长江流域5省市近10年国家审定水稻品种产量和品质与其相应气候特性的分析

王 端，黄 雅，朱晓妹，陆佳岚,方先文，李 霞

(1.江苏省农业科学院粮食作物研究所/江苏省优质水稻工程技术研究中心/国家水稻改良中心南京分中心,江苏南京210014;2.南京农业大学农学院,江苏南京210095;3.南京晓庄学院,江苏南京211171;4.南京师范大学金陵女子学院,江苏南京210097)

水稻(OryzasativaL.)是主要的粮食作物之一，世界上50%以上人口以大米为主食，大米占据人们食物来源的60%左右[1-3]。我国水稻种植面积居世界第二位，总产量居世界第一位，占世界稻谷产量的36%[4]。稻米有多种用途，以食用为主，同时作工业用和饲料用等[5]。长期以来，优质、抗病和高产是水稻育种的三大主要目标，也是水稻育种永恒的主题[6]。当前，我国水稻生产进入了调整结构，从高产为育种目标，到优质、高产以及优质、高效和绿色三者并重的育种目标，以应对“入世”提升农产品国际竞争力,已到了人们对稻米品质的消费需求以及促进农民持续增收的新阶段，为此，必须进一步加强以水稻品质和产量并重的稻作科学研究，大力推动我国稻作生产科技进步，不断提高稻作经济效益和生态效应。

气候变化已经显著地影响着世界各国的农业生产，如何适应气候变化成为当务之急，进行农业结构调整(包括种植业结构调整)、栽培以及育种等方面的农业适应技术措施的研究及其效果的评估对于减小气候变化的不利影响，保证未来粮食安全十分重要[7]。水稻生长在开放的环境中，因此外界的气象条件极大地影响着水稻的生产。气象因子是影响水稻单产和稻米品质的重要自然因素，它包括光、温和水等因子[8]。水稻在各个生长发育阶段都有其最低适宜温度和最高临界温度，环境温度过高或过低不仅不利于其干物质的累积,而且对后期籽粒的外观和食味均有不利影响[9-10]。尤其在水稻的生长和籽粒形成的生殖时期，短期(几天甚至几小时)的极端温度胁迫,即可严重破坏水稻的籽粒及其生理功能，导致其颖花不育、籽粒空瘪，从而降低水稻产量,恶化籽粒品质,严重地影响稻米的商品性[11-13]。了解水稻产量和品质对关键气象因子的适应特征,制定出适应的优质和高产的栽培措施,是水稻实现优质和高产的有效途径之一。

早在本世纪初,中国的科学家就对优质水稻的气象适应特征进行了研究和总结,并编撰成册,对当时优质水稻的布局和区划有重要的意义[5]。但近年来，全球气候异常变化已成为不争的事实，气温升高、海平面上升、极端气象灾害增加以及洪涝干旱频发等一系列气候变化引起的气候或气候灾害现象无时无刻不对人类生活、生产活动和人类社会的发展产生深远影响[14],尤其是近10年的气象特征发生了变化,而且气候异常和气候灾害使农业面临生产不稳定和产量波动大的问题尤为突出[15]。了解近10年的水稻生产尤其是优质生产的气候特点，可以帮助水稻科学工作者依据农业生产的需要，结合优质品种生长发育所需的气象条件，充分利用气象资源，合理安排作物生长时间，搞好品种搭配，因地制宜的引进和培育适合本地的优质品种,制定相应的高产高品质栽培措施，对我国水稻优质高产的生产和粮食安全具有重要的现实意义。

目前，关于气候变化对农业生产影响及对策方面的研究成果相对较多[8]。如侯雯嘉等[16]研究了1989—2009年气候变暖对东北地区水稻生育期和产量的影响，发现东北地区日平均温度、最低温度和最高温度的变化均会影响该地区水稻产量，温度上升对黑龙江省的增产效应较明显。叶清等[17]研究1951—2010年中国南方主要熟制水稻生长季可利用率的空间分布特征及演变趋势，表明气候变暖条件下中国南方主要熟制水稻生长季可利用率呈现增加的趋势。程方民等[18]通过多个不同类型品种的分期播种试验，发现其中垩白度对气候条件变化最敏感，另外在影响稻米品质的诸气候生态因子中，水稻灌浆结实期间的日平均温度的作用最大，日平均太阳辐射、日平均温差和平均日照时数次之，而日平均相对湿度和日平均降雨量最小。水稻起源于中国长江流域[19]，中国水稻主要分布在长江流域、东北平原和东南沿海三大区域，其中长江流域是中国最大的水稻生产区[20]。根据中国农村统计年鉴[21]数据，2012年长江流域水稻播种面积约2 000万hm2，占全国水稻播种面积的66.7%；总产量1.38亿t，占水稻总产量的67.7%；平均产量6 873 kg/hm2，高于全国平均产量 6 777 kg/hm2。葛道阔和金之庆[22]系统研究了长江中下游稻区19个样点以及每个样点近20年(1979—1998年)的水稻产量资料及同期气象资料，结果表明：不论是单、双季稻,还是灌溉或雨育水稻都显著减产，其中中游稻区的减产幅度大于下游稻区，单季稻和晚稻的减产幅度大于早稻;研究区域不同稻作制度下的水稻进一步减产，且稳产性变差，但该研究只涉及长江中下游，且并没有对水稻品质加以关注。因此，深入分析长江流域水稻主产区近10年的气候特征对各地水稻品种产量和品质的影响，对于稳定粮食安全和加强水稻优质育种和栽培均具有重要的意义。

本文通过收集长江流域水稻主产区包括江苏、安徽、湖北、四川和重庆5省市2005—2016年国审水稻品种的品质和产量信息以及2005—2015年5省市相近纬度地区的气象资料，进而对各省市国审的主要水稻品种类型、各省市主要水稻品种类型的产量以及品质与近10年气候因素进行相关分析，以期为长江流域水稻品种类型的选择、适当地调整水稻的安全播种期以及水稻品种的育种方向均提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 2005—2016年江苏、安徽、湖北、四川及重庆5省市国审水稻品种性状的收集

在国家水稻数据中心(http://www.ricedata.cn)==RiceData==中国水稻品种及其系谱、指纹数据库，将2005—2016年江苏、安徽、湖北、四川及重庆5省市水稻的审定编号(国审稻)、品种名称、类型、品种来源、全生育期、区试产量、生试产量、糙米率、精米率、整精米率、垩白率、垩白度、直链淀粉以及胶稠度等品质信息收集和汇总，分析了近10年5省市国审品种类型，主要包含国审品种类型、数量、生育期、生试产量以及品质特征等信息(其中安徽省没有品质信息)。

1.2 2005—2015年江苏、安徽、湖北、四川及重庆5省市气象资源的收集和分析

本研究中的气象数据源于中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn)。从网站获取2005—2015年5省市 9 个实验点各气象台站的逐日气象资料，包括日照时数、平均气温、最高气温和最低气温等以及同期各台站的月平均降水量资料，这9个实验点包括江苏(淮安、苏州、南京)、安徽(合肥)、湖北(武汉、黄冈、京山)、四川(遂宁)以及重庆，各台站的空间位置数据来自中国气象局，基础地理信息数据来自中国测绘局数据中心(http://ww.ngcc.cn)，然后将日平均温度>12 ℃的气候资料单独调出，且分别绘制年份与平均温度年度积温、年份与最高温度年度积温、年份与最低温度年度积温、年份与年度降水总量、年份与年度日照小时数量关系等图。

1.3 相关性分析

运用SPSS对2005—2016年收集的江苏、安徽、湖北、四川及重庆5省市主要审定水稻品种类型的全生育期、区试产量、生试产量以及品质特征包括糙米率、精米率、整精米率、垩白率、垩白度、直链淀粉及胶稠度等性状等信息与其相应种植地点的气候因子平均温度年度积温、最高温度年度积温、最低温度年度积温、年度降雨总量及年度日照小时总数也进行相关分析，计算该时期各地主要审定的水稻品种类型的产量和品质特征与各省种植地点气象因子的相关系数。

2 结果与分析

2.1 江苏、安徽、湖北、四川及重庆5省市水稻国审品种类型的比较

本研究从国家水稻数据中心==RiceData==中国水稻品种及其系谱、指纹数据库，收集了2005—2016年江苏、安徽、湖北、四川和重庆5省市国审品种资料(表1)。2005—2016年江苏省共审定180个水稻品种，包括常规粳稻、粳型不育系、粳型三系杂交稻以及籼型常规系，其中粳型品种类型(常规粳稻，粳型不育系、粳型三系杂交稻)国审品种类型为主，占该省总国审品种类型的72.2%；而安徽省同期共审定283个水稻品种，包括籼型常规稻，籼型两系、三系杂交稻、粳型常规稻以及粳型两系杂交稻，不仅审定品种数据量多，而且类型更丰富，其中安徽省国审的水稻品种以籼型类型(籼型常规稻，籼型两系、三系杂交稻)为主,共242种，占该省总国审品种类型的85.5%；湖北省共审定244个水稻品种，主要包括粳型不育系、粳型常规稻、粳型两系杂交稻、粳型三系杂交稻、籼型不育系、籼型常规稻以及籼型两系和三系杂交稻，涵盖了审定的8种水稻品种类型，可见湖北省是最适合水稻种植的省份之一。鉴于湖北喜食籼稻的饮食习惯，湖北省国审的品种类型多以籼稻为主，共有221种，占该省总国审品种类型的90.6%；四川省共审定177个水稻品种，主要包括粳型常规稻、籼型两系和三系杂交稻，其中籼型(籼型两系和三系杂交稻)共169种，占该省总国审品种类型的95.5%；重庆市共审定131个水稻品种，包括粳型三系杂交稻、籼型常规系、籼型两系和三系杂交稻，其中籼型杂交稻(两系和三系)共125种，占该市总国审品种类型的95.4%。可见，江苏省近10年国审品种以粳稻为主，籼稻为辅，而安徽和湖北省的品种类型很丰富，各种品种类型均有审定，四川与重庆则主要是籼型杂交稻为主，也有少量的常规粳稻的品种类型(四川)和粳型杂交稻(重庆)在该地区审定。

表1 2005—2016年南方主要稻区国审水稻品种类型

2.2 长江流域5省市2005—2016年国审水稻主要品种类型生长、产量及品质特性的比较

由于各省市的气候特点不同导致所种植的水稻主要品种类型不同，江苏主要是粳型常规稻，安徽和湖北主要是籼型两系和三系杂交稻，四川和重庆则是以籼型三系杂交稻为主，进一步对各省市主要品种类型的产量和品质特征进行分析。

从图1-A和1-B可知,2005—2016年5省市区试和生产试验的产量均随年度均呈明显的上升趋势，其中江苏省粳型常规稻的区试产量较高而且平稳上升；湖北省籼型两系和三系杂交稻的区试产量总体上是上升的且高于四川和重庆籼型三系杂交稻的区试产量，但是在2005—2016年起伏波动较大；四川籼型三系杂交稻较重庆的产量增加较少，而重庆的籼型三系杂交稻在2005—2016年的波动起伏较大。由图1-B可知，江苏粳型常规稻的生试产量稳步上升且产量较高；安徽籼型两系和三系杂交稻的生试产量中等，籼型三系杂交稻波动起伏较大；四川和重庆籼型三系杂交稻的生试产量较低，四川籼型三系杂交稻较重庆的生试产量增加较少，而重庆的籼型三系杂交稻在2005—2016年的波动起伏较大，与区试产量的变化类似。从图1-C可知，各省国审品种的生育期重庆、四川和江苏年度间差别不大，以重庆和江苏的生育期最长(155～165 d)，四川的次之(150 d左右)，而安徽和湖北则生育期明显少于3个地区(140 d以下)，而且以两系和三系杂交稻品种类型而异。其中湖北从2010年开始两系杂交水稻的生育期大大缩短(在110～120 d)，推测与该地区双季稻和再生稻的推广有关。

图1 2005—2016年5省市国审水稻主要品种类型区试产量、生试产量以及生育期的变化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)

由图2A可知，重庆籼型三系杂交稻糙米率在2016年明显下降，而在2005—2016年均在79%～81.5%范围内无明显变化，湖北和四川籼型三系杂交稻在2005—2016年均在79%～81.5%范围内无明显变化。由图2B可知，稻米的整精米率则呈现从东到西递减的趋势，其中江苏粳型常规稻的整精米率处于5地区之首，而且随年度呈上升的趋势，表明江苏历年来重视稻米外观品质，而且重视程度随年份更加强增强，稻米质量显著提升；而重庆籼型三系杂交稻的整精米率波动起伏较大，而且整精米率的值相对最低；湖北籼型三系杂交稻的整精米率较稳定，较而言之，籼型两系杂交稻的变化幅度较大；四川籼型三系杂交稻的整精米率在2009年较高，其他年份总体而言介于重庆与湖北籼型三系杂交稻之间。由图2-C可知，江苏审定的稻米品质的外观品质-垩白率也最低，在20%左右浮动，且波动幅度不大；四川籼型三系杂交稻的垩白率总体最高，在2009—2014年持续上升，达到69.44%，随后又逐渐下降至2016年的47.60%；重庆籼型三系杂交稻的垩白率在2005—2008年逐渐稳步上升，2008—2015年逐渐上升至47.20%，2016年又突然下降至23.00%；湖北籼型两系杂交稻的垩白率主要在20%～30%变化，2015年变化较大达到了55%左右，而籼型三系杂交稻在2005—2010年则逐渐上升至47.00%，2011年下降，2011—2016年则在20%～35%左右波动。从图2D可知，垩白度的变化趋势与垩白率类似。进一步分析其稻米的食味品质，由图3A可知，江苏粳型常规籼稻的直链淀粉含量较低，只有2012年数值较高；湖北籼型两系和三系杂交稻直链淀粉含量在5省市中处于中间，且波动不大；四川籼型三系杂交稻的直链淀粉含量较高，在2013年明显上升，以后又逐年下降；重庆籼型三系杂交稻的直链淀粉含量同样较高，但在2016年出现明显的下降，整体来讲，直链淀粉含量波动不大。由图3B可知，各省市胶稠度波动均较大，江苏粳型常规稻的胶稠度较高，在2012年出现明显的下降，2012—2016年又出现较大波动；湖北籼型三系和两系杂交稻的胶稠度较低，籼型三系杂交稻在2007—2012年波动较大，籼型两系杂交稻在2011—2016年波动较大；四川和重庆籼型三系杂交稻的胶稠度变化起伏较大。简言之，长江流域5省市的近10年国审稻米品质，随年度有所改善，但是从东(江苏)到西(四川)品质变差的趋势并没有显著改善。

图2 2005—2016年5省市主要水稻品种类型的糙米率、整精米率、垩白率以及垩白度的变化Fig.2 Temporal changes of BRR,HRR,CGR and CD of major rice varieties in five provinces and cities (2005—2016)

图3 2005—2016年5省市主要水稻品种类型的直链淀粉含量以及胶稠度的变化Fig.3 Changes of AC and GC of major rice varieties in five provinces and cities (2005—2016)

2.3 长江流域5省市2005—2015年气象参数的比较

气候生态的差异照成水稻各地栽培品种的差异,那么江苏、安徽、湖北、四川以及重庆5省市审定品种的差异是否是由于气候的差异呢？笔者进一步分析了江苏(淮安、苏州、南京)、安徽(合肥)、湖北(武汉、黄冈、京山)、四川(遂宁)和重庆共9点纬度相近(29.61°～33.5°)的气象资料。根据多年的研究观察，以日平均气温升达12 ℃的平均日期作为籼稻的生长开始期[11]，即本研究将如上年份平均温度大于12 ℃的日期气候资料单独调出，其中江苏淮安223 d、南京237 d、苏州242 d、安徽合肥239 d、湖北黄冈251 d、武汉244 d、京山243 d、四川遂宁257 d以及重庆273 d，说明从东(江苏)到西(重庆)水稻生育有增加的趋势。进一步结合各地区审定品种的生育期的结果，可见，本研究涉及的地区均是水稻种植的适宜地区。并将其绘制成不同地点≥12 ℃的日平均温度、降水量以及生长季节日照小时的年度积累量(图4)。

水稻为喜温作物，完成一定的生长活动和物质累计需要一定的积温[9]。温度既是影响水稻生长发育和产量的重要因素，也是确定当地水稻品种布局和稻作熟制的首要条件。根据图4A可知，四川(遂宁)和重庆与湖北(黄冈、武汉、京山)的平均温度年度积温均较高，其中各地区大于12 ℃的年平均积温的均值都大于5 000 ℃，安徽(合肥)与江苏(苏州、淮安、南京)平均温度年度积温均较低。由图4B可知，各地区在水稻生育期间波动幅度较大，没有明显的规律，需要注意各地区灌溉设施的建设，保障水稻生产的正常进行。水稻是喜阳作物，生长需要充足的光照，来提高叶片的光合效率，增加光合产物，对水稻的产量和品质有着重要的影响。太阳可照时数小于实际日照时数的多少，影响着水稻品种类型的地理分布、生长发育状况、产量的高低、品种的优劣以及病虫害的发生发展等。由图4C可知，年日照时数积累量则呈现东和西部日照少，中部的湖北地区高的特征。结合四川和重庆的日照时数较少，而其品种的生育期也较长，证明光照是四川和重庆地区品种成熟的关键气象限制因子。

图4 2005—2015年5省市各地区大于12 ℃的平均温度年度积温、年度降雨总量以及年度日照小时数的变化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 长江流域5省市2005—2015年国审水稻主要品种类型的产量及品质与各省种植地区气象因素的相关分析

各地区水稻主要品种类型的产量以及品质都有明显的特征，这与当地的气候因素如平均温度年度积温、年度日照小时数等密切联系。因此笔者对2005—2015年5省市相近纬度的9地区年度平均气候因素包括年度平均温度、年度积温以及年度日照小时数进行了平均,然后再将各省市国审水稻主要品种类型的平均产量以及品质性状参数进行平均,然后分不同的地区，将审定品种的年度特征与其考察地点的年度气象特征进行了相关分析。结果表明：江苏粳型常规稻产量(年度的平均区试和生试产量)与淮安的年度平均温度、年度平均积温均呈极显著负相关(-0.742* *、-0.794* *)，江苏粳型常规稻年度平均区试产量与淮安水稻生长季的年度平均日照小时数呈极显著负相关(-0.751* *)，江苏审定的粳型常规稻年度平均整精米率与淮安水稻生长季平均温度的年度积温也呈极显著负相关(-0.744* *)，看来，温度和光强是淮安地区水稻产量和品质的负调节因子;江苏省审定粳型常规稻的直链淀粉含量分别与苏州和南京水稻生长季节的年度年度日照小时总数呈显著正相关(0.667*、0.653*)，说明，江苏的沿江地区和苏南的光照状况正调节该地区审定常规粳稻品种的食味品质，看来，江苏从南到北不同稻区水稻生长季节光温条件对其品种的产量与品质影响的关键因子各有侧重；湖北审定的籼型两系杂交稻的年度平均区试产量与武汉地区水稻生长季节平均温度的年度积温以及年度平均日照小时总数均呈极显著负相关(-0.785* *、-0.689* *)，湖北审定的籼型两系杂交稻年度平均直链淀粉含量与武汉地区水稻生长季节年度平均日照小时总数极显著负相关(-0.811* *);而湖北审定的籼型两系杂交稻的年度区试产量与京山地区平均年度日照小时总数呈显著负相关(-0.612*)，而湖北国审的籼型三系杂交稻年度平均直链淀粉含量与武汉水稻生长季节平均温度的年度积温呈显著正相关(0.624*),而湖北国审的籼型三系杂交稻年度平均整精米率与武汉平均年度日照小时总数呈显著正相关(0.687*);在湖北国审的籼型三系杂交稻年度平均的垩白率与京山的年度日照小时总数呈显著负相关(-0.644*)，说明湖北审定籼型两系稻的年度平均产量与该地区平均温度的年度积温均呈负相关，而其品质特性则比较复杂，外观和加工品质与光温呈正相关，而食味品质则不同地区表现不同；四川国审品种的籼型三系杂交稻的年度平均垩白度与遂宁水稻生育期的平均温度的年度积温均呈显著正相关(0.608*);而重庆国审的籼型三系杂交稻的胶稠度与重庆的水稻生长季节年度日照小时总数呈显著正相关(0.611*)，说明西南地区籼型三系稻的外观品质和蒸煮品质分别受到生长季平均温度的年度积温或日照小时总数的影响。

3 结论与讨论

本研究主要对2005—2016年江苏、安徽、湖北、四川以及重庆5省市的国审水稻品种进行分析，结果看出本研究涉及的各省市国审水稻的主要品种类型有一定的规律，如江苏主要是粳型常规稻，安徽和湖北主要是籼型两系和三系杂交稻，四川和重庆主要是籼型三系杂交稻。进而我们对这些水稻品种的产量和品质性状进行了比较，发现长江流域5省市近10年国审稻米的产量逐年增加，但各省市稻米品质，从东(江苏)到西(四川)稻米品质变差，可见，加强稻米品质还是今后水稻育种和栽培函待加强的研究内容。此外，笔者还对这5省市相近纬度的9个地区在2005—2015年的气候数据进行了汇总，分析地区均是水稻种植的适宜地区(年度平均积温均大于5 000 ℃，其中江苏苏州242 d、淮安223 d、南京237 d、安徽合肥239 d、湖北黄冈251 d、武汉244 d、京山243 d、四川遂宁257 d以及重庆273 d)。其中四川(遂宁)和重庆与湖北(黄冈、武汉、京山)的年平均积温均较安徽(合肥)与江苏(苏州、淮安、南京)高，而年度日照小时数却是从东到西逐渐减少的，可见，各地区的品种类型与气象特征有密切关系。而进一步对各省市国审水稻的主要品种类型的产量和品质性状与各地区的气候因素进行了相关分析，结果表明：本研究选取的9个中稻的地区均能满足中稻生长季节的年度积温的条件,但是温度越高则对产量有负效应,种植时应避免过高温度,尤其是中国东部的徐淮稻区,而年度的光照小时数则对籽粒的外观和食味品质有显著的正效应,增加光照时间有利于获得较高的品质,这个效应对中稻地区的东部江苏和西部四川和重庆地区尤为显著。

本研究选择了长江流域相邻5省市纬度相近(29.6°～33.5°)的9地区，并分析了近10年国审品种的产量和品质特征以及同期气候变化特征，并通过各省市国审水稻的主要品种类型的产量和品质性状与各地区的温度和日照相关分析，尤其了解了长江流域水稻主产区的品种品质特性与气候的响应关系，为该地区水稻的优质品种的培育以及优质栽培提供依据，对于进一步提高水稻产量和品质的具有积极意义。