江淮稻–麦两熟种植制度对气候变暖的适应

陈长青 李伟玮 朱相成 刘 菁 李刚华 许 轲 江 瑜 丁艳锋,*

江淮稻–麦两熟种植制度对气候变暖的适应

陈长青1李伟玮1朱相成2刘 菁1李刚华1许 轲3江 瑜1丁艳锋1,*

1南京农业大学 / 江苏省现代作物生产协同创新中心, 江苏南京 210095;2宜春学院生命科学与资源环境学院, 江西宜春 336000;3扬州大学 / 农业农村部长江流域稻作技术创新中心 / 江苏省作物遗传生理国家重点实验室培育点, 江苏扬州 225009

气候变暖日益加剧, 近100年来全球地表平均气温已经上升近1.0°C。稻–麦两熟是苏、皖江淮地区的主流种植制度, 但江淮稻–麦两熟种植制度对气候变暖的适应还不清楚。为此, 我们利用34个气象站点和45个物候站点多年历史数据分析了江淮稻–麦两熟区气温升高特征和作物物候变化规律。研究表明, 江淮地区增温幅度区域上南高北低, 熟季间麦季高稻季低, 月份间3月份最高。水稻季, 江南地区播种期推迟3.4 d 10a–1、淮南抽穗期提早2 d 10a–1、淮北收获期推迟6.2 d 10a–1。小麦季, 江南播种期推迟6.4 d 10a–1、全区域抽穗期和收获期有提早的趋势。稻–麦茬口期淮北缩短4.6 d 10a–1、江南延长6.9 d 10a–1。水稻、小麦各生育阶段平均温度没有显著变化、花后有效积温大多呈增加趋势。水稻季积温生产效率变化不大, 小麦季积温生产效率提高了0.008～0.346 kg hm–2°C–110a–1。气温升高降低了江南和淮南地区小麦产量和淮南地区水稻产量, 但增加了淮北地区小麦产量。研究结果表明江淮稻–麦两熟种植制度正逐步适应了气候变暖, 通过合理改变播期可以减缓气候变暖对作物产量的负面影响; 可为气候变化适应性栽培和耕作技术创新提供参考。

稻–麦两熟; 增温特征; 物候特征; 积温生产效率

政府间气候变化专门委员会(Intergovemmetal Panel on Climate Change, IPCC)指出, 到2017全球地表平均气温较工业化前水平已经上升近1.0°C, 如果按现在的增温速率, 到2040年, 全球地表平均气温将升高1.5°C[1]。《中国气候变化蓝皮书2020》[2]指出我国是全球气候变化敏感、影响显著的区域, 1951—2019年, 我国年平均气温升高0.24°C 10a–1, 增温速率显著高于同期全球平均水平。温度是作物生长最关键的影响因子, 显著影响作物生长进程、产量和我国粮食安全[3-6]。研究气候变暖对我国作物产量的潜在的影响能为中长期国家粮食安全战略规划提供科学依据。

稻–麦两熟是我国南方主流种植制度之一, 面积约600万公顷, 总产量占全国稻麦总产量的22%, 为保障我国粮食安全发挥了关键作用[7]。江淮是我国稻麦两熟面积最大, 产量最高的区域[8-9]。现有试验研究和模型研究都表明增温缩短稻麦生育期[10-11],一般降低江淮稻–麦两熟产量[12-15]。但这些研究并未涉及气候变暖适应性稻作技术。江淮稻–麦两熟种植制度能否适应气候变暖还不清楚。为此, 我们利用34个气象站点和45个物候站点数据, 研究江淮稻–麦两熟区气温升高特征和作物物候变化, 探讨江淮稻–麦两熟种植制度对气候变暖的适应, 以期为气候变化适应性栽培和耕作技术创新提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域

本文的研究区域是江苏和安徽省长江以北地区即江淮地区主体区域, 地理位置为114º54′— 121º57′E, 29º24′—35º20′N, 涉及面积18.9万平方千米。江淮地区是长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。该地区属东亚季风区, 又属亚热带和暖温带的过度区, 季风气候特征显著, 雨量丰沛, 雨热同季, 光能充足, 热量富裕, 其中, 以淮河-长江为界线, 将江淮地区划分为不同的区域, 各个区域雨热资源如表1所示。

1.2 数据来源

气象数据(1980—2019)来自江淮地区具有连续气象资料的34个准地面气象观测站(图1-A), 从国家气象局获取。气象数据主要包括日平均气温、最高气温、最低气温。水稻和小麦物候(播种日期、抽穗日期和收获日期)数据(1990—2013)从江淮地区与气象观测站就近的45个物候观察点获取(图1-B)。水稻和小麦产量(1980—2018)从安徽省统计年鉴和江苏省农村统计年鉴获取。

1.3 研究方法

小麦和水稻生长期是指从播种到收获的天数, 营养生长期(vegetative growth period, VGP)是指从播种到抽穗的天数, 生殖生长期(reproductive growth period, RGP)是指从抽穗到收获的天数。稻–麦茬口期是指水稻收获到小麦播种的时期。3个区域的数据由位于各个区域的物候观测点的数据进行加权平均得来。物候站点的气象数据采用邻近气象站点数据, 小麦和水稻生长季的气候数据通过各个区域内的观测点每年的播种、抽穗和收获时间点, 采用各年逐日值进行加权平均, 求得每年小麦和水稻全生长季、营养生长期和生殖生长期的平均温度、最高温度、最低温度, 有效积温(小麦≥0°C, 水稻≥10°C)和降雨量由各年逐日值相加得来[16]。积温生产效率为作物单位产量除以有效积温。由于物候站点的数据只更新到2013年, 因此, 我们只比较了1990s (1990—1999)和2000s (2000—2009)的水稻和小麦积温生产效率。气候变化趋势和小麦各生育进程趋势以及作物产量趋势变化均采用线性回归模拟。本文对江淮地区1980—2018年的实际产量数据用非线性回归模型进行分析, 研究去除趋势产量与气候因素间的关系, 确定气候因子对产量的影响[12,17-18]。具体模型如下:

表1 江淮地区分区及气候特征(1980–2018)

图1 江淮地区气象站点(A)和物候站(B)点空间分布

地图来源: 全国地理信息资源目录服务系统(https://www.webmap.cn/)。

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

2 结果与分析

2.1 江淮地区温度变化特征

从1980到2018年, 江淮地区7月份地表平均气温最高, 1月份最低(图2)。淮南地区地表平均气温升高明显, 达0.43°C 10a–1。从月份上看, 3月份地表气温升高幅度最高达0.85°C 10a–1, 2月份和4月份增温幅度次之, 其他月份气温升高幅度在0.30～0.41°C 10a–1之间。从熟季间看, 小麦季增温幅度大于水稻季(表2); 水稻季平均温度、最高温度和最低温度增温幅度分别为0.37、0.34和0.41°C 10a–1, 小麦季平均温度、最高温度和最低温度增温幅度分别0.48、0.44和0.50°C 10a–1。区域间, 增温幅度南高北低; 水稻季淮北、淮南和江南平均温度分别升高0.33、0.37和0.51°C 10a–1, 小麦季淮北、淮南和江南平均温度分别增加0.45、0.47和0.61°C 10a–1。

图2 江淮地区每月温度及其变化

2.2 物候变化特性

近30年来, 江淮地区小麦和水稻物候发生了明显变化(表3)。淮北地区水稻播种期和抽穗期有推迟的趋势, 收获期明显推迟, 达6.2 d 10a–1; 花前天数没有明显变化, 花后天数和全生育期天数分别延长4.6 d 10a–1和4.8 d 10a–1。淮南水稻播种期、抽穗期和收获期分别提前1.1、2.0和2.4 d 10a–1,花前天数, 花后天数和全生育期天数都有缩短的趋势, 但不显著。江南水稻播种期推迟3.5 d 10a–1, 但抽穗期和收获期没有明显变化。花前天数和全生育期天数分别缩短3.4 d 10a–1和3.0 d 10a–1, 花后天数没有明显变化。淮北地区小麦播种期有推迟的趋势, 抽穗期有提前的趋势, 但收获期变化不明显, 花前天数有缩短的趋势, 但花后天数都有延长的趋势。淮南地区小麦播种期无明显变化, 但开花期和收获期有提早的趋势, 花前天数有缩短的趋势, 但花后天数有延长的趋势。江南地区小麦播种期明显推迟, 达6.5 d 10a–1; 开花期和收获期有提早趋势, 花前天数明显缩短, 花后天数无明显变化。稻–麦茬口天数淮北地区显著缩短达4.6 d 10a–1, 江南地区显著延长达6.9 d 10a–1, 淮南有延长趋势。

2.3 作物生育期积温和产量变化特性

水稻季淮北、淮南和江南花前、花后和全生育期平均温度, 都有升高的趋势; 全区域花前、花后和全生育期平均温度, 分别升高0.54、0.07和0.34°C 10a–1。小麦季各区域花前和花后平均温度没有明显的变化。水稻季淮北、淮南和江南花前、花后和全生育期≥10°C的有效积温, 都有升高的趋势。小麦花前≥0°C有效积温, 各区域有降低的趋势, 淮北和淮南花后和全生育期积温有增加的趋势, 但江南有降低的趋势。淮北、淮南和江南水稻产量和小麦产量, 都呈逐年上升趋势。水稻季积温生产效率变化不大, 而小麦积温生产效率呈明显上升趋势, 淮北、淮南和江南小麦积温生产效率分别提高0.317、0.346和0.008 kg–1hm–2°C–110a–1。

表2 江淮地区小麦季和水稻季增温趋势(1980–2018)

**:< 0.01.

表3 江淮地区小麦和水稻物候变化趋势(1990–2013)

*:< 0.05;**:< 0.01. VGP: 营养生长期; RGP: 生殖生长期; WGP: 全生育期。

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

2.4 温度对小麦和水稻产量的影响

不同地区的小麦和水稻的产量, 在30年间均呈现不同幅度的增长趋势(表5)。其中, 淮北地区的小麦产量变化趋势最大, 淮南次之, 江南地区最小。淮北地区和淮南地区的产量变化趋势分别是江南地区的6.04倍和5.54倍, 而水稻的产量变化趋势为淮南地区>江南地区>淮北地区; 不同区域间小麦和水稻的积温生产效率和产量变化有相同的趋势, 小麦的积温生产效率趋势和产量变化趋势均要大于水稻的。温度的升高降低了江南和淮南地区小麦产量, 但增加了淮北地区小麦产量。增温引起淮南地区水稻减产, 但对江南和淮北地区水稻产量影响不显著。从整个区域来看, 温度升高有降低水稻产量的趋势, 但对小麦产量影响不大(图4)。

表4 小麦和水稻各生育阶段平均温度和积温变化(1990–2013)

VGP: 营养生长期; RGP: 生殖生长期; WGP: 全生育期。

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

图3 小麦和水稻积温生产效率

表5 小麦和水稻产量变化趋势及积温生产效率趋势(1993–2009)

*:< 0.05;**:< 0.01.

图4 温度对水稻和小麦产量的影响

A: 最高温度; B: 最低温度; C: 平均温度。

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

3 讨论

大量的研究表明气候变暖显著影响作物的产量。Zhao等[3]研究表明在不考虑大气CO2升高、有效适应变暖和遗传改良的条件下, 温度升高1°C, 降低全球小麦产量6%、水稻产量3.2%、玉米产量7.4%和大豆产量3.1%。我们前期的研究[19]也表明气温升高1.5°C, 我国水稻单产降低5%左右。许多学者也利用模拟增温试验在江淮地区研究了增温对水稻和小麦产量的影响。Dong等[20]指出全天增温对水稻产量影响不明显, 但白天增温和夜间增温降低水稻产量6%左右。Cai等[21]在常熟研究发现增温降低水稻30%左右。张鑫等[22]发现夜间增温对水稻产量的影响取决于水稻品种。Tian等[23]利用多年试验表明全天增温、白天增温和夜间增温都能增加小麦产量。Hu等[24]指出冬季和春季增温促进了根系生长和土壤氮有效性进而增加小麦产量。但是这些试验研究并未考虑气候变暖适应策略。本研究发现尽管近30年来江淮地区气温升高明显, 但是由于新品种、种植制度调整和栽培耕作技术的革新, 水稻、小麦产量呈明显上升态势。花后积温的上升和气温的逐年上升, 对水稻和小麦产量没有明显影响。这些说明该地区作物生产方式正逐渐适应了气候变暖的趋势, 也说明在气候变暖的情况下, 可以通过遗传改良、栽培耕作技术创新等方式进一步提高作物产量[25-26]。

一方面, 气候变暖一般显著加快作物生长进程, 缩短作物生育期。Tian等[23]研究表明增温促使小麦开花、成熟提早10 d左右。Zheng等[27]利用10个小麦品种发现增温缩短了花前生长时间, 但是延长了花后小麦生长时间。Cai等[21]发现增温缩短了水稻花前生育期3 d左右、小麦花前生育期10 d左右, 但对水稻、小麦花后生育期没有显著影响。而张鑫等[22]利用不同年代品种发现, 夜间增温对水稻生育期的影响因品种而异, 有的品种缩短, 有的品种不变。本研究表明, 在江淮地区气温逐渐升高的背景下, 水稻、小麦花前生育期大多呈缩短趋势; 在江南地区水稻、小麦花前生育期缩短达到极显著水平。但是除淮北水稻外, 江淮地区水稻、小麦花后生育期并没有明显变化。淮北水稻花后生育期延长可能与选择晚熟品种有关。这些结果说明气候变暖可以影响作物生育期[4,28], 但我们可以通过品种选育和栽培耕作措施来调节气候变暖对作物生育期的影响[25]。

另一方面, 气候变暖也增加了热量资源, 延长了适宜作物生长的时间[29-31], 为适应气候变暖创造了有利条件。因此, 科学家们认为通过改变播期和选择适宜生育期的品种等适应性栽培措施, 可以重新配置作物温光资源以应对气候变暖[25-26,28]。本研究发现增温对淮北地区和江南地区水稻产量没有显著影响, 这和淮北地区和江南地区水稻播期推迟有关。水稻播期导致抽穗期推迟, 可以降低花期和灌浆期温度, 缓解花期和灌浆期高温对水稻产量的负面影响[19,25]。而在淮南地区, 播期提早导致抽穗期显著提前, 可能会导致花期和灌浆期温度更高, 从而降低水稻产量。本研究发现增温增加淮北地区小麦产量, 这可能和该地区播期推迟和灌浆期延长有关。但是在江南地区, 尽管小麦播期也推迟了, 但增温依旧降低了小麦产量; 这可能与江南地区小麦灌浆期温度升高最高有关(表4)。此外, 淮北地区水稻收获期推迟和生育期明显延长, 说明该地区可以采用长生育期品种充分利用气候变暖增加的热量资源。江南地区小麦播种期明显推迟, 利用了气候变暖下冬季温度升高的特性, 增加了稻麦茬口期, 有利于提高小麦播种质量, 减少冬季旺长。

本研究表明, 江淮地区尤其是淮北地区和江南地区两熟种植制度正逐渐适应了气候变暖, 通过合理改变播期可以减缓气候变暖对水稻产量的负面影响。但是, 合理改变播期对减缓气候变化的具体措施还需进一步的试验研究。此外, 气候变暖还会导致极端天气(如高温、低温和暴雨等)更加频繁[28,32]。有研究表明, 极端天气对作物产量的影响远大于平均气温升高的影响[33]。因此, 之后的研究需要重视极端天气对江淮稻麦生长的影响。

4 结论

江淮地区气温升高明显, 增温幅度区域间南高北低, 熟季间麦季高稻季低, 月份间3月份最高。水稻季, 江南播种期推迟3.4 d 10a–1, 江淮抽穗期提早2 d 10a–1, 淮北收获期推迟6.2 d 10a–1。小麦季, 江南播种期推迟6.4 d 10a–1、全区域抽穗期和收获期有提早的趋势。水稻、小麦各生育阶段平均温度没有显著变化, 花后有效积温大多呈增加趋势。气温升高降低了江南和淮南地区小麦产量和淮南地区水稻产量, 增加了淮北地区小麦产量, 但是对江南和淮北水稻产量影响不大。本研究表明江淮稻–麦两熟种植制度正逐步适应了气候变暖, 通过合理改变播期可以减缓气候变暖对水稻产量的负面影响, 可为气候变化适应性的稻作技术创新提供参考。

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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 Techno­logy 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

本研究由国家重点研发计划项目(2017YFD0300100)和江苏省省级现代农业发展计划项目(2019-SJ-039-07)资助。

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).

丁艳锋, 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