综述：中国三大主粮作物产量与主要营养成分含量的长期趋势（1980–2024）

《Frontiers in Nutrition》：Long-term trends in grain yield and main nutrient contents of three staple cereal crops in China (1980–2024)

　　

背景：水稻、小麦和玉米是中国的三大主粮作物，是膳食能量和必需营养素的关键来源。数十年的品种改良和田间管理变化伴随着谷物产量的显著增加，而这些作物的营养成分也可能已经发生变化。然而，这些变化的长期趋势尚不明确。表征这些趋势对于保障国家粮食安全和确保中国人口充足的膳食营养素供应至关重要。

目的：系统表征1980年至2024年中国水稻、小麦和玉米籽粒产量和主要营养成分含量的长期趋势。

方法：从公开可用的食物成分数据库和已发表文献数据库中收集1980年至2024年水稻、小麦和玉米的数据。对每种作物和每个营养变量拟合线性回归模型，以表征产量和营养浓度的时间趋势。

结果：从1980年到2024年，三种作物的籽粒产量总体均有所增加。水稻、小麦和玉米的籽粒蛋白质浓度显著下降。小麦和玉米的脂肪含量显著下降，而水稻未检测到明显趋势。小麦的碳水化合物含量显著下降，玉米显著上升，水稻未检测到明显趋势。水稻和小麦的膳食纤维含量显著增加，玉米未检测到明显趋势。此外，三种作物的籽粒产量与蛋白质浓度呈负相关，小麦和玉米的产量与脂肪浓度呈负相关，而水稻和小麦的产量与膳食纤维浓度呈正相关。

结论：1980年至2024年，中国水稻、小麦和玉米的籽粒产量大幅增加；然而，三种作物营养成分的长期趋势各不相同。这些发现强调在作物改良和粮食安全战略中需要将营养品质与产量一并考虑，并为粮食安全政策和作物育种计划提供重要的实证依据。

系统综述注册：https://doi.org/10.17605/OSF.IO/G3CFH，注册标识符：10.17605/OSF.IO/G3CFH。

1 引言

中国以谷物为基础的膳食传统使水稻、小麦和玉米成为三大主粮作物，是国家粮食安全的基础，并为膳食能量和蛋白质、膳食纤维、维生素及矿物质等营养素摄入作出重要贡献。自20世纪80年代以来，育种目标和田间管理（包括施肥、耕作和轮作）发生重大变化，可能影响作物遗传特性和生长条件，进而改变营养成分。以往研究多关注加工、外观、食味和蒸煮品质等，对长期营养变化关注不足。国外研究显示谷物成分随时间变化，但中国三种主粮作物的综合评估尚属空白，本研究旨在填补这一空缺。

2 材料与方法

2.1 数据来源

水稻、小麦和玉米的年度产量数据取自《中国统计年鉴》。营养成分数据来自Web of Science、Google Scholar和中国知网（CNKI）的文献检索，检索时间1980年1月至2024年12月，使用作物相关关键词（如“水稻”“小麦”“玉米”“谷物”）和营养相关关键词（如“蛋白质”“脂肪”“碳水化合物”“膳食纤维”等）的组合。筛选标准包括：样品为成熟籽粒、产地为中国、报告明确收获年份、提供至少一项营养指标。初始检索获得16,459条记录，经标题摘要筛选和全文评估后，最终纳入326条记录用于数据提取和分析。

2.2 数据分析

采用Stata和Origin软件进行统计分析。对每种作物，用线性回归模型分析单位面积产量随年份的变化。营养数据先按品种-年份组合求平均值，再对各营养变量与收获年份拟合线性回归，以避免重复观测赋予过大权重。为评估产量与营养的关系，将每个营养浓度观测值与同年全国单位面积产量匹配，拟合简单线性回归模型。

3 结果

3.1 籽粒产量趋势

1980至2024年，三种作物籽粒产量总体持续增长，但幅度和速度不同。小麦年增幅最大（0.083 t ha^?1 year^?1，R²=0.977），其次为玉米（0.072，R²=0.936）和水稻（0.054，R²=0.906）。平均产量从1980–1984年的3.539 t/ha增至2020–2024年的6.455 t/ha，增长82.4%。小麦增幅最大（137.8%），玉米89.0%，水稻49.2%。2000–2004年水稻和玉米出现轻微下降，之后恢复增长。

3.2 主要营养成分含量趋势

3.2.1 蛋白质

三种作物蛋白质浓度均显著下降。水稻每年下降0.034 g/100 g（R²=0.018），小麦下降0.009（R²=0.004），玉米下降0.058（R²=0.103）。小麦蛋白质浓度始终最高，在1990–1994年达峰值15.595 g/100 g，随后降至2020–2024年的13.927 g/100 g，比峰值降低约10.7%。水稻在2005–2009年达到峰值10.139 g/100 g，之后降至8.478。玉米在2010年后持续低于10 g/100 g，2020–2024年为9.086。

3.2.2 脂肪

小麦和玉米脂肪浓度显著下降（小麦?0.006 g/100 g year^?1，玉米?0.032），水稻无显著趋势。小麦脂肪浓度先升后降，2005–2009年达峰值2.686 g/100 g，2010年后明显下降，2020–2024年为1.944。玉米脂肪浓度从1985–1989年的5.467 g/100 g降至2010–2014年的3.600，随后略回升至4.002。

3.2.3 碳水化合物

小麦碳水化合物浓度显著下降（?0.085 g/100 g year^?1），玉米显著上升（0.120），水稻无显著趋势。水稻碳水化合物浓度最高，总体在71–77 g/100 g之间，2020–2024年为74.427。小麦从1980–1984年的69.251 g/100 g降至2020–2024年的58.750，累计下降约15.2%。玉米波动较大，2020–2024年为73.036。

3.2.4 膳食纤维与水分

水稻和小麦膳食纤维含量显著上升（水稻0.085 g/100 g year^?1，小麦0.332），玉米无显著趋势。小麦膳食纤维含量最高，从1985–1989年的2.760 g/100 g升至2020–2024年的12.706。水稻从1980–1984年的0.405升至2015–2019年的3.821，2020–2024年为2.973。玉米先升后降，2000年后在3.297–4.813之间波动。三种作物水分含量在1980–2024年间总体稳定，无明显长期趋势。

3.3 籽粒产量与营养成分含量的关系

蛋白质浓度与产量在所有三种作物中均呈显著负相关，水稻系数为?0.948，小麦?0.102，玉米?0.747，表明产量提高与蛋白质浓度下降相关。脂肪浓度与产量在小麦（?0.075）和玉米（?0.464）中呈负相关，水稻无显著关系。碳水化合物浓度与产量在水稻中无显著关系，在小麦中呈负相关（?0.895），在玉米中呈正相关（1.472）。膳食纤维浓度与产量在水稻（1.678）和小麦（4.373）中呈正相关，玉米无显著关系。水分浓度与产量在三种作物中均无显著关系。

4 讨论

4.1 产量与营养趋势概况

结果表明，中国三大主粮作物产量增加的同时，营养成分变化呈现营养组分和作物间的异质性。蛋白质在所有作物中一致下降，脂肪在小麦和玉米中下降，碳水化合物在小麦中下降和玉米中上升，膳食纤维在水稻和小麦中上升。这些模式可能由遗传改良、农业管理、环境变化以及养分稀释等多重因素共同驱动，两种机制包括与生物量增加相关的养分稀释，以及育种目标、管理和环境对籽粒成分的直接改变。

4.2 籽粒产量长期增长的驱动因素

遗传改良（如水稻sd1和小麦Rht半矮化基因、玉米杂交育种和耐密植性状）、农业集约化（化肥施用、灌溉、种植密度和机械化）以及气候变化（特别是大气CO₂浓度升高）共同促进了产量长期增长。2000–2004年的短暂放缓与当时粮食政策调整有关，之后政策支持（如取消农业税、最低收购价）恢复产量增长。全球研究显示，通过改善施肥和灌溉缩小产量差距可使主要谷物增产45%–70%。

4.3 籽粒营养成分长期变化的驱动因素

养分稀释效应是蛋白质下降的重要机制，即生物量增长快于养分积累，从而降低浓度。育种目标改变也独立影响成分：水稻育种追求食味品质导致蛋白质含量下降，小麦育种强调面筋强度以适合馒头和面条加工，玉米育种因饲料、淀粉加工和生物燃料需求选择高淀粉品种。施肥管理可改变氮素利用效率和碳氮分配，过量或不平衡施肥可能降低某些养分。大气CO₂升高通过刺激光合作用稀释C₃作物（水稻和小麦）蛋白质浓度，但长期田间观测结果与CO₂富集试验并不完全一致，需考虑补偿性调节机制。

4.4 优势与局限性

本研究系统构建了1980–2024年中国三种主粮作物产量和营养组分的长时序数据库，弥补了以往集中于欧美国家（如美国玉米、欧洲小麦）研究的不足，并同时分析蛋白质、脂肪、碳水化合物和膳食纤维，拓宽了研究范围。局限性在于仅量化了趋势，未能定量评估遗传、管理和环境因素的相对贡献；且主要分析全国尺度，未涉及区域差异和种植制度差异。未来可整合气候变量、农业投入记录和土壤性质，采用面板数据或多层模型，并引入区域尺度数据以揭示空间异质性。

5 结论

研究发现，1980至2024年间中国三大主粮作物营养成分发生显著变化，蛋白质浓度下降，膳食纤维浓度上升。政策上应更加重视营养品质，将营养性状纳入育种目标和品种审定标准，改进施肥管理以提高氮肥利用效率，并建立主粮作物营养成分的国家监测系统，为膳食指南、营养政策和公共卫生干预提供依据，从而在保障粮食安全的同时改善居民膳食营养质量。