内外源因素对稻米品质影响规律研究现状与展望

2022-11-19刘飞杨何进宇陈梦婷马彩云石泰玥贺宇思

节水灌溉 2022年6期

刘飞杨，何进宇，2，3，陈梦婷，马宁，马彩云，石泰玥，贺宇思，杨丹

（1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川750021；2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川750021；3.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，银川750021；4.长安大学经济管理学院，西安710064）

0 引言

当今世界上约一半的人口以水稻为主要粮食，我国水稻产量约为粮食总产量的二分之一以上。水稻品质的好坏会受到一系列因素的影响，为了满足人们逐渐升高的品质追求，提高水稻品质尤为重要。而水稻在生长的过程中又会受到其稻种基因的不同以及生长过程中外界因素带来的不定影响，从而导致水稻的品质有各种各样的变化，这些变化中有好有坏，众多学者以探求提升水稻稻米品质为目标开展了大量的研究。水稻稻米的生产规模及其发展对人类粮食安全保障具有至关重要的作用。稻米品质的关键指标明确了水稻育种以及提高水稻品质的具体方向，其评价标准的波动可以反映水稻向优产优质转变的发展方向与目标。在综述多类型内外源影响因素对水稻稻米品质响应的基础上归纳，内源因素主要指水稻自身品种差异及生长性状差异等因素，而外源因素多指水稻种植所处环境条件及种植模式中对水稻品质产生影响的因素，在明确内外源因素的基础上，开展较为系统、深入的研究，能体现出掌握水稻品质影响规律极其重要的科学理论价值。

1 水稻稻米品质关键评价指标体系

随着社会经济的发展，人们开始从追究产量转向追求质量[1]。从以前的“吃饱”到如今的“吃好”的转变，水稻产业也从追求高产转变为了追求高质量。由于水稻所处的地位及其重要，目前世界各个国家都十分注重关于大米质量的相关研究。目前我国对于水稻种植领域的探究，因长年以来将重心放在产量的提高上，因而造成对品质的研究落后于美国、日本等发达国家的现状[2]。

目前通过大量研究与实际生产经验总结出稻米的品质指标体系可以分为四类，分别为碾磨、外观、理化和食味四类品质。其中外观品质是指大米直接可以观察到的品质，包含其形状、大小、透明度和垩白度，主要指标是垩白米率和垩白度；理化品质是包括糊化温度，凝胶稠度等，主要指标是直链淀粉含量，它主要影响水稻的膨化、粘度、柔软度、光泽和口感等；食味品质则是可直接观察到的综合评价，如米饭的外观、气味、味道、粘度以及是否过硬五个方面。主要的评价指标称为米饭感官评分，此指标分类法，可以全面覆盖水稻稻米关键品质的各个方向，较为客观的反映水稻的营养价值和商品价值，也是较多学者开展水稻稻米品质相关研究的相对标准和通识。

2 水稻品种间稻米品质相关研究现状

水稻品种对水稻品质影响十分重要，不同品种其遗传基因也不相同，而不同的遗传基因也会导致其品质有不一样的显现。国内外学者针对不同水稻品种间的品质存在着显著差异方面进行了较全面的探究。我国于2017年经过省级以上认定的水稻种类可分为籼型常规与杂交稻、粳型常规与杂交稻以及籼粳杂交稻[3]。牟新宇[4]对12 个水稻品种按穗型分为三类分别为穗重型、穗粒兼顾型、穗数型，试验发现穗数型精米率与食味值呈正相关关系，且水稻品种粒型与食味值呈正相关且3种类型水稻都表现出加工品质、外观品质越好，其食味值也越好；王刚等[5]通过对辽宁省187 个水稻品种进行研究，发现不同的品种垩白粒率变化较大且稻米RVA 谱特征值与外观品质呈负相关；AO.Yan 等[6]在115个太湖流域水稻地方品种和87 个改良品种同时研究了24 个基因内分子标记，并从试验中得出地方品种与改良品种在遗传多样性和多态信息含量方面前者大于后者等结论。

通过许多学者的研究发现，地方品种、改良品种和杂交品种对水稻品质都有不同程度的影响，但目前对水稻品种对品质影响的研究仅局限于对单一地区的单一品种或不同品种间对比的研究以及杂交新品种的不确定性，缺乏更深入的研究。

3 环境条件对水稻稻米品质影响

3.1 气候条件对水稻稻米品质影响的研究

气候条件对农作物生长极为重要。农作物在基于水、空气和阳光的生长条件下，气候带来的影响最大，若气候变化，则可能导致农作物减产和质量下降，从而造成巨大的损失[7]。国内外较多学者针对气候条件对水稻稻米品质及其影响规律进行了广泛深入的研究。LI Xiu-kun 等人[8]在4 个典型水稻种植区，种植了一系列籼粳杂交自交系，记录了4个地区各水稻品种间其抽穗期至成熟期（45 d）的环境数据，通过对数据剖析，确定了光、温度和湿度对4个区域稻米的碾磨、理化品质均有显著影响。在各区域内，环境因子主要影响了稻米碾磨、外观品质以及直链淀粉和蛋白质含量。此外，其影响程度从抽穗期到成熟期呈动态变化，与光、湿度相比，对温度的影响更为稳定，更可预测，夜间温度对蒸煮品质的关联效率比白天温度更强，而日温范围对稻米品质的影响与昼夜温度相反；JING Li-quan 等人[9]以粳稻品种武运粳稻为研究对象，通过从分蘖到成熟的自由空气CO2浓缩实现源库操作，富集CO2降低了碾米的穗粒百分比和蛋白质浓度，也影响淀粉含量。试验结果显示，在此气候条件下，蛋白质浓度和淀粉含量对于垩白的形成起到了一定的干预作用；宋广树等[10]发现低温处理对稻米质量的影响程度为灌浆期>抽穗期>孕穗期，由此可知，灌浆期对水稻的品质最为关键；梁嘉荧等人[11]总结了高温与干旱两因子对水稻的双重胁迫效应，表明了两种胁迫同时出现产生的影响大于两种胁迫的单一影响之和；景立权等[12]发现稻米处于高二氧化碳浓度、高O3浓度或高温环境下生长会表现出垩白度增加和碎米数量增加，大米的蛋白质与多元素的浓度在高浓度二氧化碳下会降低，但味道的质量却可能提高；褚春燕等[13]发现在抽穗和灌浆期低温处理会使稻米蛋白质含量在各期上升而RVA 光谱特征一级参数却下降的外观质量变化且直链淀粉与次级参数由稻米品质而定。

根据以上气候因素对水稻稻米质量影响的研究成果总结可查，多数试验为改变某一因子或多因子观察其稻米品质指标的变化，以此为依据提出相应提高品质的措施。但又受到气候不稳定性和多样性的局限，多种气候因素影响规律的探究试验较少，并且精度有待提高。

3.2 土壤水分条件对水稻稻米品质影响的研究

大量研究证明，基于水稻耗水量的水分管理对稻米的质和量至关重要[14]，而土壤水分条件对于水稻耗水量的合理调控起到关键作用。通过许多实验可知节水灌溉技术，可以很大程度的提升稻米的质与量；吕艳东等[15]发现若在返青到成熟期间歇控水，则水稻的总蛋白质、球蛋白、谷蛋白含量等增高，且粘稠度增高，但糙米率和直链淀粉含量降低。次年，通过对寒冷地区水稻品质结实期的水分供应的影响研究，在结实期进行节水灌溉，稻米的蛋白质含量、碾米率和大米的食味品质呈上升趋势，垩白率、垩白度呈下降趋势，同时直链淀粉含量也降低；韩延如等[16]在大田条件下，开展了土壤水分对籽粒灌浆的影响，试验表明土壤水分对结实期籽粒充实度、千粒质量、籽粒灌浆特征有明显的影响，且充足的水分有利于后期籽粒灌浆；姜国辉等[17]发现镉水灌溉对水稻的外观与碾米质量方面呈现一定的抑制作用；何进宇等[18]通过设定存在差异的土壤水分水平，开展滴灌条件下水稻旱直播试验，探究了不同土壤水分条件对旱作水稻品质的影响规律，结果表明，土壤含水量和稻米的碾磨品质、整精米率、垩白度之间存在正相关关系，与稻米不完全籽粒数存在负相关关系。

综上所述，基于大量试验研究可以看出，水稻种植特征表现出对水的需求量较大，从而水分的降低总会引起稻米品质的显著波动。根据以上田间水分对稻米质量的影响，以此作为基础提出高品质水稻节水种植方案，意义十分重大。

3.3 土壤养分条件对水稻稻米品质影响的研究

土壤养分无法完全满足当季作物生长所需，而且会因连作、耕作等因素影响产生差异性，如需促进作物对生长所需养分吸收，需进行补施肥料，对土壤养分状况进行调控，故因此土壤养分条件对水稻质量的影响尤显重要。王国骄等[19]通过大田实验发现秸秆反田能够提高水稻生育期的所需物，且能够降低水稻垩白粒率、垩白大小、垩白度、直链淀粉含量，提升水稻口味；解文孝等[20]发现秸秆反田能增加米饭的味道，且降低水稻在盐碱土、沙壤土中的垩白度以及垩白粒率；薛亚光等[21]研究发现麦秸还田能提高水稻产量，并且不同水平地提高了水稻的多种品质，但对烹饪和食用品质的影响不明显，且水稻的峰值黏度、崩解值和凝胶稠度、食味品质都发生了下降。通过麦秸还田量的提高，发现麦秸集中沟埋还田优于旋耕还田在稻米质与量方面；李政芳等[22]通过试验表明，增加氮肥用量和降低磷、钾肥用量，能使蛋白质与直链淀粉含量上升，磷肥用量的提高和氮、钾肥用量的适量降低，能够提高淀粉与粘稠度的含量；陈新红等[23]实验发现氮肥管理使水稻的加工质量得到了提升，直链淀粉含量、垩白米和垩白率以及蛋白质含量呈下降趋势，外观质量有所改善；黄仁军等[24]经过探究比较三种施肥措施和两种耕作方式对土壤、水分、氮、磷、稻米产量和质量的影响，试验发现在半旱式常规施肥措施下稻米品质最好；杜同庆等[25]通过试验表明，喷施硅肥能减少水稻垩白度、垩白粒率以及直链淀粉含量，增加整精米率、精米率、蛋白质含量以及产量。

根据以上探究施肥条件对水稻稻米品质的影响可知，有效调节土壤养分对提高稻米品质有显著作用。所以，通过对肥料不同施用方法以及肥料选择进行深入的探究，从而提出合理施肥方案，进一步提高水稻稻米品质，这一研究手段对于水稻提质增效具有较好的科学价值。

3.4 土壤盐渍化对水稻稻米品质影响的研究

土壤盐渍化影响着全世界数百万公顷的土地，威胁着许多土壤生态系统的可持续发展[26]。中国盐渍土的种类多样并且分布广泛，占据面积上亿公顷。研究发现土壤盐渍化可导致植物对水和各种营养物质的吸收不均衡，即使在生长过程中也是如此。由于植物营养含量低，预防疾病和病虫害的能力大大降低，导致产量下降[27]。因此，探究盐渍化土壤对稻米质量影响规律及其机理十分重要。

王聪[28]通过连续四年的试验，土壤平均盐度得以下降0.30%，稻米产量逐渐增加，结果表明，水稻的种植能够改良盐渍土；田刚[29]在宁夏引黄灌区平罗县次生盐渍化农田进行种植水稻的土壤改良试验表明，含盐度在3年内减少了44.5%，氮盈余量为31.2 kg/hm2、P2O5盈余量为54.6 kg/hm2，略高于深钻点，稻米平均产量增加28.7%，净收入增加4 578.6 元/hm2，生产与投资比例提高25.3%，实现了土地利用和养护结合，有效利用和改善当地次生盐渍化土壤；周圣凯[30]通过在松原探究多种水利措施对土壤盐渍化的改良，他运用微咸水灌溉水稻进行种植，设置不同类型对比实验，发现施用磷石膏、有机肥，分别为3.0 kg/m2，0.003 m3/m2并且微咸水冲洗,表现效果良好。

根据以上对土壤盐渍化和水稻之间的探究，基于我国土壤盐渍化的情况，种植水稻有利于改良盐渍化。并且对于在盐渍化土壤条件下如何提高水稻品质也是很重要的。

综上4个方面的环境影响，我们可知不同的环境条件下对水稻的影响不同，但是多种环境条件同时对水稻产生的影响研究甚少，有待进一步研究。

4 种植条件对水稻稻米品质的影响

4.1 栽培技术对水稻稻米品质的影响研究

传统的水稻种植技术通常采用大田漫灌的方式进行，并且对于种植时间以及种植方式并没有细致的研究。近年来，通过大量的试验，结果表明，水稻过晚的进行播种、育苗以及插秧会使稻米中的直链淀粉、粗蛋白质含量下降，从而减小胶稠度的硬度进而对稻米口感造成一定的影响[31]。而水稻种植密度也会对水稻生长、吸收营养等造成一定的影响，最终影响稻米品质；孟德龙等[32]研究发现，在碾磨品质出糙率和精米率方面，直播稻＞机插稻＞手栽稻，外观品质垩白率和垩白度方面，手栽稻＞机插稻＞直播稻，且直播稻的高蛋白质含量会导致口感变差，直链淀粉含量：手栽稻大于机插稻，机插稻大于直播稻，且由于手栽稻的直链淀粉含量高导致稻米的膨胀性大，色泽浅，冷却后呈变硬趋势，味道不良。相比之下，当大米比较软且味道与品质较好时通常峰值黏度、崩解值都比较高且消减值低；邢亮[33]研究发现在单孔4株条件下，垦稻26 产量达到10 353 kg/hm2、垩白率为5.7%、糙米率79.25%、整精米率71.66%，对栽培稻12 号却无影响；萧长亮等[34]研究发现寒地水稻4月20日和4月30日播种均有利于保证稻米产量，但前者更有利于保证稻米质量，能够完成稻米质与量的均衡；邵旭东[35]探究发现应在水稻成熟前后几天收获水稻。杨孟刚[36]研究发现恰当的收获期有利于稻米品质的提高。王丽妍[37]发现寒地水稻收获期逐渐延迟，稻米产量逐渐增加，齐穗后55 d 产量达到最高，在此期间收获的稻米，糙米、精米、整精米率的加工品质最高，且垩白度、垩白粒率以及蛋白质含量降低。

通过以上的试验发现，不同栽培技术可以对水稻稻米品质产生较为明显的影响，所以继而不断探索新的栽培技术和复合型栽培技术对提高水稻优质高产至关重要。

4.2 不同灌溉方式对水稻稻米品质影响的研究

水稻在传统淹灌方式下，会产生地表水层，从而产生蒸发与深层渗漏，以至于过于浪费水资源。众多学者为节省水资源，开展了不同灌溉方式条件下对水稻品质影响规律及机理的相关研究。韩淑娴[38]通过在同样的灌溉频率下，改变灌溉定额，探究水稻不同阶段的需水量，结果表明抽穗开花时期需水量最大；陈海龙[39]通过设置控灌、节灌及叶龄灌3种灌溉方式进行对比，结果表明控灌与节灌不仅节水而且产量和每穴的实际粒数呈增加趋势；燕辉等[40]通过研究亏水灌溉给籽粒带来的影响表明，过度的亏水会影响籽粒灌浆从而影响稻米品质；丁峰等[41]发现水稻拔节孕穗期与分蘖期对水分十分敏感且随着水分的减少，叶片会出现早衰的现象，最终导致灌浆不足；林玉萍等[42]通过不同的灌溉类型作比较得出，节水灌溉处理会让水稻减产，其中影响最明显的时期是分蘖期和孕穗期的停灌，节水灌溉处理的不同方式均对大米的碾磨质量和营养价值没有显着影响，但它对大米的烹饪质量有相应的影响；蒋天琦[43]试验设计探究了不同水氮组合对垦粳5号多种因子的影响，通过试验数据分析，结果发现，不同的灌溉方法和施氮量对稻米的干物质与氮的积累以及产量和产量相关因子均有一定程度的相关关系，在同一灌溉处理下，当施加氮量越来越多时，稻米的各项品质的指标将会出现先增后减的现象；陈杨[44]通过探究寒地水稻在不同灌溉条件下的情况，同样得出在节水和产量方面，控灌>节灌>常规灌溉。

由大量的实验结果可知，不同的灌溉方式会对水稻品质以及产量带来不同的影响，因此研究节水与水稻产量以及品质的关系也是未来水稻产业可持续发展的重要研究方向之一。

5 稻种贮藏条件对水稻稻米品质影响

稻种的优良对于来年水稻种植是否成功具有决定性的作用，而稻种的贮藏条件与环境，在很大程度上影响了稻种的好坏，若贮藏条件出现问题，便会造成一定的损失。以稻种贮藏条件对水稻稻米品质影响为出发点，很多学者开展了大量相关试验研究。邱汉等[45]为了探明环境因子对稻米种子储藏的影响，在大量关于合适储藏稻米种子的环境标准基础上，探究了种子中水的含量以及储存环境的相对温湿度和其中的气体组成对种子储藏影响的先后与程度，结果发现，对于大部分稻米品种，当含水量为10%～12%，环境相对湿度不超过60%，温度低于15 ℃的条件下适用于短时间储藏稻米种子，适合长期贮存的条件为3%～7%的含水量和5 ℃或更低的温度，水稻气调储藏最佳参数为二氧化碳浓度为35%～70%之间，氧气浓度在5%～7%之间，氮浓度为95%。整体剖析，稻米种子贮藏时最先考虑相对湿度再为温度最后为气体浓度，使用合理的储存方法，依据品种的不同将其放置在不同的袋子里，并悬挂于通风且干燥的房子里，品种间进行隔离以防止混合，储存期间加强管理，经常检查水稻种子，避免种子发热引起的霉变和腐败；杨素华[46]从贮藏前准备、入库以及贮藏过程中管理进行说明，水稻种子的贮藏需要对贮藏条件进行控制且对贮藏环境进行检测以及过程中进行管理，保证种子的质量以提高水稻品质；蒋凌云[47]通过探究在冷库贮藏条件下水稻不育系种子的活力，结果表明随着冷藏时间的增加种子的活力呈下降趋势；缪丽霞等[48]发现低温有利于水稻种子储存；蒋薇等[49]试验表明种子的活力指标与种子的储藏时间没有关系，但可溶性蛋白随着时间的推迟逐渐减小。

根据以上贮藏条件对稻种的影响，良好的贮藏条件以及贮藏管理模式对稻种的意义重大，稻种的优良直接导致水稻品质是否优质。

6 展望

综上所述，水稻品种、环境及种植条件等诸多内外源因素都会对水稻品质产生一定程度的影响，并具有一定的规律性。对各类因素开展相关的研究有利于未来提高水稻的品质，从而达到高产高质量的水准。

在水稻品种方面，通过综述相关研究发现，地方品种、改良品种和杂交品种对水稻品质有明显且规律性的影响，有很多现有研究取得了一定的试验成果，但目前仍有一些问题值得研究，比如探究稻米长宽比和加工质量时，要注意是否会导致产量以及抗性等性状下降，这也是稻米育种方面可深入研究的要点。如果需在产量与品质之间做出选择，一方面可利用分子标记辅助选择技术选出具有高产量的水稻品种，进而提高品质，从而提高水稻商品价值；另一方面，可从消费者角度出发，按消费者的喜好来培育水稻并协调好品质之间的关系，从而提高水稻质量。

在环境条件方面，现有研究分别从气候、田间水分、施肥条件和盐渍化四方面进行大量的试验分析，开展了温度、水分、CO2浓度和土壤盐渍化等不同环境情况对水稻品质影响的相关研究，这对于水稻品质的提高意义重大。以后可在当前基础上分析气候变化因素与其他因素之间的相互作用，突出这些相互作用的潜在机制，以研究出能够契合未来气候变化的水稻生产技术。

在种植条件方面，现有研究分别从栽培技术、灌溉方式、和贮藏条件进行了探究。但目前针对水稻品质对其种植方式的响应关系研究在深度与广度上还有待深究，过去单一地考虑某种条件，对于多重条件的研究很少且工业化的种植条件还有待去挖掘。

依据我国稻米品质的整体情况，结合目前水稻品质的研究现状，我国高品质的稻米依然有较大提升空间，虽然高品质大米率达37.1%，与以前相比有进步，但是与日本等国家进行比较，中国稻米的市场竞争力总体上不强，水稻品质的提升迫在眉睫，现应在多类型内外源影响因素对水稻稻米品质响应的基础上，开展较为系统、深入的研究，以满足水稻高产、优质、高效育种和优化栽培的目标要求。