江淮稻–麥兩熟種植制度對氣候變暖的適應

陳長青 李偉瑋 朱相成 劉 菁 李剛華 許 軻 江 瑜 丁艷鋒,*

江淮稻–麥兩熟種植制度對氣候變暖的適應

陳長青1李偉瑋1朱相成2劉 菁1李剛華1許 軻3江 瑜1丁艷鋒1,*

1南京農業大學 / 江蘇省現代作物生產協同創新中心, 江蘇南京 210095;2宜春學院生命科學與資源環境學院, 江西宜春 336000;3揚州大學 / 農業農村部長江流域稻作技術創新中心 / 江蘇省作物遺傳生理國家重點實驗室培育點, 江蘇揚州 225009

氣候變暖日益加劇, 近100年來全球地表平均氣溫已經上升近1.0°C。稻–麥兩熟是蘇、皖江淮地區的主流種植制度, 但江淮稻–麥兩熟種植制度對氣候變暖的適應還不清楚。為此, 我們利用34個氣象站點和45個物候站點多年歷史數據分析了江淮稻–麥兩熟區氣溫升高特征和作物物候變化規律。研究表明, 江淮地區增溫幅度區域上南高北低, 熟季間麥季高稻季低, 月份間3月份最高。水稻季, 江南地區播種期推遲3.4 d 10a–1、淮南抽穗期提早2 d 10a–1、淮北收獲期推遲6.2 d 10a–1。小麥季, 江南播種期推遲6.4 d 10a–1、全區域抽穗期和收獲期有提早的趨勢。稻–麥茬口期淮北縮短4.6 d 10a–1、江南延長6.9 d 10a–1。水稻、小麥各生育階段平均溫度沒有顯著變化、花后有效積溫大多呈增加趨勢。水稻季積溫生產效率變化不大, 小麥季積溫生產效率提高了0.008～0.346 kg hm–2°C–110a–1。氣溫升高降低了江南和淮南地區小麥產量和淮南地區水稻產量, 但增加了淮北地區小麥產量。研究結果表明江淮稻–麥兩熟種植制度正逐步適應了氣候變暖, 通過合理改變播期可以減緩氣候變暖對作物產量的負面影響; 可為氣候變化適應性栽培和耕作技術創新提供參考。

稻–麥兩熟; 增溫特征; 物候特征; 積溫生產效率

政府間氣候變化專門委員會(Intergovemmetal Panel on Climate Change, IPCC)指出, 到2017全球地表平均氣溫較工業化前水平已經上升近1.0°C, 如果按現在的增溫速率, 到2040年, 全球地表平均氣溫將升高1.5°C[1]。《中國氣候變化藍皮書2020》[2]指出我國是全球氣候變化敏感、影響顯著的區域, 1951—2019年, 我國年平均氣溫升高0.24°C 10a–1, 增溫速率顯著高于同期全球平均水平。溫度是作物生長最關鍵的影響因子, 顯著影響作物生長進程、產量和我國糧食安全[3-6]。研究氣候變暖對我國作物產量的潛在的影響能為中長期國家糧食安全戰略規劃提供科學依據。

稻–麥兩熟是我國南方主流種植制度之一, 面積約600萬公頃, 總產量占全國稻麥總產量的22%, 為保障我國糧食安全發揮了關鍵作用[7]。江淮是我國稻麥兩熟面積最大, 產量最高的區域[8-9]。現有試驗研究和模型研究都表明增溫縮短稻麥生育期[10-11],一般降低江淮稻–麥兩熟產量[12-15]。但這些研究并未涉及氣候變暖適應性稻作技術。江淮稻–麥兩熟種植制度能否適應氣候變暖還不清楚。為此, 我們利用34個氣象站點和45個物候站點數據, 研究江淮稻–麥兩熟區氣溫升高特征和作物物候變化, 探討江淮稻–麥兩熟種植制度對氣候變暖的適應, 以期為氣候變化適應性栽培和耕作技術創新提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域

本文的研究區域是江蘇和安徽省長江以北地區即江淮地區主體區域, 地理位置為114o54′— 121o57′E, 29o24′—35o20′N, 涉及面積18.9萬平方千米。江淮地區是長江中下游平原一部分, 南部有少量丘陵, 大多地方海拔在60 m以下。該地區屬東亞季風區, 又屬亞熱帶和暖溫帶的過度區, 季風氣候特征顯著, 雨量豐沛, 雨熱同季, 光能充足, 熱量富裕, 其中, 以淮河-長江為界線, 將江淮地區劃分為不同的區域, 各個區域雨熱資源如表1所示。

1.2 數據來源

氣象數據(1980—2019)來自江淮地區具有連續氣象資料的34個準地面氣象觀測站(圖1-A), 從國家氣象局獲取。氣象數據主要包括日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫。水稻和小麥物候(播種日期、抽穗日期和收獲日期)數據(1990—2013)從江淮地區與氣象觀測站就近的45個物候觀察點獲取(圖1-B)。水稻和小麥產量(1980—2018)從安徽省統計年鑒和江蘇省農村統計年鑒獲取。

1.3 研究方法

小麥和水稻生長期是指從播種到收獲的天數, 營養生長期(vegetative growth period, VGP)是指從播種到抽穗的天數, 生殖生長期(reproductive growth period, RGP)是指從抽穗到收獲的天數。稻–麥茬口期是指水稻收獲到小麥播種的時期。3個區域的數據由位于各個區域的物候觀測點的數據進行加權平均得來。物候站點的氣象數據采用鄰近氣象站點數據, 小麥和水稻生長季的氣候數據通過各個區域內的觀測點每年的播種、抽穗和收獲時間點, 采用各年逐日值進行加權平均, 求得每年小麥和水稻全生長季、營養生長期和生殖生長期的平均溫度、最高溫度、最低溫度, 有效積溫(小麥≥0°C, 水稻≥10°C)和降雨量由各年逐日值相加得來[16]。積溫生產效率為作物單位產量除以有效積溫。由于物候站點的數據只更新到2013年, 因此, 我們只比較了1990s (1990—1999)和2000s (2000—2009)的水稻和小麥積溫生產效率。氣候變化趨勢和小麥各生育進程趨勢以及作物產量趨勢變化均采用線性回歸模擬。本文對江淮地區1980—2018年的實際產量數據用非線性回歸模型進行分析, 研究去除趨勢產量與氣候因素間的關系, 確定氣候因子對產量的影響[12,17-18]。具體模型如下:

表1 江淮地區分區及氣候特征(1980–2018)

圖1 江淮地區氣象站點(A)和物候站(B)點空間分布

地圖來源: 全國地理信息資源目錄服務系統(https://www.webmap.cn/)。

The above maps are from the National Geographic Information Resource Directory Service System (https://www.webmap.cn/).

2 結果與分析

2.1 江淮地區溫度變化特征

從1980到2018年, 江淮地區7月份地表平均氣溫最高, 1月份最低(圖2)。淮南地區地表平均氣溫升高明顯, 達0.43°C 10a–1。從月份上看, 3月份地表氣溫升高幅度最高達0.85°C 10a–1, 2月份和4月份增溫幅度次之, 其他月份氣溫升高幅度在0.30～0.41°C 10a–1之間。從熟季間看, 小麥季增溫幅度大于水稻季(表2); 水稻季平均溫度、最高溫度和最低溫度增溫幅度分別為0.37、0.34和0.41°C 10a–1, 小麥季平均溫度、最高溫度和最低溫度增溫幅度分別0.48、0.44和0.50°C 10a–1。區域間, 增溫幅度南高北低; 水稻季淮北、淮南和江南平均溫度分別升高0.33、0.37和0.51°C 10a–1, 小麥季淮北、淮南和江南平均溫度分別增加0.45、0.47和0.61°C 10a–1。

圖2 江淮地區每月溫度及其變化

2.2 物候變化特性

近30年來, 江淮地區小麥和水稻物候發生了明顯變化(表3)。淮北地區水稻播種期和抽穗期有推遲的趨勢, 收獲期明顯推遲, 達6.2 d 10a–1; 花前天數沒有明顯變化, 花后天數和全生育期天數分別延長4.6 d 10a–1和4.8 d 10a–1。淮南水稻播種期、抽穗期和收獲期分別提前1.1、2.0和2.4 d 10a–1,花前天數, 花后天數和全生育期天數都有縮短的趨勢, 但不顯著。江南水稻播種期推遲3.5 d 10a–1, 但抽穗期和收獲期沒有明顯變化。花前天數和全生育期天數分別縮短3.4 d 10a–1和3.0 d 10a–1, 花后天數沒有明顯變化。淮北地區小麥播種期有推遲的趨勢, 抽穗期有提前的趨勢, 但收獲期變化不明顯, 花前天數有縮短的趨勢, 但花后天數都有延長的趨勢。淮南地區小麥播種期無明顯變化, 但開花期和收獲期有提早的趨勢, 花前天數有縮短的趨勢, 但花后天數有延長的趨勢。江南地區小麥播種期明顯推遲, 達6.5 d 10a–1; 開花期和收獲期有提早趨勢, 花前天數明顯縮短, 花后天數無明顯變化。稻–麥茬口天數淮北地區顯著縮短達4.6 d 10a–1, 江南地區顯著延長達6.9 d 10a–1, 淮南有延長趨勢。

2.3 作物生育期積溫和產量變化特性

水稻季淮北、淮南和江南花前、花后和全生育期平均溫度, 都有升高的趨勢; 全區域花前、花后和全生育期平均溫度, 分別升高0.54、0.07和0.34°C 10a–1。小麥季各區域花前和花后平均溫度沒有明顯的變化。水稻季淮北、淮南和江南花前、花后和全生育期≥10°C的有效積溫, 都有升高的趨勢。小麥花前≥0°C有效積溫, 各區域有降低的趨勢, 淮北和淮南花后和全生育期積溫有增加的趨勢, 但江南有降低的趨勢。淮北、淮南和江南水稻產量和小麥產量, 都呈逐年上升趨勢。水稻季積溫生產效率變化不大, 而小麥積溫生產效率呈明顯上升趨勢, 淮北、淮南和江南小麥積溫生產效率分別提高0.317、0.346和0.008 kg–1hm–2°C–110a–1。

表2 江淮地區小麥季和水稻季增溫趨勢(1980–2018)

**:< 0.01.

表3 江淮地區小麥和水稻物候變化趨勢(1990–2013)

*:< 0.05;**:< 0.01. VGP: 營養生長期; RGP: 生殖生長期; WGP: 全生育期。

VGP: vegetative growth period; RGP: reproductive growth period; WGP: whole growth period.

2.4 溫度對小麥和水稻產量的影響

不同地區的小麥和水稻的產量, 在30年間均呈現不同幅度的增長趨勢(表5)。其中, 淮北地區的小麥產量變化趨勢最大, 淮南次之, 江南地區最小。淮北地區和淮南地區的產量變化趨勢分別是江南地區的6.04倍和5.54倍, 而水稻的產量變化趨勢為淮南地區>江南地區>淮北地區; 不同區域間小麥和水稻的積溫生產效率和產量變化有相同的趨勢, 小麥的積溫生產效率趨勢和產量變化趨勢均要大于水稻的。溫度的升高降低了江南和淮南地區小麥產量, 但增加了淮北地區小麥產量。增溫引起淮南地區水稻減產, 但對江南和淮北地區水稻產量影響不顯著。從整個區域來看, 溫度升高有降低水稻產量的趨勢, 但對小麥產量影響不大(圖4)。

表4 小麥和水稻各生育階段平均溫度和積溫變化(1990–2013)

VGP: 營養生長期; RGP: 生殖生長期; WGP: 全生育期。

VGP: vegetative growth period; RGP: reproductive growth period; WGP: whole growth period.

圖3 小麥和水稻積溫生產效率

表5 小麥和水稻產量變化趨勢及積溫生產效率趨勢(1993–2009)

*:< 0.05;**:< 0.01.

圖4 溫度對水稻和小麥產量的影響

A: 最高溫度; B: 最低溫度; C: 平均溫度。

A: maximum temperature; B: minimum temperature; C: average temperature.

3 討論

大量的研究表明氣候變暖顯著影響作物的產量。Zhao等[3]研究表明在不考慮大氣CO2升高、有效適應變暖和遺傳改良的條件下, 溫度升高1°C, 降低全球小麥產量6%、水稻產量3.2%、玉米產量7.4%和大豆產量3.1%。我們前期的研究[19]也表明氣溫升高1.5°C, 我國水稻單產降低5%左右。許多學者也利用模擬增溫試驗在江淮地區研究了增溫對水稻和小麥產量的影響。Dong等[20]指出全天增溫對水稻產量影響不明顯, 但白天增溫和夜間增溫降低水稻產量6%左右。Cai等[21]在常熟研究發現增溫降低水稻30%左右。張鑫等[22]發現夜間增溫對水稻產量的影響取決于水稻品種。Tian等[23]利用多年試驗表明全天增溫、白天增溫和夜間增溫都能增加小麥產量。Hu等[24]指出冬季和春季增溫促進了根系生長和土壤氮有效性進而增加小麥產量。但是這些試驗研究并未考慮氣候變暖適應策略。本研究發現盡管近30年來江淮地區氣溫升高明顯, 但是由于新品種、種植制度調整和栽培耕作技術的革新, 水稻、小麥產量呈明顯上升態勢。花后積溫的上升和氣溫的逐年上升, 對水稻和小麥產量沒有明顯影響。這些說明該地區作物生產方式正逐漸適應了氣候變暖的趨勢, 也說明在氣候變暖的情況下, 可以通過遺傳改良、栽培耕作技術創新等方式進一步提高作物產量[25-26]。

一方面, 氣候變暖一般顯著加快作物生長進程, 縮短作物生育期。Tian等[23]研究表明增溫促使小麥開花、成熟提早10 d左右。Zheng等[27]利用10個小麥品種發現增溫縮短了花前生長時間, 但是延長了花后小麥生長時間。Cai等[21]發現增溫縮短了水稻花前生育期3 d左右、小麥花前生育期10 d左右, 但對水稻、小麥花后生育期沒有顯著影響。而張鑫等[22]利用不同年代品種發現, 夜間增溫對水稻生育期的影響因品種而異, 有的品種縮短, 有的品種不變。本研究表明, 在江淮地區氣溫逐漸升高的背景下, 水稻、小麥花前生育期大多呈縮短趨勢; 在江南地區水稻、小麥花前生育期縮短達到極顯著水平。但是除淮北水稻外, 江淮地區水稻、小麥花后生育期并沒有明顯變化。淮北水稻花后生育期延長可能與選擇晚熟品種有關。這些結果說明氣候變暖可以影響作物生育期[4,28], 但我們可以通過品種選育和栽培耕作措施來調節氣候變暖對作物生育期的影響[25]。

另一方面, 氣候變暖也增加了熱量資源, 延長了適宜作物生長的時間[29-31], 為適應氣候變暖創造了有利條件。因此, 科學家們認為通過改變播期和選擇適宜生育期的品種等適應性栽培措施, 可以重新配置作物溫光資源以應對氣候變暖[25-26,28]。本研究發現增溫對淮北地區和江南地區水稻產量沒有顯著影響, 這和淮北地區和江南地區水稻播期推遲有關。水稻播期導致抽穗期推遲, 可以降低花期和灌漿期溫度, 緩解花期和灌漿期高溫對水稻產量的負面影響[19,25]。而在淮南地區, 播期提早導致抽穗期顯著提前, 可能會導致花期和灌漿期溫度更高, 從而降低水稻產量。本研究發現增溫增加淮北地區小麥產量, 這可能和該地區播期推遲和灌漿期延長有關。但是在江南地區, 盡管小麥播期也推遲了, 但增溫依舊降低了小麥產量; 這可能與江南地區小麥灌漿期溫度升高最高有關(表4)。此外, 淮北地區水稻收獲期推遲和生育期明顯延長, 說明該地區可以采用長生育期品種充分利用氣候變暖增加的熱量資源。江南地區小麥播種期明顯推遲, 利用了氣候變暖下冬季溫度升高的特性, 增加了稻麥茬口期, 有利于提高小麥播種質量, 減少冬季旺長。

本研究表明, 江淮地區尤其是淮北地區和江南地區兩熟種植制度正逐漸適應了氣候變暖, 通過合理改變播期可以減緩氣候變暖對水稻產量的負面影響。但是, 合理改變播期對減緩氣候變化的具體措施還需進一步的試驗研究。此外, 氣候變暖還會導致極端天氣(如高溫、低溫和暴雨等)更加頻繁[28,32]。有研究表明, 極端天氣對作物產量的影響遠大于平均氣溫升高的影響[33]。因此, 之后的研究需要重視極端天氣對江淮稻麥生長的影響。

4 結論

江淮地區氣溫升高明顯, 增溫幅度區域間南高北低, 熟季間麥季高稻季低, 月份間3月份最高。水稻季, 江南播種期推遲3.4 d 10a–1, 江淮抽穗期提早2 d 10a–1, 淮北收獲期推遲6.2 d 10a–1。小麥季, 江南播種期推遲6.4 d 10a–1、全區域抽穗期和收獲期有提早的趨勢。水稻、小麥各生育階段平均溫度沒有顯著變化, 花后有效積溫大多呈增加趨勢。氣溫升高降低了江南和淮南地區小麥產量和淮南地區水稻產量, 增加了淮北地區小麥產量, 但是對江南和淮北水稻產量影響不大。本研究表明江淮稻–麥兩熟種植制度正逐步適應了氣候變暖, 通過合理改變播期可以減緩氣候變暖對水稻產量的負面影響, 可為氣候變化適應性的稻作技術創新提供參考。

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Adaption of rice–wheat cropping system to climate warming in Jianghuai area

CHEN Chang-Qing1, LI Wei-Wei1, ZHU Xiang-Cheng2, LIU Jing1, LI Gang-Hua1, XU Ke3, JIANG Yu1, and DING Yan-Feng1,*

1Jiangsu Collaborative Innovation Center for Modern Crop Production, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, Jiangsu, China;2College of life Science and Resources and Environment, Yichun University, Yichun 336000, Jiangxi, China;3Innovation Center of Rice Cultivation Techno-logy in the Yangtze Valley, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Yangzhou University, Yangzhou 225009, Jiangsu, China

As the climate warming is increasing, the global average surface temperature has risen by nearly 1°C in the past 100 years. Rice-wheat cropping system is the mainstream cropping system in the lower reaches of the Yangtze River and Huaihe River in Jiangsu and Anhui provinces, but its adaptation to climate warming is still unclear. We analyzed the characteristics of temperature rise and crop phenological changes in the rice–wheat double cropping area of Jiangsu using the historical data from 34 meteorological stations and 45 phenological stations over the years. The results revealed that the range of temperature increase in Jianghuai area was higher in the south than in the north, higher in wheat season and lower in rice ripe season, and the highest in March. In the rice season, the sowing date in Jiangnan was delayed by 3.4 d 10a–1, the heading date in Huainan was advanced by 2 d 10a–1, and the harvest date in Huaibei was delayed by 6.2 d 10a–1. In the wheat season, the sowing date in Jiangnan was delayed by 6.4 d 10a–1, and the heading and harvest time tended to be earlier in the whole region. The rice–wheat stubble stage was shortened by 4.6 d 10a–1in Huaibei and 6.9 d 10a–1in Jiangnan. The average temperature of rice and wheat during growth period had no significant change, but the effective accumulated temperature post anthesis was increasing. There was no significant change of the production efficiency of accumulated temperature in rice season, while the production efficiency of accumulated temperature in wheat season increased by 0.008–0.346 kg hm–2°C–110a–1. Warming decreased wheat yields in the north of Yangtze River and Huainan area, but increased wheat yield in Huaibei area. In summary, these results indicated that the rice-wheat cropping system in Jianghuai was gradually adapting to the climate warming, and the negative effects of climate warming on crop yield could be alleviated by reasonably changing sowing date. Our findings can provide reference for climate change adaptation cultivation and cultivation technology innovation.

rice–wheat rotation system; temperature rise characteristic; phenological change; production efficiency of accumulated temperature

10.3724/SP.J.1006.2021.02078

本研究由國家重點研發計劃項目(2017YFD0300100)和江蘇省省級現代農業發展計劃項目(2019-SJ-039-07)資助。

This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2017YFD0300100) and the Provincial-level Modern Agricultural Development Program in Jiangsu (2019-SJ-039-07).

丁艷鋒, E-mail: dingyf@njau.edu.cn

E-mail: cn828@njau.edu.cn

2020-11-17;

2021-04-26;

2021-05-17.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20210516.1229.002.html