研究上難得的一個怪才，“鉆牛角尖”確切表現出了他在土壤施肥研究上追根問底的科學精神。

1883年，美國科學家羅蘭在美國《科學》雜志上撰文，“我時常被問及，科學與應用科學究竟何者對世界更重要。為了應用科學，科學本身必須存在，如停止科學的進步，只留意其應用，我們很快就會退化成中國人那樣，多少代人以來他們都沒有什么進步，因為他們只滿足于應用，卻從未追問過原理，這些原理就構成了純科學。中國人知道火藥應用已經若干世紀，如果正確探索其原理，就會在獲得眾多應用的同時發展出化學，甚至物理學。因為沒有尋根問底，中國人已遠遠落后于世界的進步。我們現在只將這個所有民族中最古老、人口最多的民族當成野蠻人。當其他國家在競賽中領先時，我們國家（美國）能滿足于袖手旁觀嗎？難道我們總是匍匐在塵土中去撿富人餐桌上掉下的面包屑，并因為有更多的面包屑而認為自己比他人更富裕嗎？不要忘記，面包是所有面包屑的來源”。李約瑟也提出同樣的看法，中國古代科學技術遠遠發達于西方，但近代科學并沒有在中國產生。到了今天，我國學者仍然不重視科學理論的研究，褚清河卻要讓李約瑟之問不攻自破。

褚清河博士由研究土壤施肥理論技術轉向作物育種研究，并非心血來潮的奇思怪想，也非是科學思維不靠譜，而是超常思維下學科問題的延伸探索。

早在2004年，褚清河在數字化施肥技術推廣應用中發現，相同玉米品種在不同施肥條件下，產量排序發生截然不同的情況。在常規施肥下，玉米遼127品種產量排序位于第1位，產量較對照農大108增產6.4%，而隆迪205和620500則分別位于第11位和第9位，分別較對照農大108減產7.9%和6.2%；而在數字化施肥條件下，玉米品種620500和隆迪205產量排序分別位于第1位和第2位，分別較對照農大108增產35.8%和30.6%，而遼127僅增產17.2%。相同玉米品種不同施肥條件下產量排序完全不同，表明土壤氮磷單施和配施并非是由土壤養分最小因子決定的，而應是玉米品種的營養遺傳特性。他意識到施肥學中的作物最高產量施肥量即最大施肥量，也應該是作物品種的營養遺傳特性，土壤施肥應是作物內在營養遺傳特性的外在施肥表現形式。如此，土壤應該存在一個由肥力水平和養分共同決定的土壤最大施肥量，而作物品種也存在一個由營養遺傳特性決定的最大施肥量，否則同一作物品種在不同肥力土壤上就不會表現出明顯的產量差異。褚清河甚至提出作物品種的產量潛力水平就是由土壤養分利用效率和耐肥性即最大施肥量決定的科學假說。為了證明這一假說，2005—2011年，他在山西省農科院玉米所農場進行了平衡與不平衡施肥下的玉米制種和相應施肥環境下的品比試驗研究初試。通過試驗得出結論，作物品種性狀是包括品種外在與內在的一切形態特征和特性。作物品種的耐肥性和利用效率是決定其產量潛力水平的內在性狀，它是育種材料適應一定施肥水平和平衡與不平衡施肥環境自然選擇的結果。通常品種的耐肥性越好，養分利用效率越高，其產量潛力水平也就越高。作物品種選育實際就是以耐肥性和養分利用效率為核心的各種性狀的重新組合過程，即性狀所代表基因的重新組合與表達。作物品種的耐肥性和利用效率表現在施肥上就是最大施肥量和平衡與不平衡施肥特性，而平衡與不平衡施肥也就成為相應顯性基因和隱性基因轉化表達的重要條件。

不同品種植株性狀的組合可實現不同或相同的產量水平。一定產量潛力水平的作物品種雖然有相應的植株性狀，二者存在必然的聯系，但植株性狀是從屬于產量潛力水平的要素，并非是主導產量潛力水平的主導因子，它們與產量潛力水平并不具有一一對應的函數關系，而施肥量和氮磷施肥比例與作物產量水平存在顯著線性相關關系，初步試驗證明假說成立。

證明假說成立僅僅是探索自然規律的良好開端，要把已發現的科學現象變化規律上升成為理論，不僅需要有嚴密而科學的試驗方法，而且試驗及其結果要有嚴密的邏輯性，且結論具有普遍規律。因此，褚清河覺得，既然最大施肥量和氮磷單施與配施是作物品種的營養遺傳特性，那么，我國現行推廣作物品種必然在這2個營養遺傳特性上存在顯著差異，在獲得山西省科技廳批準立項后，他在山西省不同生態區的垣曲縣、太谷縣和汾陽市不同年份進行了7個玉米品種和13個玉米品種氮磷單施與配施3次重復的田間試驗及7個玉米品種氮磷最佳施肥比例下的3個施肥量水平的最大施肥量試驗。試驗結果，聯創808、金滿囤、農華101、洛單248、先玉335、中科11、潞玉39玉米品種的最高產量施肥量各不相同，且差異較大；此外，登海605為具有氮磷配合施用營養遺傳特性的品種，玉米氮磷配施產量分別較氮磷單施增產19.8%和17.5%；而京科665、金滿囤玉米品種為具有單施磷營養遺傳特性的品種，單施磷的玉米產量分別為14 696.0，11 616 kg/hm2，京科665分別較單施氮和氮磷配施增產26.8%和39.2%；金滿囤分別增產31.3%和34.7%。假說的進一步證實，讓褚清河更加確信玉米高產品種一定是父母本具有相同營養遺傳特性基因且一方具有較強耐肥性基因在雜交過程中重新組合的結果，為此他進行了育種試驗驗證。

奇思與妙論

自然界事物的變化錯綜復雜，千變萬化，以致人們難以想象甚至難以通過幾次試驗就揭開它神秘的面紗。但自然界物質的運動又表現為規律性和相互聯系，我們可以通過物質的運動軌跡去探索其規律，通過物質的相互作用探索它們之間的關系。這就像盡管宇宙浩瀚無垠，神秘莫測，但人們還是可以通過測量太陽和地球的相互作用及千百次觀測不同季節它們之間的相對位置的變化探明地球繞太陽運動規律這一科學事實。褚清河從研究土壤肥力、土壤養分類型與施肥量和施肥比例的關系開始，一直追尋到研究作物品種營養遺傳特性與施肥量和氮磷單施和配施的關聯性，找到了事物運動的軌跡。尋著軌跡走下去，必然揭開玉米雜交培育高產品種的奧妙。

現代玉米雜交育種主要有品種間雜交和自交系間雜交等方法。利用2個品種雜交產生的雜交種為品種間雜交種，而利用自交系進行雜交所產生的雜交種為自交系間雜交種。培育自交系的方法是從品種或雜交種群體中分離選擇優良單株進行自交，再從第一代中選擇較好的植株繼續自交，直到最后每一自交穗后代即成為性狀相對穩定一致的自交系。

褚清河分析了品種間雜交和自交系雜交培育新品種的過程和方法后認為，品種雜交優勢的形成期是在雜交制種時，而雜交形成的新品種之所以高產是因為父母本各自含有一半或部分決定高產特性的基因，這些基因應該是能決定作物品種產量潛力水平的單施氮基因、單施磷基因、氮磷配施基因及耐肥性基因。它們在自交系培育中得到分離純化，在雜交過程中使父母本耐肥性不同的相同基因重新組合存在于新品種中，使得新品種具備了高產特性。然而現代育種學認為，提高產量的重要途徑就是株型育種，而株型主要指矮稈、直立、抗倒伏、耐密植等。株型育種就是要用適當的手段將分布在不同品種中的目標性狀重組在一個植株中形成期望的復合性狀，整體地提高作物生產力使其產值漸近于期望值，褚清河認為株型育種理論完全違背遺傳學原理，認識如同16世紀前的“地心說”，不符合事物的客觀運動規律。

他說，孟德爾遺傳理論認為，每一個性狀都由一對因子所決定，其中一個來自父方，一個來自母方。據此可以認為，作物品種的高產特性必然有相對應的性狀，它們就是左右產量高低的耐肥性和養分利用效率，自然每個特性都由一對基因組成，使得品種高產特性得以遺傳。而株型育種培育具有優良植株性狀的自交系雜交選育新品種，遺傳給子代的仍然是植株性狀，而株型性狀并不能決定產量高低，已有研究證明二者不具有顯著相關關系。事實上，株型育種理論并非實證理論，而還停留于主觀推斷，沒有形成概念、原理和科學系統的解釋。褚清河卻用哲學思想和科學的試驗方法證明了作物品種的高產性狀及其產量潛力水平的形成原理。

2015年，褚清河在山西晉中市榆次區東陽鎮山西省農科院試驗基地選用N1，P1（強盛2號）；N2，P2（品玉188）；N3，P3（品玉208）；N4，P4（鑫源596）；N5，P5（強盛1號）；N6，P6（強盛3號）；N7，P7（品玉202）7個玉米品種的父本自交系和母本自交系，在用數字化施肥技術計算的土壤最大施氮量、最大施磷量及氮磷配施3種施肥環境下進行了雜交制種，2016年，對雜交制種品種在相應3種施肥環境下在汾陽市農業局農場進行了品種比較試驗，試驗發現，參試品種具有2種營養遺傳特性類型。一類是氮磷配合營養遺傳特性品種，這類品種的父母本本身均含有氮磷配施和單施氮營養遺傳特性基因，氮磷配合施用特性是在氮磷以最佳比例配合施用條件下雜交形成的。如鑫源596氮磷配合施用品種，父母本氮磷配施制種的玉米品種以氮磷配合施用種植的產量最高，產量分別較氮磷單施提高9.4%和11.2%，較相同父母本在單氮條件下制種品種氮磷配合種植的高39.5%，但父母本在單施磷條件下制種的品種，玉米產量以單施氮種植最高，而相同父母本在單施氮條件下雜交的玉米品種也明顯表現為單施氮特性，產量較氮磷配合施用種植提高18.2%；另一類則是具有單施氮營養遺傳特性的品種。此類品種父母本同時含有單施氮和氮磷配合施用的遺傳基因，但父母本單施氮的耐肥性高于氮磷配合施用，因此父母本雜交制種的品種突出表現為單施氮特性。但這類品種的單施氮特性是在單施磷環境條件下制種形成的，多數品種表現出交叉遺傳現象，很可能是單施磷提高了單施氮基因的表達和利用效率。如強盛2號玉米品種的產量以單施磷雜交制種品種在單施氮條件下種植的產量最高，玉米產量明顯高于單施氮與氮磷配合施用雜交制種和種植的產量水平，玉米產量較氮磷配施制種和種植的增產17%。但父母本氮磷配合施用制種品種也表現出氮磷配施種植的營養遺傳特性。

通過試驗研究，褚清河得出與傳統育種遺傳認識截然相反的作物育種“日心說”理論：“作物育種是一個性狀基因純化分離、選擇和重組的過程，耐肥性和養分利用效率是作物高產品種的基本性狀，這些性狀是由決定品種最大施肥量和氮磷單施和配施營養遺傳特性基因決定的，它們是父母本固有的。通常父母本可同時攜帶多種基因，可以是相同的，也可以是不同的，但父母本只有含有相同的基因且一方基因具有較強的耐肥性，才能實現雜交重組形成高產新品種。雜交時的施肥環境決定或左右品種氮磷單施與配施的營養遺傳特性，施肥條件是隱性基因和顯性基因轉化的必要條件。通常氮磷配合施用特性品種是在氮磷配合施用條件下形成的，而氮磷單施品種則是在與其特性相反的施肥環境下在雜交過程中形成的。”理論具有極大的科學價值和應用價值。

價值與信念

人類從食物采集者到生產者經歷了漫長的過程，直到新石器時代的農業革命，食物采集者向農業生產者的轉變成為人類文明的起點。但是，農業革命使人類文明前進一大步后，就再沒有作出進一步的貢獻。從原始農業品種馴化走向雜交種的選育應用以及有機肥的施用轉向化肥的施用，雖然無疑是世界農業技術的巨大進步，閃耀著人類文明進步的火花，但所有這些進步并沒有使世界農業發生重大變革，因為人類至今并沒有徹底擺脫古代農業生產中的直接經驗性，以至于目前在世界很多地方農業技術不再具有增產作用，世界上還有近8億人沒有擺脫饑餓和貧窮。我國古代是一個農業十分發達的國家，可是我國的吃飯問題直到上世紀改革開放后才得到解決。由于缺乏土壤施肥和作物育種理論技術研究上的重大突破，實際上中國的吃飯問題并