謝瑞芝，明博

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玉米生產(chǎn)系統(tǒng)對氣候變化的響應(yīng)與適應(yīng)

謝瑞芝，明博

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物生理生態(tài)重點實驗室，北京 100081

玉米是我國第一大糧食作物，玉米持續(xù)增產(chǎn)對保障國家糧食安全具有重要意義[1]。2020年我國玉米種植面積達到4.12×108hm2，總產(chǎn)達到2.61×108t。然而，氣候變化是全球發(fā)展面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。LOBELL等[2]研究認為氣溫每升高1℃作物產(chǎn)量減少10%，過去數(shù)十年全球增溫對全球玉米生產(chǎn)造成了約3.8%的減產(chǎn)影響[3]。氣候變化使氣候因子超過“波動閾值”（如高溫、低溫、暴雨、干旱事件）也對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了極大危害。未來氣候變化（RCP8.5）情景下，我國黃淮海夏玉米區(qū)、西北玉米區(qū)以及東北春播玉米區(qū)平均減產(chǎn)預(yù)期會達到16%—25%，氣候變化將對我國的玉米生產(chǎn)帶來極大挑戰(zhàn)。為了準(zhǔn)確評估未來發(fā)展對全球氣候以及玉米生產(chǎn)系統(tǒng)的影響?！笆濉逼陂g，國家設(shè)立啟動了重點研發(fā)計劃項目“玉米生產(chǎn)系統(tǒng)對氣候變化的響應(yīng)機制及其適應(yīng)性栽培途徑”，集合全國優(yōu)勢科研單位，針對關(guān)鍵氣候因子的時空變化規(guī)律及其對玉米生產(chǎn)系統(tǒng)影響、玉米產(chǎn)量形成過程對多氣候因子變化的響應(yīng)與適應(yīng)機制以及不同種植模式下玉米生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)對氣候變化的關(guān)鍵技術(shù)效應(yīng)與適應(yīng)性栽培途徑廣泛而深入地開展研究和生產(chǎn)實踐。本專題展示了在關(guān)鍵生育時期增溫和二氧化碳升高對玉米生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的影響以及玉米生產(chǎn)系統(tǒng)溫室氣體排放等方面取得的一些重要進展，以期為提出適應(yīng)性的玉米栽培途徑提供參考。

黃淮海平原是我國重要的夏玉米產(chǎn)區(qū)，近年來在玉米生育期內(nèi)（6—9月）＞35℃高溫天氣出現(xiàn)頻率呈逐年上升趨勢，尤其以玉米花期（7—8月份）最為明顯[4]，且高溫與干旱時常相伴相隨[5]，嚴重影響玉米結(jié)實率和產(chǎn)量。玉米抽穗至開花期是對高溫最敏感的時期，此期高溫?zé)岷O易引起花粉敗育，無法正常開花散粉，致使雌穗不能受精而形成空粒，結(jié)實率大幅下降，玉米嚴重減產(chǎn)[6]。本專題論文《花期高溫干旱對玉米雄穗發(fā)育、生理特性和產(chǎn)量影響》[7]，利用人工智能溫室采用盆栽試驗，發(fā)現(xiàn)花期高溫、干旱及復(fù)合脅迫顯著抑制雄穗生長發(fā)育，花藥和花粉形態(tài)畸變，花粉量減少，導(dǎo)致果穗授粉不良、穗粒數(shù)顯著減少，最終影響籽粒產(chǎn)量。不同品種對高溫、干旱的響應(yīng)程度不同。這一研究對明確黃淮海夏玉米產(chǎn)量限制因子以及研發(fā)適應(yīng)性栽培管理措施具有重要意義。

玉米成株期內(nèi)增溫可導(dǎo)致株高顯著增加[8]，同時也對植株組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[9]。但溫度升高對玉米莖稈生長發(fā)育、莖稈結(jié)構(gòu)及抗倒性的影響研究較少，難以支撐區(qū)域增溫對玉米倒伏發(fā)生的分析研究。本專題論文《增溫對玉米莖稈生長發(fā)育、抗倒性和產(chǎn)量的影響》[10]通過人工氣候室模擬未來增溫環(huán)境，研究玉米莖稈生長、結(jié)構(gòu)特征和抗倒特性變化。結(jié)果表明，溫度升高2—4℃，莖稈節(jié)間長度顯著增加，穗位系數(shù)和莖粗系數(shù)提高，而莖稈直徑、維管束數(shù)目、截面積下降。莖稈的抗推力、穿刺強度和破碎強度等顯著下降，倒伏風(fēng)險增加，不同品種受增溫影響而導(dǎo)致的莖稈抗倒性、力學(xué)特性和顯微結(jié)構(gòu)特性等存在較大差異。區(qū)域適宜品種篩選需關(guān)注莖稈抗倒伏能力對增溫條件的適應(yīng)性表現(xiàn)。而專題文章《高溫干旱復(fù)合脅迫對夏玉米產(chǎn)量和莖稈顯微結(jié)構(gòu)的影響》研究認為[11]，高溫干旱復(fù)合脅迫后夏玉米莖稈皮層厚度、硬皮組織厚度、維管束總數(shù)和小維管束數(shù)目顯著降低。同時，高溫干旱導(dǎo)致夏玉米花粉活力、光合特性和成熟期總干重顯著降低，最終影響籽粒產(chǎn)量。上述研究表明，高溫和干旱脅迫不僅影響黃淮海夏玉米產(chǎn)量，還會劣化莖稈發(fā)育，從而影響植株抗倒伏能力。這對于研究和解決黃淮海夏玉米廣泛發(fā)生的后期倒伏具有重要意義。

全球變暖、溫度升高背景下，黃淮海夏玉米適宜生育期延長，為玉米套播改夏直播提供了有利條件[12-13]。但該區(qū)主推品種熟期仍然偏長，收獲時難以達到生理成熟，嚴重影響玉米產(chǎn)量和品質(zhì)。本專題論文《基于品種生育期有效積溫確定夏玉米適宜播期》[14]則針對當(dāng)前氣候變化背景下，品種和播種期調(diào)控以適應(yīng)有效積溫增加對夏玉米生產(chǎn)系統(tǒng)的影響。通過不同熟期類型品種以及播種期梯度處理發(fā)現(xiàn)，晚播導(dǎo)致生育期內(nèi)溫度提升，不同品種的結(jié)實率、收獲指數(shù)下降，空稈率上升，繼而造成產(chǎn)量下降。這為區(qū)域種植模式優(yōu)化與適宜熟期品種選擇提供了參考。

大氣CO2濃度升高（簡稱eCO2）可以通過影響植物的各項生理活動而影響根、莖、葉等器官的生長發(fā)育，并影響作物的產(chǎn)量[15]。作為光合底物，eCO2不僅會影響植物的光合作用過程，而且會影響碳氮代謝及產(chǎn)量形成[16]。Zong等[17]通過對玉米的研究發(fā)現(xiàn)，eCO2會緩解干旱對光合作用的限制，緩解情況隨供氮水平的不同而不同。在eCO2下，一些植物碳同化能力增強，生物量積累加快，對氮素供給提出了更高的要求[18]。但牛曉光等[19]研究認為，在相同施氮水平下，eCO2對于玉米產(chǎn)量沒有顯著影響。本專題論文《大氣CO2濃度升高與氮肥互作對玉米花后碳氮代謝及產(chǎn)量的影響》[20]利用自由大氣CO2富集（FACE）平臺，研究了常規(guī)大氣CO2濃度（aCO2）和eCO2條件下，不施氮和施氮處理對夏玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成要素，干物質(zhì)積累，花后碳、氮代謝以及碳氮比動態(tài)的變化。研究結(jié)果顯示，eCO2與施氮處理下，夏玉米生物量積累增加，但產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素變化不顯著。合理增施氮肥對促進eCO2背景下的碳氮代謝的協(xié)調(diào)有一定必要性。該研究為全球氣候變化下玉米生理過程及產(chǎn)量形成的變化提供理論支撐，同時為玉米作物模型調(diào)參提供實證數(shù)據(jù)。

作物通過光合作用將大氣中的CO2固定到植物體內(nèi)，又通過根系分泌物、凋落物及根系生物量等將一部分光合碳輸入到土壤中[21-22]，為土壤中的微生物提供碳源和能源。陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)通過植物的光合作用和呼吸作用，以及土壤微生物的共同作用影響大氣CO2的濃度，使陸地植被系統(tǒng)成為“碳匯”。然而，土壤是否成為碳“源”或者“匯”取決于土壤碳庫的平衡[23]。陸地生態(tài)系統(tǒng)中的碳儲量取決于光合碳的輸入和以CO2的形式及甲烷和可溶性有機碳的損失之間的平衡[24]，大氣中CO2濃度的增加和由此引發(fā)的全球變暖可能會通過改變碳的吸收和釋放速率來影響這一平衡。本專題論文《大氣CO2濃度和溫度升高對農(nóng)田土壤碳庫及微生物群落結(jié)構(gòu)的影響》[25]綜述了大氣CO2濃度和溫度升高及其交互作用對土壤碳庫和土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。大氣CO2濃度和溫度升高對土壤碳庫的影響可以相互抵消，但是土壤碳庫是否成為碳“源”與溫度升高的幅度密切相關(guān)，今后需重點關(guān)注氣候變化條件下微生物底物利用策略以及微生物群落結(jié)構(gòu)的變化。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是土壤溫室氣體排放的重要誘因，對全球溫室效應(yīng)的影響不容忽視[26-28]。隨著農(nóng)作物產(chǎn)量的增加，溫室氣體排放也在不斷增加[29]。氮肥不合理施用是造成我國農(nóng)田溫室氣體尤其是N2O排放上升的主要因素[30]，施用緩釋肥或添加抑制劑來調(diào)控氮素形態(tài)轉(zhuǎn)化被認為是土壤溫室氣體減排的有效措施之一[31-33]。本專題論文《不同類型氮肥對東北春玉米土壤N2O和CO2晝夜排放的影響》[34]利用靜態(tài)箱-氣相色譜法，研究了緩釋肥（SLN）、尿素添加硝化抑制劑+脲酶抑制劑（NIUI）和普通尿素（OU）等氮肥施用措施在不同生育時期的溫室氣體排放特性。緩釋肥處理對于土壤N2O的減排效應(yīng)主要在苗前，而抑制劑則可延續(xù)至苗期。2種處理方法均可降低土壤CO2排放。該研究為高緯度地區(qū)農(nóng)田氮肥高效利用管理和溫室氣體減排提供參考依據(jù)。

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Response and Adaptation of Maize Production System to Climate Change

XIE RuiZhi, MING Bo

Institute of Crop Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Crop Physiology and Ecology, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100081

10.3864/j.issn.0578-1752.2021.17.003

2021-08-03；

2021-08-20

國家重點研發(fā)計劃（2017YFD0300300）

謝瑞芝，E-mail：xieruizhi@caas.cn

（責(zé)任編輯 楊鑫浩）