大气CO2浓度及温度升高对稻米品质的影响

潘 越

（扬州大学农学院，江苏 扬州 225000）

大气二氧化碳（CO2）浓度和全球地表温度持续升高，这已成为包括我国在内的全球气候变化的两个鲜明特色。大气中CO2浓度已从工业革命前280 ppm上升到现在的400 ppm，且增速仍在加大。最新模型预测，本世纪中叶大气中CO2浓度将增加到550 ppm。大气CO2浓度和其它温室气体浓度升高将吸收太阳能，进而导致地表气温增高。诸多模型预测本世纪末温度将上升1.8-4.5℃。气候变化已是全球（尤其是发展中国家）粮食生产波动的最重要原因，威胁着世界粮食产量和质量的安全。

粮食作物品质与粮食安全的关系越来越密切，在我国粮食产量“连增”的背景下，近年来国家一号文件强调，在重视粮食数量的同时，要更加注重品质和质量安全，重点发展优质稻米和强筋弱筋小麦。水稻为全球半数以上的人口提供热量和营养。目前气候变化对水稻影响的研究大多集中在生长和产量方面。相反，对稻米品质影响的报道相对较少且分散。因此，本文将从稻米加工品质、外观品质、蒸煮食味品质及营养品质等方面总结气候变化对水稻品质影响的实验进展，并展望了该领域未来的发展方向。

1.加工品质

根据稻米的不同用途，稻米有着不同的品质评价标准，总体上包括加工品质、外观品质、蒸煮食味品质和营养品质等四大类。加工品质是稻谷加工过程中表现品质指标，决定了稻谷得米率，直接与农民受益相关。高CO2浓度环境下稻米加工品质多呈变劣趋势。日本研究发现高CO2浓度使精米率显著下降，使整精米率平均下降11%。中国研究指出，高CO2浓度使武运粳23、Asominori和IR24的糙米率、精米率特别是整精米率均显著下降，最高降幅达24%。Usui等发现，稻米加工品质对CO2的响应可能还与品种特性有关：高CO2浓度使5个敏感品种整精米率下降10%，而7个耐性品种只下降2.2%。以上结果表明，高CO2浓度环境下生长的稻米将去除糠层并产生较多碎米，进而导致商品价格降低。

灌浆期高温胁迫使加工品质多呈恶化趋势，下降的一个主要原因是与垩白米增加有关。Usui等最新FACE试验发现，高CO2浓度及高温均使整精米率下降，二因子互作时整精米率最低。谢立勇等发现两因子共同增加使中作93加工品质恶化。Usui等比较两季数据后发现，高温季热敏品种高CO2浓度导致的碎米明显增多，而耐热品种没有这一现象。说明高温具有进一步恶化CO2浓度升高环境下稻米加工品质变劣程度的风险——二因子对稻米加工品质有明显的互作效应。

2.外观品质

外观品质决定着稻米呈现给消费者的第一感官印象。垩白是稻米中白色不透明部分，通常是由于胚乳中的淀粉体和蛋白质体排列不紧密，相互间存在空隙，引起空气折射而形成的一种光学特征，它是决定市场稻米价值的一个主要特性。高CO2浓度下生长的稻米体积增大或不变，但垩白多呈增加趋势。日本研究发现，高CO2浓度使Akitakomachi垩白显著增加2.6%。中国学者报道高CO2浓度使常规粳稻武香粳14垩白面积（+3%）、垩白粒率（+17%）和垩白度（+28%）均大幅增加；杂交籼稻汕优63亦有类似趋势。高CO2环境下，稻米垩白增多，导致米质疏松、硬度小，在加工过程中易断裂成碎米，因此稻米垩白增加与加工品质下降呈明显的正相关关系。

高CO2浓度条件下稻米垩白增加的原因目前尚不确定，有研究认为这主要与高CO2浓度导致籽粒灌浆速率波动有关：中国学者观察到，高CO2浓度显著促进武香粳14灌浆早期籽粒的生长，但使后期灌浆速度下降，灌浆期缩短，进而导致充实不良、垩白增加。最新研究发现，高CO2浓度环境下稻米垩白与蛋白质及其组分浓度的下降密切关联，但其内在机理尚不明确。

水稻灌浆期遭遇高温对籽粒大小影响较小，但稻米垩白明显增加。高温条件下垩白米的增加主要与淀粉积累受阻有关，如果增加同化物供应，高温下稻米的乳白色和白色内核明显减少。除个别研究外，多数文献报道CO2与温度对籽粒重量和大小不存在交互作用。但关于垩白，Jingb等研究发现，CO2浓度或气温升高均使武运粳23稻米垩白率、垩白面积和垩白度增加，两因子同时升高时稻米的垩白增幅更大，其中CO2与高温处理对垩白率和垩白度有显著的互作效应。

3.蒸煮食味品质

蒸煮食味品质是指在蒸煮及食用过程中，稻米所表现的理化和感官特性，是稻米品质的一个核心指标。其中，直链淀粉含量及胶稠度被认为可以直接评价稻米蒸煮食味品质。高CO2浓度对稻米直链淀粉含量影响的报道很不一致。温室研究发现， 高CO2环境下生长的稻米直链淀粉含量下降了19%，但中国大田研究发现直链淀粉含量对CO2无显著响应。稻米中直链淀粉含量对淀粉粘滞性（RVA谱）有很大影响。多数研究认为高CO2浓度使稻米最高粘度和崩解值增加，而消解值呈下降趋势。这些RVA谱特征值的变化表明高CO2浓度环境下生长的稻米淀粉更易糊化，蒸煮后粘滞性更强，利于改善稻米食味品质。物性分析仪、食味计或人工品尝的结果也证明，高CO2浓度环境下生长的稻米蒸煮食味品质也有变优的可能。

温度升高使多数品种直链淀粉含量及蒸煮食味严重降低。关于CO2和温度互作对蒸煮食味品质的影响因不同指标而异。Madan等]短期高温试验发现，高温胁迫导致直链淀粉含量下降的现象在高CO2浓度环境下更为明显，但Ziska等研究没有观察到这种交互作用。Jingb等淀粉RVA谱以及稻米食味分析结果表明，大气CO2浓度或气温升高均使武运粳23稻米适口性变好，但CO2与温度同增环境下的增幅最大，这呈现明显的互作效应。

4.营养品质

蛋白质是稻米营养品质的最重要指标。高CO2浓度均使稻米蛋白质浓度和含氮率下降，降幅会因CO2水平及品种而异。整合分析表明高CO2浓度使水稻籽粒蛋白质浓度平均下降8-10%。从蛋白质组分看，高CO2浓度稻米的清蛋白（-34%）、醇溶蛋白（-21%）、谷蛋白（-17%）和球蛋白浓度（-16%）均明显下降。氨基酸组成及其含量也是衡量稻米营养品质的重要指标，但相对有关蛋白质的研究而言，这方面的报道甚少。Zhang等报道高CO2浓度使稻米15种氨基酸浓度平均下降30-40%。吴健等发现高CO2浓度使汕优63所有必需氨基酸的降幅均达显著水平。周晓冬等FACE研究表明，高CO2浓度使精米所有氨基酸含量均显著下降（最大降幅为14%），但降幅在品种间存在差异。

适度增温可导致稻米蛋白质浓度增加，但温度过高则相反。Jingb等报道，增温1℃对环境CO2浓度下稻米蛋白质及其组分均无显著影响，但高CO2浓度环境下多明显增加，其中CO2浓度与温度对清蛋白、球蛋白和醇溶蛋白浓度的互作均达显著水平；Usui等在日本也发现了相似的规律。高温下籽粒蛋白质浓度的增加被认为与“浓缩机制”有关，即逆境对淀粉积累的影响大于蛋白合成。以上说明，高CO2浓度对稻米蛋白质及其组分的影响明显大于高温的影响。这说明未来气候下稻米营养品质将呈恶化趋势。

结语

综上，尽管前人已展开了气候变化对水稻品质的影响，取得了部分进展，但这些研究通常只调查少数品种的个别品质指标，缺乏对本领域稻米品质全方面（如饲草品质及卫生品质指标等）的研究，这严重阻碍了人们对稻米品质的全方位评价。更为紧迫的是，我们对其形成机理了解的很少。高产和优质是我国长期粮食发展战略，在全球气候变化背景下，研究产量形成机制的同时亦更需要多加关注稻米品质的变化。