大氣CO2濃度及溫度升高對稻米品質(zhì)的影響

潘 越

（揚州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，江蘇 揚州 225000）

大氣二氧化碳（CO2）濃度和全球地表溫度持續(xù)升高，這已成為包括我國在內(nèi)的全球氣候變化的兩個鮮明特色。大氣中CO2濃度已從工業(yè)革命前280 ppm上升到現(xiàn)在的400 ppm，且增速仍在加大。最新模型預(yù)測，本世紀(jì)中葉大氣中CO2濃度將增加到550 ppm。大氣CO2濃度和其它溫室氣體濃度升高將吸收太陽能，進(jìn)而導(dǎo)致地表氣溫增高。諸多模型預(yù)測本世紀(jì)末溫度將上升1.8-4.5℃。氣候變化已是全球（尤其是發(fā)展中國家）糧食生產(chǎn)波動的最重要原因，威脅著世界糧食產(chǎn)量和質(zhì)量的安全。

糧食作物品質(zhì)與糧食安全的關(guān)系越來越密切，在我國糧食產(chǎn)量“連增”的背景下，近年來國家一號文件強(qiáng)調(diào)，在重視糧食數(shù)量的同時，要更加注重品質(zhì)和質(zhì)量安全，重點發(fā)展優(yōu)質(zhì)稻米和強(qiáng)筋弱筋小麥。水稻為全球半數(shù)以上的人口提供熱量和營養(yǎng)。目前氣候變化對水稻影響的研究大多集中在生長和產(chǎn)量方面。相反，對稻米品質(zhì)影響的報道相對較少且分散。因此，本文將從稻米加工品質(zhì)、外觀品質(zhì)、蒸煮食味品質(zhì)及營養(yǎng)品質(zhì)等方面總結(jié)氣候變化對水稻品質(zhì)影響的實驗進(jìn)展，并展望了該領(lǐng)域未來的發(fā)展方向。

1.加工品質(zhì)

根據(jù)稻米的不同用途，稻米有著不同的品質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)，總體上包括加工品質(zhì)、外觀品質(zhì)、蒸煮食味品質(zhì)和營養(yǎng)品質(zhì)等四大類。加工品質(zhì)是稻谷加工過程中表現(xiàn)品質(zhì)指標(biāo)，決定了稻谷得米率，直接與農(nóng)民受益相關(guān)。高CO2濃度環(huán)境下稻米加工品質(zhì)多呈變劣趨勢。日本研究發(fā)現(xiàn)高CO2濃度使精米率顯著下降，使整精米率平均下降11%。中國研究指出，高CO2濃度使武運粳23、Asominori和IR24的糙米率、精米率特別是整精米率均顯著下降，最高降幅達(dá)24%。Usui等發(fā)現(xiàn)，稻米加工品質(zhì)對CO2的響應(yīng)可能還與品種特性有關(guān)：高CO2濃度使5個敏感品種整精米率下降10%，而7個耐性品種只下降2.2%。以上結(jié)果表明，高CO2濃度環(huán)境下生長的稻米將去除糠層并產(chǎn)生較多碎米，進(jìn)而導(dǎo)致商品價格降低。

灌漿期高溫脅迫使加工品質(zhì)多呈惡化趨勢，下降的一個主要原因是與堊白米增加有關(guān)。Usui等最新FACE試驗發(fā)現(xiàn)，高CO2濃度及高溫均使整精米率下降，二因子互作時整精米率最低。謝立勇等發(fā)現(xiàn)兩因子共同增加使中作93加工品質(zhì)惡化。Usui等比較兩季數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，高溫季熱敏品種高CO2濃度導(dǎo)致的碎米明顯增多，而耐熱品種沒有這一現(xiàn)象。說明高溫具有進(jìn)一步惡化CO2濃度升高環(huán)境下稻米加工品質(zhì)變劣程度的風(fēng)險——二因子對稻米加工品質(zhì)有明顯的互作效應(yīng)。

2.外觀品質(zhì)

外觀品質(zhì)決定著稻米呈現(xiàn)給消費者的第一感官印象。堊白是稻米中白色不透明部分，通常是由于胚乳中的淀粉體和蛋白質(zhì)體排列不緊密，相互間存在空隙，引起空氣折射而形成的一種光學(xué)特征，它是決定市場稻米價值的一個主要特性。高CO2濃度下生長的稻米體積增大或不變，但堊白多呈增加趨勢。日本研究發(fā)現(xiàn)，高CO2濃度使Akitakomachi堊白顯著增加2.6%。中國學(xué)者報道高CO2濃度使常規(guī)粳稻武香粳14堊白面積（+3%）、堊白粒率（+17%）和堊白度（+28%）均大幅增加；雜交秈稻汕優(yōu)63亦有類似趨勢。高CO2環(huán)境下，稻米堊白增多，導(dǎo)致米質(zhì)疏松、硬度小，在加工過程中易斷裂成碎米，因此稻米堊白增加與加工品質(zhì)下降呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。

高CO2濃度條件下稻米堊白增加的原因目前尚不確定，有研究認(rèn)為這主要與高CO2濃度導(dǎo)致籽粒灌漿速率波動有關(guān)：中國學(xué)者觀察到，高CO2濃度顯著促進(jìn)武香粳14灌漿早期籽粒的生長，但使后期灌漿速度下降，灌漿期縮短，進(jìn)而導(dǎo)致充實不良、堊白增加。最新研究發(fā)現(xiàn)，高CO2濃度環(huán)境下稻米堊白與蛋白質(zhì)及其組分濃度的下降密切關(guān)聯(lián)，但其內(nèi)在機(jī)理尚不明確。

水稻灌漿期遭遇高溫對籽粒大小影響較小，但稻米堊白明顯增加。高溫條件下堊白米的增加主要與淀粉積累受阻有關(guān)，如果增加同化物供應(yīng)，高溫下稻米的乳白色和白色內(nèi)核明顯減少。除個別研究外，多數(shù)文獻(xiàn)報道CO2與溫度對籽粒重量和大小不存在交互作用。但關(guān)于堊白，Jingb等研究發(fā)現(xiàn)，CO2濃度或氣溫升高均使武運粳23稻米堊白率、堊白面積和堊白度增加，兩因子同時升高時稻米的堊白增幅更大，其中CO2與高溫處理對堊白率和堊白度有顯著的互作效應(yīng)。

3.蒸煮食味品質(zhì)

蒸煮食味品質(zhì)是指在蒸煮及食用過程中，稻米所表現(xiàn)的理化和感官特性，是稻米品質(zhì)的一個核心指標(biāo)。其中，直鏈淀粉含量及膠稠度被認(rèn)為可以直接評價稻米蒸煮食味品質(zhì)。高CO2濃度對稻米直鏈淀粉含量影響的報道很不一致。溫室研究發(fā)現(xiàn)， 高CO2環(huán)境下生長的稻米直鏈淀粉含量下降了19%，但中國大田研究發(fā)現(xiàn)直鏈淀粉含量對CO2無顯著響應(yīng)。稻米中直鏈淀粉含量對淀粉粘滯性（RVA譜）有很大影響。多數(shù)研究認(rèn)為高CO2濃度使稻米最高粘度和崩解值增加，而消解值呈下降趨勢。這些RVA譜特征值的變化表明高CO2濃度環(huán)境下生長的稻米淀粉更易糊化，蒸煮后粘滯性更強(qiáng)，利于改善稻米食味品質(zhì)。物性分析儀、食味計或人工品嘗的結(jié)果也證明，高CO2濃度環(huán)境下生長的稻米蒸煮食味品質(zhì)也有變優(yōu)的可能。

溫度升高使多數(shù)品種直鏈淀粉含量及蒸煮食味嚴(yán)重降低。關(guān)于CO2和溫度互作對蒸煮食味品質(zhì)的影響因不同指標(biāo)而異。Madan等]短期高溫試驗發(fā)現(xiàn)，高溫脅迫導(dǎo)致直鏈淀粉含量下降的現(xiàn)象在高CO2濃度環(huán)境下更為明顯，但Ziska等研究沒有觀察到這種交互作用。Jingb等淀粉RVA譜以及稻米食味分析結(jié)果表明，大氣CO2濃度或氣溫升高均使武運粳23稻米適口性變好，但CO2與溫度同增環(huán)境下的增幅最大，這呈現(xiàn)明顯的互作效應(yīng)。

4.營養(yǎng)品質(zhì)

蛋白質(zhì)是稻米營養(yǎng)品質(zhì)的最重要指標(biāo)。高CO2濃度均使稻米蛋白質(zhì)濃度和含氮率下降，降幅會因CO2水平及品種而異。整合分析表明高CO2濃度使水稻籽粒蛋白質(zhì)濃度平均下降8-10%。從蛋白質(zhì)組分看，高CO2濃度稻米的清蛋白（-34%）、醇溶蛋白（-21%）、谷蛋白（-17%）和球蛋白濃度（-16%）均明顯下降。氨基酸組成及其含量也是衡量稻米營養(yǎng)品質(zhì)的重要指標(biāo)，但相對有關(guān)蛋白質(zhì)的研究而言，這方面的報道甚少。Zhang等報道高CO2濃度使稻米15種氨基酸濃度平均下降30-40%。吳健等發(fā)現(xiàn)高CO2濃度使汕優(yōu)63所有必需氨基酸的降幅均達(dá)顯著水平。周曉冬等FACE研究表明，高CO2濃度使精米所有氨基酸含量均顯著下降（最大降幅為14%），但降幅在品種間存在差異。

適度增溫可導(dǎo)致稻米蛋白質(zhì)濃度增加，但溫度過高則相反。Jingb等報道，增溫1℃對環(huán)境CO2濃度下稻米蛋白質(zhì)及其組分均無顯著影響，但高CO2濃度環(huán)境下多明顯增加，其中CO2濃度與溫度對清蛋白、球蛋白和醇溶蛋白濃度的互作均達(dá)顯著水平；Usui等在日本也發(fā)現(xiàn)了相似的規(guī)律。高溫下籽粒蛋白質(zhì)濃度的增加被認(rèn)為與“濃縮機(jī)制”有關(guān)，即逆境對淀粉積累的影響大于蛋白合成。以上說明，高CO2濃度對稻米蛋白質(zhì)及其組分的影響明顯大于高溫的影響。這說明未來氣候下稻米營養(yǎng)品質(zhì)將呈惡化趨勢。

結(jié)語

綜上，盡管前人已展開了氣候變化對水稻品質(zhì)的影響，取得了部分進(jìn)展，但這些研究通常只調(diào)查少數(shù)品種的個別品質(zhì)指標(biāo)，缺乏對本領(lǐng)域稻米品質(zhì)全方面（如飼草品質(zhì)及衛(wèi)生品質(zhì)指標(biāo)等）的研究，這嚴(yán)重阻礙了人們對稻米品質(zhì)的全方位評價。更為緊迫的是，我們對其形成機(jī)理了解的很少。高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)是我國長期糧食發(fā)展戰(zhàn)略，在全球氣候變化背景下，研究產(chǎn)量形成機(jī)制的同時亦更需要多加關(guān)注稻米品質(zhì)的變化。