图片来源：unsplash
到2100年，大米品质或将再降5%。
撰文 | 黄雨佳
审校 | 二七
对许多人来说，米饭是餐桌上的“必备主角”。一碗热气腾腾、香气扑鼻的大米饭，不仅是我们碳水化合物的重要来源，更是各种菜肴的最佳搭档。作为全球最重要的粮食作物之一，水稻养育了全球近45%的人口（超过35亿人）。而在世界上最大的大米生产、消费和进口国——中国，大米的品质不仅影响着我们的日常饮食，也直接关系到粮食安全。
然而，陕西师范大学的一项最新研究给我们敲响了警钟。这篇发表于《地球物理研究快报》（Geophysical Research Letters）的论文指出，在过去几十年间，我国的大米品质正在悄然下降。
品质下降
大米的品质可以通过多种标准来衡量，各国的评判标准也不尽相同。在我国，根据优质稻谷相关国家标准（GB/T 17891-2017），整精米率、垩白度和食味品质是稻谷分级的重要指标，直链淀粉含量为限制指标，即不同品质的稻谷均需达到一定含量。而在同样广泛种植水稻的日本，大米品质则通过糙米的厚度和粉质度来评判。
所谓整精米，是指稻谷去壳后，经过加工碾磨后，达到完整米粒平均长度四分之三及以上的米粒。垩白则是指米粒胚乳中粉质、白色的不透明部分。这种现象之所以发生，是由于大米在生长过程中因某些原因出现了淀粉积累不足和结构松散。一方面，垩白会影响米粒的外观，让消费者在购买时有所顾虑，进而影响大米的价格；另一方面，它也反映了大米中的淀粉含量变化，会直接影响大米的烹饪特性和口感。
在最近发表的这篇论文中，研究人员分析了1985-2020年间中国水稻研究所记录的稻谷品质数据，以及1979-2018年间日本农林水产省所记录的一级品质大米率数据，揭示了两国过去几十年的水稻品质变化趋势。
研究结果显示，从1985年到2020年，我国大米品质呈持续下降趋势。优质大米率每十年平均下降1.45%。其中，2004年的优质大米率最低，仅为58.88%。相比之下，日本的大米品质年际间波动较大，并未表现出长期下降趋势。不过，日本大米在1996年至2010年间也经历了明显的品质下滑，平均下降幅度达每十年7.6%。
过去几十年间我国（图a和图c）和日本（图b和图d）的大米品质变化（图片来源：原论文）
背后的因素
研究人员对我国和日本的大米品质下降背后的原因充满了好奇。他们详细分析了两国1979-2020年间的小时级气象数据，重点关注夜间温度、日间温度、日降水量、太阳辐射、云量、日间蒸气压亏缺（可反映空气湿度）以及二氧化碳浓度等可能影响大米品质的气象因素。
分析结果显示，对我国优质大米率影响最大的因素是夜间温度：夜间温度越高，大米的品质就越差，反之则越高。特别是，当我国大米产区的夜间温度超过了18°C时，优质大米率会随温度升高而明显下降。日本的温度阈值甚至更低，仅为12°C。随着气候变化加剧，我国水稻生长季节高温事件频发，这已经直接影响了大米的品质。
这也是研究人员第一次在如此大规模的研究中，证实了气候变化对大米品质的直接影响。此前的研究通常集中于气候变化对大米产量的影响。例如，一篇2023年发表于《整体环境科学》（Science of The Total Environment）的论文指出，从25°C到30°C，夜间温度每升高1°C，大米的产量就会减少1%，同时其中直链淀粉和蛋白质的含量也显著降低。而随着日间温度的上升，垩白度几乎呈线性增加：在超过25°C的环境中，温度每升高1°C，大米的垩白度就会增加6%。
高温之所以会影响大米的产量和质量，是因为高温会影响水稻的光合作用和淀粉积累过程。温度升高会抑制光合作用效率，减少籽粒中的淀粉积累。此外，高温还降低了大米中的直链淀粉含量，增加淀粉粒的平均粒径，使大米变得更脆弱，容易在加工和碾磨过程中受损。与此同时，大米中的蛋白质和脂肪酸等营养成分也会发生变化，大米的黏度和糊化温度也会提升，影响大米的营养价值和口感。
未来会怎样
随着气候变化的影响逐渐显现，极端高温事件的频率也在不断增加。研究表明，气候变化对夜间温度的影响远远大于对日间温度的影响——夜间平均温度的升幅甚至是日间升幅的3倍。这意味着，大米品质的持续下降可能是我们不得不面对的严峻现实。
研究人员评估了未来几十年大米品质进一步下降的可能性。结果令人担忧：无论是采取减排措施，还是维持中等或高排放路径，我国大米的品质在未来几十年内几乎注定会大幅下降：在减排情景下，从2020年到2100年，我国和日本的大米品质预计将分别下降1.5%和0.5%；在中高排放情景下，下降幅度则更加显著，尤其是2050年后，我国大米品质的下降速度将明显超过日本，到2100年的降幅可能将超过5%。
到2100年前，我国和日本的大米品质趋势预测（图片来源：原论文）
研究结果同时显示，我国不同地区的大米品质下降趋势可能存在差异，南方大米品质受气候变化影响将更为严重。这或许与我国南北方水稻种植系统不同有关：北方地区普遍种植单季稻，而南方许多地区则种植双季稻（早稻和晚稻）。由于早稻的生长季节较短且夜间温度更高，因此南方大米可能面临更大的品质下降风险。
面对气候变化对大米产量和品质的威胁，我们真的无能为力了吗？为应对气候危机，科学家正致力于培育更耐热、抗逆性更强的水稻品种。例如，在一篇2023年发表于《植物杂志》（The Plant Journal）的论文中，研究人员就尝试利用CRISPR/Cas9基因编辑技术，来解决温度升高导致的大米粉质化、垩白化问题。
研究团队将目标锁定在了一个与大米粉质化相关的关键基因——液泡质子转位焦磷酸酶（V-PPase）。他们通过基因编辑技术修改了该基因的启动子区域，以降低其表达水平。结果，改良后的大米垩白度降低了7～15倍，淀粉颗粒排列更紧密，谷粒重量增加，整体品质显著提升，甚至在夜间温度升高的条件下仍能保持良好表现。
不过，培育耐热水稻只是解决方案之一。大米的品质和产量还受到种植环境、管理方式等多种因素的影响。为了保护粮食安全，我们不仅需要科学技术的创新，还必须采取行动，持续推进节能减排，减缓气候变化的脚步，尽可能减少极端天气的发生。
参考链接：
https://www.nature.com/articles/d41586-024-03668-9
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2024GL110557
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969723038792
https://phys.org/news/2023-07-gene-grain-quality-stress-rice.html
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.16317
https://www.frontiersin.org/journals/microbiology/articles/10.3389/fmicb.2022.926059/full
图片来源：unsplash
到2100年，大米品质或将再降5%。
撰文 | 黄雨佳
审校 | 二七
对许多人来说，米饭是餐桌上的“必备主角”。一碗热气腾腾、香气扑鼻的大米饭，不仅是我们碳水化合物的重要来源，更是各种菜肴的最佳搭档。作为全球最重要的粮食作物之一，水稻养育了全球近45%的人口（超过35亿人）。而在世界上最大的大米生产、消费和进口国——中国，大米的品质不仅影响着我们的日常饮食，也直接关系到粮食安全。
然而，陕西师范大学的一项最新研究给我们敲响了警钟。这篇发表于《地球物理研究快报》（Geophysical Research Letters）的论文指出，在过去几十年间，我国的大米品质正在悄然下降。
品质下降
大米的品质可以通过多种标准来衡量，各国的评判标准也不尽相同。在我国，根据优质稻谷相关国家标准（GB/T 17891-2017），整精米率、垩白度和食味品质是稻谷分级的重要指标，直链淀粉含量为限制指标，即不同品质的稻谷均需达到一定含量。而在同样广泛种植水稻的日本，大米品质则通过糙米的厚度和粉质度来评判。
所谓整精米，是指稻谷去壳后，经过加工碾磨后，达到完整米粒平均长度四分之三及以上的米粒。垩白则是指米粒胚乳中粉质、白色的不透明部分。这种现象之所以发生，是由于大米在生长过程中因某些原因出现了淀粉积累不足和结构松散。一方面，垩白会影响米粒的外观，让消费者在购买时有所顾虑，进而影响大米的价格；另一方面，它也反映了大米中的淀粉含量变化，会直接影响大米的烹饪特性和口感。
在最近发表的这篇论文中，研究人员分析了1985-2020年间中国水稻研究所记录的稻谷品质数据，以及1979-2018年间日本农林水产省所记录的一级品质大米率数据，揭示了两国过去几十年的水稻品质变化趋势。
研究结果显示，从1985年到2020年，我国大米品质呈持续下降趋势。优质大米率每十年平均下降1.45%。其中，2004年的优质大米率最低，仅为58.88%。相比之下，日本的大米品质年际间波动较大，并未表现出长期下降趋势。不过，日本大米在1996年至2010年间也经历了明显的品质下滑，平均下降幅度达每十年7.6%。
过去几十年间我国（图a和图c）和日本（图b和图d）的大米品质变化（图片来源：原论文）
背后的因素
研究人员对我国和日本的大米品质下降背后的原因充满了好奇。他们详细分析了两国1979-2020年间的小时级气象数据，重点关注夜间温度、日间温度、日降水量、太阳辐射、云量、日间蒸气压亏缺（可反映空气湿度）以及二氧化碳浓度等可能影响大米品质的气象因素。
分析结果显示，对我国优质大米率影响最大的因素是夜间温度：夜间温度越高，大米的品质就越差，反之则越高。特别是，当我国大米产区的夜间温度超过了18°C时，优质大米率会随温度升高而明显下降。日本的温度阈值甚至更低，仅为12°C。随着气候变化加剧，我国水稻生长季节高温事件频发，这已经直接影响了大米的品质。
这也是研究人员第一次在如此大规模的研究中，证实了气候变化对大米品质的直接影响。此前的研究通常集中于气候变化对大米产量的影响。例如，一篇2023年发表于《整体环境科学》（Science of The Total Environment）的论文指出，从25°C到30°C，夜间温度每升高1°C，大米的产量就会减少1%，同时其中直链淀粉和蛋白质的含量也显著降低。而随着日间温度的上升，垩白度几乎呈线性增加：在超过25°C的环境中，温度每升高1°C，大米的垩白度就会增加6%。
高温之所以会影响大米的产量和质量，是因为高温会影响水稻的光合作用和淀粉积累过程。温度升高会抑制光合作用效率，减少籽粒中的淀粉积累。此外，高温还降低了大米中的直链淀粉含量，增加淀粉粒的平均粒径，使大米变得更脆弱，容易在加工和碾磨过程中受损。与此同时，大米中的蛋白质和脂肪酸等营养成分也会发生变化，大米的黏度和糊化温度也会提升，影响大米的营养价值和口感。
未来会怎样
随着气候变化的影响逐渐显现，极端高温事件的频率也在不断增加。研究表明，气候变化对夜间温度的影响远远大于对日间温度的影响——夜间平均温度的升幅甚至是日间升幅的3倍。这意味着，大米品质的持续下降可能是我们不得不面对的严峻现实。
研究人员评估了未来几十年大米品质进一步下降的可能性。结果令人担忧：无论是采取减排措施，还是维持中等或高排放路径，我国大米的品质在未来几十年内几乎注定会大幅下降：在减排情景下，从2020年到2100年，我国和日本的大米品质预计将分别下降1.5%和0.5%；在中高排放情景下，下降幅度则更加显著，尤其是2050年后，我国大米品质的下降速度将明显超过日本，到2100年的降幅可能将超过5%。
到2100年前，我国和日本的大米品质趋势预测（图片来源：原论文）
研究结果同时显示，我国不同地区的大米品质下降趋势可能存在差异，南方大米品质受气候变化影响将更为严重。这或许与我国南北方水稻种植系统不同有关：北方地区普遍种植单季稻，而南方许多地区则种植双季稻（早稻和晚稻）。由于早稻的生长季节较短且夜间温度更高，因此南方大米可能面临更大的品质下降风险。
面对气候变化对大米产量和品质的威胁，我们真的无能为力了吗？为应对气候危机，科学家正致力于培育更耐热、抗逆性更强的水稻品种。例如，在一篇2023年发表于《植物杂志》（The Plant Journal）的论文中，研究人员就尝试利用CRISPR/Cas9基因编辑技术，来解决温度升高导致的大米粉质化、垩白化问题。
研究团队将目标锁定在了一个与大米粉质化相关的关键基因——液泡质子转位焦磷酸酶（V-PPase）。他们通过基因编辑技术修改了该基因的启动子区域，以降低其表达水平。结果，改良后的大米垩白度降低了7～15倍，淀粉颗粒排列更紧密，谷粒重量增加，整体品质显著提升，甚至在夜间温度升高的条件下仍能保持良好表现。
不过，培育耐热水稻只是解决方案之一。大米的品质和产量还受到种植环境、管理方式等多种因素的影响。为了保护粮食安全，我们不仅需要科学技术的创新，还必须采取行动，持续推进节能减排，减缓气候变化的脚步，尽可能减少极端天气的发生。
参考链接：
https://www.nature.com/articles/d41586-024-03668-9
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2024GL110557
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969723038792
https://phys.org/news/2023-07-gene-grain-quality-stress-rice.html
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.16317
https://www.frontiersin.org/journals/microbiology/articles/10.3389/fmicb.2022.926059/full