水稻是人类食物和营养的重要来源,在全世界约有2.9亿公顷的种植面积。随着品种的改良和栽培技术的进步,水稻的产量和品质均获得了明显的提高,然而未来水稻的生产不得不面对气候变暖构成的威胁。政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)2013 年的报告显示,自 1880 年至2012年全球地表温度已经上升了 0.85℃,如果不实行减排模式,到2100年可能会上升2.6-4.8℃。灌浆期是水稻产量和品质形成的关键时期,且对温度的变化非常敏感,因此水稻产量和品质对灌浆期温度升高的响应一直是水稻科学领域的研究热点,但以往的研究主要在封闭或半封闭的增温设施中进行,且多以盆栽的方式培育水稻,并大多关注高温胁迫的效应,难以反映本世纪内气候变暖背景下大田水稻的实际响应,另外能否在大田条件下通过氮肥管理措施来缓解气候变暖对水稻生产的不利影响还鲜有报道。针对以上问题,本研究利用FATE(Free-air Temperature Enhancement)系统开展了四年大田开放式增温试验,阐明了灌浆期温度小幅升高对长江下游地区主栽水稻宁粳3号和武运粳24号产量、品质和籽粒灌浆的影响,同时探索了氮素粒肥在缓解温度升高对稻米品质不利影响中的作用,并对大田开放式增温试验与盆栽温室增温试验进行了比较。主要研究结果如下:(1)灌浆期温度小幅升高对水稻产量及其构成因素没有明显胁迫影响,温度升高在灌浆早期加速了水稻茎秆和叶片中干物质向籽粒中的转运,但在成熟期不同温度处理间无明显差异。强势粒和弱势粒对灌浆期温度升高的响应不同,在品种间和年际间的表现基本一致。对于强势粒,温度升高增加了其在灌浆早期的灌浆速率和粒重,但在到达最大灌浆速率后,灌浆速率比对照下降更快,最终导致灌浆时间缩短和粒重略微下降。对于弱势粒,温度升高促进了弱势粒在中后期的灌浆并提高了弱势粒粒重。温度升高在灌浆中后期对弱势粒灌浆的促进与蔗糖合成酶(SuSase)、淀粉分支酶(SBE)和ATP酶(ATPase)的活性以及生长素(IAA)含量的提高有关。(2)本研究通过四年大田开放式增温试验研究了稻米品质对灌浆期温度小幅升高的响应。结果表明随着温度的升高,精米率、整精米率、直链淀粉含量、消减值、回复值和支链淀粉中较短链的比例呈现出下降的趋势,垩白率、垩白大小、垩白度、支链淀粉含量、峰值粘度、热浆粘度、崩解值、支链淀粉中较长链的比例、糊化温度、热怜值、淀粉粒径和结晶度呈现出上升的趋势。温度升高提高了6种必需氨基酸在内的大多数氨基酸的含量,但没有明显改变各氨基酸的相对比例。垩白率与抽穗后1-10天的温度密切相关;淀粉组分和糊化温度与抽穗后11-20天的温度密切相关。综上所述,灌浆期温度小幅升高导致稻米的外观品质、碾米品质和蒸煮品质变差,并使米质变软,但改善了稻米的营养品质。(3)本研究发现在灌浆期温度升高4 ℃下施用氮素粒肥降低了垩白率、垩白大小、消减值和回复值,提高了整精米率和精米中氨基酸的含量,对其它品质指标和强弱势粒粒重无明显影响。这些现象表明在抽穗期施用氮素粒肥可以有效缓解温度升高对稻米品质尤其是外观品质的不利影响。垩白性状的改善与灌浆速率和胚乳淀粉体发育速率有所减缓有关。(4)本研究从增温效果、小气候因子、产量、品质等方面比较了大田开放式增温试验和盆栽温室增温试验的试验结果之间的差异。研究结果显示开放式增温系统的增温表现可以较好地反映气候变暖的幅度和非对称性趋势,且没有明显改变其它环境因子,温室对白天温度的提升大于对夜间温度的提升,并降低了水稻生长环境的光照强度,增加了空气的相对湿度和白天的CO2浓度。大田开放式增温对水稻产量及其构成因素的影响小于盆栽温室增温试验,盆栽温室增温试验中花粉可育率低、物质转运困难、弱势粒灌浆差是温度升高下产量显著下降的主要原因。两种增温试验下温度升高均显著降低了稻米的外观品质和碾米品质。