新兴学科——生物节水研究前景展望
来源： 浏览量：480 更新日期：2010年1月12日
中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心
1 国家发展战略需求
国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)中明确指出，“把发展能源、水资源和环境保护技术放在优先位置，下决心解决制约经济社会发展的重大瓶颈问题”。水资源已列到重点领域及其优先主题。重点研究农业高效节水，开发灌溉节水、旱作节水与生物节水综合配套技术。植物抗逆性及水分养分和光能高效利用机理，成为面向国家重大战略需求的基础研究问题。生物节水成为研究热点。
2 节水农业概念的发展
我国很早就在农艺抗旱节水方面取得了不少成就，例如，我国约在6世纪30-40年代写成的古农学专著《齐民要术》的最大功绩之一，就是它全面完整地总结了以耕—耙—耱为主体，以防旱保墒为中心的旱地耕作技术体系，以增进地力为中心的轮作倒茬、种植绿肥等耕作制度，以及良种选育等项措施,更加丰富和发展了我国精耕细作的传统思想。此书中就有旱稻栽培的记载。
我国在上世纪50年代在水利工程节水方面取得了很大的成就，修建筑了许多大坝水库，治理了黄河和淮河。80年代以后，在旱地主要是通过大量施用化肥，以肥调水促水效，水肥耦合，大大提高了旱地作物产量；90年代发展了雨水集流高效利用的窑窖农业。我们认为，我国旱地农业研究中应该有三大观念的转变，一是从缺水到缺肥，二是从缺水到提高水资源利用效率；三是从抗旱到高水分利用效率育种的观念转变。从被动的耐旱性研究到主动的抗旱性研究再到节水研究，在未来必将转向水分高效利用研究。在灌溉地区，大田渠系和灌溉设备等工程节水技术方面有了很大推广。目前，我国灌溉面积已经占全国的耕地的一半，这些都大大提高了我国河流和雨水资源利用率，对我国粮食稳定生产有重要作用。
在利用农艺和工程节水措施，提高水资源利用率之后，随着淡水资源数量短缺和质量污染严重发生及气候日趋干旱，就要利用现在现代农业和生物新技术，开拓生物节水的深入研究，培育和推广抗旱抗逆节水生物新品种，让每一滴水生产出更多的食物和经济价值(more food and dollar for every drop)。
山仑院士指出，节水(Water saving)和节水农业(water saving agriculture)是我国提出的名词,和国外的高效用水(water efficient; efficient water use)概念相同。我们认为，在我国，节水农业是针对灌溉农业中节约用水提出来的，现在也包括旱地农业中的水分高效利用。从对水分高效利用的核心来看，节水农业和旱地农业都可以称为高水效农业。
高水效农业是指同时追求和实现单位耗水的高水分利用效率、高经济效益、高生态效益及社会效益的一种具有高新科学技术体系和经济市场紧密结合的新型农业体系。例如以色列等国家，发展管道输水，利用滴灌等节水灌溉技术，一方面大大提高了水资源的利用效率，同时生产附加值高的蔬菜、水果、花卉等农副产品，出口创汇，成为欧洲农产品的后花园，是典型的高水效农业。因此，水里有金!土里也有金!要挖掘水土资源的金，就要发展高科技，发展教育，还是应了中国那句古话，书里自有黄金屋!因此，提高农民文化教育水平，掌握农业科学技术，发展经济作物，也在一定程度上可以解决三农问题。
目前我们主要强调，在雨养农业地区，特别是我国北方缺水地区发展节水农业，节约用水，利用有限的水分生产出更多的粮食。但实际上在我国南方不缺水的地区更应该强调高水效农业的发展，即在水分不成为粮食高产潜力发挥限制因子的地区，应该利用高产和超高产、高经济效益的优质动植物品种，间作套种，立体农业，温室大棚，地膜栽培，无土水培，工厂化农业生产等先进的科学栽培技术，生产出更多的优质农副产品，取得更大的经济效益和社会效益及生态效益。同时也要发掘对劣质水资源的开发和高效利用，走水资源和水分高效利用和高效产出之路。
在我国历史上，大部分情况下，是南粮北运；到改革开放的二十世纪八十年代后，我国进行了数次的大规模北粮南运。这充分说明我国南方粮食生产能力下降快，北方粮食能力不但不缺，还有一定程度的上升。因此应该对我国粮食生产和消费的宏观变化要有新的认识和新的分析。这有助于强调对在湿润的和经济发达的地区，而目前粮食生产发展倒退、不足和缓慢的地区，恢复粮食生产和发展高水效农业的理解。
按照虚拟水，虚拟水土资源、虚拟能量、虚拟经济等理论来看，北粮南运，引发出来的地区间经济分配亏赢问题，其实也是水资源和土地生产资源和投入能量等资源的宏观转移和分配亏赢问题，是个与水土资源可持续发展及高水效农业发展有密切相关的问题。因为粮食是碳水化合物，北粮南运，即将北方并不富裕的珍贵水资源、土壤养分资源、光温资源和能量资源，补贴和转移给不缺水、光温资源丰富、高产潜力巨大的南方的“鱼米之乡”，“天府之国”。这种反常的补贴和资源掠夺转移的后果，不但严重打击了北方粮食主产地区的生产积极性，而且造成了北方地区农业水土资源的严重消耗，加快了水土资源危机，扼杀了北方农业可持续发展的潜力。特别是在华北平原地区，将1万年才积累形成的地下水资源，在近二十年来，利用成千上万机井进行灌溉，大量消耗，使华北地区形成世界上最大的地下漏斗，世界是严重缺水的四个地区之一。我国东北平原粮食生产基地也势必将面临这样的发展趋势。
我国农业发展目前同时有五大变化，由原始的手工人畜力农业发展到了机械化农业。由有机农业→无机化学农业→无机和有机(大量秸秆还田)相结合的生态农业→优质商品农业。由粮食农业→粮食和经济作物并重农业→粮食、经济作物、副业(包括养殖业和加工业)协调发展农业。由自给型农业→内向市场型农业→外向出口型农业发展。在南方由水地农业(长期浸水)→灌溉农业(定期灌溉)→节水农业(定期定量灌溉)→高水效农业，在北方由旱地农业→灌溉农业→节水农业→高水效农业发展。随着节水农业的迅速发展，使人们对宏观水资源和微观水分的高效利用有了更加深刻的认识和理解，并已经产生了和将要产生许多新的概念和研究方向，特别是要提高水资源和水的利用率及水分利用效率概念和指标及有关研究越来越受到重视和强调。我们认为发展高水效农业是未来农业的方向。
随着水资源的日益危机，我国农业发展已经和将要经历“以粮为纲，全面发展”→“以钱为纲，全面发展”→“以水为纲，和谐发展”的三个重要阶段。农业的发展已经和将要从林草型农业→粮食型农业→粮食经济型农业→经济粮食型农业→高水效农林复合型农业。
从农业和生态环境科学发展的历史来看，和从现代广义的水资源保护和高效利用的概念理解，水土保持可能是我国最早提出的广义节水农业或者是水(土)分高效利用农业概念的雏形。它包括了旱地农业、灌溉农业、生态环境改善等更大的内涵，明显有建立新学科的意义，不但是要利用生物、工程措施等，在农田和非农田地区，充分保持和高效利用水分，同时也包括对土壤养分等资源保持和高效利用；不但要抗旱还要防洪，协调改善水资源循环和生态环境。目前水土保持这一概念逐渐被国内外认同。生物节水应该是水土保持和节水农业的基础和核心。
3 生物节水概念的发展
关于生物节水概念的发展，我们认为，大概经历了作物生理节水、作物遗传节水、生物(包括动植物、微生物)节水的三个阶段。
“生物节水”一语是山仑院士1991年在“应用生态学报”上发表的“节水农业及其生理生态基础”一文中提出来的，他指出，“生物节水措施是按照作物需求规律采取对策，例如，根据不同作物的需水量、需水临界期制定灌溉计划，进行作物布局；同时，也是改善工程和耕作措施的依据。从长远来看，通过研究需水规律提高植物本身的水分利用效率，这一条途径十分重要，是未来节水增产的最大潜力所在。”
石元春院士在“科技导报”上1999年发表了一篇“开拓中的蹊径：生物节水。”他对生物节水进行了更加详细的论述：“节水是一种俗称，学术上的提法是指提高农业生产过程中的水分利用效率(water use efficiency, WUE)，即提高单位耗水(蒸散量)的经济产量。作物的不同生育期对水分亏缺的反应不同，水分亏缺对产量形成的有关生理过程的影响也不一样，这正是非充分灌溉的理论基础。所谓生物性节水，是指利用和开发生物体自身的生理和基因潜力，在同等水供应条件下能够获得更多的农业产出。以减少输灌水过程中无效损失为目标的工程性节水，其技术性强，研究开发程度高，工作重点在于产业化开发及相关技术研究。而生物性节水面对的不是材料和设计、工程和技术，而是复杂的生物体。其特点是研究难度大、开发程度低、应用中投入小而效益高，潜力大而前景广阔。分子生物学和生物技术的兴起和发展，为生物性节水带来了巨大活力，正孕育着新的突破和进展。近20年，我国年均旱灾面积3.4亿亩，损失粮食5000－6000万吨，如果通过调整作物类型、品种和种植制度；培育优良抗旱品种；提高农业灌溉和抗旱技术等生物性节水措施，必将低投入高效益地减少干旱造成的损失，增加农业产出。生物性节水的蹊径正在开拓中。”
他进一步指出，“节水是为了在一定水量条件下增加农业的产出。通过调动生物体的生理和基因潜力以增加农业产出的生物性节水是相对于以减少无效耗水的工程性节水而言，二者相辅相成，不可替代。工程性节水技术性强，开发程度高，投入大。生物性节水需要深厚的理论基础，难度大，开发程度低，但具有潜力大，低投入高产出，厚积薄发的特点。分子生物学和生物技术的兴起和发展正在揭示这个崭新而诱人的领域，生物性节水的蹊径正在开拓中。抗旱性分子育种与新品种培育、作物生理过程和根－土微生态系的调控、提高作物水分利用效率的灌溉技术和施肥技术、抗旱性制剂的研制和施用等将逐渐形成生物性节水的技术体系。低投入高产出的生物性节水与工程性节水相结合，将成为具有中国特色的农业节水之路。”
张正斌2003年在《作物抗旱节水生理遗传育种基础》一书中，对生物节水的概念进行了扩展，他指出：在干旱半干旱地区，水资源量决定了动植物和微生物的生存分布和产量，其水分利用效率对农业经济效益和可持续发展有重要意义，但目前有关生物节水的研究较少。植物抗旱节水在过去应用研究较多，动物和微生物抗旱节水应用研究较少。随着生物节水发展，通过培育抗旱节水和水分高效利用的动植物和微生物品种，利用各种抗旱节水栽培和管理措施，提高生物链过程由微生物→植物→动物的不同能量级生物的水分利用效率，产生出更多和质量优良的食物和价值，将成为未来农业研究的关键问题。
我国目前还主要是强调发展节水农业，从宏观角度来看，第一目标是首先提高水资源的利用率，主要是靠工程节水。但工程节水必须和生物节水紧密结合，才能实现真正的节水!所以第二目标是提高作物的水分利用效率和产量。作物节水育种虽然是个新名词，但在以往的作物抗旱节水育种实际进展中已有不小的成效!只不过是我们以前对这一问题重视不够，理论研究相对落后。虽然有高的农艺WUE，没有高的经济效益是没有发展前途的；因此第三个目标是提高生物水分利用效率的同时提高经济效益，即经济水分利用效率。植物用水最多，因此植物的价值水分利用效率的研究的重要性将日趋重视；第四个目标是随着生物节水研究的深入，要进一步提高动物和微生物的水分利用效率。第五个目标是随着许多地区未来环境问题的不断恶化，植物水的生态WUE将逐渐引起人们的重视!
生物节水是一个广泛的概念。广义的生物节水应该是指利用森林和草原进行水土保持，产生更大的经济和生态效益。狭义的生物节水应该是利用抗旱和高水分利用效率、高产优质的动植物品种，特别是以农作物为主的生物节水，产生更大的经济和生态效益。将水分高效利用从旱地农业向湿润地区和盐碱滩涂湿地以及海河湖等水资源利用方向全面开拓，将提高粮食水分利用效率向提高经济水分利用效率的层次发展，发展高水效农林复合型农业，特别是农产品出口，才能使中国农业走向世界，才能发展中国的生态农业和保障中国农业的可持续发展。这是作者在中国旱地和高水效农业研究与发展方面的新思路。
4 生物水与水资源概念的发展
关于生物水的概念，在1977年的联合国水会议文件中指出，全球生物水资源储量为0.112(KM3)，占总水储量0.0001 (%)，占淡水储量0.003 (%)。由此看来，生物也是淡水资源的一个水库。水是生物圈的血液，是环境可持续发展的决定因子。生物水资源虽然相对其他类型水资源很小，但与人类生存环境有密切关系。
随着水资源研究的深入发展，关于水的概念和研究也在不断创新。地球又名“水星”，70%多的面积为海洋所覆盖。以前我们认为水是地球上一种普通而丰富的物质，并没有把水当为一种资源看待。直到上世纪80年代，人们才逐渐认识到淡水资源短缺的严重性，首先将雨水作为一种资源对待，提出了雨水资源化和高效利用等概念。随后关于水资源的概念就在不断地扩展。
以色列的Uri Shamir等(2000)对水资源按应用方向进行了新的分类。提出了“蓝色水”，其中还包括多种色调，即浅色是纯净水，适于饮用和其他用途，较深的是轻度污染和质量较差的但仍然可用于相同目的的中水等；深蓝灰色是指污水，这部分水常常被纳入供水系统。我们认为蓝色水应该是指地上海洋、江河、湖泊、冰川等水资源和地下水资源(包括土壤水)的总和。“绿色水”一般也称为“虚拟水”，原义主要是围绕农产品运动的水。我们认为，“绿色水”应该是指整个生物界生物体内的水分，包括森林、草地、海洋生物、农作物里的水。“金色水”原义是指货币和资金意义的水，我们认为应该是指水资源的价值和水资源利用及循环利用后的效率及经济价值。“灰色水”原义是指管理意义的水。我们认为“灰色水”应该是指利用各种科学技术进行科学调配管理及加工改造的水资源，如人工降雨、跨区域人工调水、循环利用水、淡化海水、海冰水资源，节水灌溉工程和技术应用后节约的水，种植抗旱节水植物节约的水等等，随着水科学技术的发展，获得的“灰色水”将越来越多。
我们需要保护更多的蓝色水资源，通过人工调配和管理及加工改造，将更多的蓝色水尽可能多的转化为绿色水(生物水)，建立绿色水库，改善生态环境，同时产生更多的金色水。生物水是各种水资源转换的中心环节之一，因此生物节水还有很大研究空间及开发潜力。例如，有人将需水多的生物叫“水猪”(water pigs)，如水牛、水稻、苜蓿等。将需水少的生物叫“水吝啬鬼”(water miser)，如骆驼、仙人掌、谷子等。通过自然进化和人工改良进化可以将“水猪”驯化和改良成“水吝啬鬼”。如将水稻可以变成旱稻等。特别是利用现代的分子遗传转基因技术，可以将不同物种间的抗旱节水基因进行转移，培育新的抗旱节水高产优质生物新品种，这就是生物节水研究的重要方向。
5 国际生物节水研究
从国外发展来看，1983年就出版了《美国干旱和半干旱地区可持续农业发展水分相关技术》，其中有一章为影响动植物水分利用效率的技术。澳大利亚长期将提高小麦等作物的抗旱和水分利用效率作为育种目标。世界先进节水农业国家以色列科学家Stanhill(1992)就指出：“只有提高生物自身的水分利用效率，才能取得节水上的新突破”。绿色革命的发起人，诺贝尔和平奖的获得者，布劳格2000年提出了“让每一滴水生产出更多的粮食”，要让“蓝色革命”继续完成“绿色革命”的号召。2001年美国启动了一个“植物水分利用效率基因组”研究项目。国际农业研究磋商小组2003年启动了关于水资源与粮食等问题的“挑战计划” (CGIAR Challenge Program on Water and Food)。2005国际农业组织成立了物种挑战项目(The Generation Challenge Program )，其中就有对植物抗旱抗逆种质资源的搜集保护和利用。2005年欧洲和西非及北非国家启动了一个“硬粒小麦水分利用效率改良及稳产性”研究项目(IDuWUE)，同时，欧洲和地中海地区启动了“提高地中海地区农业水分利用效率”的研究项目(WUEMED)。2007国际生物观察(Biovision)会议就有一个主题是“自然资源的可持续利用：水和土壤”。说明生物节水和水分高效利用已经受到国内外有远见的科学家的重视，已经成为国内外的研究热点。
淡水资源的紧缺是一个世界性的问题，发展节水农业和对水资源的高效利用是各国共同的必然选择。农业节水除有效的工程节水、农艺节水、管理节水等措施之外，以提高植物自身的水分利用效率为主的生物节水也是重要内涵之一,而且，可能是实现进一步节水增产的关键和最终的潜力所在。为了加快我国生物节水研究的深入开展，山仑和石元春院士牵头，我们组织，于2005年11月2～4日在北京举行了以“生物节水技术及其发展前景”为主题的香山科学会议第267次学术讨论会。与会专家围绕四个方面进行了深入探讨：1、生物节水的生理和分子基础； 2、耐旱及高WUE转基因技术研究现状及应用前景；3、节水生态与节水栽培；4、以耐旱和高WUE为目标的遗传育种。
干旱成为21世纪和未来的世界性难题，如何提高有限水资源的高效利用，和植物自身的水分利用效率，特别是通过生物节水和工程节水及农艺措施相配合，发展可持续农业和国民经济，成为当前和未来的研究热点问题。关于旱地农业相关方面的国际会议在国内外已经有不少，但以生物节水为主题的国际会议目前还未见召开。为了加快生物节水研究的国际交流，提高我国生物节水的研究水平，展现我国节水农业和旱地农业的优秀成果，为我国“十一五”生物节水和节水农业的深入发展提供理论和技术支撑体系，我们组织准备于2006年5月21-25日在北京召开“第一届国际生物节水的理论与实践会议”,本次会议由中国科学院主办，中国工程院协办，国家自然科学基金委员会资助，由李家洋院士担任会议主席，会议主题是：1、水资源与粮食和经济及生态安全，2、生物节水研究的发展方向；3、农艺节水和工程节水；4、植物水分高效利用和抗旱的生理遗传育种；5、动物和微生物水分高效利用和抗旱的生理遗传育种；6、生物对不良水资源的改良和高效利用。
6 生物节水的研究方向
我们认为，生物节水有三层含意，一个是利用生物覆盖减少水土流失，多保持水分；另一层意思是利用抗旱耐旱节水植物品种，减少对土壤水分的消耗和对灌溉用水的需求，即节约用水；第三个意思是提高水分利用效率，让每一滴水生产出更多的粮食和经济效益。因此，生物节水或者是生物水分高效利用及高水效农业研究的未来方向和关键问题应该有以下几个方面：
6.1 以生物水转化为中心的五水转化体系研究
除了因为地理纬度、海拔环境造成的水资源及植被类型差异的重要原因之外，植被也是影响水资源和生态环境变化的另一重要因素。从全球范围来看，我们都知道热带雨林是地球之肺，对全球气候有重要影响。从中尺度的生态系统来看山区森林和草地植被对周围平原地区的水资源和水循环有重要作用，没有清山，就没有绿水，就没有四季长流的小溪和河流。因此，无论从那个方面来看，没有生物主要是植物参与的水资源循环系统，都是不完善的和不是最高级的能量和物质转化的生态系统。
刘昌明院士(1993)指出，“三水”(降雨、地表水与地下水)转化的研究，考虑到土壤水，称为“四水转化”，再进一步联系到植物水分，称为“五水转化”，这是研究工作的一种循回渐进，从简单到复杂的过程。到上世纪90年代，在土壤-植物-大气循环系统(SPAC)方面有了深入的研究。河南省环境水文地质总站商丘水均衡场试验表明，在作物参与下，“四水”转化中大气降水80%转化为土壤水，约10%转化为地下水，约8%转化为地表水。作物实际蒸散量中约90%吸收利用的是土壤水。充分显示出生物对开拓土壤水库和影响水资源循环的重大作用。植物是有生命活动能力的，是可以进行自主和被人工干预调控对水资源的高效利用。
但目前在宏观水资源的“五水转化”中，实际上只重视了大气水-地表水-土壤水-地下水运移与转化大中尺度上的研究，对植物水在五水转化中的功能及机理研究重视不够，更没有重视动物水和微生物水转化，和自然界生态系统的构成和发展变化严重脱节。因此生物水转化作用和机理研究是一个重要缺陷，今后要重视包括动植物和微生物的生物水研究。
在农林生态系统中，应该开展以生物水转化为中心的五水转化研究。即从大气水-地表水-生物水-土壤水-地下水运移与转化研究。如何利用生物特别是植被进行水土保持，改变生态环境；最大可能的利用和保持自然降水，最大可能利用植物(活体和死体)减少无效蒸发，改变地表水运移转化特征，增加土壤水库，影响地下水的良性循环；同时，最大限度地将裸地蒸发变为植被蒸腾，改变大汽水的循环过程和影响气候变化，同时在农田中有更多的农产品产出，在高层生态系统方面取得最大的经济效益和生态效益；为揭示水循环规律与自然生态保护和作物高产及可持续农业的发展奠定科学基础。
水分资源是一个可以流动的资源，是一个循环系统，应该加强生物自身对水分的及时和高效利用研究。如果水分没有被生物及时和充分利用就等于对水资源的浪费。在有水的情况下，如果有一个水库，但没有生物，就是死水一潭，可能还会变称臭水一潭；如果有了生物，进行人工养殖，或者给植物灌溉和循环利用，就可能变成活水、洁净水、效益水，由蓝色水变成了绿色水和金色水。特别是利用生物利用和改良不良水资源，是今后发展的大方向。我国海洋学家曾呈奎院士提出要开展“蓝色革命”，“耕海牧鱼”，向海洋要粮食。这方面在我国沿海滩涂地区，生物水分高效利用还有很大的潜力可以挖掘。
在干旱半干旱地区，生物用水和保水是相互联系、相互促进和相互矛盾的两个方面，但要看保水的作用大还是耗水的作用大。在水分利用研究方面,要强调尽最大可能地通过植物蒸腾生产更多的粮食和经济价值和生态效益。像将植物茎叶、秸秆通过动物过腹还田一样，带动生物产业连的延伸，产生更大的经济和生态效益。在沙漠和新开垦土地，先有自生的野草，再有一定水土保持生态效益，后有可以发展畜牧业的经济效益。植物是消耗水资源的主要对象，但植物在水分利用和转化的过程中可以产生巨大的生态和经济效益。在缺水的条件下，应该像沙漠植物一样，利用各种途径充分高效利用有限降水和土壤水分，改善生态环境，造福人类。
我国著名科学家钱学森等上世纪80年代就提出了“沙产业”，就是生物水分高效利用的典型例证。没有植物的沙漠是死亡的沙漠，通过人工种草种树，可以减少沙漠的流动，建成沙漠绿洲。我国陕、甘、宁地区出现许多治沙模范，就是在荒芜的沙漠中植树造林，建成了历史上没有的人工生态林，目前中国科学院植物研究所的科学家在内蒙古草原利用自然恢复法进行草原改良和建设。这些都引起了世界治沙领域方面的关注和国家的高度重视。说明只要按照科学的方式治理沙漠，就可以植(物、人)进沙退，改善沙漠生态环境和发展沙漠经济，都是生物水分高效利用的典型。在干旱半干旱地区，在我国西北的青海和兰州等地，在降水量只有100-200㎜，但蒸散量是降雨量的2-5倍甚至更多，超过1000多㎜的地区，农民还利用砂田种庄稼，就充分说明在有限水分条件下，生物水分高效利用的可能性和现实性及重要性。
虽然休闲地可以减少土壤水分和养分的消耗，但在有一定的条件的下，可以种植绿肥进行还田以培肥地力，或种植用小日月作物如豆类、荞麦、油葵等，可以高效利用水分，产生一定的经济效益。我国北方的陕西省关中地区和南方许多地区，在秋冬季休闲地种植抗寒性较强的菠菜、小青菜、油白菜等，都是生物水分高效利用的典型。在我国南方温热地区，目前有学者利用水稻收割后的秋冬季休闲农田，发展马铃薯产业，就是一个生物高水效农业的新出路。
6.2 植物高效用水研究的方向
在SPAC系统中，虽然考虑到植物与大气和土壤水分循环的关系，许多研究都集中土壤和大气水分运移的物理模型和植物水分生理生态方面，但目前没有和生物的遗传特性紧密联系起来，是个有待进一步深入开展研究的方向。我们都知道不同降水地理条件下的植被类型是明显不同的，C3、C4、CAM植物的抗旱性和水分利用效率遗传和生态特性明显不同；同一作物品种中，有抗旱不抗旱的品种之分，分别适应于旱地和灌溉地区种植。以水为生命之源，水分占其体重的80-90%的生物的生长发育、形态结构、组织细胞、分子基因都与水分的高效利用有一定的关系。但目前我们在生物节水机理和应用方面还有许多问题没有研究清楚。
许多生物都是人类根据气候环境变化选择和驯化栽培的。小麦起源于伊拉克和伊朗的两河流域，许多小麦野生种原来都是春性的，后来经过人类的选择和改良，培育出了大量的冬小麦品种，改变了小麦种植历史，在世界各地广泛种植。目前在我国北方许多地区特别是在寒冷地区，许多地区都开展冬麦北移的研究，改种春麦为冬麦。一方面是因为全球气候变暖，另一方面可以高效利用秋季降水，通过冬小麦的秋、冬、春季覆盖，可以减少休闲地的水分无效蒸发，最重要的是可以减少冬春季沙尘暴天气的危害和发生；同时，还可以提高小麦品质。因此，冬麦北移和改春麦为冬麦，是生物节水和水分高效利用的一个重要研究方向。虽然在许多地区冬小麦是一个重要的灌溉和耗水量大的作物，但通过种植抗旱节水小麦品种，就可以减少对水库灌溉用水和地下灌溉用水的消耗。
在埃及等许多国家和地区，由于地表河流水资源的短缺，他们改种耗水量大的水稻为抗旱节水的小麦、棉花、玉米和高粱等旱地作物。美国、巴西等许多国家改种耗水量和需肥量较大的玉米为抗旱耐瘠的高粱，利用高粱发展酒精等生物能源产业，同样取得了农业和经济的良性发展，值得我们借鉴。这一方面在我国南方湿润地区和季节性干旱地区，就有很大的潜力可挖。例如，在夏秋季节性干旱条件下，可以改种水稻为旱稻、玉米、高粱、小麦等相对耐旱的作物。因此，通过不同植物的布局、和种植制度的改变，和生物抗旱节水品种的选育和推广，生物节水和水分高效利用还有很大的潜力可挖。
6.3 作物自身水分高效利用的生理遗传机制和育种改良研究
我国粮食生产的限制因素是干旱，雨水丰歉决定了粮食丰歉，影响了我国乃至世界粮食安全。但培育和种植抗旱节水作物优良品种是保障粮食稳产的关键。
植物抗旱高产有三个方面：一方面是要保持水分，将水分保持在体内，例如，仙人掌、玉米、高粱等植物是高水势的抗旱；二是耐旱，例如卷柏(还魂草)、小麦、谷子等植物就是低水势耐旱，在水分严重缺乏的情况下，还可以保持生命活力；三是水分高效利用，在具有一定抗旱性的同时，要利用一定的水分生产出更多的粮食和经济产量，如目前培育的旱肥型或者是水旱兼用型小麦品种，就是作物抗旱节水高产育种的方向。
植物在抗旱和水分高效利用方面有明显的遗传和生理差异，像人类一样“有人喝凉水都长胖”。小麦等作物里有四种水分利用效率类型：一种是耗水少、产量低，水分利用效率低，即三低型；二是耗水中少，产量中低，水分利用效率中高，如在我国北方冬麦区推广种植的旱薄地小麦生态型；三是耗水中上，产量最高，水分利用效率最高，如在我国黄淮旱地和节水灌溉地区推广种植的旱肥型和水旱兼用型小麦生态型；四是耗水多，产量低，水分利用效率低。我们希望选育出第二和第三种抗旱高水分利用效率和高产的类型的优良新品种。
目前在作物自身水分高效利用的生理遗传机理研究方面，应该从作物生长发育、形态结构、组织细胞、分子基因、代谢调控等层次，在以下几个方面进行深入研究：一是作物的抗旱机理，二是作物的水分高效利用机理；三是作物高收获指数的机理；四是抗旱和水分高效利用及高产的协调关系；五是水分和养分耦合共同高效利用的机理，六是水分和光合高效利用和转运的机理。
从作物抗旱节水品种遗传改良方面来看，一方面要加强抗旱高水分利用类型种质资源的筛选和利用，二是通过从国内外干旱半干旱地区进行抗旱高水分利用效率类型植物新种和作物新品种的引进和驯化，三是利用常规育种和转基因等生物新技术，培育抗旱节水优质高产的农作物新品种。
从旱地作物高产发展趋势来看，我国旱地小麦有50%的旱薄地亩产150公斤，有20-30%的中产旱地亩产250公斤；有15%左右的旱肥地可亩产400 公斤；有5% 旱地育种和示范地亩产可达500公斤左右。说明我国旱地小麦育种有了很大的发展，同时，说明旱地作物高产育种和栽培还有很大的潜力可挖。我们相信随着栽培条件特别是肥料投入的普遍增加，在本世纪中期，全国旱地小麦可以平均亩产200公斤以上，甚至有50%的旱地面积可以达到亩产250公斤。另外，随着抗旱节水高产品种的推广，原来的水稻栽培将变成旱稻栽培，原来水地小麦一生种要灌溉10-5次，现在只灌溉1-3次，照样可以亩产500公斤。特别是玉米、水稻、小麦等作物超高产品种的培育成功和推广应用，即通过作物自身的水分利用效率提高，对我国粮食持续增产有重要意义和很大潜力可挖。
我们认为，抗旱节水应用研究从农艺保水节水→以肥调水增水效(水肥耦合)→作物抗旱耐旱育种→高水分利用效率育种→抗旱性和丰产性统一于一体→生物节水→WUE是未来可持续农业发展的关键问题→让每一滴水生产出更多的食物。植物抗旱机理进展从被动的耐旱性研究(细胞质浓度、束缚水含量、细胞膜稳定性，离体失水等)→主动的抗旱性研究(根系吸水、渗透调节等)→节水研究(ABA根冠信号调控叶片气孔开关，优化调节叶片WUE等)→水分高效利用研究(水通道蛋白，高收获指数等)。植物抗旱节水遗传改良的学科发展趋势是从耐旱抗旱形态和育种研究→耐旱(水分胁迫)生理调控机制→抗旱和高WUE遗传→抗旱和高WUE分子生物学→抗旱和高WUE分子遗传→WUE基因工程。我们课题研究小组，近年来在小麦水分利用效率的生理遗传育种进化，基因定位和分子标记方面，开展了深入的研究，说明植物水分利用效率性状受遗传控制，并可以进行遗传改良和栽培提高。目前国外已经克隆了控制拟南芥蒸腾效率的基因，利用转抗旱节水基因提高了小麦等植物的水分利用效率。我国在作物的水分利用效率生理遗传育种及分子生物学等方面的研究还很薄弱。因此，还有待大力加强，应该组织一个“生物节水机理和应用”或者是“提高作物水分利用效率的机理和应用”的研究项目，对我国节水农业和可持续农业的深入发展有重要意义。