呂 曉，張兵兵，楊 璐，戰(zhàn)莘曄，吳 航，高 全，張 慧，高莉莉

（1.錦州市生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，遼寧 錦州 121000；2.鞍山市氣象局，遼寧 鞍山 114004）

【研究意義】水稻是我國種植面積最廣、產(chǎn)量最高的最主要糧食作物之一［1］，在國民經(jīng)濟中占有非常重要的地位，其生產(chǎn)狀況直接關(guān)系到我國糧食安全，關(guān)注水稻安全生產(chǎn)對于我國的可持續(xù)發(fā)展十分重要［2］。水稻原產(chǎn)于熱帶亞熱帶地區(qū)，其生長發(fā)育對低溫條件反應非常敏感［3-5］，熱量條件在水稻生產(chǎn)中至關(guān)重要，溫度是影響其產(chǎn)量的重要環(huán)境因素，也是影響稻米品質(zhì)的首要環(huán)境因子［6-7］。夏季低溫冷害是作物生長期內(nèi)發(fā)生異常低溫而造成嚴重減產(chǎn)的一種災害，水稻是喜溫作物，其生長發(fā)育過程受溫度條件的制約［8］，各個生育階段都有一定的最低適宜溫度，若在其生長季出現(xiàn)持續(xù)低溫且達到一定強度時，就會發(fā)生不同類型的低溫冷害［9］。水稻冷害是一種全球性氣象災害，近年來，盡管全球氣候有變暖趨勢，但區(qū)域性和階段性的低溫冷害仍有發(fā)生。遼寧省屬于我國北方寒地稻作區(qū)，也是我國水稻主產(chǎn)區(qū)之一，因其地處中、高緯度地區(qū)的特殊地理位置，具有氣候寒冷、熱量資源不足、無霜期短等氣候特點，因而易發(fā)生水稻低溫冷害。遼寧地區(qū)春季升溫慢、秋季降溫快且溫度日較差大，即使在夏季7、8月份也常出現(xiàn)冷空氣活動頻繁的突發(fā)性低溫天氣過程，在水稻生長發(fā)育期間低溫冷害出現(xiàn)具有普遍性、多發(fā)性和嚴重性等特點，且水稻低溫冷害強度增加，水稻常常在氣溫低、水溫低、地溫低的三低條件下生長，溫度已成為影響遼寧省水稻生長的最主要因素。低溫冷害已成為遼寧地區(qū)水稻生產(chǎn)中面臨的最主要農(nóng)業(yè)氣象災害之一，是影響水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和品質(zhì)的重要逆境因素。

【前人研究進展】在全球氣候變化的背景下，有關(guān)低溫冷害對水稻影響的研究成為國內(nèi)外研究學者關(guān)注的對象。水稻耐冷性研究最早始于日本［10］，我國從20世紀70～80年代才開始學習和參考日本經(jīng)驗，結(jié)合各地區(qū)生態(tài)條件實情進行抗冷性研究。目前對水稻耐冷性研究開展較深入，國內(nèi)外已有很多報道，涉及研究角度廣泛，諸如低溫冷害評價指標、風險評估、對農(nóng)業(yè)的危害機制、對策和影響規(guī)律等，低溫冷害區(qū)劃及預測預報模型等，冷害監(jiān)測、鑒定、基因等多個方面［11-16］。低溫冷害對水稻生長發(fā)育、產(chǎn)量、生理變化、品質(zhì)等水稻生產(chǎn)方面影響的研究一直是水稻氣象研究的重點，試驗處理方面采用了低溫處理程度、低溫處理時期、耐冷性品種等不同的試驗設(shè)計［17-29］。但是通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)有關(guān)低溫冷害對水稻生產(chǎn)影響方面的研究多為生長發(fā)育、產(chǎn)量和生理生化方向，且分析評估主要集中于東北地區(qū)的黑龍江等地［30-33］，而對品質(zhì)影響方面的研究則相對較少［34-40］，目前就有關(guān)文獻總體來看，關(guān)于直鏈淀粉含量同結(jié)實期溫度的關(guān)系目前尚無定論，溫度對稻米品質(zhì)影響最大的是堊白度和堊白粒率，水稻低溫冷害對其品質(zhì)性狀影響具有種間差異，盡管各種研究結(jié)果略有差異，但因試驗設(shè)計、試驗品種和試驗地點等不同并不矛盾。遼寧地區(qū)有關(guān)低溫冷害對水稻生產(chǎn)的研究則更少，已有的研究為風險評估、分布特征、作物生理方向［41-43］，有關(guān)遼寧地區(qū)低溫冷害對水稻品質(zhì)影響的研究鮮有報道。

【本研究切入點】近年來，隨著生活水平逐漸提高，人們對稻米品質(zhì)的要求越來越高。水稻品質(zhì)除了受遺傳因素控制，更受到氣候生態(tài)因子的影響［44］。水稻作為遼寧省第二大主要糧食作物，其種植面積逐年增加。由此可見，當前如何預防和解決水稻低溫冷害問題、改善和保障水稻品質(zhì)對遼寧地區(qū)水稻產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展、保障糧食安全、促進經(jīng)濟發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實意義?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本試驗在前人研究基礎(chǔ)上，以水稻90-35為供試品種，進行低溫脅迫處理試驗，在相同施肥和管理條件下，分別在拔節(jié)期和抽穗期進行不同低溫脅迫處理，就低溫冷害對水稻的營養(yǎng)品質(zhì)、研磨品質(zhì)和外觀品質(zhì)等影響進行系統(tǒng)研究，以期為氣候變化背景下遼寧地區(qū)水稻的生產(chǎn)栽培、品質(zhì)認證和抗性育種提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2011年5—12月在沈陽農(nóng)業(yè)大學南地試驗田進行。供試水稻品種為90-35，該品種全生育期150 d，采用半盆栽半大田的栽培方式，共進行為期2年的低溫脅迫處理試驗。試驗盆缽為PP方形塑料桶，桶口長24 cm、寬為17 cm，桶底長19 cm、寬12 cm，桶高26 cm。試驗用土為新鮮的旱地耕層壤土，晾曬粉碎后過0.8 cm篩。用孔徑0.180 mm的沙網(wǎng)袋（形狀和大小與盆缽內(nèi)徑一致）置于盆缽內(nèi)，向沙網(wǎng)袋內(nèi)裝土，每桶裝土8.5 kg，裝土的同時施基肥，每桶施尿素2.0 g、磷酸二銨2.0 g作底肥。

1.2 試驗方法

水稻采用育秧盤小棚旱育苗，4月13日浸種、催芽，4月18日播種，按常規(guī)方式育苗，5月22日移栽，選擇均勻一致的4葉齡健壯秧苗栽入試驗盆缽，每個處理5盆，每盆1穴，每穴2株栽于盆缽中央，每個盆缽內(nèi)保持2 cm左右的水層。試驗盆缽先置于室外自然返青，5月29日待秧苗成活后將沙網(wǎng)袋連同秧苗從盆缽中取出，移栽到大田統(tǒng)一管理。在水稻90-35進入孕穗開花盛期時（8月17日）再將沙網(wǎng)袋連同植株從大田中取出直接放回盆缽中，將盆缽置于人工氣候箱內(nèi)進行低溫處理，低溫脅迫后再將其放回大田讓其自然生長。

試驗設(shè)5個溫度處理：A1，拔節(jié)期比外界低5℃低溫脅迫；A2，拔節(jié)期比外界低3℃低溫脅迫；B1，抽穗期比外界低5℃低溫脅迫；B2，抽穗期比外界低3℃低溫脅迫；CK，自然條件下正常生長。低溫脅迫以前1 d相同時刻的溫度值為基準，每個處理放入氣候箱內(nèi)3盆均持續(xù)5 d，5次重復。

低溫脅迫的控制：采用定制的TRP-1000D型人工智能氣候箱，容積1 000 L，溫度誤差為±0.5℃，溫度均勻度±1℃，控溫范圍0～50℃，光照度為0～40 000 lx，控濕范圍50%～95%，濕度波動±5%。人工氣候箱設(shè)置24波段，每個波段1 h，用以體現(xiàn)氣象要素的日變化規(guī)律，臨近日出和日落的兩個波段的間距可能不為1 h，采用天文學方法確定日出、日落時間進行適當調(diào)整。各波段相對濕度、光照與中國天氣網(wǎng)發(fā)布的實時數(shù)據(jù)一致。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 營養(yǎng)品質(zhì)測定 稻谷于2011年10月1日進行收獲，每穴為一組，樣本風干后利用德國BRUKER公司生產(chǎn)的傅里葉變換近紅外光譜分析儀測定蛋白質(zhì)含量、直鏈淀粉含量、脂肪酸含量。取樣本精米粉30 g置于分析盤的樣品杯中，進行光譜掃描，測定蛋白質(zhì)、直鏈淀粉和脂肪酸含量，計算食味評分，每個樣品重復測3次。

1.3.2 研磨品質(zhì)測定 利用礱谷機將稻谷脫殼，碾磨成糙米，計算糙米率（%）；利用日本生產(chǎn)小型精米機加工成精米，計算精米率（%）。

1.3.3 外觀品質(zhì)測定 利用外觀品質(zhì)分析儀測定堊白粒率。

試驗數(shù)據(jù)運用Microsoft Excel、SPSS應用程序進行處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫脅迫對水稻營養(yǎng)品質(zhì)的影響

從表1可以看出，水稻90-35分別經(jīng)過拔節(jié)期和抽穗期比外界低3℃、低5℃的低溫脅迫后，蛋白質(zhì)含量較對照有所增加，增幅表現(xiàn)為抽穗期低溫脅迫高于拔節(jié)期低溫脅迫，以抽穗期比外界低3℃低溫脅迫處理后蛋白質(zhì)含量增幅最大，其中處理A1、A2、B1、B2分別比CK增加0.3、0.1、0.6、0.7個百分點，且處理A1、B1、B2與CK差異均極顯著，處理A1與A2差異顯著，處理A2與CK、B1與B2差異不顯著，說明拔節(jié)期和抽穗期低溫脅迫使水稻中蛋白質(zhì)含量增加，導致食味評分顯著降低。直鏈淀粉含量除處理B1略有降低外，其余處理均比對照略有增加，具體表現(xiàn)為A1、A2、B1、B2分別比CK增加1.75%、0.44%、-1.75%、0.44%，A1、B1與CK、A2、B2差異極顯著，A2、B2與CK，A2、B2差異不顯著，A2與A1、A2與B1、B2與A1、B2與B1差異極顯著；即拔節(jié)期、抽穗期低溫脅迫會使水稻直鏈淀粉含量增加，增加幅度為比外界低5℃低溫脅迫處理高于比外界低3℃低溫脅迫處理，而抽穗期比外界低5℃低溫脅迫處理會使水稻直鏈淀粉含量降低，表明拔節(jié)期低溫脅迫和抽穗期比外界低3℃低溫脅迫處理會促使水稻直鏈淀粉的合成，可見低溫脅迫可以打破稻米中蛋白質(zhì)、直鏈淀粉等營養(yǎng)物質(zhì)的組成和比例進而影響稻米品質(zhì)。而脂肪酸含量較對照呈現(xiàn)降低的趨勢，具體為A1、A2、B1、B2分別比CK減少17.75%、7.5%、25%、11%，A1、B1、B2與CK差異極顯著，A2與CK差異顯著，A1與A2、A1與B1、A1與B2、A2與B2差異不顯著，A2與B1、B1與B2差異顯著；相同的低溫脅迫處理下，抽穗期脂肪酸含量降低的幅度高于拔節(jié)期。不同發(fā)育期不同低溫脅迫處理后A2食味評分與對照差異最小，低溫脅迫下可以保持較好的營養(yǎng)品質(zhì)。

表1 不同時期低溫處理對水稻營養(yǎng)品質(zhì)的影響Table 1 Effects of low temperature treatments at different stages on nutritional quality of rice

2.2 低溫脅迫對水稻研磨品質(zhì)的影響

糙米率和精米率是衡量稻米研磨品質(zhì)的重要指標。由圖1可知，水稻90-35經(jīng)過不同時期不同低溫脅迫處理后對糙米率和精米率的影響效果不同，拔節(jié)期和抽穗期在比外界低3℃、低5℃的低溫脅迫后，拔節(jié)期低溫脅迫處理的糙米率比對照略有降低，而抽穗期低溫脅迫處理的糙米率與對照相比呈增加趨勢，具體表現(xiàn)為A1、A2、B1、B2分別比CK增加-0.73%、-1.09%、0.6%、3.02%，且CK與B1差異不顯著，A1與A2差異顯著，其余各處理之間差異均達到極顯著，由此可見，水稻糙米率受低溫脅迫處理影響最小的為抽穗期進行比外界低5℃的低溫脅迫處理，拔節(jié)期進行適當?shù)蜏孛{迫處理反而會使水稻糙米率略有降低，其中在拔節(jié)期進行比外界低3℃的低溫脅迫處理使水稻糙米率降低最多。而精米率與對照相比則呈現(xiàn)減少趨勢，具體表現(xiàn)為A1、A2、B1、B2分別比CK減少2.1%、6.95%、0.22%、7.5%，且各處理之間均達到極顯著差異，可見水稻精米率對低溫脅迫非常敏感，拔節(jié)期和抽穗期水稻精米率減少的幅度均為比外界低3℃低溫脅迫處理高于比外界低5℃的低溫脅迫處理，水稻精米率減少最多的為抽穗期進行比外界低3℃的低溫脅迫處理。B2研磨品質(zhì)受低溫脅迫影響較大，表明水稻在抽雄期對低溫更敏感。

2.3 低溫脅迫對水稻外觀品質(zhì)的影響

稻米的堊白粒率是衡量外觀品質(zhì)的主要指標，堊白率越高，外觀品質(zhì)越差，且對透明度也有影響。由圖2可知，水稻90-35經(jīng)過不同時期不同低溫脅迫處理后對堊百粒率的影響效果不同。水稻90-35分別經(jīng)過拔節(jié)期和抽穗期的低溫脅迫處理后，堊百粒率拔節(jié)期比對照略有減少，抽雄期與對照相比有明顯增加趨勢，且各處理間均為差異極顯著，可見低溫脅迫處理對水稻堊白粒率影響很大，具體表現(xiàn)為A1、A2、B1、B2分別比CK增加-33.3%、-22.2%、255.6%、133.3%，即水稻90-35在拔節(jié)期和抽穗期經(jīng)過低溫脅迫處理后，比外界低3℃低溫脅迫處理堊百粒率變化幅度低于比外界低5℃的低溫脅迫處理，對水稻堊白粒率影響最大的為抽穗期比外界低5℃的低溫脅迫處理，影響最小的為拔節(jié)期比外界低3℃低溫脅迫處理，拔節(jié)期對水稻進行適當?shù)牡蜏孛{迫處理對水稻外觀品質(zhì)有利，而抽穗期對水稻進行低溫脅迫處理會嚴重影響水稻外觀品質(zhì)。

圖2 不同時期低溫處理對水稻堊白粒率的影響Fig.2 Effects of low temperature treatments at different stages on chalky grain rate of rice

3 討論

水稻在各個生長發(fā)育階段都有一定的最低適宜溫度和最高臨界溫度，溫度過高或過低都不利于其生長發(fā)育和干物質(zhì)的積累，進而影響水稻的品質(zhì)［45］。稻米品質(zhì)主要受遺傳因子控制和栽培因素的影響［46］，但在諸多因子中，溫度對稻米品質(zhì)影響最大［47］，特別是遼寧地區(qū)溫度是影響稻米品質(zhì)的最主要氣候因子［48］。本試驗通過人工智能氣候箱這一應用創(chuàng)新性的方法，研究了水稻拔節(jié)期和抽穗期低溫對稻米品質(zhì)影響，其結(jié)果對水稻優(yōu)質(zhì)栽培具有指導作用。本試驗結(jié)果表明，低溫脅迫導致蛋白質(zhì)和直鏈淀粉含量增加，脂肪酸含量減少，且根據(jù)蛋白質(zhì)、直鏈淀粉和脂肪酸含量值綜合分析得出低溫冷害使水稻90-35食味評分降低，與王士強等［49］、宋廣樹等［37］的研究結(jié)果一致。有研究認為低溫脅迫使糙米率和精米率下降［39,49-50］，這與本試驗結(jié)果部分一致，即低溫脅迫使水稻90-35精米率顯著減少，抽穗期低溫脅迫使其糙米率顯著增加，這可能是由于水稻受到低溫脅迫后光合作用下降，對籽粒灌漿影響較大，且本試驗在遼寧地區(qū)進行及水稻種間差異等引起。王連敏等［50］研究認為不同品種的水稻堊百粒率受到同等程度的低溫冷害有的增加有的減少，張榮平等［40］研究發(fā)現(xiàn)水稻低溫處理5 d堊白粒率有所降低但與對照差異不顯著、而低溫處理10 d堊白粒率顯著增加。本試驗結(jié)果則表明稻90-35在抽穗期遭受低溫冷害使堊白粒率極顯著增加、拔節(jié)期低溫脅迫使堊百粒率減少，且增減幅度與溫度降低程度呈正相關(guān)，這可能是由于本試驗所研究的發(fā)育時期、低溫脅迫處理方式與前人研究不同所致。

水稻的品質(zhì)主要包括營養(yǎng)品質(zhì)、研磨品質(zhì)和外觀品質(zhì)。稻米的營養(yǎng)成分包括蛋白質(zhì)含量、直鏈淀粉含量和脂肪酸含量，它們是評價稻米品質(zhì)的主要指標，營養(yǎng)成分含量會影響米飯適口性。依據(jù)稻米中蛋白質(zhì)、直鏈淀粉和脂肪酸含量得到的食味評分也可以作為一項指標來判斷稻米的營養(yǎng)品質(zhì)，有研究證明食味評分與蛋白質(zhì)含量、直鏈淀粉含量呈負相關(guān)，與脂肪含量呈正相關(guān)，適當提高稻米的脂肪含量可以提高稻米的口感和光澤度。

由于本試驗受氣候箱本身體積所限，所做樣本較少，其內(nèi)部設(shè)定環(huán)境與自然條件不盡相同，盆栽水稻生長環(huán)境不如大田具有普遍性，水稻營養(yǎng)不能充分運輸?shù)降舅胫?，這些都可能對水稻生長發(fā)育造成一定影響，使得試驗結(jié)果具有一定的局限性。而且低溫冷害對稻米品質(zhì)的影響是一個復雜多變的過程，再加上品種間的差異，使得目前一些就不同發(fā)育期低溫脅迫對稻米品質(zhì)方面的研究結(jié)論尚未統(tǒng)一，因此就低溫脅迫對水稻營養(yǎng)品質(zhì)影響的研究有待進一步深入。

4 結(jié)論

本試驗結(jié)果表明，整體上水稻90-35在拔節(jié)期和抽穗期經(jīng)受低溫冷害對其營養(yǎng)品質(zhì)有負面影響，蛋白質(zhì)含量、除處理B1外的直鏈淀粉含量與CK相比呈顯著增加趨勢，而脂肪酸含量則比CK顯著減少；同等低溫脅迫處理下，蛋白質(zhì)含量和脂肪酸含量對低溫冷害的敏感度為抽穗期大于拔節(jié)期，而同一個發(fā)育期內(nèi)低溫冷害越嚴重脂肪酸含量減少幅度越大。研磨品質(zhì)方面，水稻90-35在拔節(jié)期和抽穗期經(jīng)受低溫冷害后其精米率較CK顯著減少，抽穗期的低溫冷害會使其糙米率顯著增加，拔節(jié)期進行適當?shù)蜏孛{迫處理則會使糙米率顯著減少，對糙米率有正面影響。外觀品質(zhì)方面，本試驗中水稻90-35在抽穗期遭受低溫冷害對其外觀品質(zhì)影響極大，堊白粒率較CK極顯著增加，且增加幅度為處理B1＞B2；而拔節(jié)期進行適當?shù)牡蜏孛{迫處理反而使其堊百粒率有所減少，堊白粒率減少幅度為處理A1＞A2，可見水稻90-35的外觀品質(zhì)對低溫冷害的敏感程度呈正相關(guān)。