王丹英 徐春梅 褚光 陳松 劉元輝 陳里鵬 章秀福*
(1中國(guó)水稻研究所/水稻生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州310006;2 杭州市富陽(yáng)區(qū)鹿山街道南山村,杭州310006;第一作者:wangdanying@caas.cn;*通訊作者:zhangxiufu@caas.cn)
水稻是我國(guó)主要的糧食作物之一,我國(guó)三分之二的人口以稻米為主糧。近年來(lái),國(guó)內(nèi)稻谷年總消費(fèi)量1.93 億t 左右,其中口糧消費(fèi)約1.58 億t,占國(guó)內(nèi)總消費(fèi)量的81.7% 左右(2019 年數(shù)據(jù))。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高,人們對(duì)稻米的需求逐漸從“吃得飽”向“吃得好”轉(zhuǎn)變,迫切需要在穩(wěn)定產(chǎn)量的同時(shí)提高稻米品質(zhì),尤其是食味品質(zhì),以滿足供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的需求。然而,水稻的稻米品質(zhì)是多基因控制的復(fù)雜農(nóng)藝性狀,品質(zhì)與產(chǎn)量之間存在著沖突和矛盾,水稻生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)量質(zhì)齊升并不容易。
我國(guó)稻作在漫長(zhǎng)的過(guò)程中一直都是以增產(chǎn)滿足溫飽為目的,水稻生產(chǎn)的首要目的是確保國(guó)家糧食安全。1960 年后由于品種改良、栽培技術(shù)創(chuàng)新、農(nóng)資如化肥、農(nóng)藥等的發(fā)展,以及農(nóng)業(yè)政策的支撐,水稻單產(chǎn)和總產(chǎn)大幅提高。然而,長(zhǎng)期以來(lái)注重?cái)?shù)量,忽視質(zhì)量和效益,存在水稻生產(chǎn)布局和技術(shù)發(fā)展不合理,高產(chǎn)品種多、優(yōu)質(zhì)品種少,高產(chǎn)栽培理論技術(shù)多,優(yōu)質(zhì)機(jī)理研究薄弱等問(wèn)題。
1984 年,在糧食總產(chǎn)量連續(xù)4 年大幅度提高后,出現(xiàn)了第一次“賣糧難”[1],全國(guó)露天存放的糧食有幾百億公斤,在水稻上主要表現(xiàn)為南方品質(zhì)較差的稻米如雙季稻區(qū)的早秈米銷售困難。針對(duì)1984 年出現(xiàn)的以品質(zhì)較差稻米為主的“賣糧難”,原農(nóng)牧漁業(yè)部于1985 年召開(kāi)“優(yōu)質(zhì)稻米座談會(huì)”,指出發(fā)展優(yōu)質(zhì)稻米的重要性,提出發(fā)展對(duì)策,并于同年舉辦了首次優(yōu)質(zhì)稻米評(píng)選,評(píng)選出雙竹粘、汕優(yōu)64 等46 個(gè)優(yōu)質(zhì)水稻品種;在此后的“七五”全國(guó)水稻育種攻關(guān)中,“優(yōu)質(zhì)”成為水稻育種的首要目標(biāo);農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY20-1986《優(yōu)質(zhì)食用稻米》和NY83-1988《米質(zhì)測(cè)定方法》于1986 年和1988 年先后發(fā)布[2]。上述措施和行動(dòng)極大地推動(dòng)了我國(guó)優(yōu)質(zhì)水稻的生產(chǎn)與研究。然而,短短幾年后的20 世紀(jì)80 年代末,稻谷總產(chǎn)量出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng),糧食由“供過(guò)于求”轉(zhuǎn)為“供不應(yīng)求”,高產(chǎn)和提高糧食自給率重新成為水稻生產(chǎn)的主題。這是我國(guó)優(yōu)質(zhì)稻生產(chǎn)發(fā)展的第一次起伏[3]。
1990—1991 年,糧食生產(chǎn)在經(jīng)歷了幾年徘徊之后,產(chǎn)量出現(xiàn)了爆發(fā)式的增加,但與此同時(shí),由于糧食收購(gòu)資金緊張導(dǎo)致的市場(chǎng)疲軟,供給與消費(fèi)需求不平衡再次導(dǎo)致了以南方早秈稻為代表的“賣糧難”[1],水稻優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)再次引起重視。1992 年,國(guó)務(wù)院在廣東省召開(kāi)了“全國(guó)發(fā)展高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效農(nóng)業(yè)經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)”,提出要走高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效的路子;同年,原農(nóng)業(yè)部組織的“首屆中國(guó)農(nóng)業(yè)博覽會(huì)”,評(píng)出了包括響水大米等6 個(gè)大米金獎(jiǎng)產(chǎn)品[2]。優(yōu)質(zhì)稻米試種示范工作在各地開(kāi)展。1993年,全國(guó)糧價(jià)放開(kāi),隨著糧食流通和糧食生產(chǎn)的市場(chǎng)化、產(chǎn)業(yè)化,為了尋找糧食銷路和提高種糧效益,各地政府都很重視改善稻米品質(zhì)。然而,1998—2003 年期間我國(guó)水稻面積、單產(chǎn)和和總產(chǎn)都出現(xiàn)了下降,之后各地又大打糧食“翻身仗”,水稻優(yōu)質(zhì)問(wèn)題再次被擱置。這是我國(guó)優(yōu)質(zhì)稻生產(chǎn)發(fā)展的第二次起伏[3]。
2004 年以來(lái),特別是近10 年我國(guó)水稻的持續(xù)增產(chǎn),水稻優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)日益被重視。2017 年,“中央一號(hào)文件”中明確指出要“重點(diǎn)發(fā)展優(yōu)質(zhì)稻米”等產(chǎn)業(yè),著力推進(jìn)農(nóng)業(yè)提質(zhì)增效。隨著各地不斷加大優(yōu)質(zhì)品種的選育、評(píng)選和推廣力度,國(guó)審水稻品種的優(yōu)質(zhì)率穩(wěn)步提升。2017 年,國(guó)審水稻稻米品質(zhì)達(dá)到優(yōu)質(zhì)3 級(jí)及以上級(jí)別的主要品種(年推廣應(yīng)用面積0.67 萬(wàn)hm2及以上的品種)個(gè)數(shù)82 個(gè),推廣應(yīng)用總面積408 萬(wàn)hm2,占當(dāng)年國(guó)審水稻主要品種推廣面積的54.80%。2018 年通過(guò)國(guó)家審定的268 個(gè)水稻品種中,達(dá)到優(yōu)質(zhì)米部頒標(biāo)準(zhǔn)的有134 個(gè),占比 50.00%[4]。2018—2020 年,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部連續(xù)3 年召開(kāi)“國(guó)家優(yōu)質(zhì)稻品種攻關(guān)推進(jìn)暨鑒評(píng)推介會(huì)”,先后評(píng)選出70 個(gè)金獎(jiǎng)品種(表1)。
表1 優(yōu)質(zhì)稻品種食味品質(zhì)鑒評(píng)金獎(jiǎng)品種
可見(jiàn),我國(guó)優(yōu)質(zhì)水稻生產(chǎn)的發(fā)展并不是持續(xù)的,而是在起伏中前進(jìn)。根本原因是水稻的高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)存在沖突,現(xiàn)有的水稻品種不能兼顧高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)。基于水稻生產(chǎn)在確保國(guó)家糧食安全中的重要作用,高產(chǎn)是水稻生產(chǎn)永恒的主題,優(yōu)質(zhì)會(huì)成為產(chǎn)量到達(dá)一定水平后的階段性目標(biāo)。高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)是相互促進(jìn)的螺旋式發(fā)展關(guān)系,我國(guó)的水稻生產(chǎn)在“在保持高產(chǎn)的前提下提高品質(zhì)”和“在保持優(yōu)質(zhì)的前提下提高產(chǎn)量”間不停轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)水稻產(chǎn)量和品質(zhì)的共同提升。
優(yōu)質(zhì)稻品種是稻米品質(zhì)達(dá)到國(guó)家或省頒優(yōu)質(zhì)稻品種標(biāo)準(zhǔn),通過(guò)農(nóng)作物品種審定委員會(huì)審定或認(rèn)定的水稻品種(組合)。優(yōu)質(zhì)稻米是外觀漂亮、米飯松軟、適口性好、達(dá)到國(guó)家或省頒優(yōu)質(zhì)大米標(biāo)準(zhǔn)的大米。優(yōu)質(zhì)稻品種是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)稻米的基礎(chǔ),優(yōu)質(zhì)稻米可以是某個(gè)優(yōu)質(zhì)稻品種生產(chǎn)的大米,也可以是科學(xué)混配的配方米[5]。
現(xiàn)有的優(yōu)質(zhì)稻/稻米相關(guān)的國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有GB/T17891-2017《優(yōu)質(zhì)稻谷》、GB/T1354-2018、NY/T593-2013《食用稻品種品質(zhì)》、LS/T3108-2017《中國(guó)好糧油:稻谷》和LS/T3247-2017《中國(guó)好糧油:大米》。對(duì)前3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)比較(表 2),可見(jiàn):1)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) NY/T593-2013《食用稻品種品質(zhì)》適用于評(píng)價(jià)食用稻品種的選育、審定和推廣,指標(biāo)包括出糙率、整精米率、透明度、堿消值、膠稠度、堊白度、食味評(píng)分和直鏈淀粉含量等,品種品質(zhì)等級(jí)按以上述指標(biāo)全部符合相應(yīng)等級(jí)要求的最低等級(jí)判定,三等以上(含三等)為優(yōu)質(zhì)食用稻品種。2)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17891-2017《優(yōu)質(zhì)稻谷》適用于評(píng)價(jià)收購(gòu)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、加工、銷售的優(yōu)質(zhì)商品稻谷,指標(biāo)包括整精米率、堊白度、食味評(píng)分和直鏈淀粉含量等,只有整精米率、堊白度、食味評(píng)分均達(dá)到規(guī)定等級(jí)指標(biāo)且直鏈淀粉含量在規(guī)定范圍內(nèi),才為該等級(jí)優(yōu)質(zhì)稻谷。3)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1354-2018《大米》適用于評(píng)價(jià)經(jīng)稻米、糙米或半成品大米為原料的食用商品大米,定等指標(biāo)包括碎米總量、小碎米、加工精度、堊白度、食味評(píng)分和直鏈淀粉含量等。
由表2 可見(jiàn),整精米率、堊白度、食味評(píng)分、直鏈淀粉含量是決定水稻優(yōu)質(zhì)性的關(guān)鍵指標(biāo)。楊遠(yuǎn)柱等[4]對(duì)2001—2018 年通過(guò)國(guó)家品種審定的971 個(gè)(次)南方稻區(qū)雜交秈稻品種的品質(zhì)性狀進(jìn)行調(diào)查,發(fā)現(xiàn)雜交秈稻的直鏈淀粉含量平均為16.52%,因此,根據(jù)目前水稻育種實(shí)際,直鏈淀粉含量不是優(yōu)質(zhì)的制約因素(秈稻13%~22%,粳稻13%~20%)。因此,水稻優(yōu)質(zhì)育種和栽培的主攻指標(biāo)是:高整精米率、高食味評(píng)分、低堊白度[5]。
表2 優(yōu)質(zhì)稻米相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
稻米品質(zhì)受遺傳、環(huán)境和栽培因素的影響。如前所述,優(yōu)質(zhì)品種是水稻優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)的前提,品種自身遺傳特性是影響蒸煮品質(zhì)中的直鏈淀粉含量、膠稠度指標(biāo)的主要因素[6]。同時(shí),品種生育期的差異會(huì)導(dǎo)致其在不同的氣象條件下灌漿結(jié)實(shí),對(duì)稻米的堊白和蛋白質(zhì)含量有較大的影響。在前面指出的決定優(yōu)質(zhì)稻/稻米等級(jí)的3 個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)整精米率、堊白度和食味品質(zhì)中,整精米率與水稻粒型、干燥和加工工藝有關(guān),一般長(zhǎng)粒、谷粒長(zhǎng)寬比小的品種整精米率較低[7-9]。堊白性狀是典型的數(shù)量性狀遺傳,與外界因素相關(guān)性強(qiáng),籽粒充實(shí)不良或籽粒灌漿速率過(guò)快均會(huì)增加稻米堊白,堊白受灌漿時(shí)的氣溫、光照、水分和植株?duì)I養(yǎng)狀況的影響[10]。稻米食味品質(zhì)是指對(duì)米飯的硬度、黏度、適口性、外觀、氣味等的綜合感官評(píng)價(jià),與直鏈淀粉含量、蛋白質(zhì)含量呈顯著負(fù)相關(guān)[11-13],直鏈淀粉含量主要由品種遺傳特性決定,而蛋白質(zhì)含量與組分受栽培因素特別是N 肥用量與方法影響[14]。
當(dāng)水稻處于不利生長(zhǎng)環(huán)境時(shí),產(chǎn)量以及品質(zhì)都會(huì)有所下降。研究表明,土壤環(huán)境對(duì)稻米蒸煮品質(zhì)及碾米品質(zhì)具有直接的影響,一般排水性能較好的砂質(zhì)土生產(chǎn)的稻米蒸煮品質(zhì)遠(yuǎn)高于黏重土。在氣象因子中,溫度尤其是結(jié)實(shí)期日平均氣溫是影響米質(zhì)最重要的氣象因子,灌漿期高溫增加堊白和蛋白質(zhì)含量[10,14];研究表明,花后 6~20 d 溫度變化對(duì)堊白粒率影響較大,在 25℃~40℃內(nèi)隨溫度升高,堊白度和堊白粒率增加[10]。氣象因子中結(jié)實(shí)期光照對(duì)米質(zhì)的影響居于其次,水稻灌漿期如果光照不足,會(huì)導(dǎo)致籽粒灌漿充實(shí)不良,稻米堊白發(fā)生率增加,而光照過(guò)強(qiáng),溫度相應(yīng)升高,促使灌漿過(guò)程縮短,也導(dǎo)致稻米堊白的形成[10]。
優(yōu)質(zhì)栽培的目的就是通過(guò)耕作、播栽期、水分灌溉、肥料施用、栽培密度等措施創(chuàng)造有利于水稻生長(zhǎng)和品質(zhì)形成的良好環(huán)境。1)耕作措施通過(guò)采用不同的輪作、翻耕等方法改良土壤結(jié)構(gòu),營(yíng)造有利于水稻生長(zhǎng)的土壤環(huán)境。2)播栽期調(diào)控通過(guò)調(diào)整水稻的生育期,使水稻在最佳的光溫條件下抽穗結(jié)實(shí)。播栽期過(guò)早或過(guò)遲均不能使水稻在最佳的溫度和光照下灌漿結(jié)實(shí),從而影響水稻產(chǎn)量和品質(zhì)的形成。3)合理的種植密度通過(guò)優(yōu)化群體結(jié)構(gòu),協(xié)調(diào)群體和個(gè)體關(guān)系實(shí)現(xiàn)水稻的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)。插秧過(guò)密會(huì)降低單株資源獲得量,如降低單株的光照輻射,導(dǎo)致灌漿充實(shí)不良,從而對(duì)產(chǎn)量和米質(zhì)產(chǎn)生不利影響。4)水稻對(duì)肥料的反應(yīng)存在品種間差異,在氮素營(yíng)養(yǎng)不足時(shí),多數(shù)品種會(huì)出現(xiàn)葉片早衰現(xiàn)象,光合同化物生產(chǎn)能力迅速下降,籽粒灌漿充實(shí)不良、稻米堊白度增加、整精米率下降;但氮素穗肥施用過(guò)大,則會(huì)引起稻米蛋白質(zhì)含量偏高、米飯色澤和透明度變差、食味口感下降;而增施鉀肥、硅肥和有機(jī)肥,會(huì)降低堊白粒率和堊白度,提高稻米品質(zhì)。5)灌溉對(duì)水稻的影響主要表現(xiàn)在長(zhǎng)期深水淹灌或后期撤水過(guò)早會(huì)導(dǎo)致水稻根系早衰,養(yǎng)分運(yùn)輸受阻,不僅影響產(chǎn)量,還會(huì)導(dǎo)致堊白率增加。
綜上可知,水稻高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)栽培對(duì)播栽期、種植密度和水分管理的要求是一致的,良好的水分管理措施、合理的種植密度和恰當(dāng)?shù)牟ピ云诩扔欣谒靖弋a(chǎn)又可以提升稻米品質(zhì)。水稻高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)栽培的沖突主要是高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)食味之間的矛盾,兩者對(duì)氮肥管理要求不一致。長(zhǎng)期以來(lái),水稻高產(chǎn)依靠高肥的觀點(diǎn)深入人心。水稻的氮肥增產(chǎn)效應(yīng)[即(施氮處理平均產(chǎn)量-不施氮肥處理產(chǎn)量)/不施氮肥處理產(chǎn)量]約43.0%,顯著高于玉米和小麥N 肥的25.8%和28.2%[15]。我國(guó)多數(shù)省區(qū)水稻施氮量為170~250 kg/hm2[16],顯著高于世界范圍水稻平均施氮量115 kg /hm2[17]。同時(shí),由于水稻對(duì)穗肥的吸收效率遠(yuǎn)高于基肥和蘗肥,為了提高水稻的氮肥利用效率,水稻高產(chǎn)栽培推行“前氮后移”的施肥技術(shù),通過(guò)提高穗肥所占比例(最高至50%~60%),分次施用穗肥(促花肥、飽粒肥)等方式實(shí)現(xiàn)氮肥增產(chǎn)作用[18-19]。然而,大量研究表明,后期氮肥水平的增加顯著提高稻米蛋白質(zhì)及其組分含量。蛋白質(zhì)以蛋白體形式填充在淀粉粒間,對(duì)淀粉粒的糊化和膨脹起抑制作用。稻米蒸煮和食味品質(zhì)與稻米蛋白質(zhì)含量具有非常密切的關(guān)系,蛋白質(zhì)含量高的稻米,其米飯黏性小、硬度大[20]。通常糙米的蛋白質(zhì)含量為5.1%~15.4%,精米為4.5%~14.3%,當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)含量超過(guò)9.0%時(shí)食味往往較差[21]。研究發(fā)現(xiàn),精米中的清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白等4 種組分均隨氮肥水平的提高而顯著增加,當(dāng)穗肥N 從0 增至120 kg/hm2時(shí),醇溶蛋白增加82%~91%,谷蛋白增加41%~77%;而食味值均與球蛋白、醇溶、谷蛋白呈顯著負(fù)相關(guān),且秈稻食味值與谷蛋白的負(fù)相關(guān)系數(shù)要遠(yuǎn)大于粳稻[22]。因此,優(yōu)質(zhì)水稻的保優(yōu)栽培技術(shù)應(yīng)控制稻米蛋白質(zhì)含量來(lái)提高食味品質(zhì),而如何降低穗肥N 卻不影響水稻產(chǎn)量,成為高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培協(xié)同的難點(diǎn)。
水稻幼穗形成期前后所吸收的N 素對(duì)產(chǎn)量形成和對(duì)稻米品質(zhì)的作用不同。水稻幼穗形成期前期(1 周)吸收的氮素主要用于鞏固穗數(shù)和增加每穗粒數(shù),對(duì)米粒中的蛋白質(zhì)含量影響小,N 農(nóng)學(xué)效率高,而抽穗后吸收的氮素增產(chǎn)作用較低,N 農(nóng)學(xué)效率低,且會(huì)增加稻米的含氮量[23-24]。因此,水稻高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)栽培協(xié)同關(guān)鍵在于通過(guò)適當(dāng)?shù)牡是耙坪退敕试缡?,減數(shù)分裂期之后少用或不用氮肥,控制結(jié)實(shí)期植株氮素水平,協(xié)調(diào)好蛋白質(zhì)與淀粉合成兩者之間的平衡。
日本非常重視水稻的食味品質(zhì),在水稻優(yōu)質(zhì)栽培方面做了很多工作。不同于我國(guó)的稻米品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),日本優(yōu)質(zhì)米有明確的蛋白質(zhì)含量指標(biāo),要求粗蛋白含量<6.9%[25]。降低稻米蛋白質(zhì)含量曾一度成為日本北海道優(yōu)質(zhì)米栽培要解決的主要問(wèn)題。日本水稻優(yōu)質(zhì)栽培的技術(shù)包括:1)選擇稻田,要求土壤氮素地力在生育前期充足而到后期表現(xiàn)缺少為好,稻田滲水性良好。2)合理施肥。精確計(jì)算氮肥總量,根據(jù)幼穗形成期土壤NH4+-N 濃度判斷幼穗形成期是否追施氮肥。3)慎重選擇有機(jī)肥和秸稈還田??蛇m量施用魚(yú)粕、油粕等早期供氮類型有機(jī)肥,因秸稈還田可以提高地力,增加保肥性,氮素肥力高的水田或排水不良的水田以清除稻秸為宜,透、排水良好的水田,可以秋翻稻秸;此外還包括施用硅肥、適度密植等措施[23-27]。
在我國(guó)長(zhǎng)江中下游稻區(qū),水稻生殖生長(zhǎng)期的干物質(zhì)積累量,特別是抽穗后的干物質(zhì)積累量與產(chǎn)量密切正相關(guān)。在水稻高產(chǎn)栽培中,通過(guò)N 肥后移、穗肥多次施用等提高孕穗抽穗期的光合能力,延緩灌漿期的植株早衰,被普遍認(rèn)為是一種高產(chǎn)施肥策略。但根據(jù)目前的水稻食味與氮的關(guān)系的研究結(jié)果,通過(guò)增施氮肥,特別是增加生育后期的氮肥用量促高產(chǎn)的栽培措施必然導(dǎo)致食味品質(zhì)的下降。借鑒日本在水稻優(yōu)質(zhì)栽培上的做法,我國(guó)水稻高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)相協(xié)調(diào)的栽培策略應(yīng)該是:1)通過(guò)增加幼穗形成前期之前的N 素吸收,適當(dāng)減少生殖生長(zhǎng)后期及灌漿結(jié)實(shí)期的N 素供應(yīng)來(lái)降低稻米的蛋白質(zhì)含量,提高食味品質(zhì);2)通過(guò)促進(jìn)前期生長(zhǎng)發(fā)育,建立良好群體,提高營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期的干物質(zhì)積累量來(lái)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)。其中,增加前期干物質(zhì)積累量以彌補(bǔ)生育后期減N 導(dǎo)致的生物量減少,精準(zhǔn)判斷和把握穗肥施用時(shí)間、用量是高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)相協(xié)調(diào)的關(guān)鍵。