矿质元素对稻米品质影响研究进展

李亚辉 高庆超 潘超 孙晨晨 张志勇 梁颖

（江苏省农业科学院农产品质量安全与营养研究所，南京 210014；第一作者：liqianhao217@126.com；*通讯作者：yzuzzy@163.com；mnily555@163.com）

水稻是世界上三大主要粮食作物之一，目前全世界约有50%以上的人口以稻米为主食，亚非贫困地区人群更是把其作为热量和营养的主要来源[1-2]。在全球耕地面积不断减少的背景下，增加稻米产量可有效缓解全球性的“粮食危机”和“饥饿问题”，随着科学技术的进步和育种技术的发展，水稻产量逐年提高，稻米品质也不断改善并越来越受到人们的关注[3-4]。稻米品质是稻米作为商品流通时所必须具备的基本特征，通常包括加工品质、外观品质、蒸煮食味品质和营养品质等[5]。加工品质是指稻谷经碾米加工成精米过程中糙米、精米和完整精米占试样稻谷的百分比，即糙米率、精米率和整精米率；外观品质主要指稻米的垩白度、粒长、粒型、透明度和光泽等，是对稻米进行分级的主要参考依据；蒸煮食味品质是指稻米在蒸煮及食用中表现出的理化和感官特性，主要包括直链淀粉含量、胶稠度、糊化温度及米饭的硬度、光泽和香味等指标；营养品质主要指稻米中蛋白质含量及其氨基酸的组成和比例等[6]。稻米品质是稻米内在物理结构和化学组成的外在反映，是水稻品种遗传特性、生长环境、栽培技术、加工技术以及储藏条件等多种因素综合作用的结果[7-8]。

矿质元素是指除碳（C）、氢（H）、氧（O）外，主要存在于土壤和肥料中，由植物根系从土壤中吸收，并对植物生长发育和生理功能起重要调节作用的元素[9]。矿质元素是植物生长的必需元素，缺少这类元素植物将不能健康生长。矿质元素包括大量元素氮（N）、磷（P）、钾（K），中量元素钙（Ca）、镁（Mg）、硫（S）、硅（Si）和微量元素氯（Cl）、硼（B）、锌（Zn）、铁（Fe）、锰（Mn）、铜（Cu）、钼（Mo）、钴（Co）、钒（V）、镍（Ni）[10-11]。在水稻生长过程中矿质元素不仅对水稻生命活动具有重要影响，而且对水稻产量和稻米品质的形成也有重要作用[12-13]。土壤中矿质元素含量与稻米品质具有显著的相关性[14-15]，不同矿质元素在稻米品质形成过程中作用不同，且不同矿质元素之间存在一定的互作效应[10]。本文综述了不同矿质元素对稻米品质形成的影响，以期为水稻种植中提高稻米品质提供一定的理论依据和技术指导。

1 大量元素对稻米品质的影响

N、P、K 是水稻生长发育中必不可少的3 种营养元素，对稻米产量和品质有着重要影响，整体来说影响程度表现为N>K>P，目前的研究关注最多的是N，对其研究也较为全面和深入，其次是K，对P 的研究则较少[16-18]。

1.1 N 元素

在所有矿质元素中，N 是影响水稻生长发育最活跃的元素，也是对稻米品质形成作用最直接、影响最大的元素，合理的N 肥运筹对提高水稻产量及改善稻米品质具有重要作用[19-20]。关于N 肥运筹对稻米品质的影响，国内外学者主要从施用时期、施用比例和施用量等方面做了大量的研究[13，21]。

关于施N 时期，有研究证明，水稻生长中N 肥后移可以延长叶片持绿时间，加强光合作用，提高千粒重，结实期追施N 肥可提高精米率和整精米率，降低垩白粒率和垩白度，提高加工品质和外观品质[22-24]。然而，也有研究者指出，后期施用N 肥会使水稻垩白粒率上升，外观品质变差[22]。同时N 肥后移可提高稻米直链淀粉含量和籽粒粗蛋白含量，提高蒸煮食味品质和营养品质，还可降低峰值黏度和崩解值，提高消减值，改变RVA 谱特征值[25-26]。这可能是N 肥后移能提供水稻中后期N 素营养需求从而调控稻米品质。但刘松[27]在研究N 肥对再生稻稻米品质影响中发现，苗期施用N 肥可提高再生稻直链淀粉含量和蒸煮食味品质。关于N肥后移，有研究认为出穗后增N 可增加垩白粒率和垩白度，也有研究认为生育中后期增N 可减小垩白粒率和垩白度[28]。虽然N 肥后移会导致某些品质指标的下降，但整体来看，N 肥后移尤其是在生育中后期和结实期追施N 肥可提高稻米综合品质。

关于施N 比例，有研究认为，穗肥N 与稻米品质和淀粉特性密切相关，可通过提高穗肥N 比例来改善稻米品质[25，29]。胡群等[30]在研究基蘖肥 N 与穗肥 N 施用比例对钵苗机插优质食味水稻稻米品质影响中得出，提高穗肥N 比例可显著改善稻米加工品质。朱大伟等[31]在研究不同栽培措施对软粳稻米品质的影响中也得到了相同结论。但王新其等[32]在N 肥运筹对杂交粳稻主要品质性状效应分析研究中得出，在总施N 量240 kg/hm2条件下，提高穗肥N 占比会降低加工品质。陆春泉等[33]在不同栽培措施对直播水稻产量与品质影响研究中也得到同样结果。有人认为，提高穗肥N 比例会增加稻米的垩白粒率和垩白度，降低透明度，降低稻米的外观品质[30，32，34]，也有人认为，在一定施用量范围内，如果穗肥比例增加，垩白粒率和垩白度呈下降趋势，可改善外观品质[35]。大量研究指出，提高穗肥比例可增加稻米蛋白质含量，降低直链淀粉含量，提高稻米的营养品质，但降低蒸煮食味品质[30-32，36-38]。这可能是因为N 肥对蛋白质的积累有促进作用，尤其在抽穗阶段可起到关键效果，稻米蛋白质含量随穗肥比例的增加而增加，进而提高稻米营养品质[39]。然而，丁得亮等[40]指出，在施N量为276 kg/hm2条件下，如果只要求优质，基蘖肥和穗肥比例应为10∶0，如果只要求高产或既要求高产又要求优质，则基蘖肥和穗肥比例应该为7∶3。也有研究认为，增加穗肥N 比例，稻米食味值呈先增后降特点[41-42]。

关于施N 量，研究结论不一。有研究认为，N 肥施用量与稻米品质呈正相关关系，增施N 肥可提高稻米品质[43-44]。但也有研究者认为，施用N 肥使稻米品质变劣[45-46]。N 肥施用对稻米外观品质的影响，一部分学者认为增施N 肥有利于改善稻米外观品质，而另一部分学者认为会降低外观品质[23，28，36，41，47-50]，也有研究称外观品质随着N 肥用量的增加表现出先升后降的趋势[51]。对于稻米加工品质，大量研究证明，适量增施N 肥有利于加工品质的提高，且加工品质随施N 量的增加而增加，但施 N 过量则表现下降[23，25，32，41，49，52]。也有研究认为，减N 处理可以提高稻米加工品质[50，53]，还有研究认为对加工品质无显著影响[51]。N 肥对稻米直链淀粉含量的影响，有研究称随N 肥用量的增加而增加，也有报道称随着 N 肥用量增加反而降低[25，44，47-48，54]。不同研究指出，N 肥施用可有效提高稻米粗蛋白含量和营养品质，但高 N 处理显著降低稻米蒸煮食味品质[25，32，35，41，47-49，54-55]。RVA 谱特征值是稻米品质的重要组成部分，随着N 肥的施用，稻米籽粒后期N 素积累变多，从而改变淀粉RVA 谱特征值[56]。关于N 肥量对RVA 谱特征值变化的影响，前人研究结果也不尽相同[17，25，38，44，47，54]。综合不同文献中报道的数据，水稻种植中施N 量在150~220 kg/hm2范围内不仅可获得较高的产量，还可获得较好的品质，超过此范围，稻米品质会随着施N 量的增加而降低，但具体施N 量应根据水稻品种、土壤环境等具体分析。

1.2 P 元素

P 是作物生长发育中一种非常重要的营养元素，是构成生物大分子及多种化合物的重要组分，其参与植物体内各种代谢，是作物高产优质的基础，缺乏或过量供应都会对水稻生长产生重要影响[57-58]。

P 肥对稻米品质具有显著的调控作用[59]。谢必武等[60]认为，P 肥是影响整精米率、垩白粒率和直链淀粉含量的主要因素，在一定范围内增施P 肥有利于提高稻米品质。龚金龙等[61]认为，施P 能提高糙米率、整精米率、垩白面积和垩白度，降低峰值黏度、热浆黏度、冷胶黏度和回复值，而对精米率、垩白粒率、蛋白质含量、直链淀粉含量、起始糊化温度、消减值和到达峰值黏度时间的影响较小。徐娅等[16]认为，适量施P 可降低垩白粒率，增施则会使垩白粒率大幅提高。陈世平等[58]研究发现，稻米直链淀粉含量、粗蛋白含量和氨基酸含量随施P 量的增加而增加。董作珍等[18]认为，施P 可提高蛋白质含量，但对直链淀粉含量无显著影响。丁得亮和闭献灿等[62-63]研究则认为，不同P 肥水平处理间稻米各品质性状间无显著差异，P 肥对稻米品质的影响不明显。王伟妮等[64]研究表明，适宜增施P 肥可提高稻米整精米率和蛋白质含量，降低垩白度、长宽比及直链淀粉含量，过量或不足均不利稻米品质的改善。而胡雅杰等[17]指出，增施P 肥能在一定程度上提高稻米的加工品质，对蛋白质含量、直链淀粉含量及胶稠度影响较小，淀粉RVA 谱特征值有变劣趋势，减少P 肥用量有利于提高稻米整体品质。陈世平等[58]也建议，在水稻生产中减施P 肥。黄丽芬等[57]认为，减P 处理可提高垩白粒率，增加峰值黏度和崩解值，降低消减值，提高稻米的食味品质，其余各指标无显著差异。综合产量和品质性状，水稻生产中施P 量在70~120 kg/hm2时效果较佳，过量施用P 肥不仅利用率低、稻米低产低效，还会加重生态环境污染。

P 素对稻米中Zn 和植酸的合成和积累具有重要的调控作用，是稻米中植酸积累最直接的调控因子，也是影响稻米中Zn 含量的重要生态因子[65-66]。苏达和王苏影等[67-68]研究表明，P 显著提高了水稻籽粒中的植酸P、高价磷酸肌醇以及总P 含量，同时降低了稻米中Zn的含量及其有效性，从而降低稻米营养品质。也有人认为，P 肥可增加 Fe、Mn、Cu、Zn 等在糙米中的分布，促进水稻糙米对蛋白质的积累，抑制其对直链淀粉的积累，导致胶稠度变软，但对糙米品质影响较小[69]。在互作方面，P 与 K、P 与N 的互作效应各不相同，有研究指出，P与N 交互作用对稻米品质影响最大[16]。也有研究指出，P 与K 在稻米品质方面存在显著的互作效应，适宜P、K 配施可从一定程度上提高稻米品质[70]。P 在不同条件下对不同稻米品质的影响不同，存在品种间、地域间和季别间的差异[67，71]。

1.3 K 元素

K 是作物生长中重要的营养元素之一，是许多酶的活化剂，能促进植物体内多种代谢反应，促进光合作用，还能增强作物的抗逆性和抗病力，有利于植物的生长发育[72]。K 可以调节水稻根系分泌物进而影响稻米品质，如缺乏K，会导致水稻生长发育不良、抗性差、产量低、品质变劣[73]。才硕等[74]指出，K 对稻米品质的影响仅次于N 素，对稻米垩白、直链淀粉含量和稻米蛋白质含量均有显著影响。大量研究表明，适量施用K 肥不仅可提高稻米的加工品质和外观品质，还可提高其营养品质和蒸煮食味品质[16-17，72，74-76]。马波和罗一鸣等[76-77]认为，K 可通过提高稻米的香味来显著提升稻米的食味评分。莫钊文等[78]认为，K 对华南早晚兼用型水稻产量和品质的影响因品种而异。只有闭献灿[63]研究认为，K肥可以增加直链淀粉含量、垩白粒率和垩白度，降低外观品质。王子臣等[79]研究认为，随着K 肥用量增加，杂交粳稻稻米淀粉黏滞性呈变劣趋势，稻米食味值下降，这可能与土壤速效K 含量有关。综合不同品种和不同种植环境，K 肥用量在120~180 kg/hm2范围内不仅可以提高产量，还可显著增加稻米的营养品质和蒸煮食味品质。

关于水稻生长中的施钾时期，一些学者研究认为，穗期钾营养对稻米品质影响较大，穗期施钾可显著提升稻米的外观品质和食味品质，但存在品种间差异[73，80]。叶定池等[81]指出，相同施钾量时，不同施钾时期对精米率有较大影响。关于K 与其他矿质元素的互作，有研究表明，K 与N 和P 互作对稻米产量和品质有显著影响，且K 与 N、K 与 P 的互作效应各不相同[16]。成臣等[70]认为，在对稻米产量和品质影响方面，K 与P 的互作效应最为显著，两者适宜的配施比例可提高稻米出糙率、精米率、整精米率及胶稠度，增加直链淀粉及粗蛋白含量，并且显著提高精米N 素累积量。水稻生长后期提高钾肥比例可以改善稻米的整体品质。

2 中量元素对稻米品质的影响

水稻生长除需大量营养元素 N、P、K 外，Ca、Mg、S、Si 被认为是第2 位营养元素，也被称为中量元素，这些元素对水稻生长和稻米品质也起着重要作用[10]。

2.1 Ca 元素

Ca 在植物生长发育中具有重要的生理和结构功能，其作为第二信使调控多种生物过程，可降低膜脂过氧化程度，作为细胞壁组分，可维持细胞结构和功能的稳定性[82]，能显著提高植物抵抗各种环境胁迫的能力[83]。Ca 是稻米籽粒中一种常量元素，也是稻米营养成分之一，其对植株的生长发育、新陈代谢以及生理生化过程均有着举足轻重的作用[73]。关于Ca 元素对稻米品质的影响，刘立军等[73]认为，结实期Ca 水平对稻米品质影响较大，Ca 通过调节根系分泌物导致稻米的垩白粒率、垩白度、直链淀粉含量和崩解值显著降低，胶稠度和消减值显著升高，从而提高稻米的外观品质和食味品质。而王文玉等[84]研究表明，Ca 可显著提高稻米的糙米率、精米率、整精米率和蛋白质含量，对直链淀粉含量影响不明显，但降低了外观品质和食味评分。张国发和汤海涛等[10，14]指出，Ca 元素可增加稻米蛋白质含量和淀粉胶稠度，降低垩白粒率。王士梅等[85]指出，Ca 元素可显著增加稻米中Fe、Mg、Zn 和直链淀粉含量，降低Mn 和Cu 含量，降低淀粉冷浆粘度、消解值、回复值和起浆温度。Ca 元素对稻米良好品质的形成具有重要作用，水稻生长后期尤其是结实期使用含Ca 元素肥料可显著提高稻米整体品质。

2.2 Mg 元素

Mg 是作物生长的必需元素，是叶绿素的重要组成成分，对植物光合作用、能量代谢和蛋白质合成具有重要影响，与稻米品质有着密切关系[86]。通常认为施Mg有利于稻米品质的提升[87]。不同研究一致认为Mg 元素能改善稻米的加工品质和外观品质[86，88-90]。王永兵等[91]认为，施Mg 总体能够改善稻米品质，但存在品种间差异，合理施Mg 可提高糙米率和精米率，改善米饭的外观、黏度、平衡度和食味值，对于直链淀粉含量低的品种，有助于提高蔗糖含量。聂录等[86]认为，Mg 可提升稻米加工品质，且随Mg 肥用量的增加，稻米蛋白质含量呈上升趋势，直链淀粉含量呈下降趋势，食味值显著提高。曾志等[92]认为，随着施Mg 量的增加，米饭食味品质升高，但施Mg 过量蛋白质含量增加、米饭食味值下降，导致稻米品质下降。关于施Mg 时期，有研究表明，基肥时期施用Mg 肥提高蛋白质含量、降低直链淀粉含量，蘖肥期和穗肥期追施Mg 肥降低蛋白质含量、提高直链淀粉含量[93]；金正勋等[94]指出，在灌浆成熟期减N的同时施Mg 可显著降低稻米蛋白质含量，提高稻米蒸煮食味品质。李军等[93]认为，穗肥期追施Mg 肥，可显著改善稻米加工品质和外观品质，提高食味品质，且随着施肥时期延迟加工品质上升、食味品质达最高，但穗肥时期Mg 和Zn 配施改善了加工品质和营养品质，降低了外观品质和蒸煮食味品质。Mg 元素可提高稻米食味品质，尤其在灌浆期和穗肥期使用，Mg 肥施用量以100~120 kg/hm2较佳。

2.3 S 元素

S 是水稻生长发育的重要元素之一，可以促进水稻光合作用和养分吸收，提高N 肥利用率和抗逆性，进而影响水稻产量和稻米品质[95-96]。孔繁军等[96-98]认为，S素可提高水稻的糙米率、精米率、整精米率和研磨品质，降低稻米碎米率和垩白粒率，提高水稻的加工品质和外观品质。王越涛等[99]研究表明，S 肥用量为30 kg/hm2时稻米碾磨品质较好，60 kg/hm2时外观品质较好，说明施S 可在一定程度上提高稻米品质。李玉影等[100]指出，S 可增加水稻蛋白质含量，降低淀粉含量，对改善稻米品质具有重要意义。汤海涛等[14]指出，土壤有效S 含量与稻米精米率、蛋白质含量和整体品质呈显著正相关，但不同水稻品种之间存在差异。S 元素影响稻米加工品质和外观品质，但添加量的多少要根据土壤中S 含量的多少决定，一般情况下以30~50 kg/hm2用量表现佳。

2.4 Si 元素

Si 不是植物生长的必需营养元素，但是继N、P、K之后第4 营养元素。Si 可有效增加水稻光合作用，增强抗性，改善稻米品质，促进稻米的优质高产[101-102]。大量研究表明，Si 元素可改善稻米品质，主要是提高稻米的糙米率、精米率和整精米率，降低垩白度和垩白粒率，提高稻米的加工和外观品质[88，103-106]。Si 元素对稻米直链淀粉和蛋白质含量的影响有不同结论：有人认为，Si 可增加直链淀粉和蛋白质含量，但也有人认为Si 会降低直链淀粉和蛋白质含量[107-109]。张满利和王翠娟等[109-110]认为，Si 对稻米食味品质无明显影响。吴桂成等[111]认为，Si 可显著提升稻米蒸煮食味品质。刘奇华等[112]认为，在高温逆境下施Si 不利于稻米食味品质的改善。赵海成等[107]指出，施Si 降低了稻米食味评分。综合国内不同地区、不同水稻品种间差异，土壤中Si 含量小于200~250 mg/kg 时可补施Si 肥，超过此含量时增施Si 肥增产效果不明显，且有可能造成稻米品质下降。

3 微量元素对稻米品质的影响

微量元素在土壤中含量很低，但对植物生长作用很大。植物生长所需微量元素主要有 Cl、B、Zn、Fe、Mg、Cu、Mo、Co、V 和 Ni 等。补充适量微量元素能协调平衡其他养分，形成优质的土壤环境，从而提高稻米整体品质[113]。关于微量元素对稻米品质的影响，目前研究较多的是 Zn，其次是 Fe、Cu 和 B。

大量研究表明，Zn 元素通过提升香气、味道、口感等方面来提高稻米品质，适量施Zn 可以改善稻米品质，超量施用则降低稻米品质[114-116]。Zn 可提高稻米加工品质、外观品质和蒸煮食味品质，但不同水稻品种之间存在较大差异[117-118]。施Zn 可增加稻米籽粒中Zn 含量，叶面喷施Zn 肥效果较佳[115，119-120]，水稻籽粒中的 Zn含量随施Zn 水平的增加而升高，当施Zn 量达到一定程度时，籽粒中Zn 含量无显著增加[121]。

有研究表明，Cu 处理对稻米加工品质、外观品质、蒸煮食味品质以及卫生品质均无显著影响，但可使蛋白质含量显著增加，使稻米中 Fe、Zn、Mn、Mg 含量显著下降[122-123]。也有研究表明，Cu 处理对整精米率影响显著，随着Cu 含量增加，稻米糙米率和精米率明显降低，而蛋白质和 Fe、Zn、Mn、Mg、Cu 含量均先增后减[124-125]。

叶面喷施Fe 元素可显著增加精米中Fe 含量、蛋白质含量、必须氨基酸含量和氨基酸总量，但过量使用会对水稻产生毒害作用，导致其他营养元素严重缺乏，影响水稻正常生长发育，进而影响稻米产量和品质[126-127]。

另外，杨志珍等[15]研究指出，土壤中 Zn、Cu、Mn、Mo和B 元素可降低稻米的垩白度、垩白粒率、直链淀粉含量，增加香味物质，提高蛋白质含量和食味品质。王秋菊等[128]指出，提高土壤中的 Zn、Cu、Mn 和 Fe 含量可提高稻米蛋白质含量，降低整精米率和食味品质，升高稻米垩白粒率，降低外观品质；土壤中Cu、Mn、Fe 含量高，稻米出糙率下降，Zn 可提高出糙率；Cu、Zn 含量高降低稻米直链淀粉含量，而Mn、Fe 含量高则相反。郑传刚[113]指出，土壤中微量元素含量与香稻品质性状呈显著相关，土壤中有效Mn 和Mo 可显著提高香稻整精米率和蛋白质含量，而有效Cu 则降低整精米率和蛋白质含量，但不明显，三者对直链淀粉含量均无显著影响；有效Zn 含量与直链淀粉含量正相关，但与蛋白质含量呈负相关。汤海涛等[14]指出，土壤中Mn、Cu、Mo 及Cl 的含量与稻米品质显著相关，稻米垩白粒率和垩白度随有效Mn 含量的增加而增加，稻米蛋白质含量随有效Cu 和有效Mo 含量的增加而增加，稻米蛋白质含量和胶稠度与有效Mo 含量达显著正相关。

4 展望

矿质元素是影响水稻产量和稻米品质的重要因素，由于水稻种植受多因素影响，关于同一种矿质元素对稻米品质影响的研究结论不尽相同。矿质元素对稻米品质的影响具有多向性，具体施用中很难兼顾到稻米的每一个品质指标。因此，矿质元素的施用要根据水稻品种特性、土壤环境和种植条件等特点，因地制宜、适时适量、合理运筹，最大限度提高稻米的整体品质。未来矿质元素对稻米品质影响的研究应关注以下几个方面：

1）要以各地土壤类型为基础，确定不同类型土壤中矿质元素的种类和含量，以及不同类型土壤对稻米品质的影响特征，实现水稻因地“精准”施肥。

2）我国水稻品种较多，各品种水稻都有自身的遗传特性，不同品种水稻对矿质元素的需求和反应也存在较大差异。因此应以水稻品种为基础，确定不同品种水稻对矿质元素需求的特点和不同品质与矿质元素的相关性针对性的补充矿质元素。

3）目前对单一元素对稻米品质影响的研究较多，而关于元素互作及协同作用方面的研究还不多，也不深入，未来应加强不同元素互作及协同作用对稻米品质影响方面的研究，并从机理方面进行解释，研究实际应用中不同元素的搭配和配比。

4）目前对稻米品质方面的研究主要集中在加工、外观、蒸煮、食味和营养品质方面。未来应在此基础上更多的关注其安全、贮藏和卫生等方面的品质评价和研究。

5）稻米不同品质间存在着复杂关系，当提高某种品质指标时，往往也会伴随其它品质指标的下降，因此，如何通过养分管理、养分调控、合理运筹，尽可能协调它们之间的关系，使各评价指标在更高水平上统一起来，也需进一步深入的研究。