田间增温1.5℃对高纬度粳稻产量和品质的影响

2022-02-22邓艾兴刘猷红孟英陈长青董文军李歌星张俊张卫建

中国农业科学 2022年1期

邓艾兴，刘猷红，孟英，陈长青，董文军，李歌星，张俊，张卫建

邓艾兴1，刘猷红2，孟英2，陈长青3，董文军2，李歌星1，张俊1，张卫建1

1中国农业科学院作物科学研究所，北京 100081；2黑龙江省农业科学院耕作栽培研究所，哈尔滨 150086；3南京农业大学，南京 210095

水稻是我国最重要的口粮作物。东北稻区不仅是我国高纬度优质粳稻的重要产区，约占我国粳稻总产50%以上；也是我国气候变暖最明显区域，近半个世纪来该区年平均气温上升了1.1℃。【】研究气候变暖情境下东北稻区水稻产量和品质的变化，为保障我国优质粳稻生产提供参考依据。结合田间开放式远红外增温装置，设置全生育期增温1.5℃和不增温处理，分析田间开放式增温1.5℃对高纬度粳稻生育期、产量及产量构成、加工品质、外观品质、营养品质和蒸煮品质的影响。与不增温相比，2017年和2018年增温处理的水稻全生育期天数分别减少了6—7 d和4—5 d，主要表现在抽穗前天数缩短；增温处理下龙稻5号和龙稻18两年平均产量分别提高了5.8%和14.4%，其主要得益于单位面积的有效穗数增加；增温显著降低了籽粒中直链淀粉含量，但对糙米率、精米率、整精米率和蛋白质含量影响不大；增温有增加水稻淀粉峰值黏度、热浆黏度和最终黏度，降低淀粉消减值的趋势，但对回生值无显著影响。基于高纬度稻区较低的背景温度，增温1.5℃对水稻产量和稻米蒸煮品质具有一定的促进作用，但未来增温幅度升高将会加大该稻区稻米品质变化的不确定性。

粳稻；气候变暖；田间开放式增温；优质；产量；高纬度粳稻区

0 引言

【研究意义】气候变暖已成为不争的事实。政府间气候变化专门委员会（IPCC）在《IPCC全球升温1.5℃特别报告》指出，到2100年，将全球变暖限制在1.5℃[1]。水稻作为我国最主要的口粮作物，在保证我国口粮自给方面占有重要地位。我国东北稻区水稻种植面积广（本文指黑龙江、吉林、辽宁和内蒙古自治区），是我国最大的优质粳稻产区。据统计，2018年该稻区水稻种植面积和总产量分别为526.2万hm2、3 871.7万t，占全国粳稻的51.9%和49.8%[2]。该地区是我国水稻种植区划的最北部，也是受气候变暖影响最明显的区域。因此，明确我国东北稻区水稻产量和品质气候变暖的响应特征，将为我国东北稻区粳稻开展栽培调优和品种选育提供科学依据。【前人研究进展】1951—2017年我国地表年平均气温升高了1.6℃，其中东北稻区尤为明显，与1970s相比，东北2010s作物生长季日最低温度和最高温度分别升高了1.39℃和0.70℃[3]。气候变暖背景下高纬度水稻安全种植北界发生了明显的北移，与1961—1980年相比，1981—2010年北移了121 km[4]。研究表明，气温升高显著影响了东北水稻产量。张卫建等[5]认为基于当地的背景气温，水稻冠层气温升高1℃，单产可提高10%左右。通过远红外模拟增温试验，张佳华等[6]发现抽穗期全天增温2.32℃时，水稻生长和发育加快、分蘖数增加，最终产量有所增加。但也有研究表明，增温会导致水稻产量下降[7-8]。刘春溪[9]利用田间开放式增温装置，使水稻生育期内平均日均温增加了2.94℃，导致水稻光合特性、有效穗数和穗粒数降低，平均产量下降24.3%。Chen等[10]最新研究则表明，水稻产量对温度的响应取决于其背景温度，北方温度较低，增温有利于提高水稻产量。关于温度对水稻品质的影响，诸多研究表明，灌浆结实期温度与稻米外观、加工、蒸煮、食味和营养品质关系密切。当灌浆期温度增加时，籽粒中不规格淀粉粒增加，淀粉排列结构更加无序，使得垩白粒率和垩白度显著增加[11-12]，同时也降低精米率和整精米率等加工品质[13-14]。窦志[15]研究南方中稻灌浆期温度升高对水稻品质的影响发现，水稻直链淀粉含量、消减值、回复值下降，峰值黏度、热浆黏度、崩解值、起始糊化温度上升，导致蒸煮品质变劣。杨陶陶等[16]对双季稻区稻米品质变化研究发现，全生育期增温下稻米RVA谱特征值因季别和品种而异。【本研究切入点】诸多学者研究了低纬度稻区增温对籼稻和粳稻产量和品质的影响及其机制，但对于背景温度较低且受气候变暖最明显的高纬度粳稻区，气温增加1.5℃对粳稻产量和品质的影响尚无定论。【拟解决的关键问题】本研究基于东北稻区较低的温度背景，结合田间开放式增温装置，模拟水稻全生育期增温1.5℃对高纬度粳稻产量加工、外观、营养和蒸煮品质的影响，以期为未来气候变暖背景下北方水稻优质生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

大田试验于2017和2018年在黑龙江省农业科学院民主试验基地进行（45°49′ N，126°48′E，海拔117 m），属于温带大陆性季风气候。年平均日照时数为2 668.9 h，无霜期平均131—146 d，年降水量508—583 mm。供试土壤为黑钙土，试验地基本理化性质为pH 8.6，有机质27.3 g·kg-1，碱解氮78.9 mg·kg-1，有效磷24.2 mg·kg-1，速效钾184.7 mg·kg-1。品种选用龙稻5号和龙稻18。试验采用开放式增温系统（free air temperature increase，FATI）进行增温处理[17]。该增温系统使用380V的交流电，远红外加热装置由江苏大德特种光源有限公司提供，包含田间固定支架（高度200 cm，宽度220 cm）、反射红外线的不锈钢反射罩（长200 cm，宽20 cm）和远红外黑体加热管（额定功率为1 500 W，长度180 cm，直径1.8 cm），系统远红外加热的覆盖区域为200 cm×150 cm，增温效果可靠。田间温湿度监测使用温湿度记录仪（ZDR-20，杭州泽大仪器有限公司），每30 min记录一次。在加热管中部的正下方水稻冠层位置安放温度传感器（ZDR-41，杭州泽大仪器有限公司），用来测定水稻冠层温度。其中，加热管与温度探头保持间距75 cm，随着水稻的生长调节增温装置与冠层之间的距离，水稻冠层温度由温度记录仪自动记录，记录间隔为30 min。试验设置全生育期增温（ET）和不增温对照（CK）。全生育期增温是指水稻从移栽缓苗后到成熟的全生育期内昼夜不间断增温；对照则是安装与增温处理相同的装置，但不供电加热。小区随机区组设计，设3次重复，为避免小区间温度干扰，小区长5 m，宽4 m，面积20 m2。从试验增温效果来看（图1，表1），全生育期水稻冠层的日均温增温幅度达1.3—1.6℃，移栽至抽穗期日均温的增温幅度1.0℃左右，白天平均温度增幅为0.6—0.8℃，夜间平均温度增幅为1.4℃左右；抽穗至成熟期的日均温增温幅度为1.4—2.1℃；白天平均温度增幅为1.3—1.4℃，夜间增温幅度为1.4—3.0℃。

ET：增温；CK：对照 ET: elevated temperature; CK: control

表1 水稻生长期内各阶段增温效果

白天温度为6：00至18：00的平均温度；夜间温度为18：00至次日6：00的平均温度。ΔT表示增温幅度

daytime temperature indicated the mean temperature from 6:00 AM to 6:00 PM; nighttime temperature indicated the mean temperature from 6:00 PM to 6:00 AM of next day. ΔT indicated the increasing temperature range

1.2 田间管理

2017年试验于4月15日播种，5月17日移栽；2018年于4月15日播种，5月18日移栽，两年不同处理分别于9月上中旬成熟。每穴株数为5—7苗，栽插密度为30 cm×13.3 cm。肥料用量为纯氮150 kg·hm-2，基肥﹕分蘖肥﹕穗肥=4﹕3﹕3；P2O570 kg·hm-2，作为基肥一次性施入；K2O 70 kg·hm-2，分基肥和穗肥两次各半施入。田间水分管理参照常规高产模式。

1.3 测定指标与方法

（1）生育期记录。记录播种期、移栽期、拔节期（基部第一个节间伸长超过2 cm）、齐穗期（80%抽穗）和成熟期。

（2）产量及产量构成。于成熟期按照平均有效穗数取3穴，调查穗粒结构（穗粒数、结实率、千粒重）；同时实收1 m2测产，脱粒、除去杂质和空瘪粒，按照粳稻标准水分含量14.5%计算产量。

（3）加工和外观品质。测产后籽粒常温下保存3个月（保持含水量在13%—15%），出糙率、精米率、整精米率、垩白粒率、籽粒长宽、直链淀粉含量的测定方法参照中华人民共和国国家标准GB/T17891- 2017《优质稻谷》；蛋白质含量采用凯氏定氮法测定精米含氮量，再乘以换算系数5.95。

（4）籽粒淀粉RVA特征谱。使用快速黏度分析仪（Rapid Viscosity Analyzer Super3，澳大利亚Newport Scientific 仪器公司）测定峰值黏度、热浆黏度、冷胶黏度、开始糊化温度，崩解值由峰值黏度与热浆黏度差值计算，回生值由冷胶黏度与热浆黏度差值计算，消减值由峰值黏度与冷胶黏度差值计算。

1.4 数据统计与分析

试验数据采用Excel2016和SPSS18.0进行处理和作图，同一年内同一品种两处理比较采用独立T测验方法进行方差分析，显著性水平＜0.05。

2 结果

2.1 全生育期增温对水稻生育进程的影响

全生育期增温1.5℃缩短了高纬度粳稻的生育期天数（表2）。与不增温相比，2017年和2018年增温处理的粳稻全生育期天数分别缩短了6—7 d和4—5 d；品种间相差不大。进一步比较播种—齐穗和齐穗—成熟的天数发现，增温主要改变了播种—齐穗的天数。与不增温相比，2017年和2018年增温处理的粳稻抽穗前生育期天数分别缩短了4—6 d和2—3 d，抽穗后生育期天数分别缩短了1 d和2 d。

表2 全生育期增温对高纬度粳稻生育进程的影响

SD：播种期；TS：移栽期；BS：拔节期；HS：齐穗期；MS：成熟期；WGD：全生育期

SD: Sowing date; TS: transplanting stage; BS: Booting stage; HS: Heading stage; MS: Maturity stage; WGD: whole growth duration

2.2 全生育期增温对水稻产量的影响

增温1.5℃有利于增加高纬度粳稻产量（表3）。与对照相比，2017年龙稻5号和龙稻18的增温处理产量分别提高了1.1%和12.5%；2018年趋势与此一致，两品种产量分别提高了10.5%和16.2%。方差分析表明，温度主要影响了有效穗数和穗粒数，尽管全生育期增温处理减少了穗粒数，但单位面积的有效穗数增加，2017和2018年两品种平均有效穗数分别提高了6.4%和9.6%，且2018年水稻品种龙稻5号处理间差异达到显著水平。

2.3 全生育期增温对稻米品质的影响

2.3.1 加工与外观品质全生育期增温1.5℃有增加水稻糙米率和精米率的趋势（表4），除2017年龙稻18在增温条件下精米率显著高于对照外，其他处理间差异均未达到显著水平；对于整精米率，除2017年龙稻5号整精米率略有降低外，其他处理增温条件下整精米率均有所提高。增温对两品种的垩白粒率、粒长和粒宽均影响不大。

表3 增温对高纬度粳稻产量及产量构成的影响

表中同一列同一年份同一品种数据后边不同小写字母表示处理间差异显著性达到0.05水平。*表示＜0.05差异显著，**表示＜0.01差异极显著。下同

Different small letters indicated significant difference between two treatments of same cultivar within same year of the same column at 0.05 level. * indicated＜0.05, ** indicated＜0.01. The same as below

2.3.2 蛋白质和直链淀粉含量 2017年全生育期增温增加两个水稻品种的蛋白质含量（图2）。与对照相比，全生育期增温条件下龙稻5号和龙稻18的蛋白质含量分别增加了6.5%和9.6%，但处理间差异未达到显著水平；2018年各处理间无明显变化。对于直链淀粉含量，除2018年龙稻18直链淀粉含量无明显变化外，全生育期增温均显著降低了籽粒直链淀粉含量；其中，2017年全生育期增温条件下龙稻5号和龙稻18的直链淀粉含量分别显著降低了4.3%和5.7%。

2.3.3 淀粉RVA特性增温1.5℃主要影响淀粉RVA特性的峰值黏度、热浆黏度、最终黏度、崩解值和消减值（表5）。与对照相比，两年全生育期增温处理淀粉峰值黏度、热浆黏度和最终黏度均呈增加趋势，2017年龙稻5号在全生育期增温处理条件下峰值黏度、热浆黏度和最终黏度均显著高于对照；而龙稻18则仅热浆黏度显著高于对照；年际间和品种间响应趋势一致。全生育期增温降低了淀粉消减值，但对回生值无明显影响。与对照相比，2017年龙稻5号全生育期增温处理下消减值降低了40.1%，龙稻18降低了6.7%，处理间差异均达到显著水平。对于崩解值，除2017年龙稻5号显著增加外，其他处理间变化不大。

*表示同一年份同一品种两个处理处理间差异显著性达到0.05水平

表4 增温对东北水稻加工和外观品质的影响

表5 增温对高纬度粳稻淀粉RVA特性的影响

PKV：峰值黏度peak viscosity；HPV：热浆黏度hot paste viscosity；BDV：崩解值breakdown viscosity；CPV：最终黏度cool paste viscosity；CSV：回生值consistence viscosity；SBV：消减值setback viscosity；PaT：糊化温度Pasting temperature

3 讨论

水稻生育期和产量受气候变暖的影响显著。一般来说，气温升高主要通过改变水稻生育期、群体大小、灌浆速率及灌浆持续时间等因素来影响水稻产量[18-20]。Dong等[21]利用FATI设备进行全生育期增温，试验表明日均温度上升1.1—2.0℃时，全天增温造成水稻抽穗前提前3.3 d。Cai等[22]研究发现，全生育期温度增加1.5—2.0℃，水稻生育期缩短，生殖生长期单位面积的氮吸收量和抽穗期的叶面积指数降低。本研究中，尽管抽穗前生育期天数有所降低（缩短了4—7 d），但增温后水稻有效穗数增加，促进了高产群体的构建，而后期灌浆结实期的天数略有缩短（1—2 d），温度增加后灌浆速率增大，促进了籽粒灌浆，这与沈直等[23]和Dou等[24]研究一致。研究表明，不同生态条件下增温对水稻产量的影响结果不一。杨志远[25]研究发现，南方中稻产量整体呈下降趋势，且品种间差异较大。Yang等[26]对双季稻区进行田间开放式增温，结果发现与不增温相比，全生育期增温（1.3—1.6℃）对早晚籼稻产量影响不显著，晚粳稻因穗粒数降低产量显著下降。但Xiong等[27]和张卫建等[5]发现，近几十年大气增温提高了我国东北单季稻区水稻产量。Tao等[28]研究认为，我国北方单季稻和南方晚稻产量与水稻生长期内的平均温度呈显著正相关关系。因此，大气温度升高对水稻产量的影响可能与各生态点的背景温度有关[10]。本研究中，尽管穗粒数有所降低，全生育期增温增加了水稻有效穗数，最终导致产量有所增加，该结果与刘春溪等[9]和宋晓雯等[8]在东北稻区沈阳试验点的研究结果不一致。这可能是由于寒地稻区背景温度较低，该地区水稻全生育期平均温度低于沈阳试验点，增加大气温度有利于增加水稻光合作用，同时延缓水稻植株生长后期的衰老，提高作物的生长速率，从而提高水稻产量[6]。

稻米品质形成与灌浆期的温度密切相关。研究表明，水稻外观、加工品质易受灌浆期温度的影响，粳稻灌浆期最佳温度为21—24℃[29]。当灌浆期温度增加时籽粒中不规则淀粉粒增加，淀粉排列结构更加无序，籽粒中蛋白体数量增加，导致垩白粒率、垩白度和蛋白质含量均显著增加[11-12,30]，同时增温也降低精米率和整精米率等加工品质[31-32]。已有的开放式增温试验中，灌浆期温度升高，直链淀粉含量、消减值、回生值呈下降趋势，峰值黏度、热浆黏度、崩解值呈上升趋势，导致稻米蒸煮品质变劣[24,26]。本研究中，全生育期增温处理有提高稻米加工品质的作用，但对外观品质影响不大，同时增温并未导致籽粒中蛋白质含量明显增加，而淀粉的峰值黏度、热浆黏度、最终黏度均有所增加，直链淀粉含量和消减值显著降低，这在一定程度上改善了稻米的蒸煮品质。这与Dou等[24]和YANG等[26]研究结果不一致，原因可能与该地区的背景温度较低有关，本试验中抽穗后日均平均温度为21.0—21.4℃，增温后日均平均温度为22.8—23.1℃，仍在粳稻最佳灌浆期温度21—24℃范围内。

本试验表明，年际间、品种间的水稻产量和品质差异显著。与2018年相比，2017年水稻平均产量较高，这可能是由于2017年移栽至抽穗期的白天平均气温较2018年提高了1.4℃，水稻光合速率增加，有效穗数增加[17]，尽管穗粒数和结实率降低，但单位面积颖花数和实粒数仍较高（分别高出40.9%和23.5%），最终导致产量增加。对于稻米品质变化，与2018年相比，2017年两水稻品种的糙米率、精米率、整精米率降低，垩白粒率增加，这可能是由于2017年抽穗至成熟期白天平均温度较高（高出3.1℃）；并且淀粉崩解值降低，消减值和起始糊化温度增加[31,33]。不同水稻品种产量和品质对温度升高的响应不一致。增温条件下高产水稻品种龙稻5号的有效穗数和穗粒数响应更为敏感；两品种的水稻粒长和粒宽差异显著，并且龙稻18的峰值黏度、热浆黏度、最终黏度和消减值高于龙稻5号，这可能与品种特性有关，但高产品种龙稻5号淀粉RVA特性对增温的响应较为敏感。另外，对于高纬度地区，增温条件下抽穗期至成熟期的平均夜间温度在19.3—19.7℃之间，该温度条件下作物呼吸速率对于水稻物质积累并未有太大影响，相反较低的夜温（低于18℃）不利于水稻生长。可见，对于高纬度地区，白天增温对水稻产量和品质的影响较大。

气温升高对水稻生产的影响因生态条件而异。对于水稻生长季背景温度较高的区域，气温升高1.5℃的作用效果要高于背景温度较低的区域，并且背景温度越高，增温的负效应越明显。因此，明确背景温度较低的高纬度地区水稻对气温升高1.5℃的响应特征，对于该类型生态区水稻优质丰产和种植区域选择具有重要作用。本文设定增温幅度为1.5℃，对高纬度粳稻加工品质和蒸煮品质的影响呈正效应，但不能完全反映气候变暖超过1.5℃后对其稻米品质的影响，因此后续需要进一步开展花后高温以及不同时段高温对东北稻区优质稻品质的影响研究。

4 结论

东北稻区属于我国高纬度水稻种植区域，气温升高1.5℃主要通过增加水稻有效穗数来增加水稻产量，在一定程度上有利于提高稻米蒸煮品质，稻米的加工和外观品质变化不明显，年际间和品种间水稻对增温1.5℃响应存在差异，未来增温幅度升高对东北稻区水稻品质变化的影响还有待进一步深入。

[1] IPCC. Summary for policymakers//MASSON-DELMOTTE V, ZHAI P, PÖRTNER H O, ROBERTS D, SKEA J, SHUKLA P R. eds. Global Warming of 1.5°C. Special Report on the Impacts of Global Warming of 1.5°C Above Pre-Industrial Levels and Related Global Greenhouse Gas Emission Pathways, in the Context of Strengthening the Global Response to the Threat of Climate Change, Sustainable Development, and Efforts to Eradicate Poverty. World Meteorological Organization, Switzerland, 2018.

[2] 国家统计局. 2019年中国统计年鉴. 北京：中国统计出版社, 2019.

National Bureau of Statistics. China Statistical Yearbook 2019. Beijing: China Statistics Press, 2019. (in Chinese)

[3] 张卫建, 陈长青, 江瑜, 张俊, 钱浩宇. 气候变暖对我国水稻生产的综合影响及其应对策略. 农业环境科学学报, 2020, 39(4): 805-811.

ZHANG W J, CHEN C Q, JIANG Y, ZHANG J, QIAN H Y. Comprehensive influence of climate warming on rice production and counter measure for food security in China. Journal of Agro- Environment Science, 2020, 39(4): 805-811. (in Chinese)

[4] 王晓煜, 杨晓光, 吕硕, 陈阜. 全球气候变暖对中国种植制度可能影响Ⅻ.气候变暖对黑龙江寒地水稻安全种植区域和冷害风险的影响. 中国农业科学, 2016, 49(10):1859-1871.

WANG X Y, YANG X G, LÜ S, CHEN F. The possible effects of global warming on cropping systems in China Ⅻ. The possible effects of climate warming on geographical shift in safe planting area of rice in cold areas and the risk analysis of chilling damage. Scientia Agricultura Sinica, 2016, 49(10):1859-1871. (in Chinese)

[5] 张卫建, 陈金, 徐志宇, 陈长青, 邓艾兴, 钱春荣, 董文军. 东北稻作系统对气候变暖的实际响应与适应. 中国农业科学, 2012, 45(7):1265-1273.

ZHANG W J, CHEN J, XU Z Y, CHEN C Q, DENG A X, QIAN C R, DONG W J. Actual responses and adaptations of rice cropping system to global warming in Northeast China. Scientia Agricultura Sinica, 2012, 45(7): 1265-1273. (in Chinese)

[6] 张佳华, 张健南, 姚凤梅, 门艳忠, 高西宁. 开放式增温对东北稻田生态系统作物生长与产量的影响. 生态学杂志, 2013, 32(1): 15-21.

ZHANG J H, ZHANG J N, YAO F M, MEN Y Z, GAO X N. Effects of free air temperature increasing on the rice growth and grain yield in Northeast China. Chinese Journal of Ecology, 2013, 32(1):15-21. (in Chinese)

[7] 徐漫, 贾东, 卢晶晶, 孙雅君, 宋双, 杜晗, 韩雷. 花后开放式增温对水稻生产的影响. 北方水稻, 2018, 48(1):17-21.

XU M, JIA D, LU J J, SUN Y J, SONG S, DU H, HAN L. Effects of different day and night temperature enhancements on rice production after anthesis under free air controlled condition. North Rice, 2018, 48(1):17-21. (in Chinese)

[8] 宋晓雯, 王国骄, 孙备, 刘春溪, 宛涛, 李美松, 殷红, 隋明. 开放式增温对不同耐热性粳稻光合作用和产量的影响. 沈阳农业大学学报, 2019, 50(6): 648-655.

SONG X W, WANG G J, SUN B, LIU C X, WAN T, LI M S, YIN H, SUI M. Effects of free air temperature increasing on photosynthesis and yield of japonica rice with different heat-tolerance characteristics. Journal of Shenyang Agricultural University, 2019, 50(6): 648-655. (in Chinese)

[9] 刘春溪. 开放式增温对北方粳稻光合特性和产量的影响研究[D]. 沈阳: 沈阳农业大学, 2019.

LIU C X. Effects of open temperature increasing on photosynthetic characteristics and yield of japonica rice in North of China[D]. Shenyang: Shenyang Agricultural University, 2019. (in Chinese)

[10] CHEN C Q, VAN GROENIGEN K J, YANG H Y, HUNGATE B A, YANG B, TIAN Y L, CHEN J, DONG W J, HUANG S, DENG A X, JIANG Y, ZHANG W J. Global warming and shifts in cropping systems together reduce China’s rice production. Global Food Security, 2020, 24:100359.

[11] 程方民, 胡东维, 丁元树. 人工控温条件下稻米垩白形成变化及胚乳扫描结构观察. 中国水稻科学, 2000, 14(2): 83-87.

CHENG F M, HU D W, DING Y S. Dynamic change of chalkiness and observation of grain endosperm structure with scanning electron microscope under controlled temperature condition. Chinese Journal of Rice Science, 2000, 14(2) :83-87. (in Chinese)

[12] ARSHAD M S, FAROOQ M, ASCH F, KRISHNA J S V, PRASAD P V V, SIDDIQUE K H M. Thermal stress impacts reproductive development and grain yield in rice. Plant Physiology and Biochemistry, 2017, 115: 57-72.

[13] 张敬奇. 花后开放式增温对水稻产量与品质的影响研究[D]. 南京: 南京农业大学, 2012.

ZHANG J Q. Effect of temperature free-air controlled enhancement after flowering on rice yield and quality[D]. Nanjing: Nanjing Agricultural University, 2012. (in Chinese)

[14] SIDDIK M A, ZHANG J, CHEN J, QIAN H Y, JIANG Y, RAHEEM A K, DENG A X, SONG Z W, ZHENG C Y, ZHANG W J. Responses of indica rice yield and quality to extreme high and low temperatures during the reproductive period. European Journal of Agronomy, 2019, 106: 30-38.

[15] 窦志. 灌浆期开放式增温对水稻籽粒灌浆和品质的影响及氮素粒肥的调控效应[D]. 南京: 南京农业大学, 2017.

DOU Z. Effects of free-air warming during grain filling stage on rice grain filling and quality and the regulation effects of nitrogen spikelet fertilizer[D]. Nanjing: Nanjing Agricultural University, 2017. (in Chinese)

[16] 杨陶陶, 胡启星, 黄山, 曾研华, 谭雪明, 曾勇军, 潘晓华, 石庆华, 张俊. 双季优质稻产量和品质形成对开放式主动增温的响应. 中国水稻科学, 2018, 32(6): 572-580.

YANG T T, HU Q X, HUANG S, ZENG Y H, TAN X M, ZENG Y J, PAN X H, SHI Q H, ZHANG J. Response of yield and quality of double-cropping high quality rice cultivars under free-air temperature increasing. Chinese Journal of Rice Science, 2018, 32(6): 572-580. (in Chinese)

[17] 董文军, 邓艾兴, 张彬, 田云录, 陈金, 杨飞, 张卫建. 开放式昼夜不同增温对单季稻影响的试验研究. 生态学报, 2011, 31(8): 2169-2177.

DONG W J, DENG A X, ZHANG B, TIAN Y L, CHEN J, YANG F, ZHANG W J. An experimental study on the effects of different diurnal warming regimes on single cropping rice with Free Air Temperature Increased (FATI) facility. Acta Ecologica Sinica, 2011, 31(8): 2169-2177.

[18] KIM J, SHON J, LEE C K, YANG W, YOON Y, YANG W H, KIM Y G, LEE B W. Relationship between grain filling duration and leaf senescence of temperate rice under high temperature. Field Crops Research, 2011, 122: 207-213.

[19] SHI W J, MUTHURAJAN R, RAHMAN H, SELVAM J, PENG S B, ZOU Y B, JAGADISH K S V. Source-sink dynamics and proteomic reprogramming under elevated night temperature and their impact on rice yield and grain quality. New Phytologist, 2013, 197(3): 825-837.

[20] 杨陶陶，双季籼稻产量和稻米品质对增温的响应特征及其机理[D]. 南昌: 江西农业大学, 2020.

YANG T T. Response of indica grain yield and grain quality to experimental warming in a double rice cropping system and its mechanism[D]. Nanchang: Jiangxi Agricultural University, 2020. (in Chinese)

[21] DONG W J, CHEN J, ZHANG B, TIAN Y L, ZHANG W J. Responses of biomass growth and grain yield of midseason rice to the anticipated warming with FATI facility in East China. Field Crops Research, 2011, 123(3): 259-265.

[22] CAI C, YIN X Y, HE S Q, JIANG W Y, SI C F, STRUIK P C, LUO W H, LI G, XIE Y T, XIONG Y, PAN G X. Responses of wheat and rice to factorial combinations of ambient and elevated CO2and temperature in FACE experiments. Global Change Biology, 2016, 22(2): 856-874.

[23] 沈直, 唐设, 张海祥, 陈文珠, 丁艳锋, 王绍华. 灌浆期开放式增温对水稻强势粒和弱势粒淀粉代谢关键酶相关基因表达水平的影响. 南京农业大学学报, 2016, 39(6): 898-906.

SHEN Z, TANG S, ZHANG H X, CHEN W Z, DING Y F, WANG S H. Effect of T-FACE high temperature on genes expression level of key enzymes involved in starch metabolism in superior spikelets and inferior spikelets of rice during grain filling period. Journal of Nanjing Agricultural University, 2016, 39(6): 898-906. (in Chinese)

[24] DOU Z, TANG S, CHEN W Z, ZHANG H X, LI G H, LIU Z H, DING C Q, CHEN L, WANG S H, ZHANG H C, DING Y F. Effects of open-field warming during grain-filling stage on grain quality of two japonica rice cultivars in lower reaches of Yangtze River delta. Journal of Cereal Science, 2018, 81: 118-126.

[25] 杨志远. 增温对水稻生长发育、产量以及稻米品质的影响[D]. 武汉: 华中农业大学, 2018.

YANG Z Y. Effects of warming treatments on the growth and development, yield and quality of rice[D]. Wuhan: Huazhong Agricultural University, 2018. (in Chinese)

[26] YANG T T, TAN X M, HUANG S, PAN X H, SHI Q H, ZENG Y J, ZHANG J, ZENG Y H. Effects of experimental warming on physicochemical properties of indica rice starch in a double rice cropping system. Food Chemistry, 2020, 310:125981.

[27] XIONG W, HOLMAN I P, YOU L Z, YANG J, WU W. Impacts of observed growing-season warming trends since 1980 on crop yields in China. Regional Environmental Change, 2014, 14(1): 7-16.

[28] TAO F L, ZHANG Z, SHI W J, LIU Y J, XIAO D P, ZHANG S, ZHU Z, WANG M, LIU F S. Single rice growth period was prolonged by cultivars shifts, but yield was damaged by climate change during 1981-2009 in China, and late rice was just opposite. Global Change Biology, 2013, 19(10): 3200-3209.

[29] 程方民, 张嵩午. 水稻籽粒灌浆过程中稻米品质动态变化及温度影响效应. 浙江大学学报(农业与生命科学版), 1999(4): 7-10.

CHENG F M, ZHANG S W. The dynamic change of rice quality during the grain filling stage and effects of temperature upon it. Journal of Zhejiang University (Agriculture & Life Science), 1999(4): 7-10. (in Chinese)

[30] TANG S, CHEN W Z, LIU W Z, ZHOU Q Y, ZHANG H X, WANG S H, DING Y F. Open-field warming regulates the morphological structure, protein synthesis of grain and affects the appearance quality of rice. Journal of Cereal Science, 2018, 84: 20-29.

[31] LYMAN N B, JAGADISH K S, NALLEY L L, DIXON B L, SIBENMORGEN T. Neglecting rice milling yield and quality underestimates economic losses from high-temperature stress. PLoS OnE, 2013, 8(8):1-12.

[32] CHEN J L, TANG L, SHI P H, YANG B H, SUN T, CAO W X, ZHU Y. Effects of short-term high temperature on grain quality and starch granules of rice (L.) at post-anthesis stage. Protoplasma, 2017, 254(2): 935-943.

[33] 张桂莲, 张顺堂, 王力, 肖应辉, 唐文帮, 陈光辉, 陈立云. 抽穗结实期不同时段高温对稻米品质的影响. 中国农业科学, 2013, 46(14): 2869-2879.

ZHANG G L, ZHANG S T, WANG L, XIAO Y H, TANG W B, CHEN G H, CHEN L Y. Effects of high temperature at different times during heading and filling periods on rice quality. Scientia Agricultura Sinica, 2013, 46(14): 2869-2879. (in Chinese)

Effects of 1.5℃field warming on rice yield and quality in high latitude planting area

DENG Aixing1, LIU Youhong2, MENG Ying2, CHEN Changqing3, DONG Wenjun2, LI Gexing1, ZHANG Jun1, ZHANG Weijian1

1Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081;2Institute of Crop Cultivation and Tillage, Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Harbin 150086;3Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095

【】 Rice (L.) is the most important cereal crop in China. An importance rice cultivation location in high latitude in China is Northeast region due to its superior production area. This region accounts for over 50% high quality japonica rice production in China. However, for nearly half a century, the annual average temperature of this region has increased by 1.1℃, making it the most obvious region of climate warming in China. 【】To ensure the continuous production of high-yielding and good quality japonica rice, it is of great significance to assess the impact of climate warming on rice yield and grain quality in the Northeast region of China.【】A 2-year field warming experiment (1.5℃) with two japonica rice cultivars (Longdao 5 and Longdao 18) employed under a free air temperature increase (FATI) facility was conducted in Harbin city, Heilongjiang province. The aim of this study was to evaluate the effects of elevated temperature (ET) on rice growth period, grain yield, milled quality, appearance quality, nutrient and cooking quality.【】The results of the study showed that the growth duration of rice under ET was reduced by 6-7 days and 4-5 days when compared with CK in 2017 and 2018, respectively. This was as a result of the shortened duration from the transplanting stage to heading stage. The average yield of Longdao 5 and Longdao 18 for the two-year increased by 5.8% and 14.4%, respectively, mainly due to the increase in effective panicle number per unit area. The ET significantly decreased amylose content in the rice grain, but varied slightly in-terms of brown rice rate, milled rice rate, head rice rate and protein content. The peak viscosity, hot paste viscosity and cool paste viscosity increased under ET, while consistence viscosity decreased. There was no significant influence of elevated temperature on setback viscosity in both Longdao 5 and Longdao 18. 【】Based on the lower background air temperature, increasing temperature by 1.5℃ in the high latitude region of Northeast promoted japonica rice yield and cooking quality, however, the continued warming would increase the uncertainties of rice quality variation in the future.

L.; climate warming; free air temperature increase facility; high quality; yield; high latitude japonica rice planting area