長江流域5省市近10年國家審定水稻品種產量和品質與其相應氣候特性的分析

王 端，黃 雅，朱曉妹，陸佳嵐,方先文，李 霞

(1.江蘇省農業科學院糧食作物研究所/江蘇省優質水稻工程技術研究中心/國家水稻改良中心南京分中心,江蘇南京210014;2.南京農業大學農學院,江蘇南京210095;3.南京曉莊學院,江蘇南京211171;4.南京師范大學金陵女子學院,江蘇南京210097)

水稻(OryzasativaL.)是主要的糧食作物之一，世界上50%以上人口以大米為主食，大米占據人們食物來源的60%左右[1-3]。我國水稻種植面積居世界第二位，總產量居世界第一位，占世界稻谷產量的36%[4]。稻米有多種用途，以食用為主，同時作工業用和飼料用等[5]。長期以來，優質、抗病和高產是水稻育種的三大主要目標，也是水稻育種永恒的主題[6]。當前，我國水稻生產進入了調整結構，從高產為育種目標，到優質、高產以及優質、高效和綠色三者并重的育種目標，以應對“入世”提升農產品國際競爭力,已到了人們對稻米品質的消費需求以及促進農民持續增收的新階段，為此，必須進一步加強以水稻品質和產量并重的稻作科學研究，大力推動我國稻作生產科技進步，不斷提高稻作經濟效益和生態效應。

氣候變化已經顯著地影響著世界各國的農業生產，如何適應氣候變化成為當務之急，進行農業結構調整(包括種植業結構調整)、栽培以及育種等方面的農業適應技術措施的研究及其效果的評估對于減小氣候變化的不利影響，保證未來糧食安全十分重要[7]。水稻生長在開放的環境中，因此外界的氣象條件極大地影響著水稻的生產。氣象因子是影響水稻單產和稻米品質的重要自然因素，它包括光、溫和水等因子[8]。水稻在各個生長發育階段都有其最低適宜溫度和最高臨界溫度，環境溫度過高或過低不僅不利于其干物質的累積,而且對后期籽粒的外觀和食味均有不利影響[9-10]。尤其在水稻的生長和籽粒形成的生殖時期，短期(幾天甚至幾小時)的極端溫度脅迫,即可嚴重破壞水稻的籽粒及其生理功能，導致其穎花不育、籽粒空癟，從而降低水稻產量,惡化籽粒品質,嚴重地影響稻米的商品性[11-13]。了解水稻產量和品質對關鍵氣象因子的適應特征,制定出適應的優質和高產的栽培措施,是水稻實現優質和高產的有效途徑之一。

早在本世紀初,中國的科學家就對優質水稻的氣象適應特征進行了研究和總結,并編撰成冊,對當時優質水稻的布局和區劃有重要的意義[5]。但近年來，全球氣候異常變化已成為不爭的事實，氣溫升高、海平面上升、極端氣象災害增加以及洪澇干旱頻發等一系列氣候變化引起的氣候或氣候災害現象無時無刻不對人類生活、生產活動和人類社會的發展產生深遠影響[14],尤其是近10年的氣象特征發生了變化,而且氣候異常和氣候災害使農業面臨生產不穩定和產量波動大的問題尤為突出[15]。了解近10年的水稻生產尤其是優質生產的氣候特點，可以幫助水稻科學工作者依據農業生產的需要，結合優質品種生長發育所需的氣象條件，充分利用氣象資源，合理安排作物生長時間，搞好品種搭配，因地制宜的引進和培育適合本地的優質品種,制定相應的高產高品質栽培措施，對我國水稻優質高產的生產和糧食安全具有重要的現實意義。

目前，關于氣候變化對農業生產影響及對策方面的研究成果相對較多[8]。如侯雯嘉等[16]研究了1989—2009年氣候變暖對東北地區水稻生育期和產量的影響，發現東北地區日平均溫度、最低溫度和最高溫度的變化均會影響該地區水稻產量，溫度上升對黑龍江省的增產效應較明顯。葉清等[17]研究1951—2010年中國南方主要熟制水稻生長季可利用率的空間分布特征及演變趨勢，表明氣候變暖條件下中國南方主要熟制水稻生長季可利用率呈現增加的趨勢。程方民等[18]通過多個不同類型品種的分期播種試驗，發現其中堊白度對氣候條件變化最敏感，另外在影響稻米品質的諸氣候生態因子中，水稻灌漿結實期間的日平均溫度的作用最大，日平均太陽輻射、日平均溫差和平均日照時數次之，而日平均相對濕度和日平均降雨量最小。水稻起源于中國長江流域[19]，中國水稻主要分布在長江流域、東北平原和東南沿海三大區域，其中長江流域是中國最大的水稻生產區[20]。根據中國農村統計年鑒[21]數據，2012年長江流域水稻播種面積約2 000萬hm2，占全國水稻播種面積的66.7%；總產量1.38億t，占水稻總產量的67.7%；平均產量6 873 kg/hm2，高于全國平均產量 6 777 kg/hm2。葛道闊和金之慶[22]系統研究了長江中下游稻區19個樣點以及每個樣點近20年(1979—1998年)的水稻產量資料及同期氣象資料，結果表明：不論是單、雙季稻,還是灌溉或雨育水稻都顯著減產，其中中游稻區的減產幅度大于下游稻區，單季稻和晚稻的減產幅度大于早稻;研究區域不同稻作制度下的水稻進一步減產，且穩產性變差，但該研究只涉及長江中下游，且并沒有對水稻品質加以關注。因此，深入分析長江流域水稻主產區近10年的氣候特征對各地水稻品種產量和品質的影響，對于穩定糧食安全和加強水稻優質育種和栽培均具有重要的意義。

本文通過收集長江流域水稻主產區包括江蘇、安徽、湖北、四川和重慶5省市2005—2016年國審水稻品種的品質和產量信息以及2005—2015年5省市相近緯度地區的氣象資料，進而對各省市國審的主要水稻品種類型、各省市主要水稻品種類型的產量以及品質與近10年氣候因素進行相關分析，以期為長江流域水稻品種類型的選擇、適當地調整水稻的安全播種期以及水稻品種的育種方向均提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 2005—2016年江蘇、安徽、湖北、四川及重慶5省市國審水稻品種性狀的收集

在國家水稻數據中心(http://www.ricedata.cn)==RiceData==中國水稻品種及其系譜、指紋數據庫，將2005—2016年江蘇、安徽、湖北、四川及重慶5省市水稻的審定編號(國審稻)、品種名稱、類型、品種來源、全生育期、區試產量、生試產量、糙米率、精米率、整精米率、堊白率、堊白度、直鏈淀粉以及膠稠度等品質信息收集和匯總，分析了近10年5省市國審品種類型，主要包含國審品種類型、數量、生育期、生試產量以及品質特征等信息(其中安徽省沒有品質信息)。

1.2 2005—2015年江蘇、安徽、湖北、四川及重慶5省市氣象資源的收集和分析

本研究中的氣象數據源于中國氣象科學數據共享服務網(http://cdc.cma.gov.cn)。從網站獲取2005—2015年5省市 9 個實驗點各氣象臺站的逐日氣象資料，包括日照時數、平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫等以及同期各臺站的月平均降水量資料，這9個實驗點包括江蘇(淮安、蘇州、南京)、安徽(合肥)、湖北(武漢、黃岡、京山)、四川(遂寧)以及重慶，各臺站的空間位置數據來自中國氣象局，基礎地理信息數據來自中國測繪局數據中心(http://ww.ngcc.cn)，然后將日平均溫度>12 ℃的氣候資料單獨調出，且分別繪制年份與平均溫度年度積溫、年份與最高溫度年度積溫、年份與最低溫度年度積溫、年份與年度降水總量、年份與年度日照小時數量關系等圖。

1.3 相關性分析

運用SPSS對2005—2016年收集的江蘇、安徽、湖北、四川及重慶5省市主要審定水稻品種類型的全生育期、區試產量、生試產量以及品質特征包括糙米率、精米率、整精米率、堊白率、堊白度、直鏈淀粉及膠稠度等性狀等信息與其相應種植地點的氣候因子平均溫度年度積溫、最高溫度年度積溫、最低溫度年度積溫、年度降雨總量及年度日照小時總數也進行相關分析，計算該時期各地主要審定的水稻品種類型的產量和品質特征與各省種植地點氣象因子的相關系數。

2 結果與分析

2.1 江蘇、安徽、湖北、四川及重慶5省市水稻國審品種類型的比較

本研究從國家水稻數據中心==RiceData==中國水稻品種及其系譜、指紋數據庫，收集了2005—2016年江蘇、安徽、湖北、四川和重慶5省市國審品種資料(表1)。2005—2016年江蘇省共審定180個水稻品種，包括常規粳稻、粳型不育系、粳型三系雜交稻以及秈型常規系，其中粳型品種類型(常規粳稻，粳型不育系、粳型三系雜交稻)國審品種類型為主，占該省總國審品種類型的72.2%；而安徽省同期共審定283個水稻品種，包括秈型常規稻，秈型兩系、三系雜交稻、粳型常規稻以及粳型兩系雜交稻，不僅審定品種數據量多，而且類型更豐富，其中安徽省國審的水稻品種以秈型類型(秈型常規稻，秈型兩系、三系雜交稻)為主,共242種，占該省總國審品種類型的85.5%；湖北省共審定244個水稻品種，主要包括粳型不育系、粳型常規稻、粳型兩系雜交稻、粳型三系雜交稻、秈型不育系、秈型常規稻以及秈型兩系和三系雜交稻，涵蓋了審定的8種水稻品種類型，可見湖北省是最適合水稻種植的省份之一。鑒于湖北喜食秈稻的飲食習慣，湖北省國審的品種類型多以秈稻為主，共有221種，占該省總國審品種類型的90.6%；四川省共審定177個水稻品種，主要包括粳型常規稻、秈型兩系和三系雜交稻，其中秈型(秈型兩系和三系雜交稻)共169種，占該省總國審品種類型的95.5%；重慶市共審定131個水稻品種，包括粳型三系雜交稻、秈型常規系、秈型兩系和三系雜交稻，其中秈型雜交稻(兩系和三系)共125種，占該市總國審品種類型的95.4%。可見，江蘇省近10年國審品種以粳稻為主，秈稻為輔，而安徽和湖北省的品種類型很豐富，各種品種類型均有審定，四川與重慶則主要是秈型雜交稻為主，也有少量的常規粳稻的品種類型(四川)和粳型雜交稻(重慶)在該地區審定。

表1 2005—2016年南方主要稻區國審水稻品種類型

2.2 長江流域5省市2005—2016年國審水稻主要品種類型生長、產量及品質特性的比較

由于各省市的氣候特點不同導致所種植的水稻主要品種類型不同，江蘇主要是粳型常規稻，安徽和湖北主要是秈型兩系和三系雜交稻，四川和重慶則是以秈型三系雜交稻為主，進一步對各省市主要品種類型的產量和品質特征進行分析。

從圖1-A和1-B可知,2005—2016年5省市區試和生產試驗的產量均隨年度均呈明顯的上升趨勢，其中江蘇省粳型常規稻的區試產量較高而且平穩上升；湖北省秈型兩系和三系雜交稻的區試產量總體上是上升的且高于四川和重慶秈型三系雜交稻的區試產量，但是在2005—2016年起伏波動較大；四川秈型三系雜交稻較重慶的產量增加較少，而重慶的秈型三系雜交稻在2005—2016年的波動起伏較大。由圖1-B可知，江蘇粳型常規稻的生試產量穩步上升且產量較高；安徽秈型兩系和三系雜交稻的生試產量中等，秈型三系雜交稻波動起伏較大；四川和重慶秈型三系雜交稻的生試產量較低，四川秈型三系雜交稻較重慶的生試產量增加較少，而重慶的秈型三系雜交稻在2005—2016年的波動起伏較大，與區試產量的變化類似。從圖1-C可知，各省國審品種的生育期重慶、四川和江蘇年度間差別不大，以重慶和江蘇的生育期最長(155～165 d)，四川的次之(150 d左右)，而安徽和湖北則生育期明顯少于3個地區(140 d以下)，而且以兩系和三系雜交稻品種類型而異。其中湖北從2010年開始兩系雜交水稻的生育期大大縮短(在110～120 d)，推測與該地區雙季稻和再生稻的推廣有關。

圖1 2005—2016年5省市國審水稻主要品種類型區試產量、生試產量以及生育期的變化Fig.1 Temperol changes of growth peroid,regional trial yield and production test yield of major rice varieties in five provinces and cities(2005—2016)

由圖2A可知，重慶秈型三系雜交稻糙米率在2016年明顯下降，而在2005—2016年均在79%～81.5%范圍內無明顯變化，湖北和四川秈型三系雜交稻在2005—2016年均在79%～81.5%范圍內無明顯變化。由圖2B可知，稻米的整精米率則呈現從東到西遞減的趨勢，其中江蘇粳型常規稻的整精米率處于5地區之首，而且隨年度呈上升的趨勢，表明江蘇歷年來重視稻米外觀品質，而且重視程度隨年份更加強增強，稻米質量顯著提升；而重慶秈型三系雜交稻的整精米率波動起伏較大，而且整精米率的值相對最低；湖北秈型三系雜交稻的整精米率較穩定，較而言之，秈型兩系雜交稻的變化幅度較大；四川秈型三系雜交稻的整精米率在2009年較高，其他年份總體而言介于重慶與湖北秈型三系雜交稻之間。由圖2-C可知，江蘇審定的稻米品質的外觀品質-堊白率也最低，在20%左右浮動，且波動幅度不大；四川秈型三系雜交稻的堊白率總體最高，在2009—2014年持續上升，達到69.44%，隨后又逐漸下降至2016年的47.60%；重慶秈型三系雜交稻的堊白率在2005—2008年逐漸穩步上升，2008—2015年逐漸上升至47.20%，2016年又突然下降至23.00%；湖北秈型兩系雜交稻的堊白率主要在20%～30%變化，2015年變化較大達到了55%左右，而秈型三系雜交稻在2005—2010年則逐漸上升至47.00%，2011年下降，2011—2016年則在20%～35%左右波動。從圖2D可知，堊白度的變化趨勢與堊白率類似。進一步分析其稻米的食味品質，由圖3A可知，江蘇粳型常規秈稻的直鏈淀粉含量較低，只有2012年數值較高；湖北秈型兩系和三系雜交稻直鏈淀粉含量在5省市中處于中間，且波動不大；四川秈型三系雜交稻的直鏈淀粉含量較高，在2013年明顯上升，以后又逐年下降；重慶秈型三系雜交稻的直鏈淀粉含量同樣較高，但在2016年出現明顯的下降，整體來講，直鏈淀粉含量波動不大。由圖3B可知，各省市膠稠度波動均較大，江蘇粳型常規稻的膠稠度較高，在2012年出現明顯的下降，2012—2016年又出現較大波動；湖北秈型三系和兩系雜交稻的膠稠度較低，秈型三系雜交稻在2007—2012年波動較大，秈型兩系雜交稻在2011—2016年波動較大；四川和重慶秈型三系雜交稻的膠稠度變化起伏較大。簡言之，長江流域5省市的近10年國審稻米品質，隨年度有所改善，但是從東(江蘇)到西(四川)品質變差的趨勢并沒有顯著改善。

圖2 2005—2016年5省市主要水稻品種類型的糙米率、整精米率、堊白率以及堊白度的變化Fig.2 Temporal changes of BRR,HRR,CGR and CD of major rice varieties in five provinces and cities (2005—2016)

圖3 2005—2016年5省市主要水稻品種類型的直鏈淀粉含量以及膠稠度的變化Fig.3 Changes of AC and GC of major rice varieties in five provinces and cities (2005—2016)

2.3 長江流域5省市2005—2015年氣象參數的比較

氣候生態的差異照成水稻各地栽培品種的差異,那么江蘇、安徽、湖北、四川以及重慶5省市審定品種的差異是否是由于氣候的差異呢？筆者進一步分析了江蘇(淮安、蘇州、南京)、安徽(合肥)、湖北(武漢、黃岡、京山)、四川(遂寧)和重慶共9點緯度相近(29.61°～33.5°)的氣象資料。根據多年的研究觀察，以日平均氣溫升達12 ℃的平均日期作為秈稻的生長開始期[11]，即本研究將如上年份平均溫度大于12 ℃的日期氣候資料單獨調出，其中江蘇淮安223 d、南京237 d、蘇州242 d、安徽合肥239 d、湖北黃岡251 d、武漢244 d、京山243 d、四川遂寧257 d以及重慶273 d，說明從東(江蘇)到西(重慶)水稻生育有增加的趨勢。進一步結合各地區審定品種的生育期的結果，可見，本研究涉及的地區均是水稻種植的適宜地區。并將其繪制成不同地點≥12 ℃的日平均溫度、降水量以及生長季節日照小時的年度積累量(圖4)。

水稻為喜溫作物，完成一定的生長活動和物質累計需要一定的積溫[9]。溫度既是影響水稻生長發育和產量的重要因素，也是確定當地水稻品種布局和稻作熟制的首要條件。根據圖4A可知，四川(遂寧)和重慶與湖北(黃岡、武漢、京山)的平均溫度年度積溫均較高，其中各地區大于12 ℃的年平均積溫的均值都大于5 000 ℃，安徽(合肥)與江蘇(蘇州、淮安、南京)平均溫度年度積溫均較低。由圖4B可知，各地區在水稻生育期間波動幅度較大，沒有明顯的規律，需要注意各地區灌溉設施的建設，保障水稻生產的正常進行。水稻是喜陽作物，生長需要充足的光照，來提高葉片的光合效率，增加光合產物，對水稻的產量和品質有著重要的影響。太陽可照時數小于實際日照時數的多少，影響著水稻品種類型的地理分布、生長發育狀況、產量的高低、品種的優劣以及病蟲害的發生發展等。由圖4C可知，年日照時數積累量則呈現東和西部日照少，中部的湖北地區高的特征。結合四川和重慶的日照時數較少，而其品種的生育期也較長，證明光照是四川和重慶地區品種成熟的關鍵氣象限制因子。

圖4 2005—2015年5省市各地區大于12 ℃的平均溫度年度積溫、年度降雨總量以及年度日照小時數的變化Fig.4 Changes of annual average temperature (Tavr),annual percipitation and annual sunshine hours during the days above 12 ℃ in various regions of five provincwes and cities

2.4 長江流域5省市2005—2015年國審水稻主要品種類型的產量及品質與各省種植地區氣象因素的相關分析

各地區水稻主要品種類型的產量以及品質都有明顯的特征，這與當地的氣候因素如平均溫度年度積溫、年度日照小時數等密切聯系。因此筆者對2005—2015年5省市相近緯度的9地區年度平均氣候因素包括年度平均溫度、年度積溫以及年度日照小時數進行了平均,然后再將各省市國審水稻主要品種類型的平均產量以及品質性狀參數進行平均,然后分不同的地區，將審定品種的年度特征與其考察地點的年度氣象特征進行了相關分析。結果表明：江蘇粳型常規稻產量(年度的平均區試和生試產量)與淮安的年度平均溫度、年度平均積溫均呈極顯著負相關(-0.742* *、-0.794* *)，江蘇粳型常規稻年度平均區試產量與淮安水稻生長季的年度平均日照小時數呈極顯著負相關(-0.751* *)，江蘇審定的粳型常規稻年度平均整精米率與淮安水稻生長季平均溫度的年度積溫也呈極顯著負相關(-0.744* *)，看來，溫度和光強是淮安地區水稻產量和品質的負調節因子;江蘇省審定粳型常規稻的直鏈淀粉含量分別與蘇州和南京水稻生長季節的年度年度日照小時總數呈顯著正相關(0.667*、0.653*)，說明，江蘇的沿江地區和蘇南的光照狀況正調節該地區審定常規粳稻品種的食味品質，看來，江蘇從南到北不同稻區水稻生長季節光溫條件對其品種的產量與品質影響的關鍵因子各有側重；湖北審定的秈型兩系雜交稻的年度平均區試產量與武漢地區水稻生長季節平均溫度的年度積溫以及年度平均日照小時總數均呈極顯著負相關(-0.785* *、-0.689* *)，湖北審定的秈型兩系雜交稻年度平均直鏈淀粉含量與武漢地區水稻生長季節年度平均日照小時總數極顯著負相關(-0.811* *);而湖北審定的秈型兩系雜交稻的年度區試產量與京山地區平均年度日照小時總數呈顯著負相關(-0.612*)，而湖北國審的秈型三系雜交稻年度平均直鏈淀粉含量與武漢水稻生長季節平均溫度的年度積溫呈顯著正相關(0.624*),而湖北國審的秈型三系雜交稻年度平均整精米率與武漢平均年度日照小時總數呈顯著正相關(0.687*);在湖北國審的秈型三系雜交稻年度平均的堊白率與京山的年度日照小時總數呈顯著負相關(-0.644*)，說明湖北審定秈型兩系稻的年度平均產量與該地區平均溫度的年度積溫均呈負相關，而其品質特性則比較復雜，外觀和加工品質與光溫呈正相關，而食味品質則不同地區表現不同；四川國審品種的秈型三系雜交稻的年度平均堊白度與遂寧水稻生育期的平均溫度的年度積溫均呈顯著正相關(0.608*);而重慶國審的秈型三系雜交稻的膠稠度與重慶的水稻生長季節年度日照小時總數呈顯著正相關(0.611*)，說明西南地區秈型三系稻的外觀品質和蒸煮品質分別受到生長季平均溫度的年度積溫或日照小時總數的影響。

3 結論與討論

本研究主要對2005—2016年江蘇、安徽、湖北、四川以及重慶5省市的國審水稻品種進行分析，結果看出本研究涉及的各省市國審水稻的主要品種類型有一定的規律，如江蘇主要是粳型常規稻，安徽和湖北主要是秈型兩系和三系雜交稻，四川和重慶主要是秈型三系雜交稻。進而我們對這些水稻品種的產量和品質性狀進行了比較，發現長江流域5省市近10年國審稻米的產量逐年增加，但各省市稻米品質，從東(江蘇)到西(四川)稻米品質變差，可見，加強稻米品質還是今后水稻育種和栽培函待加強的研究內容。此外，筆者還對這5省市相近緯度的9個地區在2005—2015年的氣候數據進行了匯總，分析地區均是水稻種植的適宜地區(年度平均積溫均大于5 000 ℃，其中江蘇蘇州242 d、淮安223 d、南京237 d、安徽合肥239 d、湖北黃岡251 d、武漢244 d、京山243 d、四川遂寧257 d以及重慶273 d)。其中四川(遂寧)和重慶與湖北(黃岡、武漢、京山)的年平均積溫均較安徽(合肥)與江蘇(蘇州、淮安、南京)高，而年度日照小時數卻是從東到西逐漸減少的，可見，各地區的品種類型與氣象特征有密切關系。而進一步對各省市國審水稻的主要品種類型的產量和品質性狀與各地區的氣候因素進行了相關分析，結果表明：本研究選取的9個中稻的地區均能滿足中稻生長季節的年度積溫的條件,但是溫度越高則對產量有負效應,種植時應避免過高溫度,尤其是中國東部的徐淮稻區,而年度的光照小時數則對籽粒的外觀和食味品質有顯著的正效應,增加光照時間有利于獲得較高的品質,這個效應對中稻地區的東部江蘇和西部四川和重慶地區尤為顯著。

本研究選擇了長江流域相鄰5省市緯度相近(29.6°～33.5°)的9地區，并分析了近10年國審品種的產量和品質特征以及同期氣候變化特征，并通過各省市國審水稻的主要品種類型的產量和品質性狀與各地區的溫度和日照相關分析，尤其了解了長江流域水稻主產區的品種品質特性與氣候的響應關系，為該地區水稻的優質品種的培育以及優質栽培提供依據，對于進一步提高水稻產量和品質的具有積極意義。