全球升温1.5℃和2.0℃对中国冬小麦潜在产量的影响

昵称37581541 2020-08-04

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文章信息

标题：Impacts of 1.5 °C and 2.0 °C global warming above pre-industrial on potential winter wheat production of China

期刊：《European Journal of Agronomy》

第一作者：叶紫

通讯作者：朱艳

刘兵

第一单位：南京农业大学

背景

随着过去几十年温室气体排放量的增加，持续的全球变暖导致全球气温上升破纪录。为了防止全球气温进一步上升，2015年签署的《巴黎协定》旨在实现总体气温控制在上升2.0℃以下，目标为1.5℃（联合国气候变化框架公约，2016年）。作物生产是受气候变化影响最大的部门之一，预计气候变化可能导致实现全球粮食安全的进一步脆弱性。评估1.5℃和2.0℃升温对全球或区域作物生产的潜在影响，有助于更有效地解决粮食安全和农业适应问题。大量研究试图通过田间试验、统计分析方法和作物模拟模型等多种方法探索气候变化对小麦物候、生长和产量的影响。正如增温试验所观察到的，气温升高通常会缩短小麦的生长期，尤其是营养期，但对作物产量的影响取决于试验的纬度。当升温温度超过作物临界温度时，温度升高对小麦生理过程和产量形成的影响可能是有害的，例如对叶面积发育、生长速率、光合速率和根系伸长。较高的温度会加快籽粒灌浆速度，导致籽粒重量下降。而在较冷的环境中，升温有利于小麦的生物量积累和产量形成。此外，由于土壤蒸散量和作物需水量增加，温度升高会导致水分胁迫，从而导致气孔导度降低，从而降低二氧化碳吸收。FACE系统中观察到的提高CO2浓度主要通过增强作物光合作用也会改变气候变化对小麦生长和产量的影响。

中国是世界上最大的小麦生产国，占全球小麦产量的18%。量化1.5℃和2.0℃升温对小麦生产的影响，对于确保中国乃至世界小麦稳定供应和粮食安全至关重要。刘兵等学者评估了1.5°C和2.0°C变暖对全球小麦生产的影响，全球网络由60个生态站点组成，其中包括来自中国的5个代表性地点。小麦作为我国广泛种植的作物，在全国范围内受不同区域气候、品种类型和管理方式的影响。因此，包括品种、土壤和管理（例如播种日期、种植密度、施肥量、灌溉策略）在内的具体模型输入对于国家级气候变化评估非常重要。中国整个小麦种植区小麦生长期气候条件的空间变化可能会导致气候变暖对小麦生长和产量产生不同的影响。此外，量化全球变暖对我国小麦总产量的影响是国家农业政策的另一个重要方面，但这方面的研究还很少。

材料和方法

本研究采用4个小麦模型，研究了气温升高1.5℃和2.0℃对我国主要产区冬小麦物候和产量的影响。本研究的目的是：（1）量化全球平均气温升高1.5℃和2.0℃下生长季温度和生长持续时间的变化；（2）研究1.5℃和2.0℃全球变暖对我国不同小麦种植区小麦产量和区域小麦总产量的影响。

图1：（a）中国小麦种植区。红线表示研究区域。（b）研究区域、生态区和农业气象站。蓝线表示中国冬小麦生产的四个主要分区，彩色方块表示10个生态区。红点是129个农业气象站。

图2：用于代表品种遗传参数校正的站。根据种植时间，在每个生态区选择1～3个常用品种作为代表品种。

结果与讨论

冬小麦营养期的平均生长季温度（GST）预计在1.5°C情景下增加0.6至1.4°C，在2.0°C情景下增加0.9至1.8°C，而在生殖期，1.5°C情景下的平均生长季温度（GST）将降低0至0.9°C，2.0°C情景下的平均生长季温度（GST）将下降至-0.3和1.1°C。在1.5°C的情况下，由于全球变暖下较高的GST，整个生长季持续时间（GSD）缩短了6至15天，在2.0°C情景下缩短了8至18天。西南亚区（SWS）的GST增加和GSD的减少比北部的次区域更明显。整个小麦生育期的GSD缩短主要来自于营养期的缩短，整个地区从开花到成熟的天数没有明显差异。虽然模型间存在变异性，但表明在两种增温情景下，华北、黄淮和长江中下游地区小麦产量都有增加趋势，但均呈下降趋势。二氧化碳浓度升高的影响主要是有益的，并有可能抵消全球变暖两种情况下气温升高的负面影响，每100 ppm的产量增长率为7-14%，但基线GST高于11°C的地区除外，预计在1.5℃和2.0℃情景下，中国冬小麦总产量将分别增长2.8%和8.3%，其中北方地区小麦种植面积最大，所以大部分增加出现在北部麦区。研究结果将为制定未来气候变化的适应战略奠定基础，以确保中国和全球小麦供应和粮食安全。

图3：对CERES小麦（a，e，i），Nwheat（b，f，j），WheatGrow（c，g，k）和APSIM（d，h，l）模型评价中模拟和观察的开花期（a-d）、成熟期（e-h）和产量（i-l）进行比较。红线是线性回归线，黑线是1：1线。

图4：基线（a、d和g）下生长季温度（GST，°C）集合平均值的空间分布以及1.5°C（b、e和h）和2.0°C（C、f和i）情景下生长季温度的变化。

图5：基线（a、d和g）下模拟生长季持续时间（GSD，days）集合平均值的空间分布以及1.5℃（b、e和h）和2.0℃（C、f和i）情景下模拟生长季持续时间（GSD，days）的空间分布。

图6：CERES（a、f和k）、Nwheat（b、g和l）、WheatGrow（C、h和m）、APSIM（d、i和n）的基线（a-e）和2.0°C（k-o）情景下模拟潜在产量的空间分布和潜力产量的相对变化。1.5°C和2.0°C情景下的潜在产量变化是来自四个全球气候模型（GCMs）的模拟潜在产量变化的平均值。