大氣CO2濃度升高對糙米和精米中礦質營養元素含量的影響

蔣 倩，朱建國，朱春梧，劉 鋼，徐 習，張繼雙

(1.中國科學院南京土壤研究所土壤與農業可持續發展國家重點實驗室，江蘇 南京 210008；2.中國科學院大學，北京 100049)

目前，大氣CO2濃度已由工業革命前的280 μmol/mol增加至410 μmol/mol，并且每年以1.56 μmol/mol的增長率持續上升[1]，預計本世紀中葉將達到550 μmol/mol[2]。大氣CO2直接參與植物的光合作用，其濃度的增加提高了植物葉片光合速率，促進了碳水化合物的合成和干物質的積累，進而不同程度地增加C3作物，如小麥、水稻等的生物產量和經濟產量[3-7]。水稻是世界上最重要的農作物之一，全世界約有一半的人口以大米為主食。因此，有關水稻產量、品質等對未來CO2濃度升高響應的研究具有重要意義。

有研究結果表明，CO2濃度升高條件下，水稻籽粒產量增加的主要原因是有效分蘗數與穎花數的增加[8]。除了產量以外，CO2濃度升高對稻米的外觀品質、淀粉含量以及礦質元素含量的影響已引起廣泛關注[9-11]。龐靜等在中國水稻FACE(Free-air CO2enrichment)平臺的研究結果表明，CO2濃度升高顯著降低粳稻武香粳14籽粒的N、K含量，但對P、Ca、Mg含量并無顯著影響[12]。日本FACE平臺的研究者發現，大氣CO2濃度升高條件下，粳稻(Akitakomachi)精米的蛋白質含量顯著降低[9]，而糙米中K、P、Mg、Mo等含量有增加趨勢，但差異并不顯著[13]。在生長室(Growth chamber，GC) 條件下，CO2濃度升高顯著降低水稻品種(Jarrah)糙米的N含量(在低P供給下)和P含量(在中P條件下)[14]。此外，Loladze通過整理文獻并分析數據發現，19種草本植物、11種樹種以及5種小麥的P、Mg、Ca含量對高CO2濃度的響應均表現為顯著下降，但K含量增加[15]。因此，不同試驗平臺(FACE、GC)、水稻品種、種植方式(盆栽與大田)以及加工程度(籽粒、糙米、精米)都可能引起研究結論的差異[16]。目前，大部分有關CO2濃度升高對水稻品質影響的研究對象為糙米。然而，日常生活中，人們主要食用精米。由于加工精度高，富含蛋白質、脂肪、維生素和礦物質的胚和皮層去掉的更多，因此精米的營養物質含量明顯低于糙米[17]。在大氣CO2濃度升高條件下，有關秈稻和粳稻2種類型水稻的糙米與精米中N、K、P、Ca、Mg、Ni、Mo含量的響應差異還鮮有報道。有研究結果表明，CO2濃度升高條件下，秈稻IIY084的產量增加幅度超過粳稻WYJ21(23)1倍[7,18]。本試驗擬利用中國水稻FACE平臺，以這2種水稻品種為研究對象，探討連續2年大氣CO2濃度增加200 μmol/mol的條件下，其糙米、精米的品質性狀[包括加工品質和礦物質品質(N、K、P、Ca、Mg、Ni、Mo含量)]的響應及其差異。旨在更加準確地分析將來大氣CO2濃度升高對秈稻、粳稻品種糙米和精米品質性狀的影響程度，從而為人們健康飲食提供一定的科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地區及平臺概況

中國水稻FACE平臺位于江蘇省江都市小紀鎮馬凌村良種場 (32°35′5″N, 119°42′0″E)，試驗區年均氣溫約15 ℃，年降雨量980 mm，年均日照時間2 100 h，年無霜期220 d。土壤類型為砂漿土，其耕作層基本性質為pH6.8、全氮1.45 g/kg、全磷 0.63 g/kg、全鉀 14.00 g/kg、有效磷 10.10 mg/kg、速效鉀 70.50 mg/kg、有機碳 18.40 g/kg[19]。

該平臺設置了3塊CO2濃度升高區域和3塊對照區域，各區域之間距離達到90 m以避免相互干擾。在水稻整個生育期，通過數字控制系統實現CO2濃度升高區域CO2濃度始終高出對照區域200 μmol/mol，并且控制偏差在10%以內。各區域的光照、降雨、通風等與自然環境完全一致。FACE平臺的設計原理與運行模式詳見參考文獻[20]。根據實際監測結果，2012年與2013年在水稻生長期CO2濃度升高區域的CO2平均濃度分別為571 μmol/mol、588 μmol/mol，而空氣溫度、相對濕度年平均值分別為24.4 ℃、92.9% (2012年)和24.8 ℃、91.9% (2013年)。

1.2 試驗設計

供試水稻品種為雜交秈稻IIY084 (OryzasativaL.)和粳稻WYJ21(23) (OryzasativaL.)。2012和2013年，分別于5月18日、5月21日進行大田育秧，于6月20日和6月22日人工移栽，行距25.0 cm，株距16.7 cm，每穴2株。采用氮磷鉀復合肥(15-15-15)和尿素(含氮46.7%)結合施用。氮施用量22.5 g/m2，其中40%用作基肥，其余平均分配于水稻分蘗期和抽穗期施用。磷鉀肥均用作基肥，施用量均為9.0 g/m2。在移栽前1 d施用基肥，追施分蘗肥和穗肥日期分別是2012年6月27日和7月31日，2013年6月28日和7月25日。灌溉排水，病蟲草害防治等田間管理與大田保持一致。

1.3 樣品采集與分析

水稻分別于2012年10月17日(IIY084、WYJ21)與2013年10月11日(IIY084)、2013年10月24日(WYJ23)完熟并收獲。避開每個小區的邊緣區域，采集2 m2試驗區域樣品。隨后，經自來水和純水清洗，烘干至恒質量(70 ℃，48 h)，稱質量。稻谷混勻后，取部分稻谷通過礱谷機(JLG-II，中儲糧)脫殼而得到糙米。為了確保脫糠效率一致，稱取等質量糙米再經碾米機(JNM-III，中儲糧)脫糠層獲得精米。然后，用球磨儀(MM400，Retsch)分別磨成待測粉末樣品。

樣品經烘干后(70 ℃，6 h)，置于干燥器中冷卻至室溫。采用元素分析儀(Vario MAX CNS, Elementar)測定N含量。稱取0.5 g(精確至0.000 1 g)樣品于石墨消解管中，純水潤濕，注入8 ml HNO3(GR)冷消化。次日，加入2 ml HClO4(GR)，經全自動石墨控溫消解系統 (Deena II, Thomas Cain)消化，直至消化液冒白色煙霧，剩余體積約1 ml，并且清澈即可。最后，用超純水定容至50 ml。采用電感耦合等離子體發射光譜 (ICP-AES, Optima 8000, PerkinElmer)測定K、P、Ca、Mg含量。采用電感耦合等離子體質譜 (ICP-MS, 7700x, Agilent)測定Ni、Mo含量。用標準樣品GBW10043(GSB-21)遼寧大米實現測試過程的質量控制。

1.4 數據處理

采用Office2013、SPSS16.0軟件進行數據處理與統計分析。選用雙因素方差分析方法(Two-way Analysis of Variance)對CO2、品種及其交互作用進行統計分析(**、*、+分別表示P<0.01、P<0.05、P<0.10)。礦質元素含量變化百分數=[(高[CO2]處理-對照)/對照]×100%，負值表示降低百分數，而正值表示增加百分數。

2 結果與分析

2.1 糙米、精米產量對CO2濃度升高的響應

從表1可知，2012和2013年秈稻IIY084糙米率、精米率分別為 81.6%～82.4%、85.3%～88.4%，粳稻WYJ21(23)則分別為 83.3%～85.5%、83.5%～87.0%。雙因素方差分析結果顯示，CO2濃度顯著影響2012年水稻的糙米率(P<0.01)與精米率(P<0.01)，其在CO2濃度升高條件下顯著降低。同樣，品種效應顯著影響兩年的糙米率(P<0.01, 2012;P<0.01, 2013)和精米率(P<0.05, 2012;P<0.10, 2013)。糙米率WYJ21(23)高于IIY084，而精米率卻相反 (表1、表2)。

此外，糙米產量 (P<0.05, 2012;P<0.01, 2013)與精米產量(P<0.05, 2012;P<0.01, 2013)對CO2濃度升高有顯著響應。CO2濃度升高條件下，秈稻IIY084糙、精米產量2年平均升高分別達到37.1%、39.7%；而粳稻WYJ21(23) 糙、精米產量增加幅度較小，2年平均分別增產10.9%、9.2%。此外，品種效應顯著影響水稻糙米(P<0.05, 2012)和精米產量(P<0.05, 2012;P<0.10, 2013)，IIY084高于WYJ21(23) (表1、表2)。

2.2 糙米、精米礦質營養元素含量對CO2濃度升高的響應

由圖1與圖2可見，2012和2013年秈稻和粳稻品種糙米礦質營養元素含量明顯高于精米。IIY084糙米N、K、P、Ca、Mg、Ni、Mo含量2年平均分別比精米高1.10、3.62、4.29、2.02、9.20、1.45和1.24倍，WYJ21糙米N、K、P、Ca、Mg、Ni、Mo含量2年平均分別比精米高1.18、3.29、4.73、2.40、9.89、1.33和1.09倍。

從圖1、圖2結合表3可知，CO2濃度升高顯著影響水稻糙米 (P<0.10, 2012;P< 0.01, 2013)和精米 (P<0.05, 2012與2013)中N含量。與對照相比，CO2濃度升高處理下，IIY084糙米和精米N含量分別降低7.9%、3.9% (2012年)以及14.3%、11.4% (2013年)。與之相比，WYJ21(23) 糙米和精米N含量降低幅度較小，分別為3.4%、4.4% (2012年)以及5.0%、7.4% (2013年)。此外，品種效應也顯著影響水稻糙米 (P<0.05, 2012;P< 0.01, 2013)和精米(P<0.01, 2012與2013)中N含量，且秈稻II084糙米、精米中N含量顯著高于粳稻WYJ21(23)。同樣，CO2與品種的交互作用顯著影響糙米N含量 (P<0.10, 2012;P< 0.05, 2013)，但是沒有顯著影響精米中N含量(表3)。

表1CO2濃度升高對水稻IIY084、WYJ21(23)糙米率、精米率以及糙米產量、精米產量的影響

Table1EffectsofelevatedCO2onthepercentageofbrownriceandwhitericeandtheyieldsforIIY084andWYJ21(23)

品種 處理 2012年糙米率(%)精米率(%)糙米產量(g/m2)精米產量(g/m2)2013年糙米率(%)精米率(%)糙米產量(g/m2)精米產量(g/m2)IIY084對照81.7±0.187.7±0.3717±37629±3182.0±0.685.3±4.4 783±28668±54高CO2濃度81.6±0.287.7±0.51 001±182 879±16482.4±0.188.4±0.21 055±54933±50WYJ21(23)對照85.5±0.487.0±1.1700±12610±1083.4±0.484.0±0.9 817±63686±46高CO2濃度84.1±0.383.5±2.6741±15618±3183.3±0.284.7±1.2 948±44803±47

表2CO2濃度升高對水稻IIY084、WYJ21(23)糙米率、精米率以及糙米產量、精米產量影響的方差分析

Table2VarianceanalysisfortheeffectofelevatedCO2onthepercentageofbrownriceandwhitericeandtheyieldforIIY084andWYJ21(23)

項目 2012年F值2013年F值高CO2濃度20.3**4.4+9.1*6.9*0.92.150.9**44.3**品種400.9**8.7*6.7*8.1*27.0**3.6+1.73.9+高CO2濃度×品種18.5**4.5+5.1*6.0*1.20.96.3*6.7*

**、*、+分別表示差異達到0.01、0.05、0.10顯著水平。

a:IIY084糙米；b：WYJ21糙米；c:IIY084精米;d:WYJ21精米。圖1 2012年水稻IIY084、WYJ21糙米與精米中礦質元素含量對CO2濃度升高的響應Fig.1 Effects of elevated CO2 on concentrations of mineral elements in brown rice and white rice of IIY084 and WYJ21 in 2012

a:IIY084糙米；b：WYJ23糙米；c:IIY084精米;d:WYJ23精米。圖2 2013年IIY084、WYJ23糙米與精米中礦質元素含量對CO2濃度升高的響應Fig.2 Effects of elevated CO2 on concentrations of mineral elements in brown rice and white rice of IIY084 and WYJ23 in 2013

與N含量不同，CO2濃度升高對秈稻、粳稻品種的糙米與精米中K、P、Mg、Ca、Ni、Mo含量沒有顯著影響，但存在不同程度的正、負影響趨勢 (圖1、 圖2)。與對照相比，大氣CO2濃度升高處理的秈稻IIY084糙米2年的P、Ca、Mg、Mo含量表現出下降趨勢，變化百分率分別為：-2.5%、-3.3%、-5.4%、-5.3% (2012)；-3.1%、-12.1%、-8.7%、-13.1% (2013)。然而，粳稻WYJ21(23)糙米中P、Ca、Mg含量則分別高于對照6.8%、3.9%、7.7% (2012)；6.0%、3.7%、0.9% (2013)；Mo含量則有減有增-3.9% (2012)、13.0% (2013)。此外，秈稻與粳稻糙米K含量分別增加0.2%、4.0% (2012)和5.9%、6.5% (2013)，Ni含量卻分別下降4.3%、1.8% (2012)以及23.1%、13.2% (2013)。

與糙米類似，大氣CO2濃度升高處理下，秈稻IIY084精米P、Ca、Mg、Ni、Mo含量2年平均值也分別下降了2.8%、3.3%、1.8%、14.7%、9.1%。粳稻WYJ21(23)精米中P、Mg、Ni含量仍為下降趨勢，2年均值分別降低了2.3%、6.4%、13.2%，而Ca與Mo則分別高于對照0.4%、2.0%。此外，高CO2濃度條件下，IIY084精米中K含量的2年均值仍然增加了1.4%，但WYJ21(23)則下降了5.0%。

秈、粳稻品種的差異性也顯著影響糙米中K (P<0.010, 2012與2013)、Mg (P<0.10, 2012;P<0.01, 2013)、Mo(P<0.10, 2012;P<0.01, 2013) 、P (P<0.01, 2012)和Ca (P<0.01, 2012)含量 (圖1、圖2、表3)。此外，品種效應顯著影響精米中K (P<0.10, 2012與2013)、P (P<0.10, 2012與2013)、Ca(P<0.01, 2012;P<0.05, 2013)、Mo(P<0.01, 2013) 含量。CO2與品種的交互作用對糙米中的P (P<0.10, 2013)、Ca (P<0.01, 2012;P< 0.10, 2013)、Mo (P<0.01, 2013)含量以及精米中Mo(P<0.05, 2013)含量有顯著影響 (圖1、圖2、表3)。

3 討 論

本試驗中，與對照相比，大氣CO2濃度升高處理顯著增加了2012和2013年秈稻IIY084和粳稻WYJ21(23)糙米與精米產量，而且IIY084糙米、精米產量增加幅度明顯高于WYJ21(23)。該結果與前人的報道[21-23]一致。中國水稻FACE平臺的前期研究結果同樣表明，IIY084的增產幅度超過粳稻WYJ21(23)1倍[7,18]。此外，糙米率與精米率是優質大米加工品質性狀[24-25]，目前僅有少數文獻報道了它們對CO2濃度升高的響應。本研究結果表明，大氣CO2濃度升高條件下，2012年水稻糙米率和精米率顯著下降。同樣，在FACE條件下，粳稻武香粳14的糙米率、精米率對CO2濃度升高有明顯的負響應[26]。然而，2013年水稻糙米率和精米率卻沒有受到CO2濃度升高的顯著影響。這種年際間的不同有可能是FACE大田試驗溫度、降水量等自然條件在年際間的差異引起的。同樣，李春華等[4,27]認為FACE平臺基礎氣溫和降雨量的年際間差異，是引起水稻干物質積累與分配，以及微量元素累積在連續2年間存在較明顯差異的重要原因之一。據報道，糙米的皮層含有均衡的營養元素，導致糙米與精米間營養元素含量存在較大差異[28]。因此，CO2濃度升高條件下，研究秈稻和粳稻品種糙米與精米中礦質元素含量的差異具有重要意義。

表32012年和2013年IIY084、WYJ21(23)的糙、精米中礦質元素含量對CO2濃度升高、品種以及其交互作用響應的方差分析

Table3VarianceanalysisfortheeffectofelevatedCO2,cultivar,andtheirinteractionsonconcentrationsofmineralelementsinbrownriceandwhitericeofIIY084andWYJ21(23)in2012and2013

年份處理 糙米NKPCaMgNiMo精米NKPCaMgNiMo2012高CO2濃度4.2+0.20.20.1001.05.3*00.11.80.11.41.3品種8.2*11.6**20.7**65.3**3.5+1.13.7+65.3**5.0+4.3+12.0**00.12.0高CO2濃度×品種4.2+0.10.71.8**1.10000.200.60.40.20.72013高CO2濃度25.0**3.30.40.42.10.80.68.0*00.10.10.10.41.2品種49.0**21.5**1.80.315.7**0.269.8**40.5**4.9+4.8+56.3*0.11.7304.7**高CO2濃度×品種4.0*0.13.9+1.3+2.80.111.6**2.00.200.10.30.67.0*

數值為F值。**、*、+分別表示差異達到0.01、0.05、0.10顯著水平。

大氣CO2濃度升高顯著降低2012與2013年IIY084和WYJ21(23)糙米N含量。與對照相比，2012和2013年IIY084糙米N含量分別降低7.9%、14.3%，而WYJ21(23)降低幅度較小，分別為 3.4%和5.0%。這一結果與目前有關CO2濃度升高條件下，水稻糙米N含量的研究結論[13,21]一致。在OTC(Open-top field chambers)平臺，秈稻IR72在CO2濃度高出對照300 μmol/mol時，其蛋白質含量2年平均下降了8.3%[21]。日本FACE平臺的研究結果顯示，粳稻 Akitakomachi 糙米中氮含量顯著下降[14]。本研究結果表明，高CO2濃度處理下，2012和2013年IIY084精米中N含量分別下降3.9%、11.4%，WYJ21 (2012)與WYJ23(2013)則分別降低4.4%、7.4%，差異均達到顯著性水平。中國FACE平臺的研究結果同樣表明，在高CO2濃度條件下WYJ21的精米蛋白質含量顯著下降11.0%[29]。日本FACE平臺的研究結果也顯示在高CO2濃度條件下Akitakomachi精米蛋白質2年平均值降低了9.1%[9]。顯然，大氣CO2濃度升高條件下，糙米與精米N含量的下降幅度不同。可見，稻米麩皮積累了較多的N，其營養價值不容忽視。另外，大氣CO2濃度升高對稻米麩皮中N含量亦有著較為明顯的影響，從而導致同一品種糙米和精米N含量對CO2濃度升高的響應程度存在差異，而且較之粳稻WYJ21(23)，這種影響在秈稻IIY084中更為明顯。由于精米制成的米飯觀感和口感優于糙米，以水稻為主食的人們普遍食用精米。這導致人們從稻米中攝取的N量降低，從而影響大眾健康。目前，CO2濃度升高條件下，糙米、精米中N含量下降的主要原因可概述為以下3個方面：(1)CO2濃度升高促進了植物生長和生物量增加，導致N含量下降，形成了植物中N的稀釋效應[30]；(2)CO2濃度升高降低了葉片蒸騰速率，減少了植物N需求或降低硝酸鹽質量流，最終降低了根對N的吸收率[31]；(3)由于植物N損失，CO2濃度升高顯著增加了水稻總N吸收量但并未引起總N收益的明顯增加[32]。

FACE平臺下，2012和2013年秈稻IIY084糙米中P、Ca、Mg、Ni、Mo含量較對照均有下降趨勢，但差異未達顯著水平。在OTC(Open top chambers)試驗平臺，CO2濃度分別高于對照200 μmol/mol與300 μmol/mol條件下，秈稻IR72籽粒中K、Ca含量同樣未受到顯著影響[21]。然而，有研究結果表明CO2濃度升高處理的秈稻IIY084稻米中Fe、Zn等含量顯著低于對照[33]。CO2濃度升高條件下，2012和2013年粳稻WYJ21(23) 糙米中K、P、Ca、Mg、Mo的含量有增加趨勢，但均未達到顯著水平。這與日本FACE平臺大氣CO2濃度升高處理的粳稻(Akitakomachi)糙米中K、P、Mg、Mo含量增加的研究結論[13]一致。但是，與同一平臺的盆栽試驗結果不同，CO2濃度升高處理的粳稻武香粳14籽粒中K、P、Ca、Mg含量有下降趨勢，并且K含量下降達到顯著水平[12]。主要原因可能是大田試驗較盆栽試驗礦質元素供給充足[34]。與糙米類似，大氣CO2濃度升高處理下，秈稻IIY084精米P、Ca、Mg、Ni、Mo含量也存在下降趨勢。除Ca與Mo外，粳稻WYJ21(23)精米中P、Mg、Ni含量同樣有下降趨勢。而且，與N含量相似，秈稻和粳稻品種糙米中K、P、Ca、Mg、Ni、Mo含量對CO2濃度升高的響應強于精米。

目前，盡管未見到CO2升高導致這些礦質元素在土壤-水稻系統中遷移差異的報道，但是常規條件下，這些元素的遷移能力確實不同[35]。因此，元素的遷移能力、水稻品種、試驗平臺(FACE、OTC、GC)、種植方式(盆栽與大田)、甚至加工程度(籽粒、糙米、精米)都可能會引起結論差異[16]。礦質元素含量下降可能由水稻干物質增加導致的稀釋效應[36]引起，也有可能由礦質元素在水稻各器官中的不平衡分配引起[37]。此外，糙米中N、K、P、Ca、Mg、Ni、Mo含量在本試驗中平均值分別高于精米1.10、3.62、4.29、2.02、9.20、1.45和1.24倍 (IIY084)，以及1.18、3.29、4.73、2.40、9.89、1.33和1.09倍 (WYJ)。這為緩解CO2濃度升高條件下，食用精米人群部分礦質元素下降引起的營養匱乏問題提供了一個有效途徑，即采用糙米和精米搭配的食用方式。下一步研究，將闡明這些礦質元素在土壤-水稻系統中的遷移與分配機制以解釋其含量對CO2濃度升高響應的差異。

致謝：感謝中國科學院南京土壤研究所土壤與環境分析測試中心龔華、孫曉麗、孫玉芳等老師的分析技術支持！