大氣CO2濃度及溫度升高對稻米品質的影響

潘 越

（揚州大學農學院，江蘇 揚州 225000）

大氣二氧化碳（CO2）濃度和全球地表溫度持續升高，這已成為包括我國在內的全球氣候變化的兩個鮮明特色。大氣中CO2濃度已從工業革命前280 ppm上升到現在的400 ppm，且增速仍在加大。最新模型預測，本世紀中葉大氣中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，進而導致地表氣溫增高。諸多模型預測本世紀末溫度將上升1.8-4.5℃。氣候變化已是全球（尤其是發展中國家）糧食生產波動的最重要原因，威脅著世界糧食產量和質量的安全。

糧食作物品質與糧食安全的關系越來越密切，在我國糧食產量“連增”的背景下，近年來國家一號文件強調，在重視糧食數量的同時，要更加注重品質和質量安全，重點發展優質稻米和強筋弱筋小麥。水稻為全球半數以上的人口提供熱量和營養。目前氣候變化對水稻影響的研究大多集中在生長和產量方面。相反，對稻米品質影響的報道相對較少且分散。因此，本文將從稻米加工品質、外觀品質、蒸煮食味品質及營養品質等方面總結氣候變化對水稻品質影響的實驗進展，并展望了該領域未來的發展方向。

1.加工品質

根據稻米的不同用途，稻米有著不同的品質評價標準，總體上包括加工品質、外觀品質、蒸煮食味品質和營養品質等四大類。加工品質是稻谷加工過程中表現品質指標，決定了稻谷得米率，直接與農民受益相關。高CO2濃度環境下稻米加工品質多呈變劣趨勢。日本研究發現高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24%。Usui等發現，稻米加工品質對CO2的響應可能還與品種特性有關：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%。以上結果表明，高CO2濃度環境下生長的稻米將去除糠層并產生較多碎米，進而導致商品價格降低。

灌漿期高溫脅迫使加工品質多呈惡化趨勢，下降的一個主要原因是與堊白米增加有關。Usui等最新FACE試驗發現，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。謝立勇等發現兩因子共同增加使中作93加工品質惡化。Usui等比較兩季數據后發現，高溫季熱敏品種高CO2濃度導致的碎米明顯增多，而耐熱品種沒有這一現象。說明高溫具有進一步惡化CO2濃度升高環境下稻米加工品質變劣程度的風險——二因子對稻米加工品質有明顯的互作效應。

2.外觀品質

外觀品質決定著稻米呈現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。日本研究發現，高CO2濃度使Akitakomachi堊白顯著增加2.6%。中國學者報道高CO2濃度使常規粳稻武香粳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63亦有類似趨勢。高CO2環境下，稻米堊白增多，導致米質疏松、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下降呈明顯的正相關關系。

高CO2濃度條件下稻米堊白增加的原因目前尚不確定，有研究認為這主要與高CO2濃度導致籽粒灌漿速率波動有關：中國學者觀察到，高CO2濃度顯著促進武香粳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，進而導致充實不良、堊白增加。最新研究發現，高CO2濃度環境下稻米堊白與蛋白質及其組分濃度的下降密切關聯，但其內在機理尚不明確。

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，如果增加同化物供應，高溫下稻米的乳白色和白色內核明顯減少。除個別研究外，多數文獻報道CO2與溫度對籽粒重量和大小不存在交互作用。但關于堊白，Jingb等研究發現，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。

3.蒸煮食味品質

蒸煮食味品質是指在蒸煮及食用過程中，稻米所表現的理化和感官特性，是稻米品質的一個核心指標。其中，直鏈淀粉含量及膠稠度被認為可以直接評價稻米蒸煮食味品質。高CO2濃度對稻米直鏈淀粉含量影響的報道很不一致。溫室研究發現， 高CO2環境下生長的稻米直鏈淀粉含量下降了19%，但中國大田研究發現直鏈淀粉含量對CO2無顯著響應。稻米中直鏈淀粉含量對淀粉粘滯性（RVA譜）有很大影響。多數研究認為高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濃度環境下生長的稻米淀粉更易糊化，蒸煮后粘滯性更強，利于改善稻米食味品質。物性分析儀、食味計或人工品嘗的結果也證明，高CO2濃度環境下生長的稻米蒸煮食味品質也有變優的可能。

溫度升高使多數品種直鏈淀粉含量及蒸煮食味嚴重降低。關于CO2和溫度互作對蒸煮食味品質的影響因不同指標而異。Madan等]短期高溫試驗發現，高溫脅迫導致直鏈淀粉含量下降的現象在高CO2濃度環境下更為明顯，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與溫度同增環境下的增幅最大，這呈現明顯的互作效應。

4.營養品質

蛋白質是稻米營養品質的最重要指標。高CO2濃度均使稻米蛋白質濃度和含氮率下降，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濃度平均下降8-10%。從蛋白質組分看，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品質的重要指標，但相對有關蛋白質的研究而言，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%。吳健等發現高CO2濃度使汕優63所有必需氨基酸的降幅均達顯著水平。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。

適度增溫可導致稻米蛋白質濃度增加，但溫度過高則相反。Jingb等報道，增溫1℃對環境CO2濃度下稻米蛋白質及其組分均無顯著影響，但高CO2濃度環境下多明顯增加，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顯著水平；Usui等在日本也發現了相似的規律。高溫下籽粒蛋白質濃度的增加被認為與“濃縮機制”有關，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品質將呈惡化趨勢。

結語

綜上，盡管前人已展開了氣候變化對水稻品質的影響，取得了部分進展，但這些研究通常只調查少數品種的個別品質指標，缺乏對本領域稻米品質全方面（如飼草品質及衛生品質指標等）的研究，這嚴重阻礙了人們對稻米品質的全方位評價。更為緊迫的是，我們對其形成機理了解的很少。高產和優質是我國長期糧食發展戰略，在全球氣候變化背景下，研究產量形成機制的同時亦更需要多加關注稻米品質的變化。