日本寒冷地帶北海道大米蛋白質(zhì)和直鏈淀粉含量的年度與地區(qū)間差異及其影響因素

丹野 久

（北海道農(nóng)產(chǎn)協(xié)會(huì)，日本 北海道札幌，060-0004）

一般認(rèn)為大米中蛋白質(zhì)含量越低，同樣直鏈淀粉含量越低，米飯的食味就越好[1-3]（圖1）。但是，大米的這兩個(gè)指標(biāo)含量在年度之間有很大差異（圖2），因此，日本北海道生產(chǎn)的大米，其食味在蛋白質(zhì)或直鏈淀粉含量升高的年份而大幅度下降（圖3）。此外，研究顯示，大米中蛋白質(zhì)含量的種植地區(qū)間差異也很大[5]。

圖1 大米的直鏈淀粉和蛋白質(zhì)的含量與食味綜合評(píng)價(jià)之間的關(guān)系[1]

圖2 大米蛋白質(zhì)和直鏈淀粉含量的全北海道均值的年度變化

圖3 東北以南生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)大米品種與北海道生產(chǎn)的大米品種之間食味綜合評(píng)價(jià)值、蛋白質(zhì)和直鏈淀粉含量的年度差異[4]

為了實(shí)現(xiàn)北海道大米的食味優(yōu)良和穩(wěn)定，必須分析蛋白質(zhì)和直鏈淀粉含量的年度及地區(qū)間差異的幅度及其產(chǎn)生原因，為此選擇優(yōu)良食味大米栽培技術(shù)[6-7]及種植品種[8-9]很重要。本研究首先闡明了北海道生產(chǎn)的大米，在過去 16年間和 15個(gè)地區(qū)之間蛋白質(zhì)和直鏈淀粉含量的年度和地區(qū)差異，進(jìn)行了比較分析。接著，從與水稻的栽培時(shí)期和不同生長階段的氣溫、生長發(fā)育特性以及土壤類型等的關(guān)系闡述了其發(fā)生原因。最后分析了水稻初期生長發(fā)育不同的種植土壤和地區(qū)的差異對(duì)大米蛋白質(zhì)含量及其年度差異的影響。

1 北海道大米的蛋白質(zhì)和直鏈淀粉含量在年度間、地區(qū)間的差異及分析

北海道大米蛋白質(zhì)含量在 1991—2006年的16年間，變化范圍 7.2%～8.6%，有 1.4%的差異（表1），直鏈淀粉含量在相同年度間變化范圍是18.3%～22.2%，存在3.9%的差異。在整個(gè)北海道15個(gè)水稻種植地區(qū)之間，大米蛋白質(zhì)含量變化范圍是7.2%～8.2%，相差1.0%，而直鏈淀粉含量變化范圍是19.8%～21.2%，相差1.4%。也就是說，年度之間的差異與地區(qū)之間差異相比較，對(duì)蛋白質(zhì)含量高達(dá)1.4倍，對(duì)直鏈淀粉含量高達(dá)2.8倍，蛋白質(zhì)和直鏈淀粉含量年度間的標(biāo)準(zhǔn)偏差也很大，分別是地區(qū)間的標(biāo)準(zhǔn)偏差的1.5和3.2倍，尤其是直鏈淀粉含量的標(biāo)準(zhǔn)偏差更大。

圖 4～5顯示了大米蛋白質(zhì)和直鏈淀粉含量的年度間和地區(qū)間變化。在它們的平均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差之間的關(guān)系中，在年度間，蛋白質(zhì)含量的平均值越高，標(biāo)準(zhǔn)偏差就越大，呈現(xiàn)了一定的相關(guān)關(guān)系。直鏈淀粉含量在年度之間平均值變化雖然很大，但是標(biāo)準(zhǔn)偏差的差異不大，僅為0.43%～0.76%，平均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差之間沒有一定的相關(guān)關(guān)系。

表1 一定試驗(yàn)?zāi)甓群偷貐^(qū)的水稻種植期間和各生長階段的氣溫、生長發(fā)育特性及大米蛋白質(zhì)含量、直鏈淀粉含量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果[5]

圖4 不同年度的大米蛋白質(zhì)和直鏈淀粉含量的分布

圖5 年度間和地區(qū)間大米蛋白和直鏈淀粉的含量的平均值與其標(biāo)準(zhǔn)差之間的關(guān)系[5]

如上所述，大米蛋白質(zhì)和直鏈淀粉含量在年度和地區(qū)之間均有很大的差異，并且前者比后者更大。特別是在蛋白質(zhì)含量高的年份，其地區(qū)間的標(biāo)準(zhǔn)偏差也變大，會(huì)成為銷售、流通方面的重大問題。

2 水稻不同種植期間、生長階段的氣溫及生長特性的年度間與種植地區(qū)間的差異比較

水稻種植期間的5～7月和8～9月日均累計(jì)氣溫，其年度間（15個(gè)地區(qū)的均值）最大值和最小值的差，是各種植地區(qū)間（16個(gè)年度的均值）的2.0倍，標(biāo)準(zhǔn)偏差也是年度間比地區(qū)間大1.9～ 2.5倍（表1）。

分蘗期（6月份）的平均氣溫，抽穗前24天開始的30天期間即障礙型冷害危險(xiǎn)期（以下稱障礙危險(xiǎn)期）的平均氣溫，抽穗后40天期間的日均累計(jì)氣溫（以下稱為成熟期氣溫），以及抽穗后40天期間的日溫差累計(jì)氣溫（以下稱為成熟期日溫差氣溫），其年度間差異與地區(qū)間相比，以及年度間標(biāo)準(zhǔn)偏差與地區(qū)間相比，除去幾乎相同的成熟期日溫差累計(jì)氣溫外，分別有 1.9～4.2倍及2.0～4.3倍的很大差異（表1）。

在生長發(fā)育特性方面，每 0.1公頃的糙米產(chǎn)量年度間的分布在 205～576 kg之間，大小相差371 kg，標(biāo)準(zhǔn)偏差為99 kg，比地區(qū)間大1.8～1.9倍。在抽穗期、不結(jié)實(shí)率和千粒重的生長發(fā)育特性方面，年度間的差異與地區(qū)間差異相比，還有年度間的標(biāo)準(zhǔn)偏差與地域間標(biāo)準(zhǔn)偏差相比，分別大1.6～4.4、1.4～3.2倍（表1）。

如上所述，水稻種植期間的平均氣溫年度間差異比地區(qū)間差異大，而不同生長階段的平均氣溫也同樣存在較大的年度間差異。因此，可以認(rèn)為水稻的糙米產(chǎn)量等生長發(fā)育特性指標(biāo)的年度間差異比地區(qū)間差異大，從而蛋白質(zhì)和直鏈淀粉含量也是年度間差異較大。

3 大米蛋白質(zhì)含量的年度間及地區(qū)間差異的產(chǎn)生原因

在不同年度之間，抽穗期越早，障礙危險(xiǎn)期的平均氣溫越高，不結(jié)實(shí)率越低[10]，千粒重越高[11-13]，糙米產(chǎn)量越高，蛋白質(zhì)含量就越低（表2，圖 6～8）。另外，成熟期氣溫在年度間最低為843 ℃，比這個(gè)氣溫高[14-15]或低[16]時(shí)蛋白質(zhì)含量增高，兩者之間的關(guān)系可通過二次回歸方程表示（圖9）。而另一方面，在不同地區(qū)之間，沒有發(fā)現(xiàn)在不同生長階段的平均氣溫及生長發(fā)育特性與蛋白質(zhì)含量之間有相關(guān)關(guān)系。

表2 年度間和地區(qū)間大米蛋白質(zhì)和直鏈淀粉的含量、糙米產(chǎn)量與生長發(fā)育特性、各生長階段氣溫之間的相關(guān)系數(shù)[5]

圖6 年度間和地區(qū)間的不結(jié)實(shí)率與大米蛋白質(zhì)含量之間的關(guān)系[5]

圖7 年度間和地區(qū)間的千粒重與大米蛋白質(zhì)含量之間的關(guān)系[5]

圖8 年度間和地區(qū)間的糙米產(chǎn)量與大米蛋白質(zhì)含量之間的關(guān)系[5]

在不同地區(qū)的土壤類型中，泥炭土比率越低，褐色低地土和灰色低地土比率越高的地區(qū)，蛋白質(zhì)含量越低（圖 10）。這些關(guān)系的決定系數(shù)中，分布幅度 0%～42%為最寬的泥炭土比率的決定系數(shù)最大，影響度很高[17-19]。

圖9 年度和地區(qū)間抽穗后40天期間的日平均累計(jì)氣溫與大米蛋白質(zhì)含量之間的關(guān)系[5]

圖10 地區(qū)間的土壤類型比率與大米蛋白質(zhì)含量之間的關(guān)系[5]

另外，在分孽期的平均風(fēng)速和大米蛋白質(zhì)含量之間，年度間沒有一定的相關(guān)性，而在地區(qū)間具有風(fēng)速越小，蛋白質(zhì)含量則有越低的傾向（圖11）?？紤]原因是風(fēng)速越小，水稻初期生長發(fā)育越好，蛋白質(zhì)含量就越低。此外，泥炭土比例低的地區(qū)，風(fēng)速也有變小的的傾向（r=0.578*，n=15）。

如上所述，在年度間，抽穗越早，障礙危險(xiǎn)期因高溫導(dǎo)致的不結(jié)實(shí)率越低，千粒重越重、越豐收，蛋白質(zhì)含量越低，與成熟期氣溫有著在843 ℃為最低的二次回歸方程的關(guān)系。但在地區(qū)間，與這些因素則沒有一定的相關(guān)關(guān)系。另外，在地區(qū)間，泥炭土比率越低，分孽期風(fēng)速越小，大米蛋白質(zhì)含量越低。

圖11 年度與地區(qū)間分蘗期的風(fēng)速與大米蛋白質(zhì)含量之間的關(guān)系[5]

4 初期生長發(fā)育情況不同的土壤和地區(qū)差異對(duì)于大米蛋白質(zhì)含量和年度間差異形成因素之間關(guān)系的影響

在北海道的中央北部和南部地區(qū)，由于是水稻生長初期風(fēng)速小，土壤氮素可吸態(tài)轉(zhuǎn)化速度大的褐色低地土（干田），水稻初期生長旺盛[20]（表3）。在這些地區(qū)，每平方米的結(jié)實(shí)稻谷籽粒數(shù)量越多，并且在中央北部的籽粒全重、南部的千粒重越重越豐收，蛋白質(zhì)含量就越低[16]（表 4，圖12～ 13）。

與此相對(duì)，中央南部地區(qū)由于是生長初期風(fēng)速大、土壤氮素可吸態(tài)轉(zhuǎn)化速度小的灰黏土（濕田），初期生長較差[20]（表 3）。在該地區(qū)，大米蛋白質(zhì)含量和每平方米的稻谷數(shù)量，籽粒全重和糙米產(chǎn)量之間沒有明確的關(guān)系，而千粒重則相反，千粒重越重，蛋白質(zhì)含量越高（表4，圖12～13）。

在蛋白質(zhì)和成熟期氣溫的關(guān)系中，初期生長良好的北海道中央北部和南部，除去因?yàn)椴唤Y(jié)實(shí)率高達(dá)30%以上而大米高蛋白的數(shù)據(jù)，可以看到在 835～840 ℃時(shí)為最低值的二次回歸關(guān)系。另外，在初期生長較差的中央南部，除去特別是在成熟后期由于土壤氮吸收較多而被推測為高蛋白的年度數(shù)據(jù)之外，同樣觀察到了在832 ℃時(shí)為最低值的二次回歸關(guān)系。（圖14）。

綜上所述，在水稻初期生長不良的土壤和地區(qū)，土壤中的氮在生長前期沒有被充分吸收，或者由于在氣溫變高的夏季容易進(jìn)行氮可吸態(tài)轉(zhuǎn)化，因此在成熟期，導(dǎo)致水稻的氮吸收也比較多。特別是到成熟期后期為止，由于土壤中水分多且高溫，水稻作物還沒有老化等從而導(dǎo)致光合作用條件良好的情況下，同時(shí)土壤中的氮吸收也較多。其結(jié)果是，即使豐收也不會(huì)產(chǎn)生大米低蛋白化，或者是千粒重變重的同時(shí)大米高蛋白化等，與前述的在北海道水稻栽培全區(qū)域以及，在初期生長發(fā)育良好的土壤和地區(qū)發(fā)現(xiàn)大米蛋白質(zhì)含量與水稻生長發(fā)育特性之間的關(guān)系不同。

表3 初期生長發(fā)育情況不同的土壤和地區(qū)的栽培特性比較[16,20]

表4 初期生長發(fā)育情況不同的土壤、地區(qū)的年度間大米蛋白含量與生長特性之間的相關(guān)系數(shù)[16]

圖12 水稻初期生長發(fā)育情況不同的土壤和地區(qū)的年度間千粒重與大米蛋白質(zhì)含量之間的關(guān)系[16]

圖13 初期生長發(fā)育情況不同的土壤和地區(qū)的年度間精糙米產(chǎn)量與大米蛋白質(zhì)含量之間的關(guān)系[16]

圖14 初期生長發(fā)育情況不同的土壤、地區(qū)的年度間抽穗后40天期間的日均累計(jì)氣溫與大米蛋白質(zhì)含量之間的關(guān)系[16]（去除了不結(jié)實(shí)率30%以上和成熟后期土壤氮吸收量多的數(shù)據(jù)）

5 大米直鏈淀粉含量的年度與地區(qū)間差異的形成原因

大米中直鏈淀粉含量在年度和地區(qū)之間，都是在水稻成熟氣溫越高，含量就越低（表 2，圖15）。雖然地區(qū)之間大米直鏈淀粉含量也有差異，但分蘗期的平均氣溫越高（年度間r=–0.637**，n=16，地區(qū)間r=–0.786**，n=15，以下相同），障礙危險(xiǎn)期的平均氣溫越高（r=–0.721**，r=0.427ns），抽穗期越早，而抽穗期越早，成熟氣溫越有升高的傾向[21]（r=–0703**，r=–0415ns）。由于抽穗期的促進(jìn)效果，除去地區(qū)之間分蘗期的平均氣溫，在年度間和地區(qū)間，都是分蘗期和障礙危險(xiǎn)期的平均氣溫越高，越容易形成低的大米直鏈淀粉含量（表2）。

圖15 年度間及地區(qū)間抽穗后40天期間的日均累計(jì)氣溫與直鏈淀粉含量之間的關(guān)系[5]

此外，直鏈淀粉含量在地區(qū)之間隨著成熟期日溫差累計(jì)氣溫的降低而降低[2]（圖16）。還有，離海距離越近，緯度（北緯）越低，越容易形成低的大米直鏈淀粉含量（圖 17）。但是，離海距離和緯度與成熟氣溫之間，都未發(fā)現(xiàn)有一定的相關(guān)關(guān)系（表5）。由此，考慮離海距離和緯度與直鏈淀粉之間形成的關(guān)系是由于離海距離越近，成熟期日溫差累計(jì)氣溫越低造成的。并且在北海道緯度越低的水稻種植地區(qū)，大多離海距離越近，從而也就造成緯度越低，日溫差累計(jì)氣溫就越低[23]（表5）。

圖16 年度間及地區(qū)間抽穗后40天期間的日溫差累計(jì)氣溫與直鏈淀粉含量之間的關(guān)系[22]

圖17 地區(qū)之間離海距離及緯度（北緯）與直鏈淀粉含量之間的關(guān)系[22]

如上所述，大米直鏈淀粉含量在年度和地區(qū)都是成熟氣溫越高，其含量越低。另一方面，在地區(qū)之間，緯度越低，離海距離越近，成熟期日溫差累計(jì)氣溫越低，則大米直鏈淀粉含量越低。

備注：

1. 參考文獻(xiàn)中，除注明國家的期刊外，其余均為日語期刊。

2. 本文的彩色圖表可從本刊官網(wǎng)（http://lyspkj.ijournal.cn/ch/index.axpx）、中國知網(wǎng)、萬方、維普、超星等數(shù)據(jù)庫下載獲取。