互动科普

正当世界人口日益增淡水资源变得更为宝贵之际，用海水灌溉农作物研究人员试图利用海水灌溉所选择的农作物。

地球或许可以说是“海洋之星”，然而，包括人类在内的大多数陆生动物都要依靠由雨水、河水、湖水、泉水和溪水形成的淡水所灌溉的植物提供的食物。人类食用的前5种主要植物——小麦、玉米、載谷、马铃薯和大豆——没有一种能耐盐。若是用海水来灌溉上述作物，那它们就会在数日之内凋零至死亡.

全世界面对的问题之一，就是要找到足够的水和耕地来满足全世界的粮食需求。据联合国粮农组织估计，在今后30年内，仅仅是为了满足热带地区和亚热带地区日益增多的人口的粮食需求，就需要再增加2亿公顷（合4.942亿耕地，这一面积有亚利桑那—新墨西哥州、犹他州、科罗拉多州、爱达荷州、怀俄明州和蒙大拿州合起来那么大。然而，上述国家仅有0.93亿公顷的土地可作为新增加的耕地，并且大部分因覆有森林而需要得到保护。显而易见的是，我们需要找到另外的土地和水资源来扩展耕地。

在我们的同事的帮助下，我们已检验了以海水灌溉农田的可行性，并且发现，在荒漠环境下的砂土中，海水农业运作良好。所谓“海水农业”，是指以海水灌溉土地，来种植耐盐的作物。海水完全不存在短缺的问题——地球上97%的水都是海水。此外，地球上还有大量的土地处于荒漠地带，地球陆地总面积的43%处于干旱和半干旱的状态，然而其中只有很小一部份离海很近而可以实行海水农业。据我们估计，世界海滨和内陆盐土荒漠中未开发的土地的15%可能适宜于种植用盐水灌溉的农作物。由此而产生的新的耕地总计可达1.3亿公顷，它们可以用于生产人类的粮食或牲畜的饲料，而无需砍伐森林或将更为宝贵的淡水转用于农业生产。

海水农业是一个久已有之的设想，然而它初次得到认真对待却是第二次世界大战以后的事。1949年，在以色列立国期间，生态学家雨果•博伊科(Hugo Boyko)和园艺学家伊利莎白•博伊科来到红海边的埃拉特城，以创造能够吸引移居者的地貌。由于缺乏淡水，博伊科夫妇利用了水质微咸的一口井和直接从海洋抽取的海水，并得以证明，许多植物都能在砂土中超越正常的耐盐极限生长(参见ScientificAmerican 1967年3月号Hugo Boyko所撰“Salt-Water Agriculture”—文)。尽管博伊科夫妇的许多有关植物如何耐盐的观点未能经受住时间的考验，但他们的研究激起了包括笔者在内的许多人对扩大传统灌溉农业的耐盐极限的兴趣。

要想产生成本效益，海水农业就必须满足两个要求。首先，它必须生产出足够的有用农作物，以证明花钱从海里抽取灌溉用水是合算的。其次，研究人员必须找到以可持续的（即不会损害环境的)方式种植用海水灌溉的农作物的农艺学方法。虽然事实证明，上述障碍是很难克服的，但我们已取得了一些成就。

耐盐的农作物

海水农业的发展已进入两个不同的方向。一些研究人员试图使传统的农作物(如大麦和小麦)具有耐盐性。例如，加利福尼亚大学(戴维斯)的伊曼纽尔·爱泼斯坦的研究小组早在1979年就得以证明，在有少量盐存在的情况下繁殖了数代的大麦品系用相对较咸的海水灌溉时有可能产生少量谷粒。遗憾的是，随后试图通过选择育种和遗传工程(采用遗传工程时，耐盐的基因被直接加入作物)提高传统作物的耐盐性的努力至今尚未培育出适宜于海水灌溉的优良品种。即使是最耐盐的作物(如枣椰树)的长期灌溉的耐盐性上限也仍低于5‰，低于海水正常含盐量的15％。虽然海水的正常含盐量为35%，但海滨荒漠水域(如红海、加利福尼亚湾北部(在墨西哥索诺拉州的西海岸与下加利福尼亚州之间)和波斯湾)的含盐量通常都接近40%。(食盐是海水中最常见的一种盐，同时也是对植物生长最有害的一种盐。)

我们的方法则是要驯化可用作粮食、牲畜饲料以及油料种子作物的称为“盐生植物”的野生耐盐植物。我们的理由是，将传统作物的基本生理特性由敏盐变为耐盐肯定很困难，而驯化一种野生的耐盐植物则较为可行。毕竟所有的现代农作物最初都是野生植物。事实上，包括居住在科罗拉多河流人加利福尼亚湾之处的科科帕人(Cocopah)在内的一代又一代土著人所摄食的都是某些盐生植物，如由盐草属植物Distichlispalmeri(俗称“帕尔默氏草”)驯化而成的谷物。

我们的海水农业研究计划始于从世界各地采集数百种盐生植物并按耐盐性和营养物含量在实验室条件下对其进行筛选。世界上的盐生植物约有2000~3000种，其中既有禾草，也有灌木和红树一类树木。盐生植物的生境分布很广，其中既有湿润的海滨沼泽，也有干燥的内陆盐漠，通过与德夫·帕斯特纳克(Dov Pasternak)在以色列内盖夫的本·古里安(Gurion)大学的研究小组以及人种植物学家理查德和当时在亚利桑那大学任职的尼古拉斯的合作，我们找到了约12种盐生植物，它们均已在田间试验中显示出充足的按农艺学方法种植的前途与希望。

1978年，在墨西哥西海岸佩尼亚斯科港的海滨荒漠，我们开始对上述最有希望的植物进试验。我们每天以从加利福尼亚湾引来高盐海水(含盐量达40%)盖没农田的方法来灌溉上述植物。由于佩尼亚斯科港的年平均降水量仅为90毫米，并且我们每年都用了总计达20米以上深的海水灌溢试验田，我们可以肯定，上述植物几乎完全是靠海水在生长。(我们计量降水量和灌溉水量时，所根据的是降落到或灌注到试验田的水的深度(米)而不是其立方米数，用后者计量时，所计量的是水的体积。)

尽管我们试验田的盐生植物的产量因物种而各有不同，但最高产的盐生植物的产量均在每平方米种植面积1～2千克干生物质之间，与利用淡水灌溉种植的苜蓿的产量大致相当。一些最高产且耐盐的盐生植物是属于藜科的称为“Salicornia(海蓬子)、“Suaeda”(海藜草)以及“Atriplex(滨藜)的灌木状物种，该科包含所有盐生植物物种的约20%。诸如Distichlis(盐草属)和如Batis一类的似藤生植物而有肉质叶的地被植物一类盐草属植物的产量也很高。(不过，上述植物并不属于藜科，而是分别属于Poacea科和勃梯达科。)

然而，要达到海水农业对成本效益的首要要求，我们还得证明，在某种特殊用途上，盐生植物可以取代传统的农作物。于是，我们进行了试验，看盐生植物能否用作牲畜饲料。为牛、绵羊和山羊找到足够的饲料是当今世界干旱地区所面临的最为困难的农业问题之一，据联合国环境规划署称，世界上46％的干旱地区已因过度放牧而退化。许多盐生植物的蛋白质和可消化碳水化合物的含量都很高。遗憾的是，上述盐生植物也含有大量的盐，使盐分在体内积聚是它们适应含盐环境的方式之一(参见图4)。由于盐分既不含热量又要占据空间，盐生植物的高含盐量就使其营养价值降低了。此外，盐生植物的高盐度还限制了牲畜对盐生植物的摄食量。在开放的放牧环境下，盐生植物通常都被视为“保留啃牧植物”——一种只有当更为可口的植物已被吃光的情况下牲畜才会摄食的植物。

我们的策略是使盐生植物成为牲畜混合饲料的一部分，从而使盐生植物占到绵羊和山羊摄食总量的30～50%，以取代传统的干草饲料。(上述百分率是用于催肥牲畜以供宰杀的一般饲料含量。)我们发现，用含有海蓬子、碱蓬和滨藜的混合饲料喂养的牲畜其增重幅度和饲料中含有干草的牲畜一样大。此外，上述试验牲畜的肉质并未因其饲料富含盐生植物而受到影响。与我们最初的担忧相反的是，上述试验牲畜对摄食混合饲料中的盐生植物并不反感，实际上，盐生植物的盐味似乎对它们有吸引力。但为了抵偿额外的盐摄人，摄食富含盐生植物的饲料的牲畜所饮的水多于摄食干草的牲畜。此外，上述试验牲畜的饲料转化率(所摄食的每千克饲料所产生的肉的数量)比摄食传统饲料的牲畜要低10％。

为收获油料而种植

迄今为止，我们所发现的最有希望和前途的盐生植物是海蓬子(Salicorniabigelovii)。它是一种无叶、肉质的一年生盐沼植物，这种植物通过旺盛的种子生产能力移生到新出现的淤泥滩地面上。海蓬子和大豆以及其它的油料种子作物很相似，其种子含油量很高(占30%)，蛋白质含量也很高(占35%)，而盐含量则不到3%。海蓬子种子所含的油是富含多聚不饱和酸的，其脂肪酸成分与红花油很相似。海蓬子的油可以用传统的油料种子榨制设备从种子榨取出来和精炼。海蓬子的油可供食用，其味道像坚果而宜人，其特征与橄榄油相似。海蓬子有一个小缺点，就是其种子含有皂苷，这种化合物有苦味，这使得未加工的海蓬子种子不能直接食用。上述皂苷不会污染海蓬子种子榨出的油，但会留在榨过油的油饼粉里。因此，皂苷限制了油饼粉作为鸡饲料的用量。然而。饲喂试验证明，在用作牲畜饲料的蛋白质添加剂的正常用量的情况下，海蓬子种子的油饼粉能够取代传统作物的种子油饼粉。这样一来，海蓬子的各个部分就都可以利用了。

我们在墨西哥、阿拉伯联合酋长国、沙特阿拉伯和印度等国参与建立了几个海蓬子实验性种植场，其规模大到250公顷。在墨西哥历时6年的田间试验过程中，海蓬子的平均年产量达到了每平方米总的生物质1．7千克，以及每平方米油料籽0．2千克的好成绩。上述产量均已达到或超过大豆以及其它用淡水灌溉的油料种子作物的产量。此外，我们还得以证明，可以对传统的农场和灌溉设备进行改进，使之免遭海水中盐的腐蚀。尽管使用海水的灌溉对策不同于使用淡水的对策，但我们在把田间试验按比例扩大到实验性种植场的过程中，却没有遇到任何无法解决的工程技术问题。

在通常情况下，只有在土壤的干燥程度达到了田间持水量的约50%的情况下，才对作物进行灌溉。此外，在实行淡水灌溉的情况下，农民只是添加足够的水来补偿已被农作物消耗的那一部分。相反，用海水灌溉时，则必需大量而经常地 (甚至一天一次)给作物灌水，以免盐分在作物的根区积聚到抑制作物生长的地步。

我们最初的田间试验所用的海水比经济地运用的水平均多出许多(一年达2O米深)，因此。1992年，我们开始试验，以确定实现令人满意的收成所必需的海水灌溉的最低用水量。在历时两年的田间试验过程中，我们将海蓬子试验菌种植在土壤箱里，土壤箱则埋在开放且灌溉的试验田内，试验田内种植着与土壤箱内相同的作物。称为渗漏测定计的土壤箱底部带有排水装置，它能将多余的水输送到试验田以外的几个收集点，从而使我们可以测定排出的水的盐度和体积。利用上述装置，我们首次计算出用海水灌溉的作物所必需的水盐平衡。我们发现，用海水灌溉的作物所产生的生物质的量取决于所使用的海水的量。尽管浸泡其根的海水的盐度大约为海水正常含盐量的3倍，海蓬子仍能茁壮成长，但用海水种植的海蓬子所必需的灌溉水量大约要比用淡水种植的传统作物多35%。海蓬子之所以需要多加这部分水量，是因为它从海水中有选择性地吸收了水分，这样很快便使得剩余的海水盐分过高而不能利用。

使海水农业经济合算

海水农业能做到经济合算吗?灌溉农业的最大花费在于抽取灌溉甩水。抽水成本与抽取的水量和水提升的高程成正比。尽管盐生植物所需要的灌溉用水比传统的农作物要多，但接近海平面的海水农场灌溉用水所需要提升的高程却小于传统的农场，后者时常需要将水从100米以上深的井提升上来。由于从海平面抽取海水的成本比从深井抽取淡水要低，在荒漠地带实行海水农业就应具有成本效益，即使海水农业的产量低于传统的淡水农业。

海水灌溉并不需要特殊的设备。我们帮助建立的大型试验种植场所采用的不是大洼地漫灌模式，就是移动喷杆式喷灌系统，后者用于多种类型的作物生产。应用海水灌溉时，一根塑料管插在喷杆之中，这样海水就不会同喷灌系统的金属部分接触了。利用普通的联合收割机，还成功地收获了海蓬子的种子——只是将收割机调整到了能够最大限度地保留海蓬子那极小的种子(大约只有1毫克重)的状态。

尽管迄今为止在我们的试验种植中，海蓬子是最成功的，但它并不是一种完美的作物。随着收获时节的临近，海蓬子植株往往要倒伏，其种子则会掉落出来。并且，海蓬子的种子收获率只有大约75%，而相比之下，大多数农作物的种子收获率则在90%以上。此外，要使种子产量高，海蓬子就必须在开花之前在凉爽的气候条件下生长100天压右。目前，海蓬子的生产仅限于亚热带地区，那里的冬天较为凉爽，而夏天则较为炎热。然而，世界上一些面积最大的海滨荒漠区域则是处在气候比较炎热的热带地区。

海水农业产生成本效益的第2项要求是要具有长期的可持续性。然而，可持续性并不是一个仅限于海水灌溉的问题——事实上，许多用淡水灌溉的农业工程也未能通过可持续性的考验。在干旱地区，淡水灌溉时常是利用有限的排水系统在内陆盆地实施的，这会使得盐分在大田的地下水层中积聚起来。世界的土壤中，但它却会在废水中积聚到很高的浓度。

虽然海水农业并不一定能够免除上述这样的问题，但它的确能带来某些好处。首先，建在砂土上的海滨荒漠农场通常都有不阻碍废水排回海里的系统。我们用海水对同一块试验田连续灌溉了10年以上，却根本没有出现水分或盐分在根区积聚的问题。其次，海滨和内陆盐土荒漠含水层通常已有盐浓度升高的问题，因此理应不会被海水损害。第三，我们建议实行海水农业的盐害土壤开始时时常是贫瘠的或近于贫瘠的，因此设立海水农场对敏感生态系统的影响可能比传统农业要小得多。

然而，没有一种农业活动是对环境完全无害的。例如，大规模的海滨养虾场就在接纳其废水的河流或海湾引起了水花(algal blooms)和疾病等问题(参见本刊今年9月号Claude E．Boyd和Jason W．Clay所撰“养虾与环境”一文)。预料大规模的盐生植物种植场也会出现类似的问题，它是由含有未利用的肥料且最终将会排回海里的大量高盐度废水引起的。从另一方面来说，若是养虾场的废水改由盐生植物种植场重复利用而不是直接排到海里，那么，盐生植物种植场就还可以成为上述问题解决办法的一部分——盐生作物想必可以利用养虾场排出的废水中的许多营养物并减少废水的数量。我们在墨西哥建立的第一家盐生植物试验种植场已设置成能够重复利用养虾场的废水，而将海洋水产养殖业的废水同盐生植物种植场联系起来的进一步的研究也在进行中。

也有人提出，应利用盐生植物种植场重复利用加利福尼亚州圣华金河谷所产生的富硒农业废水。含量低时，硒是一种必不可少的营养物；而含量高时，硒就变成一种有毒物质了。利用圣华金河谷的废水种植的盐生植物吸收了足够多的硒而使之成为有益的牲畜饲料添加剂，而不足以使之成为有毒的。

海水农业将来能否大规模地实行？本世纪70年代末，我们的目标是确定海水农业的可行性，当时我们期望能在10年之内看到商业化海水农场。而今，20年时间过去了，海水农业仍然处于商业化开发的实验性阶段。已有几家公司在加利福尼亚州、墨西哥、沙特阿拉伯、埃及、巴基斯坦和印度建立了种植海蓬子或滨藜的盐生植物试验种植场，然而，据我们所知，其中没有一家已进入大规模生产阶段。我们的研究经历使我们确信，海水农业具有可行性。然而，世界最终是否转向这一选择，不仅将取决于未来的食物需求和经济状况，而且也要取决于人类将在多大程度上不对淡水生态系统进行进一步的农业开发。