氣候變暖、玉米增產與轉基因技術應用的實現路徑

胡祎然， 張明楊

(1.南京農業大學人文與社會發展學院，江蘇南京 210095； 2.南京信息工程大學經濟管理學院，江蘇南京 210044)

食物安全影響一國長期經濟發展速度甚至政權的穩定。玉米作為中國第一大糧食作物，是重要的糧食作物和重要的飼料來源。保障中國玉米供給對保障中國食物安全具有重要的戰略意義。然而，近年來在人口增長、經濟發展、消費升級、城鎮化加快、資源短缺、農村勞動力非農就業的剛性增長趨勢、環境問題凸顯和氣候變暖的外部環境背景下，未來我國食物安全將面臨嚴峻的挑戰[1]。尤其是人們的食品消費結構不斷調整，從改革開放之初的“吃飽”轉變為“吃好”，并在向“吃精”轉變[2]，食品結構中粗糧比重不斷下降，肉類和乳品等產品比重不斷上升，這就需要大量的飼料，因此今后中國的“糧食安全”主要表現為“飼料安全”[3]。而飼料糧問題在某種意義上可以說是玉米問題[4]。雖然在2010年之前的較長一段時間里中國玉米生產能力穩定，并呈現波動上漲的趨勢，但是國內玉米需求激增，尤其是飼料行業和深加工行業對玉米的剛性需求強勁。長期以來，中國政府高度重視“口糧安全”，制定了一系列嚴格的政策保證口糧自給率在95%以上[3]。因此，國情決定了中國必須保障國內玉米最主要的生產和供給能力，并輔以有效利用國際市場和資源(實行關稅配額管理)。于是，挖掘玉米增產潛力成為當前亟須解決的問題。本試驗基于國內玉米需求激增的現實問題和保障國內玉米自給率的基本國情，探討氣候變暖對玉米產量、生產成本及倉儲風險的影響。在此基礎上結合當前玉米增產困境，研究轉基因技術應用于玉米生產的實現路徑，為探尋一種推動玉米產量內涵式增長的新動力提供科學依據。

1 中國玉米需求激增、產量增速緩慢

1.1 國內玉米需求激增，飼用玉米需求旺盛

據國家糧油信息中心統計，中國玉米總消費由1991—1992年的8 987.6萬t增加到2010—2011年的18 998.3萬t，年均增長率約為4.01%[5]。長期以來，中國基本形成了一個由食用消費、飼用消費、工業消費、種用、損失浪費和出口構成的較穩定的玉米消費結構(圖1)。其中，飼用消費增長與玉米年度總消費增長高度相關，這也使得國內玉米生產增長難以滿足國內市場對玉米的需求[6]。此外，2004—2005年之后玉米工業消費增長也促進了玉米年度總消費增長。而同期的食用消費、種用、損失浪費和出口變動卻較小。

未來較長一段時間里，中國玉米需求尤其是飼用需求和工業需求可能會繼續增加，主要源于3點原因：第一，人口膨脹，增速雖減緩，但總量增加。中國總人口雖然保持低速平穩增長，但人口總量仍在逐年增加。且中國人口結構中勞動力比率較高，14～65歲的人口比例從1982年的61.5%持續上升到2009年的73%。在未來的10～20年，這個比例還會保持在很高的水平，這就需要大量的糧食[3]。第二，人均可支配收入的增長促進食品消費結構的升級。經濟發展提升了城鄉居民的生活水平，尤其是那些早期處于低收入水平的居民，收入增加會明顯刺激他們對肉類的消費。第三，城鎮化加劇人們消費習慣的轉變。伴隨著中國工業化進程和城鎮化進程的加深，城鄉居民消費結構不斷升級，主要表現為從主糧消費到肉類消費，再到肉制品深加工消費。

1.2 國內玉米產量增速緩慢，增長潛力受限

過去20多年我國玉米產量穩步增加，由1991年的9 877萬t增長到2011年的19 278萬t，年均增長率約為3.4%。然而，當前中國玉米產量增速緩慢，主要受耕地稀缺和單產增速慢的雙重制約。第一，中國玉米種植面積增長受限。長期以來，中國玉米總產量與播種面積呈現明顯的正相關關系，變動趨勢較相近(圖2)。據《中國農村統計年鑒》統計數據顯示，近10年來我國玉米播種面積大幅增加，于2002年首次超過小麥成為中國第二大糧食作物并持續領跑，并于2007年再度超過水稻成為中國第一大糧食作物。雖然玉米播種面積的增加促進了玉米產量的增加，但在中國耕地面積稀缺的條件下，玉米播種面積的增加勢必會減少其他同季競爭性作物(如大豆、小麥、水稻等)的種植面積，進而影響其他糧食或油料作物的自給水平。第二，中國玉米單產增長受限。玉米單產水平的不斷提高是保證玉米持續增產的又一大關鍵因素。從20世紀90年代初，中國玉米單產呈現波動的趨勢，甚至到2000年玉米單產水平再次回歸1991年的水平。進入21世紀后，玉米單產增加幅度較穩定，由2001年的 4 698.6 kg/hm2增加到2011年的5 747.4 kg/hm2，年均增長率約為2.04%(圖2)。由此可見，過去近10年我國玉米播種面積的增加是玉米增產的主要推動力。劉忠等也指出，2003—2011年我國玉米增產貢獻中玉米播種面積貢獻率最大，高達69.5%，而單產貢獻率只有30.5%[7]。

2 氣候變暖對中國玉米生產的不利影響

2.1 氣候變暖影響玉米生長發育和產量

氣候變暖會縮短玉米的生育期，減少生長量，進而會抵消玉米全年生長期延長的效果。在溫室效應的影響下，溫度持續提升，高溫熱害的加劇限制了玉米的生長發育。對于目前的玉米品種，平均氣溫每升高1 ℃，玉米生育期平均縮短7 d[8]。

2.2 氣候變暖加重病蟲害的發生率

農作物蟲害的分布、生長發育、繁殖和越冬等生態學特征與溫度條件的關系密切。氣候變暖促使中國玉米蟲害蟲卵的越冬北界北移，大大提高了害蟲的成活率，加劇了蟲口數。此外，氣候變暖明顯提前了蟲害的發生期和遷入期，并延長了蟲害的危害期，最終加劇了玉米病蟲害的危害程度，增加玉米減產幅度。

全國普遍發生的病蟲害有玉米螟、玉米大斑病、玉米銹病等。玉米螟在中國從北向南每年可發生1～7次，該病蟲害使得中國春玉米產量每年的損失達7%～10%，嚴重的年份損失甚至高達20%～30%，而夏玉米產量也會因此損失 10%～15%。玉米大斑病是分布廣、危害重的一種病蟲害，發病嚴重的年份感病品種減產高達約50%。玉米銹病是中國玉米常見的一種真菌病害，華南、西南一帶是重害區。該病害發病后玉米產量損失5%～10%，品質下降1～2個等級[9]。

此外，桃蛀螟、玉米蚜蟲、玉米薊馬、玉米褐斑病、玉米莖腐等病蟲害有加重的趨勢。近年來，桃蛀螟主要重發在安徽、山東、陜西等省，也很有可能成為黃淮海地區玉米的主要害蟲。玉米蚜蟲危害呈現上升趨勢，主要發病于玉米抽雄散粉期，該病蟲蟲口密度大，導致玉米大量減產。玉米薊馬已成為夏玉米區(如河北、河南、山東等省)苗期的重要害蟲，該害蟲的成蟲和若蟲都具有較大的危害。玉米褐斑病近年來常發生于黃淮海夏玉米區，并呈現逐年加重的趨勢。玉米莖腐則伴隨著免耕耕作技術的廣泛使用，呈現加重的發病趨勢[8]。

當前中國防治玉米病蟲害的措施主要有農業防治(栽培措施和田間管理)、化學防治(噴灑農藥)和生物防治，這3種措施在防治玉米病蟲害方面起到了顯著的作用，但仍無法有效地降低病蟲害帶來的嚴重損失，且存在著諸多缺點，如農藥的大量使用嚴重污染自然環境，人工的大量耗費提升了玉米生產成本等。

2.3 氣候變暖加劇干旱局面，影響玉米單產

我國玉米主產區主要分布于干旱半干旱地區的北方。隨著溫度效應的加劇，氣溫不斷攀升，除個別地區降水量有所增加外，整個中國北方的干旱化問題日趨明顯。可見，高溫熱害會嚴重危害到玉米的種植、生產與產量。

2.4 氣候變暖增加玉米生產投入，進而增加生產成本并且嚴重破壞了自然環境

一方面，肥料對溫度的變化十分敏感。以氮肥為例，溫度每升高1 ℃，能被作物直接吸收的速效氮的釋放量就增加4%，且釋放期會縮短3.6 d。因此，為了保持原有的肥效，則須增加4%的施肥量。中國是世界上第一大農藥和化肥使用國。據農業部資料顯示，每年約有175萬t農藥使用于農牧林生產，其中僅有約35%作用于目標生物，其余全部進入環境。進入環境的農藥不僅能在土壤、水、大氣等環境介質之間擴散，還會通過食物鏈富集于不同生物體內，進而對整個生態系統的功能和結構產生巨大的危害。而過多施用的化肥超過了土壤的保持能力，隨著雨水流入江河湖中，形成農業面源污染，造成水體富營養化。此外，過量的肥料滲入淺層地下水中，增加了地下水中硝酸鹽的含量。另一方面，氣候變暖不僅會引發化肥使用量的增加，還會對農田灌溉提出更高的要求，顯著增加農田灌溉、水土保持和土壤改良的費用，最終提高了玉米的生產成本[10]。

2.5 氣候變暖增加傳統玉米儲藏期發霉風險

目前，河南農業科學院培育的鄭單958和美國先鋒杜邦公司引入的先玉335是近來年農業部大力推廣的主推品種，相比其他傳統品種，收獲籽粒含水量低。然而這2個品種的收獲籽粒含水量仍高達31.75%、29.53%[11]。高水分不僅降低了玉米籽粒的產量和品質，而且給玉米收獲、脫粒、儲藏、運輸及加工帶來諸多困難。如秋糧收購過程中的降水費用，不僅降低了農民玉米生產的經濟效益，而且燒烤過程中如果溫度不當，則會通過降低蛋白質活性而嚴重影響玉米品質。由于中國玉米收獲后缺乏自然干燥的條件，而氣候變暖增加了儲藏期間北方的陰雨天氣或南方的空氣溫度，因此玉米在儲藏過程中極易吸濕，促進霉菌活動，導致霉變及品質劣變。

3 挖掘中國玉米增產潛力，敢問路在何方？

國內玉米產量增加表現為外延式增長和內涵式增長2種方式。外延式增長是指粗放式的增產方式，即在生產技術水平較低的條件下，主要通過擴大玉米播種面積，增加化肥、農藥等生產要素的投入量來提高產量。很明顯，外延式增長已然不再適用于當前處于氣候變暖、土地資源稀缺、環境慘遭破壞、生產成本高昂的中國農業生產。內涵式增長是指集約型的增產方式，即主要依靠科技進步，實行良種良法配套、農藝農機融合，加強基礎設施和現代裝備建設，增加玉米單產，節約資源，降低生產成本，提高勞動生產率[1]。可見，未來乃至較長一段時間內，內涵式增長的玉米增產途徑將是挖掘中國玉米增產潛力的最佳選擇[12]。然而近年來由于氣候變暖、化肥等生產要素投入過量、生產成本居高不下，加上玉米主產區農村青壯年勞動力大量外流，致使內涵式增長方式對玉米增產的貢獻不斷減弱。因此，探索出一種推動內涵式增長方式充分發揮作用的新動力是當前亟待解決的難題。而美國、巴西、阿根廷、加拿大等農業生產大國或出口大國的大量實踐經驗表明，農業轉基因技術的應用已然成為這種新動力[13]。當前育種周期長的傳統玉米品種無法適應異常的氣候變化。相比而言，利用轉基因技術可以較快地培育出生育周期短、抗病蟲害、耐旱、收獲時籽粒含水量低的單一性狀或復合性狀玉米新品種，以有效應對氣候變化引發的玉米生長發育期縮短、病蟲害加重、干旱加劇、生產成本增加、儲藏期發霉風險增加等問題。這種生物技術的應用不僅有利于改善玉米籽粒的產量和品質，有利于避免因烘干造成不必要的損失，有利于減緩自然環境污染程度，還有利于提高農民生產和玉米利用的經濟效益[14]。

另外，利用轉基因技術培育出的轉植酸酶基因玉米，未來極有可能成為解決畜禽對飼用玉米中植酸磷難消化、對鐵鋅等礦物質元素吸收率低等問題的一個重要手段，并且有利于降低畜禽養殖的成本，有利于緩解環境中磷污染程度。玉米作為飼料原料在我國飼料行業中具有舉足輕重的作用。玉米中富含植酸磷，但由于植酸酶活性較低，因此未添加植酸酶的飼用玉米中的植酸磷的利用率較低。而且植酸是一種“抗營養因子”，會與鐵、鋅等元素結合，阻撓雞、豬對這些微量元素的吸收。此外，這些未被消化分解的植酸多數會原封不動地隨糞便排出，導致環境中的磷污染，水體富營養化，最終形成陸地水中的水華和海洋中的赤潮。當前解決的方法是通過添加外源磷(磷酸氫鈣或酶制劑)植酸酶提高畜禽對飼料的利用率。依照中國飼料工業標準要求，1 kg飼料含50%的玉米，須要添加500 U植酸酶添加劑，大大增加了畜禽的飼養成本。而傳統的育種方式對玉米品種的改良主要是增加蛋白質含量或改善蛋白質品質(增加色氨酸和賴氨酸含量)，又或是提高玉米含油量。但是，至今為止傳統育種方式幾乎不可能解決畜禽對玉米籽粒中植酸消化的問題。根本原因在于幾乎不可能找到一株能在未發芽種子中含有大量植酸酶，借以將植酸分解放出磷酸的突變的植株。當前，轉基因技術已經使得玉米籽粒中含有大量植酸酶的夢想成為現實。中國農業部2009年頒發安全證書的轉植酸酶基因玉米就是把1個外源的合成植酸酶的基因導入玉米基因組中，并讓該基因進行表達。

4 轉基因技術應用于玉米生產的實現路徑

在轉基因技術應用于玉米生產的實現路徑中，政府相關職能部門、科研機構與種子企業任重而道遠。政府職能部門須充分發揮職能，作好統籌規劃；科學布局；鼓勵創新，嚴格審查；科學評估，及時科普；標識管理，嚴格控制(圖3)。

4.1 統籌規劃，合理布局

第一，轉基因技術應用于玉米生產應該遵循“間接食用—食用”的推進步驟，即未來一段時間內，國內允許商業化種植的轉基因玉米只允許用于飼料加工、工業消費和出口，不得用于直接食用消費。第二，轉基因玉米種植應該堅持先試點后大面積推廣的模式，并遵循集中性原則。由于轉基因技術存在潛在的生態風險，如基因漂移可能污染非轉基因作物及其野生近緣種[15]，因此，轉基因玉米種植初始，首先應該對12個玉米主產省(區)(黑龍江、吉林、河北、河南、山東、內蒙古、遼寧、山西、陜西、甘肅、安徽、新疆)的地方政府態度、農民種植意愿、野生近緣種資源、同季近緣種作物、機械化程度、勞動力成本、交通運輸條件等因素進行綜合評價，選取1～2個玉米主產省(區)作為未來中國轉基因飼用玉米指定生產省份。其次，在指定的轉基因玉米種植省(區)，選擇2～3個試點，待技術成熟后再在全省范圍內進行大面積推廣。

4.2 鼓勵創新，嚴格審查

第一，通過設立轉基因玉米研發專項，積極鼓勵具有較強研發創新能力的團隊加入轉基因玉米研發的隊伍，并對其進行嚴格篩選。對于獲得資助的單位須要作出明確的、較高的要求，具體如下：首先，研發單位或團隊須要做好實地調研，摸清各區域玉米種植過程中出現的亟須解決的問題，進而有針對性地提取功能基因(抗蟲、抗病、抗除草劑、改善品質、提高產量、復合性狀等)，都在能夠有效地解決生產過程中出現的實際問題。其次，研發具有自主知識產權的轉基因新品種，這就要求研發團隊一方面須要對提取的有價值的功能基因及時申請專利保護，另一方面對研發出的新品種及時申請品種權保護，以防止產權遭到侵害。最后，須要將科研創新成果轉化和解決實際問題的效果作為課題結題的重要考核指標。如科研團隊可以嘗試通過與具有雄厚資金實力的企業合作，將科研創新成果及時轉化為實際生產力。

4.3 科學評估，及時科普

加強農業轉基因生物安全管理，保障人體健康和動植物、微生物安全，保護生態環境。對此，須要嚴格遵照《農業轉基因生物安全管理條例》中的研究與試驗、生產與加工、經營、進口與出口等規定。同時，及時做好轉基因技術研發與應用的科普宣傳工作。通過轉基因生物安全管理職能部門及時向公眾發布轉基因技術及應用的最新研究動態，邀請行業權威專家解讀當前國內外轉基因技術與轉基因食品爭議的實質。

4.4 標識管理，嚴格監管

當前我國施行的轉基因食品標識政策的藍本仍是基于2001年農業部制定的《農業轉基因生物安全管理條例》和2002年制定的《農業轉基因生物標識管理辦法》，文件規定了轉基因食品的標注方法及第一批實施標識管理的農業轉基因生物目錄。依照規定，列入“農業轉基因生物目錄”的農產品，必須標有明顯的“加工原料為轉基因生物”字樣。很明顯，上述條例和辦法已經不能滿足現階段消費者的需求。消費者除了憑借“加工原料是轉基因玉米”的簡略標識準確地辨識轉基因食品與傳統食品外，是否需要更高要求的標識內容？如在簡略標識的基礎上，明確標明轉基因成分(原料或加工原料)的品種名稱及培育機構、或轉錄基因功能(抗蟲、抗草、增產還是改善品質)，或者轉錄基因來源(來源于植物、動物還是微生物)。對此，相關職能部門須要基于現階段及未來消費者的需求，不斷完善轉基因食品標識管理政策。另外，嚴格監管轉基因玉米生產、加工市場，防止不法商販以轉基因玉米充當傳統玉米，或將轉基因玉米低水平混雜于傳統玉米中。如積極鼓勵選定的轉基因玉米生產省份建立轉基因玉米可追溯體系。如果查出某企業以轉基因玉米冒充傳統玉米的，則利用傳統和網絡媒體對該企業的行為進行曝光，并給予相應的經濟處罰和行為處罰。

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