长江流域中稻产量和品质性状差异与其生育期气象因子的相关性

陆佳岚 王净 马成 陶明煊 赵春芳 张亚东 李霞 方先文 张俊 陈长青 张巫军 夏加发 江学海 柳开楼 乔中英 张彬

摘要：为了探讨在不同光温条件下水稻品种产量和品质的响应特点，利用长江流域中稻区多样的气候条件，2017年和2018年分别在长江流域中稻区9个省（市）设立10个和11个试验点，选择各地区代表性品种8～9个，共18个品种，进行大田分期播种试验，以当地最适播种期为基准，前后共分3期播种，分析供试水稻产量和品质的變化，并记录同期的气象特征。结果表明：所有试验点2年3期分期播种水稻品种的光温特征可以分为3个区域，即高温高光照区（长江流域中部）、低温低光照区（长江流域西部）以及中温中光照区（长江流域东部）;产量高低顺序为低温低光照区（长江流域西部）>中温中光照区（长江流域东部）>高温高光照区（长江流域中部），精米率为中温中光照区（长江流域东部）>低温低光照区（长江流域西部）>高温高光照区（长江流域中部），垩白粒率和蛋白质含量均为高温高光照区（长江流域中部）>中温中光照区（长江流域东部）>低温低光照区（长江流域西部），直链淀粉含量为低温低光照区（长江流域西部）>高温高光照区（长江流域中部）>中温中光照区（长江流域东部），胶稠度为中温中光照区（长江流域东部）>高温高光照区（长江流域中部）>低温低光照区（长江流域西部），糊化温度区域间差别不大。相关分析结果显示，齐穗后光、温分别与产量和品质均显著相关（P<0.05），在长江流域中稻区，选择适宜的品种，参照长江流域中部 “双减”（齐穗后20 d内的平均温度不超过31 ℃，日照时数不超过160 h）、长江流域东部 “一减（温）一增（光）”（齐穗后平均温度不超过29 ℃，日照时数不少于90 h）以及长江流域西部“双增”（平均温度不低于20 ℃，日照时数不少于110  h）等温光原则，均可以种植出高产与优质协调的稻米。

关键词：水稻;长江流域;产量;品质;温度;光照

中图分类号：S162.5+3; S511.033文献标识码：A文章编号：1000-4440（2020）06-1361-12

Abstract：Response characteristics of yield and quality to different air temperature and light conditions were investigated in this study. A comparative experiment was carried out by using total 18 medium rice varieties as materials under field conditions to study the differences in yield and quality traits under diverse climatic conditions in the Yangtze River basin. The study was conducted in 10 and 11 sites of nine provinces during 2017 and 2018. The sowing times were set for three groups， divided into three periods before and after the local optimum sowing time. Furthermore， the correlation analysis between rice yield/quality characters and temperature/light condition during the growth periods was studied. The results showed that the light/temperature characteristics of the test sites including three sowing stages could be divided into three areas including high temperature and high light area （HTHLA， main in the middle part of the Yangtze River basin）， low temperature and low light area （LTLLA， main in the west part of the Yangtze River basin） and middle temperature and middle light area （MTMLA， main in the east part of the Yangtze River basin）. The changes of yield and quality traits in different regions also showed regional characteristics. For yield， it was shown as LTLLA>MTMLA>HTHLA. For quality traits， different traits showed different performance. The milled rice rate was shown as MTMLA >LTLLA >HTHLA. Both the chalkiness rate and protein content were as HTHLA > MTMLA> LTLLA. Amylose content was LTLLA>HTHLA>MTMLA. The gel consistency was MTMLA > HTHLA > LTLLA. Gelatinization temperature among areas was no significant difference. Correlation analysis showed that the light and temperature after full heading were significantly correlated with yield and quality characteristics （P<0.05）. In whole， choosing suitable varieties according to the conditions within 20 days after heading （the average temperature is no more than 31 ℃ and sunshine hours are no more than 160 h in the middle part， the average temperature is no more than 29 ℃ and sunshine hours are no less than 90 h in the east part， and the average temperature is no less than 20 ℃ and sunshine hours are no less than 110 h in the west part， the rice varieties with high yield and good quality can be planted in all the areas of Yangtze River basin.

Key words：rice;Yangtze River basin;yield;quality;temperature;light

水稻是世界上最重要的谷类作物之一，养活了全世界一半以上的人口[1]。中国水稻生产先后经历矮化育种、杂种优势利用、超级稻研发和水稻功能基因组研究等重要阶段，促使水稻产量得到大幅提高[2]。随着人民生活水平的提高，膳食结构和食用习惯发生了重大改变，对稻米品质尤其是食味品质的要求越来越高[3]。而由于人口数量增长、环境恶化、耕地面积减少以及耕地质量下降等因素，迫切要求育种家们能够选育出广适性强且高产优质的水稻品种。近年来，全球气候异常现象频繁出现，对中国水稻生产时空变动产生重大的影响[4]。因此，选育和栽培出适于现阶段气候特征的优质高产水稻品种，是中国水稻生产面临的新挑战，将对中国乃至世界粮食安全均具有重要意义[5]。

水稻的产量和稻米品质受到遗传特性和环境因子的双重调节，而生态环境因子尤其是水稻种植区域气温和光照条件对稻米产量和品质也有较强的调节作用。本世纪初，中国科学家已对水稻优质的气象适应特征进行了研究和总结，对当时优质水稻的布局和区划具有重要意义[6]。但是，近10年的气象特征发生了变化，而且气候异常和气候灾害使农业面临生产不稳定和产量波动大的问题尤为突出[7]。根据中国农村统计年鉴数据，2012年长江流域水稻播种面积约2.000×107 hm2，占全国水稻播种面积的 66.7%;总产量 1.38×108 t，占水稻总产量的 67.7% ;平均产量6 873 kg/hm2，高于全国平均产量（6 777 kg/hm2） [8]。因此，长江流域是中国最大的水稻生产区，但是该区域跨度大，光温条件差异大，而且近年来极端环境对该地区水稻产量和品质的影响也最显著和复杂[9]。长江流域江苏省、安徽省、湖北省、四川省及重庆市2005-2016年国审水稻品种的产量和品质特征与其相近纬度（29.61～33.5°）的气象数据的分析结果表明：长江流域水稻主产的5省市近12年国审稻米产量逐年增加，稻米品质从东（江苏）到西（四川）品质变差，东部地区避开高温以及西部增加光照时数均有利于该地区获得优良品质[10]。以上研究结果主要是通过收集的统计数据获得，在整体长江流域实际大田种植条件下，稻米产量和品质性状对生育期不同光温的响应特性的系统研究尚不多。因此，本研究在2017-2018年，利用長江流域一季中稻区多样的气候条件，选取各地不同类型的中稻品种（常规籼稻、常规粳稻以及两系和三系的籼型杂交稻），在大田条件下进行跨区多点的分期播种试验，分析在不同温光大田种植条件下，供试水稻产量和品质的变化特征，并分析其与实际光温条件的相关性，以期为长江流域优质中稻品种的选择、调整一季中稻的安全播种期以获得优质和高产兼顾的栽培措施提供参考。

1材料与方法

1.1试验品种及试验设计

选取的供试水稻品种（品系）信息见表1，分为常规籼稻、常规粳稻以及两系和三系籼型杂交稻。根据长江流域中稻区的气候特点，2017年和2018年分别在9个省市设立10个和11个试验点，以各地区8～9个品种（品系），共18个品种（品系）作为试验材料，每个试验点分3期播种，具体试验点、种植品种以及播种日期见表1。每个试验点分别在当地最适播期及前、后20 d左右3个时期进行大田条件下分期播种，模拟机插，秧龄20 d，各种植点行距和株距均一致（行距为30.0 cm，株距为16.5 cm），双本栽插。氮肥施用量为225 kg/hm2，氮肥按基肥∶蘖肥∶穗肥=4∶3∶3 施用。各试验点均采用随机区组设计，重复3次，小区面积20 m2，常规水肥管理和病虫害管理。各试验点统一按照《农作物品种区域试验技术规范水稻》（ NY/T 1300-2007） [11]进行性状调查记载。待收获后，进行每小区5 m2测产，并考察主要产量构成因子。

1.22017年和2018年试验点气象资料的收集和分析

根据王端等[10]的方法，本研究中的气象数据来源于中国气象局共享服务网（http：//data.cma.cn/data/cdcindex/cid/6d1b5efbdcbf9a58.html）。从该网站下载2017-2018年各试验点各气象台站的逐日气象资料，主要包括日照时数和平均气温，各台站的空间位置数据来自中国气象局，基础地理信息数据来自中国测绘局数据中心（http：//www.ngcc.cn）。分别分析该年份水稻种植期间平均温度以及日照时数等数据。

1.3测定项目及方法

1.3.1产量及其构成因素成熟期调查每小区100 穴， 计算有效穗数， 取10 穴调查每穗粒数、结实率和千粒质量， 推测理论产量， 成熟后每小区实收测产。

1.3.2稻米品质各地种植的稻米统一脱粒，晒干，室内贮藏3个月后，用NP-4350 型风选机等风量风选。参照中华人民共和国国家标准《GB/T 17891-1999 优质稻谷》[12]测定精米率、垩白粒率和胶稠度等。

1.3.3蛋白质含量的测定用凯氏定氮法测定蛋白质含量， 称取80 目粉样1.00 g 于凯氏管中，加入0.20 g CuSO4 及2.00 g K2SO4，置消煮炉， 420 ℃消煮1.5 h 至淡蓝色透明。放置0.5 h 至常温， 用凯氏定氮仪进行测定并计算出蛋白质含量， 大米换算系数为5.95[13]。

1.3.4直链淀粉含量的测定利用碘比色法进行直链淀粉含量测定[14]。

1.3.5糊化温度的测定参照 GB/T 24852-2010 的方法[15]，采用澳大利NewportScientific 仪器公司生产的Super3 型RVA 快速黏度分析仪测定淀粉谱黏滞特性，用配套软件TWC 分析，测定糊化温度。

1.4统计分析

整精米率是最为重要的稻米加工品质指标，决定着稻米的商品性，它对气温的响应可分为灵敏型、中间型以及迟钝型。一般温凉的气温有利于获得较高的整精米率，温度过高过低均降低整精米率[32]。且齐穗后15 d内的平均气温≥27 ℃（籼稻） 或≤21 ℃（粳稻）， 以及弱光均会使相应品种稻米的加工品质下降[33]。并且整精米率与结实中期的日均辐射量呈负相关关系[34]。本研究结果显示：2017年气温较高，水稻不同时期的气温与整精米率均呈负相关关系，而2018年气温比2017年低，则整精米率与2018年的气温以及日照时数呈正相关关系。可见，稻米的加工品质是光温互作的结果，存在一定的温度阈值，在温度适宜的条件下，适当的提高温度和延长日照时数有利于稻米加工品质的改善。

稻米最主要成分是淀粉，占稻米干质量的70%以上，其中直链淀粉含量为稻米品质定级的决定性指标之一。抽穗结实期的气候条件对稻米的直链淀粉含量影响较大，抽穗结实期相对较高温度使直链淀粉含量增加[35]。与此同时，品种稻米直链淀粉含量的差异也影响着其结实期光温的响应规律，如水稻结实中期日平均气温（即齐穗到齐穗后20 d的气温）和日均辐射量与直链淀粉含量低的品种直链淀粉含量呈负相关关系， 而与糯型品种的直链淀粉含量呈正相关关系[33，36-37]。本研究结果表明： 长江流域种植的水稻直链淀粉含量在2017年与齐穗期到成熟期的平均温度呈显著正相关关系，与同期的日照时数呈负相关关系;而2018年則与播种期到齐穗期、播种期到成熟期以及齐穗后20 d的平均气温呈显著或极显著的负相关关系，与齐穗期到成熟期、播种期到成熟期以及齐穗后20 d的日照时数也呈显著或极显著的负相关关系。可见气温增加有利于增加稻米直链淀粉含量，而增加光照度则降低了稻米直链淀粉含量。

稻米中蛋白质含量也是衡量稻米品质的重要生化指标之一[38-39]。相同试验条件下种植的同一水稻品种因不同试验小区以及不同种植月份， 糙米蛋白质含量变化范围为9%～15%[40];尤其与灌浆期平均温度、太阳辐射和日较差相关[27-28]。25 ℃左右是籼稻蛋白质含量最高的温度，高温（36 ℃/30 ℃，昼/夜）和低温（ 21 ℃/20 ℃，昼/夜）均不利于其籽粒蛋白质的形成[41-42]。灌浆结实期高温胁迫增加了粗蛋白含量，降低了醇溶蛋白含量，并影响稻米的食味和加工特性[43]。本研究结果表明蛋白质含量主要与前期营养期的平均温度呈正相关关系，而与生育后期的日照时数呈显著负相关关系;2018年温度对蛋白质含量的影响与2017年类似。

影响垩白的主导因子是齐穗后15 d内的日平均气温，而且在全国呈现明显的地域特征，即中国自北向南，稻米的垩白随均温的变化由小到大，垩白≤ 5%的稻区为四川盆地以北、淮河以北及云贵高原地区，即华北、东北以及西北一年一熟单季稻作区，其稻米外观品质好; 垩白5%～10%的稻区为四川盆地、滇南及淮南至沿江江南地区;垩白10%～20%的稻区为云贵高原以东、长江以南双季稻早稻区，即华中、华南一年三熟双季早稻区;中国华中和华南一年三熟双季晚稻，气温较早稻低，垩白在5%左右[18]。高温增加垩白面积，弱光减少垩白粒率[27]。水稻结实期中期日平均气温和日均辐射量与垩白粒率高、垩白大、透明度高呈正相关关系[33]。本研究结果表明：垩白是受光温环境影响最大的品质性状，变异系数高达83.57%，也表现为长江流域东西部垩白粒率较低，长江流域中部高温高光照区垩白粒率较高。其他品质性状如胶稠度和糊化温度与自然温光的关系无规律，此消彼长，表明这些性状比较复杂，自然温光对其影响有限。

中国水稻生产不仅要满足国家粮食安全的需要，也要应对极端气候频发以及耕地面积减少的挑战，这就需要在水稻新品种选育过程中重点选育兼具高产、优质、多抗、广适、适宜机械化以及易制种等多种性状的品种。本研究根据2年大田试验中产量和品质对光温响应的表现，以优质优先为前提，将长江流域中稻分为3种类型，即高产优质型、稳产优质型和低产优质型。以本试验列出的光温条件以及适宜的品种，各地均可以获得高产和优质俱佳的稻米。对于稳产优质类型，不同地区光温区域范围更广些，例如长江流域东部地区较高温度或者增加日照时数，对稻米产量潜力影响不大，通过气温或日照时数的补偿均可获得优质的稻米，而长江流域中部地区较高温度和延长日照时数对稻米产量影响不大，对一些适应性广的籼稻品种仍可以获得高品质稻米，但本研究的供试品种中没有适合长江流域西部地区的稳产优质类型。对于低产优质的品种类型，长江流域东部地区采用气温和日照时数补偿的方法虽然严重影响稻米产量，但对于适应性较广的常规粳稻和籼稻，在不良的平均气温或日照时数下，仍可获得优质，如淮稻5号和黄华占等;长江流域中部地区平均气温和日照时数虽严重影响稻米产量，但是获得优质的稻米种类增加，例如软米类型南粳9108等;长江流域西部地区平均气温和日照时数显著影响稻米产量，但是一些适应性广且抗病的籼稻品种在该地区也可获得优质的稻米。因此，利用各地的光温条件，长江流域中稻区均可以种植高产、优质以及有其他特性的不同类型水稻。

总之，长江流域中稻区水稻生育期光温条件差异显著，即长江流域中部高温高光照、长江流域西部低温低光照以及介于两者之间的长江流域东部地区，产量和品质均显示光温区域特点。长江流域中稻区利用各地的光温条件以及选择适宜品种，按照中部高温高光照地区“双减”（齐穗后20 d内平均温度不超过31 ℃，日照时数不超过160 h）、东部中温中光照地区“一减一增”（齐穗后平均温度不超过29 ℃，日照时数不少于90 h）、西部低温低光照地区“双增”（平均温度不低于20 ℃，日照时数不少于110  h）的温光原则，可以种植出高产与优质协调以及具有特殊用途的不同类型稻米。

参考文献：

[1]KHUSH G S. What it will take to Feed 5.0 Billion Rice consumers in 2030[J]. Plant Molecular Biology， 2005，59（1）：1-6.

[2]吕凤，杨帆，范滔， 等. 1977-2018 年水稻品种审定数据分析[J].中国种业，2019（2）： 29-39.

[3]盛文涛，吴俊，姚栋萍，等. 稻米食味品质的影响因素及中国籼稻食味品质改良存在的问题与策略[J].杂交水稻，2014，29（3）：1-5.

[4]程勇翔，王秀珍，郭建平，等. 中国水稻生产的时空动态分析[J].中国农业科学， 2012， 45（17）：3473-3485.

[5]李广贤，侯恒军，袁守江，等. 2010-2018 年黄淮稻区国审水稻品种的基本特性分析[J].山东农业科学， 2019，51（4）：13-23， 29.

[6]农业部种植业管理司. 中国稻米品质区划及优质栽培[M].北京：中国农业出版社， 2002.

[7]周曙东，周文魁，林光华，等. 未来气候变化对我国粮食安全的影响[J].南京农业大学学报（ 社会科学版）， 2013， 13（1）： 56-65.

[8]国家统计局. 中国农村统计年鉴[M].北京：中国统计出版社， 2013.

[9]杨晓光，刘志娟，陈阜. 全球气候变暖对中国种植制度可能影响Ⅰ.气候变暖对中国种植制度北界和粮食产量可能影响的分析[J].中国农业科学， 2010，43（2）：329-336.

[10]王端，黄雅，朱晓妹，等. 长江流域5省市近10年国家审定水稻品种产量和品质与其相应气候特性的分析[J]. 江西农业大学学报， 2018，40（6）：1207-1216.

[11]中华人民共和国农业部. 农作物品种区域试验技术规范水稻： NY/T 1300-2007[S].北京：中国标准出版社， 2007.

[12]国家质量技术监督局.优质稻谷： GB /T 17891-1999[S].北京：中国标准出版社， 1999.

[13]周丽慧，刘巧泉，张昌泉，等. 2 种方法测定稻米蛋白质含量及其相关性分析[J]. 扬州大学学报（农业与生命科学版）， 2009， 30（1）： 68-72.

[14]徐栋，朱盈，周磊，等. 不同类型籼粳杂交稻产量和品质性状差异及其与灌浆结实期气候因素间的相关性[J].作物学报，2018， 44（10）： 1548-1559.

[15]国家质量技术监督局.大米及米粉糊化特性测定快速黏度仪法：GB/T 24852-2010 [S]. 北京：中国标准出版社， 2010.

[16]何秀英，程永盛，刘志霞，等. 国标优质籼稻的稻米品质与淀粉RVA谱特征研究[J].华南农业大学学报，2015，36（3）：37-44.

[17]王兴，刘晶晶，阚苗苗，等. 我国主要粮食作物产量预测模型及分布特征分析[J].长江大学学报（自然科学版） ，2014，11（11）：76-79.

[18]马国辉.环境生态对中国稻米品质的影响[J]. 农业现代化研究，1998，19（3）：146-149.

[19]韩芳玉，张俊飚，程琳琳，等. 气候变化对中国水稻产量及其区域差异性的影响[J].生态与农村环境学报，2019，35（3）：283-289.

[20]沈陈华. 气象因子对江苏省水稻单产的影响[J]. 生态学报，2015，35（12）：4155-4167.

[21]吴超，崔克辉. 高温影响水稻产量形成研究进展[J].中国农业科技导报，2014，16（3）：103-111.

[22]杜彥修，季新，张静，等. 弱光对水稻生长发育影响研究进展[J].中国生态农业学报，2013， 21（11）：1307-1317.

[23]TIAN Z X，QIAN Q，LIU Q Q，et al. Allelic diversities in rice starch biosynthesis lead to a diverse array of rice eating and cooking qualities [J]. PNAS，2009，106（51）：21760-21765.

[24]ZHANG Z J，LI M，FANG Y W， et al. Diversification of the Waxy gene is closely related to variations in rice eating and cooking quality [J]. Plant Molecular Biology Reporter，2012，30 （2）：462-469.

[25]ZHOU H J， WANG L J， LIU G F， et al. Critical roles of soluble starch synthase SSIIIa and granule-bound starch synthase Waxy in synthesizing resistant starch in rice [J]. PNAS， 2016， 113（45）：12844-12849.

[26]YANG Y H， GUO M， SUN S Y， et al. Natural variation of OsGluA2 is involved in grain protein content regulation in rice [J].Nature Communications， 2019，10：1949.

[27]李欣，顾铭洪，潘学彪. 稻米品质研究Ⅱ.灌浆期间环境条件对稻米品质的影响[J].扬州大学学报（农业与生命科学版）， 1989，10（1）：7-12.

[28]唐永红，张嵩午，高如嵩， 等. 温度对稻米品质的时段效应分析[J].中国农业气象， 1997， 18（1）：9-12.

[29]黄英金，罗永锋，黄兴作，等. 水稻灌浆期耐热性的品种间差异及其与剑叶光合特性和内源多胺的关系[J]. 中国水稻科学， 1999，13（4）：205-210.

[30]陶龙兴，王熹，廖西元，等. 灌浆期气温与源库强度对稻米品质的影响及其生理分析[J]. 应用生态学报， 2006， 17（4）： 647-652.

[31]程方民，钟连进.不同气候生态条件下稻米品质性状的变异及主要影响因子分析[J].中国水稻科学， 2001，15（3）：187-191.

[32]张嵩午，周德翼. 温度对水稻整精米率的影响[J]. 中国水稻科学， 1993， 7（4）：211-216.

[33]李林，沙国栋，陆景淮. 水稻灌浆期温光因子对稻米品质的影响[J].中国农业气象，1989，10（3）：33-38.

[34]孟亚利，高如嵩，张嵩午. 影响稻米品质的主要气候生态因子研究[J].西北农业大学报， 1994，22（1）：40-43.

[35]高焕晔，王三根，宗学凤，等. 灌浆结实期高温干旱复合胁迫对稻米直链淀粉及蛋白质含量的影响[J]. 中国生态农业学报，2012，20（1）：40-47.

[36]程方民，丁元树，朱碧岩. 稻米直链淀粉含量的形成及其与灌浆结实期温度的关系[J]. 生态学报， 2000， 20（4）： 646-652.

[37]张桂莲，张顺堂，王力，等. 抽穗结实期不同时段高温对稻米品质的影响[J]. 中国农业科学， 2013， 46（14）： 2869-2879.

[38]裘实，卫平洋，魏海燕，等. 穗发芽程度对粳稻稻米品质和蛋白质组分的影响[J]. 江苏农业学报，2019，35（3）：523-530.

[39]孔令國，汪永辉，韩晓东，等. 禾稼春叶面肥对不同氮素水平下水稻生长及大米品质的影响[J].江苏农业学报，2018，34（4）：790-798.

[40]RESURRECCION A P，HARA T，JULIANO B O，et al. Effect of temperature during ripening on grain quality of rice[J]. Soil Science and Plant Nutrition，1977，23（1）：109-112.

[41]梁成刚，陈立平，汪燕，等. 高温对水稻灌浆期籽粒氮代谢关键酶活性及蛋白质含量的影响[J]. 中国水稻科学，2010，24（4）：398-402.

[42]周广恰，徐孟亮，谭周，等. 温光对稻米蛋白质氨基酸含量的影响[J].生态学报，1997， 17（5）：537-542.

[43]任万军，杨文钰，徐精文，等. 弱光对水稻籽粒生长及品质的影响[J].作物学报，2003，29（5）：785-790.

（责任编辑：张震林）