在加州萨克拉门托山谷正午的夏日阳光下，稻农彼得·瑞斯特罗姆 (Peter Rystrom) 走过一片尘土飞扬、贫瘠的土地，每一步都踩着干涸的土壤嘎吱作响。
通常情况下，他会在郁郁葱葱的绿色稻田中穿过几英寸深的水。但如今，在一场席卷美国西部大部分地区的毁灭性干旱期间，土壤裸露在 35 摄氏度（95 华氏度）的高温下。干旱从 2020 年初开始，天气逐渐干燥。
水库和河流的低水位迫使像里斯特罗姆这样的农民减少用水量，他的家族四代人都在这片土地上种植水稻。
里斯特罗姆停下来环顾四周。“我们不得不削减 25% 到 50%。”他相对幸运。他说，在萨克拉门托山谷的一些地区，根据水权的不同，农民本季节没有获得水。
加利福尼亚州是美国第二大稻米生产地，仅次于阿肯色州，加州 95% 以上的稻米产自萨克拉门托约 160 公里范围内。城市东部矗立着内华达山脉的山峰，在西班牙语中意为“雪山”。下方山谷的水稻种植者指望这片山脉每年冬天都能名副其实。春季，融化的积雪流入河流和水库，然后通过错综复杂的运河和排水网络到达稻田，农民在四月或五月到九月或十月期间用浅水灌溉稻田。
如果这些山上降雪太少，像里斯特罗姆这样的农民就被迫放弃耕种土地。根据加州水资源部的数据，今年 4 月 1 日，也就是加州积雪通常达到最深的那一天，加州的积水量比平均水平少了约 40%。8 月 4 日，为 Rystrom 和其他当地稻农提供灌溉用水的奥罗维尔湖水位达到有记录以来的最低水平。
不久前，相反的情况——太多的降雨——阻止了里斯特罗姆和其他人的播种。“2017 年和 2019 年，我们因洪水而放弃了土地。我们无法种植，”他说。拖拉机无法穿过泥泞、富含粘土的土壤来准备播种。
研究人员 2018 年在《2018 年气候变化报告》中报告称，气候变化预计将加剧该州降水量的极端波动。自然气候变化。这种“气候冲击”笼罩着 Rystrom 和金州其他 2,500 家左右的稻米生产商。“他们谈论的是积雪越来越少，降雨越来越集中，”里斯罗姆说。“这确实令人担忧。”
中国、印度、孟加拉国、印度尼西亚、越南这些最大的稻米种植国以及非洲最大的稻米生产国尼日利亚的农民也担心气候变化会对稻米生产造成损害。超过 35 亿人从蓬松的谷物中获取了 20% 或更多的卡路里。亚洲、拉丁美洲，尤其是非洲的需求正在增加。
为了节省甚至提高产量，水稻种植者、工程师和研究人员已转向节水灌溉程序和水稻基因库，这些基因库存储了数十万个品种，准备分发或培育成新的气候适应型。随着气候变化加速，研究人员对砷污染和细菌性疾病等相关威胁发出警报，对创新的需求不断增长。
加州大学戴维斯分校的植物遗传学家帕梅拉·罗纳德说：“如果我们失去了水稻作物，我们就没有饭吃。”罗纳德说，气候变化已经威胁到世界各地的水稻种植区，他在水稻中发现了有助于植物抵御疾病和洪水的基因。“这不是未来的问题。这种事现在正在发生。”
最大的稻米生产国在亚洲
全球最大的稻米生产国是中国，产量为 2.14 亿吨。接下来是印度、孟加拉国、印度尼西亚和越南。在非洲，尼日利亚（680 万）是最大的生产国。根据联合国粮食及农业组织 2018 年的数据，巴西（1180 万）和美国（1020 万）也是最大的生产国。
2018 年全球稻米产量
咸水问题
大多数水稻种植在田地或稻田中，通常充满约 10 厘米的水。这种持续的浅水淹没有助于消灭杂草和害虫。但如果水位突然过高，例如在山洪爆发期间，水稻就会死亡。
对于许多稻农来说，在用水过多和过少之间取得适当的平衡可能是一项艰巨的任务，特别是在亚洲，世界上 90% 以上的稻米都产自那里。南亚和东南亚的大型河流三角洲，例如越南的湄公河三角洲，拥有平坦肥沃的土地，非常适合种植水稻。但这些低洼地区对水循环的波动很敏感。由于三角洲位于海岸，干旱带来了另一个威胁：盐。
盐的影响在湄公河三角洲尤为明显。当河流水位较低时，来自南海的咸水逆流侵入三角洲，渗入三角洲稻田的土壤和灌溉渠。
国际水稻研究所 (IRRI) 的气候变化专家比约恩·桑德 (Bjoern Sander) 表示：“如果用太咸的水灌溉水稻，尤其是在某些 [生长] 阶段，那么你将面临 100% 作物损失的风险。”谁住在越南。
在 2015 年和 2016 年的干旱中，咸水达到内陆 90 公里，摧毁了 40.5 万公顷稻田。2019 年和 2020 年，干旱和海水入侵卷土重来，造成 5.8 万公顷水稻受损。根据亚洲及太平洋经济社会委员会 2020 年的一份报告，随着区域气温上升，东南亚的这些情况预计将加剧并变得更加普遍。
然后是猛烈的打击：每年四月到十月左右，夏季季风会打开南亚和东南亚大片地区的水龙头。南亚约 80% 的降雨都在这个季节倾倒，可能会引发破坏性的山洪。
孟加拉国是该地区最容易发生洪水的稻米生产国之一，因为它位于恒河、雅鲁藏布江和梅格纳河的河口。据孟加拉国农业部称，2020 年 6 月，季风降雨淹没了该国约 37% 的地区，损坏了约 83,000 公顷的稻田。未来并没有什么缓解的余地。研究人员 6 月 4 日报告称，随着气候变化，南亚季风降雨预计将加剧 科学进步.
一片热乱
水位的高潮和低谷并不是故事的全部。水稻通常在白天炎热、夜晚凉爽的地方生长得最好。但在许多水稻种植区，气温变得太热。水稻在生长中期（即谷物中的肉开始积累之前）最容易受到热应激的影响。超过 35°C 的极端高温会在短短几周甚至几天内减少谷物数量。4 月份，孟加拉国连续两天 36 摄氏度的高温毁掉了数千公顷的水稻。
研究人员 7 月报告称，在南亚和东南亚，此类极端高温事件预计将随着气候变化而变得普遍。地球的未来。在气候变暖的世界中，水稻还会产生其他不太明显的后果。
最大的威胁之一是白叶枯病，这是一种由细菌引起的致命植物病害 米黄单胞菌 pv. 米霉。这种病害在东南亚最为流行，在非洲也呈上升趋势，据报道，该病害导致水稻单季减产高达 70%。
“我们知道，随着温度升高，疾病会变得更严重，”柯林斯堡科罗拉多州立大学的植物病理学家扬·利奇说。她解释说，当温度升高时，大多数帮助水稻对抗白叶枯病的基因似乎变得不那么有效。
随着世界变暖，水稻病原体可能会开辟新的领域。八月份的一项研究 自然气候变化 表明随着全球气温上升，北纬地区的水稻（以及许多其他作物），例如中国和美国的水稻，将面临更高的病原体感染风险。
与此同时，气温上升可能会带来双刃剑的砷问题。在 2019 年的一项研究中 自然通讯 德国莱比锡亥姆霍兹环境研究中心、当时就职于斯坦福大学的生物地球化学家 E. Marie Muehe 表示，在未来的气候条件下，更多的砷将渗透到水稻植株中。高砷含量会增加食用大米的健康风险并损害植物生长。
浸入
当在比工业化前温度高 5 摄氏度且二氧化碳水平升高（代表未来气候）的温室中生长时，加州水稻品种从土壤中吸收了更多的剧毒砷，使水稻的砷含量超过了欧盟安全阈值。
稻米中的砷含量
砷自然存在于土壤中，但在大多数地区，有毒元素的含量非常低。然而，水稻特别容易受到砷污染，因为它是在洪水条件下生长的。稻田土壤缺乏氧气，在这种缺氧环境中繁殖的微生物会从土壤中释放砷。一旦砷进入水中，水稻就会通过根部吸收砷。从那里，该元素分布在整个植物的组织和谷物中。
Muehe 和她的团队在气候控制温室内的当地低砷土壤中种植了加州品种的水稻。Muehe 说，提高温度和二氧化碳水平以适应未来的气候情景，增强了稻田土壤中微生物的活性，并增加了谷物中砷的含量。重要的是，水稻产量下降。在加州的低砷土壤中，在未来的气候条件下，水稻产量将下降 16%。
研究人员表示，预测未来水稻产量的模型并未考虑砷对收成的影响。穆埃说，这意味着目前的预测高估了未来的大米产量。
解米饭的口渴
里斯特罗姆在他的一块田地边缘的堤坝上看着水从管道中喷涌而出，淹没了长满水稻的稻田。“在这样的一年，我们决定抽水，”他说。
由于能够利用地下水，Rystrom 在这个生长季节只有约 10% 的土地没有种植。“如果每个人每年都从地里抽稻米来种植水稻，”他承认，这将是不可持续的。
一种被广泛研究的抗旱方法是“干湿交替”，即间歇性洪水，即以一到十天的周期对稻田进行洪水和排水，而不是保持持续的洪水。这种做法可以在不牺牲产量的情况下减少高达 38% 的用水量。它还可以通过向土壤中引入更多氧气、破坏释放砷的微生物来稳定收割时的土壤并降低水稻中的砷含量。如果调整得当，甚至可能会略微提高作物产量。
但水稻专家布鲁斯·林奎斯特 (Bruce Linquist) 表示，当这种方法用于高渗透性土壤时，节水效益最大，例如阿肯色州和美国南部其他地区的土壤，这些土壤通常需要大量水才能保持水淹。在加州大学合作推广中心。萨克拉门托山谷富含粘土的土壤排水不良，因此 Rystrom 农场的节水量很少；他不使用该方法。
修建堤坝、运河系统和水库还可以帮助农民抑制水循环的波动。但对一些人来说，解决水稻气候相关问题的方法在于增强植物本身。
更好的品种
世界上最大的稻米储存地位于菲律宾拉古纳德湾南缘附近的洛斯巴尼奥斯市。在那里，由 IRRI 管理的国际水稻基因库拥有来自全球农场的 132,000 多种水稻种子。
抵达洛斯巴尼奥斯后，这些种子经过干燥和加工，放入纸袋中并移入两个储存设施 – 一个冷却至 2° 至 4° C，可以轻松取出种子，另一个冷却至 –20° C 长期储存。为了更加安全，备用种子保存在科罗拉多州柯林斯堡的国家遗传资源保护中心和挪威一座山内的斯瓦尔巴全球种子库。
所有这些都是为了保护水稻的生物多样性，并积累大量可用于培育下一代水稻的遗传物质。农民不再使用许多储存的品种，而是选择新的更高产或更坚固的品种。然而，气候相关问题的解决方案可能隐藏在这些古老菌株的 DNA 中。加州大学戴维斯分校的罗纳德说：“科学家们总是在仔细研究这些集合，看看是否可以发现目前尚未使用的基因。”“这就是如何 子 1 被发现。”
这 子 1 该基因使水稻能够长时间完全淹没在水下。它于 1996 年在印度奥里萨邦种植的传统水稻品种中被发现，并通过育种已被纳入南亚和东南亚洪水易发地区种植的品种中。子 1 - 被称为“潜水稻”的品种可以在完全淹没的情况下存活两周以上，这对于田地容易遭受山洪爆发的农民来说是一个福音。
一些研究人员正在超越水稻基因库中保存的遗传变异性，转而寻找来自其他物种（包括植物和细菌）的有用基因。但将一个物种的基因插入另一个物种或基因改造仍然存在争议。转基因大米最著名的例子是黄金大米，它的目的是部分解决儿童营养不良问题。黄金大米富含 β- 胡萝卜素，这是维生素 A 的前体。为了制造这种大米，研究人员将水仙花的一个基因和细菌的另一个基因拼接到亚洲品种的大米中。
自最初开发以来已经过去了三十年，只有少数国家认为黄金大米可以安全食用。7 月 23 日，菲律宾成为第一个批准商业化生产黄金大米的国家。IRRI 首席科学家阿卜杜勒巴吉·伊斯梅尔 (Abdelbagi Ismail) 将人们接受缓慢的原因归咎于公众对转基因生物 (GMO) 的看法和商业利益的反对。SN：2016 年 2 月 6 日，第 14 页 22）。
伊斯梅尔说，展望未来，各国接受转基因大米至关重要。发展中国家，特别是越来越依赖水稻的非洲国家，将从这项技术中受益匪浅，该技术可以比育种更快地生产新品种，并可能使研究人员能够将常规育种无法做到的性状融入水稻植株中。伊斯梅尔说，如果黄金大米获得全世界的认可，它可能会为新的转基因抗气候和抗病品种打开大门。“这需要时间，”他说。“但它会发生。”
气候变化是一头多头野兽，每个水稻种植地区都将面临自己的一系列特殊问题。解决这些问题需要当地农民、政府官员和国际研究人员之间的合作。
“我希望我的孩子们能够尝试一下，”里斯罗姆说。“你要做的不仅仅是种植水稻。你必须为未来几代人着想。”
气候适应型水稻
为了让世界各地的饭碗吃饱，研究人员培育出能够承受干旱、洪水和盐等压力的新水稻品种。
萨巴吉丹：传统水稻品种需要 120 至 150 天才能收获，并且需要四次灌溉。萨巴吉丹 是一种耐旱品种，经过 105 天和两次灌溉后即可收获。在正常情况下，它的稻米产量大约是印度其他当地品种的两倍（每公顷四到五吨）。在干旱条件下，每公顷产量为一到两吨；当地品种不生产。
潜水饭 : 子 1 ，一种耐淹基因，已被培育成水肺稻品种。水稻通常会在完全淹没三到四天后死亡——许多品种会在试图快速生长到水面的过程中精疲力尽而死。子 1 然而，品种（如图所示）却不会出现这种疯狂的生长突增，并且可以在水下承受两周以上，能够在夏季季风突然发生的洪水中生存下来。
耐盐水稻：通过插入称为 Saltol 的基因组区域制成，耐盐水稻品种能够更好地调节组织中有毒的钠离子含量。Saltol 已在世界各地被纳入高产品种。
