水稻高产与优质栽培的冲突与协调

王丹英 徐春梅 褚光 陈松 刘元辉 陈里鹏 章秀福*

（1中国水稻研究所/水稻生物学国家重点实验室，杭州310006；2 杭州市富阳区鹿山街道南山村，杭州310006；第一作者：wangdanying@caas.cn；*通讯作者：zhangxiufu@caas.cn）

水稻是我国主要的粮食作物之一，我国三分之二的人口以稻米为主粮。近年来，国内稻谷年总消费量1.93 亿t 左右，其中口粮消费约1.58 亿t，占国内总消费量的81.7% 左右（2019 年数据）。随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，人们对稻米的需求逐渐从“吃得饱”向“吃得好”转变，迫切需要在稳定产量的同时提高稻米品质，尤其是食味品质，以满足供给侧结构性改革的需求。然而，水稻的稻米品质是多基因控制的复杂农艺性状，品质与产量之间存在着冲突和矛盾，水稻生产实现量质齐升并不容易。

1 我国优质水稻生产的发展起伏及其与高产的关系

我国稻作在漫长的过程中一直都是以增产满足温饱为目的，水稻生产的首要目的是确保国家粮食安全。1960 年后由于品种改良、栽培技术创新、农资如化肥、农药等的发展，以及农业政策的支撑，水稻单产和总产大幅提高。然而，长期以来注重数量，忽视质量和效益，存在水稻生产布局和技术发展不合理，高产品种多、优质品种少，高产栽培理论技术多，优质机理研究薄弱等问题。

1984 年，在粮食总产量连续4 年大幅度提高后，出现了第一次“卖粮难”[1]，全国露天存放的粮食有几百亿公斤，在水稻上主要表现为南方品质较差的稻米如双季稻区的早籼米销售困难。针对1984 年出现的以品质较差稻米为主的“卖粮难”，原农牧渔业部于1985 年召开“优质稻米座谈会”，指出发展优质稻米的重要性，提出发展对策，并于同年举办了首次优质稻米评选，评选出双竹粘、汕优64 等46 个优质水稻品种；在此后的“七五”全国水稻育种攻关中，“优质”成为水稻育种的首要目标；农业行业标准NY20-1986《优质食用稻米》和NY83-1988《米质测定方法》于1986 年和1988 年先后发布[2]。上述措施和行动极大地推动了我国优质水稻的生产与研究。然而，短短几年后的20 世纪80 年代末，稻谷总产量出现负增长，粮食由“供过于求”转为“供不应求”，高产和提高粮食自给率重新成为水稻生产的主题。这是我国优质稻生产发展的第一次起伏[3]。

1990—1991 年，粮食生产在经历了几年徘徊之后，产量出现了爆发式的增加，但与此同时，由于粮食收购资金紧张导致的市场疲软，供给与消费需求不平衡再次导致了以南方早籼稻为代表的“卖粮难”[1]，水稻优质生产再次引起重视。1992 年，国务院在广东省召开了“全国发展高产优质高效农业经验交流会”，提出要走高产、优质、高效的路子；同年，原农业部组织的“首届中国农业博览会”，评出了包括响水大米等6 个大米金奖产品[2]。优质稻米试种示范工作在各地开展。1993年，全国粮价放开，随着粮食流通和粮食生产的市场化、产业化，为了寻找粮食销路和提高种粮效益，各地政府都很重视改善稻米品质。然而，1998—2003 年期间我国水稻面积、单产和和总产都出现了下降，之后各地又大打粮食“翻身仗”，水稻优质问题再次被搁置。这是我国优质稻生产发展的第二次起伏[3]。

2004 年以来，特别是近10 年我国水稻的持续增产，水稻优质生产日益被重视。2017 年，“中央一号文件”中明确指出要“重点发展优质稻米”等产业，着力推进农业提质增效。随着各地不断加大优质品种的选育、评选和推广力度，国审水稻品种的优质率稳步提升。2017 年，国审水稻稻米品质达到优质3 级及以上级别的主要品种（年推广应用面积0.67 万hm2及以上的品种）个数82 个，推广应用总面积408 万hm2，占当年国审水稻主要品种推广面积的54.80%。2018 年通过国家审定的268 个水稻品种中，达到优质米部颁标准的有134 个，占比 50.00%[4]。2018—2020 年，农业农村部连续3 年召开“国家优质稻品种攻关推进暨鉴评推介会”，先后评选出70 个金奖品种（表1）。

表1 优质稻品种食味品质鉴评金奖品种

可见，我国优质水稻生产的发展并不是持续的，而是在起伏中前进。根本原因是水稻的高产与优质存在冲突，现有的水稻品种不能兼顾高产与优质。基于水稻生产在确保国家粮食安全中的重要作用，高产是水稻生产永恒的主题，优质会成为产量到达一定水平后的阶段性目标。高产与优质是相互促进的螺旋式发展关系，我国的水稻生产在“在保持高产的前提下提高品质”和“在保持优质的前提下提高产量”间不停转换，实现水稻产量和品质的共同提升。

2 优质稻的评价与优质生产的主攻目标

优质稻品种是稻米品质达到国家或省颁优质稻品种标准，通过农作物品种审定委员会审定或认定的水稻品种（组合）。优质稻米是外观漂亮、米饭松软、适口性好、达到国家或省颁优质大米标准的大米。优质稻品种是生产优质稻米的基础，优质稻米可以是某个优质稻品种生产的大米，也可以是科学混配的配方米[5]。

现有的优质稻/稻米相关的国家和行业标准有GB/T17891-2017《优质稻谷》、GB/T1354-2018、NY/T593-2013《食用稻品种品质》、LS/T3108-2017《中国好粮油：稻谷》和LS/T3247-2017《中国好粮油：大米》。对前3 个标准比较（表 2），可见：1）行业标准 NY/T593-2013《食用稻品种品质》适用于评价食用稻品种的选育、审定和推广，指标包括出糙率、整精米率、透明度、碱消值、胶稠度、垩白度、食味评分和直链淀粉含量等，品种品质等级按以上述指标全部符合相应等级要求的最低等级判定，三等以上（含三等）为优质食用稻品种。2）国家标准GB/T17891-2017《优质稻谷》适用于评价收购、储存、运输、加工、销售的优质商品稻谷，指标包括整精米率、垩白度、食味评分和直链淀粉含量等，只有整精米率、垩白度、食味评分均达到规定等级指标且直链淀粉含量在规定范围内，才为该等级优质稻谷。3）国家标准GB/T1354-2018《大米》适用于评价经稻米、糙米或半成品大米为原料的食用商品大米，定等指标包括碎米总量、小碎米、加工精度、垩白度、食味评分和直链淀粉含量等。

由表2 可见，整精米率、垩白度、食味评分、直链淀粉含量是决定水稻优质性的关键指标。杨远柱等[4]对2001—2018 年通过国家品种审定的971 个（次）南方稻区杂交籼稻品种的品质性状进行调查，发现杂交籼稻的直链淀粉含量平均为16.52%，因此，根据目前水稻育种实际，直链淀粉含量不是优质的制约因素（籼稻13%~22%，粳稻13%~20%）。因此，水稻优质育种和栽培的主攻指标是：高整精米率、高食味评分、低垩白度[5]。

表2 优质稻米相关的国家标准和行业标准

3 水稻高产与优质栽培的冲突

稻米品质受遗传、环境和栽培因素的影响。如前所述，优质品种是水稻优质生产的前提，品种自身遗传特性是影响蒸煮品质中的直链淀粉含量、胶稠度指标的主要因素[6]。同时，品种生育期的差异会导致其在不同的气象条件下灌浆结实，对稻米的垩白和蛋白质含量有较大的影响。在前面指出的决定优质稻/稻米等级的3 个关键指标整精米率、垩白度和食味品质中，整精米率与水稻粒型、干燥和加工工艺有关，一般长粒、谷粒长宽比小的品种整精米率较低[7-9]。垩白性状是典型的数量性状遗传，与外界因素相关性强，籽粒充实不良或籽粒灌浆速率过快均会增加稻米垩白，垩白受灌浆时的气温、光照、水分和植株营养状况的影响[10]。稻米食味品质是指对米饭的硬度、黏度、适口性、外观、气味等的综合感官评价，与直链淀粉含量、蛋白质含量呈显著负相关[11-13]，直链淀粉含量主要由品种遗传特性决定，而蛋白质含量与组分受栽培因素特别是N 肥用量与方法影响[14]。

当水稻处于不利生长环境时，产量以及品质都会有所下降。研究表明，土壤环境对稻米蒸煮品质及碾米品质具有直接的影响，一般排水性能较好的砂质土生产的稻米蒸煮品质远高于黏重土。在气象因子中，温度尤其是结实期日平均气温是影响米质最重要的气象因子，灌浆期高温增加垩白和蛋白质含量[10，14]；研究表明，花后 6～20 d 温度变化对垩白粒率影响较大，在 25℃～40℃内随温度升高，垩白度和垩白粒率增加[10]。气象因子中结实期光照对米质的影响居于其次，水稻灌浆期如果光照不足，会导致籽粒灌浆充实不良，稻米垩白发生率增加，而光照过强，温度相应升高，促使灌浆过程缩短，也导致稻米垩白的形成[10]。

优质栽培的目的就是通过耕作、播栽期、水分灌溉、肥料施用、栽培密度等措施创造有利于水稻生长和品质形成的良好环境。1）耕作措施通过采用不同的轮作、翻耕等方法改良土壤结构，营造有利于水稻生长的土壤环境。2）播栽期调控通过调整水稻的生育期，使水稻在最佳的光温条件下抽穗结实。播栽期过早或过迟均不能使水稻在最佳的温度和光照下灌浆结实，从而影响水稻产量和品质的形成。3）合理的种植密度通过优化群体结构，协调群体和个体关系实现水稻的高产优质。插秧过密会降低单株资源获得量，如降低单株的光照辐射，导致灌浆充实不良，从而对产量和米质产生不利影响。4）水稻对肥料的反应存在品种间差异，在氮素营养不足时，多数品种会出现叶片早衰现象，光合同化物生产能力迅速下降，籽粒灌浆充实不良、稻米垩白度增加、整精米率下降；但氮素穗肥施用过大，则会引起稻米蛋白质含量偏高、米饭色泽和透明度变差、食味口感下降；而增施钾肥、硅肥和有机肥，会降低垩白粒率和垩白度，提高稻米品质。5）灌溉对水稻的影响主要表现在长期深水淹灌或后期撤水过早会导致水稻根系早衰，养分运输受阻，不仅影响产量，还会导致垩白率增加。

综上可知，水稻高产与优质栽培对播栽期、种植密度和水分管理的要求是一致的，良好的水分管理措施、合理的种植密度和恰当的播栽期既有利于水稻高产又可以提升稻米品质。水稻高产和优质栽培的冲突主要是高产与优质食味之间的矛盾，两者对氮肥管理要求不一致。长期以来，水稻高产依靠高肥的观点深入人心。水稻的氮肥增产效应[即（施氮处理平均产量-不施氮肥处理产量）/不施氮肥处理产量]约43.0%，显著高于玉米和小麦N 肥的25.8%和28.2%[15]。我国多数省区水稻施氮量为170~250 kg/hm2[16]，显著高于世界范围水稻平均施氮量115 kg /hm2[17]。同时，由于水稻对穗肥的吸收效率远高于基肥和蘖肥，为了提高水稻的氮肥利用效率，水稻高产栽培推行“前氮后移”的施肥技术，通过提高穗肥所占比例（最高至50%~60%），分次施用穗肥（促花肥、饱粒肥）等方式实现氮肥增产作用[18-19]。然而，大量研究表明，后期氮肥水平的增加显著提高稻米蛋白质及其组分含量。蛋白质以蛋白体形式填充在淀粉粒间，对淀粉粒的糊化和膨胀起抑制作用。稻米蒸煮和食味品质与稻米蛋白质含量具有非常密切的关系，蛋白质含量高的稻米，其米饭黏性小、硬度大[20]。通常糙米的蛋白质含量为5.1%~15.4%，精米为4.5%~14.3%，当蛋白质含量超过9.0%时食味往往较差[21]。研究发现，精米中的清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白等4 种组分均随氮肥水平的提高而显著增加，当穗肥N 从0 增至120 kg/hm2时，醇溶蛋白增加82%~91%，谷蛋白增加41%~77%；而食味值均与球蛋白、醇溶、谷蛋白呈显著负相关，且籼稻食味值与谷蛋白的负相关系数要远大于粳稻[22]。因此，优质水稻的保优栽培技术应控制稻米蛋白质含量来提高食味品质，而如何降低穗肥N 却不影响水稻产量，成为高产优质栽培协同的难点。

4 水稻高产与优质栽培的协调

水稻幼穗形成期前后所吸收的N 素对产量形成和对稻米品质的作用不同。水稻幼穗形成期前期（1 周）吸收的氮素主要用于巩固穗数和增加每穗粒数，对米粒中的蛋白质含量影响小，N 农学效率高，而抽穗后吸收的氮素增产作用较低，N 农学效率低，且会增加稻米的含氮量[23-24]。因此，水稻高产与优质栽培协同关键在于通过适当的氮肥前移和穗肥早施，减数分裂期之后少用或不用氮肥，控制结实期植株氮素水平，协调好蛋白质与淀粉合成两者之间的平衡。

日本非常重视水稻的食味品质，在水稻优质栽培方面做了很多工作。不同于我国的稻米品质标准，日本优质米有明确的蛋白质含量指标，要求粗蛋白含量＜6.9%[25]。降低稻米蛋白质含量曾一度成为日本北海道优质米栽培要解决的主要问题。日本水稻优质栽培的技术包括：1）选择稻田，要求土壤氮素地力在生育前期充足而到后期表现缺少为好，稻田渗水性良好。2）合理施肥。精确计算氮肥总量，根据幼穗形成期土壤NH4+-N 浓度判断幼穗形成期是否追施氮肥。3）慎重选择有机肥和秸秆还田。可适量施用鱼粕、油粕等早期供氮类型有机肥，因秸秆还田可以提高地力，增加保肥性，氮素肥力高的水田或排水不良的水田以清除稻秸为宜，透、排水良好的水田，可以秋翻稻秸；此外还包括施用硅肥、适度密植等措施[23-27]。

在我国长江中下游稻区，水稻生殖生长期的干物质积累量，特别是抽穗后的干物质积累量与产量密切正相关。在水稻高产栽培中，通过N 肥后移、穗肥多次施用等提高孕穗抽穗期的光合能力，延缓灌浆期的植株早衰，被普遍认为是一种高产施肥策略。但根据目前的水稻食味与氮的关系的研究结果，通过增施氮肥，特别是增加生育后期的氮肥用量促高产的栽培措施必然导致食味品质的下降。借鉴日本在水稻优质栽培上的做法，我国水稻高产与优质相协调的栽培策略应该是：1）通过增加幼穗形成前期之前的N 素吸收，适当减少生殖生长后期及灌浆结实期的N 素供应来降低稻米的蛋白质含量，提高食味品质；2）通过促进前期生长发育，建立良好群体，提高营养生长期的干物质积累量来实现高产。其中，增加前期干物质积累量以弥补生育后期减N 导致的生物量减少，精准判断和把握穗肥施用时间、用量是高产与优质相协调的关键。