谢瑞芝^,, 明博中国农业科学院作物科学研究所/农业农村部作物生理生态重点实验室,北京100081

Response and Adaptation of Maize Production System to Climate Change

XIE RuiZhi^,, MING BoInstitute of Crop Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Crop Physiology and Ecology, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100081

责任编辑: 杨鑫浩
收稿日期:2021-08-3接受日期:2021-08-20

基金资助:

国家重点研发计划(2017YFD0300300)

Received:2021-08-3Accepted:2021-08-20
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谢瑞芝,E-mail： xieruizhi@caas.cn





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谢瑞芝, 明博. 玉米生产系统对气候变化的响应与适应. 中国农业科学, 2021, 54(17): 3587-3591 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.17.003
XIE RuiZhi, MING Bo. Response and Adaptation of Maize Production System to Climate Change. Scientia Acricultura Sinica, 2021, 54(17): 3587-3591 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.17.003


玉米是我国第一大粮食作物,玉米持续增产对保障国家粮食安全具有重要意义^[1]。2020年我国玉米种植面积达到4.12×10⁸ hm²,总产达到2.61×10⁸ t。然而,气候变化是全球发展面临的严峻挑战。LOBELL等^[2]研究认为气温每升高1℃作物产量减少10%,过去数十年全球增温对全球玉米生产造成了约3.8%的减产影响^[3]。气候变化使气候因子超过“波动阈值”（如高温、低温、暴雨、干旱事件）也对农业生产造成了极大危害。未来气候变化（RCP8.5）情景下,我国黄淮海夏玉米区、西北玉米区以及东北春播玉米区平均减产预期会达到16%—25%,气候变化将对我国的玉米生产带来极大挑战。为了准确评估未来发展对全球气候以及玉米生产系统的影响。“十三五”期间,国家设立启动了重点研发计划项目“玉米生产系统对气候变化的响应机制及其适应性栽培途径”,集合全国优势科研单位,针对关键气候因子的时空变化规律及其对玉米生产系统影响、玉米产量形成过程对多气候因子变化的响应与适应机制以及不同种植模式下玉米生产系统应对气候变化的关键技术效应与适应性栽培途径广泛而深入地开展研究和生产实践。本专题展示了在关键生育时期增温和二氧化碳升高对玉米生长发育和产量形成的影响以及玉米生产系统温室气体排放等方面取得的一些重要进展,以期为提出适应性的玉米栽培途径提供参考。

黄淮海平原是我国重要的夏玉米产区,近年来在玉米生育期内（6—9月）>35℃高温天气出现频率呈逐年上升趋势,尤其以玉米花期（7—8月份）最为明显^[4],且高温与干旱时常相伴相随^[5],严重影响玉米结实率和产量。玉米抽穗至开花期是对高温最敏感的时期,此期高温热害极易引起花粉败育,无法正常开花散粉,致使雌穗不能受精而形成空粒,结实率大幅下降,玉米严重减产^[6]。本专题论文《花期高温干旱对玉米雄穗发育、生理特性和产量影响》^[7],利用人工智能温室采用盆栽试验,发现花期高温、干旱及复合胁迫显著抑制雄穗生长发育,花药和花粉形态畸变,花粉量减少,导致果穗授粉不良、穗粒数显著减少,最终影响籽粒产量。不同品种对高温、干旱的响应程度不同。这一研究对明确黄淮海夏玉米产量限制因子以及研发适应性栽培管理措施具有重要意义。

玉米成株期内增温可导致株高显著增加^[8],同时也对植株组织结构产生影响^[9]。但温度升高对玉米茎秆生长发育、茎秆结构及抗倒性的影响研究较少,难以支撑区域增温对玉米倒伏发生的分析研究。本专题论文《增温对玉米茎秆生长发育、抗倒性和产量的影响》^[10]通过人工气候室模拟未来增温环境,研究玉米茎秆生长、结构特征和抗倒特性变化。结果表明,温度升高2—4℃,茎秆节间长度显著增加,穗位系数和茎粗系数提高,而茎秆直径、维管束数目、截面积下降。茎秆的抗推力、穿刺强度和破碎强度等显著下降,倒伏风险增加,不同品种受增温影响而导致的茎秆抗倒性、力学特性和显微结构特性等存在较大差异。区域适宜品种筛选需关注茎秆抗倒伏能力对增温条件的适应性表现。而专题文章《高温干旱复合胁迫对夏玉米产量和茎秆显微结构的影响》研究认为^[11],高温干旱复合胁迫后夏玉米茎秆皮层厚度、硬皮组织厚度、维管束总数和小维管束数目显著降低。同时,高温干旱导致夏玉米花粉活力、光合特性和成熟期总干重显著降低,最终影响籽粒产量。上述研究表明,高温和干旱胁迫不仅影响黄淮海夏玉米产量,还会劣化茎秆发育,从而影响植株抗倒伏能力。这对于研究和解决黄淮海夏玉米广泛发生的后期倒伏具有重要意义。

全球变暖、温度升高背景下,黄淮海夏玉米适宜生育期延长,为玉米套播改夏直播提供了有利条件^[12,13]。但该区主推品种熟期仍然偏长,收获时难以达到生理成熟,严重影响玉米产量和品质。本专题论文《基于品种生育期有效积温确定夏玉米适宜播期》^[14]则针对当前气候变化背景下,品种和播种期调控以适应有效积温增加对夏玉米生产系统的影响。通过不同熟期类型品种以及播种期梯度处理发现,晚播导致生育期内温度提升,不同品种的结实率、收获指数下降,空秆率上升,继而造成产量下降。这为区域种植模式优化与适宜熟期品种选择提供了参考。

大气CO₂浓度升高（简称eCO₂）可以通过影响植物的各项生理活动而影响根、茎、叶等器官的生长发育,并影响作物的产量^[15]。作为光合底物,eCO₂不仅会影响植物的光合作用过程,而且会影响碳氮代谢及产量形成^[16]。ZONG等^[17]通过对玉米的研究发现,eCO₂会缓解干旱对光合作用的限制,缓解情况随供氮水平的不同而不同。在eCO₂下,一些植物碳同化能力增强,生物量积累加快,对氮素供给提出了更高的要求^[18]。但牛晓光等^[19]研究认为,在相同施氮水平下,eCO₂对于玉米产量没有显著影响。本专题论文《大气CO₂浓度升高与氮肥互作对玉米花后碳氮代谢及产量的影响》^[20]利用自由大气CO₂富集（FACE）平台,研究了常规大气CO₂浓度（aCO₂）和eCO₂条件下,不施氮和施氮处理对夏玉米产量及其构成要素,干物质积累,花后碳、氮代谢以及碳氮比动态的变化。研究结果显示,eCO₂与施氮处理下,夏玉米生物量积累增加,但产量及产量构成因素变化不显著。合理增施氮肥对促进eCO₂背景下的碳氮代谢的协调有一定必要性。该研究为全球气候变化下玉米生理过程及产量形成的变化提供理论支撑,同时为玉米作物模型调参提供实证数据。

作物通过光合作用将大气中的CO₂固定到植物体内,又通过根系分泌物、凋落物及根系生物量等将一部分光合碳输入到土壤中^[21,22],为土壤中的微生物提供碳源和能源。陆地生态系统的碳循环通过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响大气CO₂的浓度,使陆地植被系统成为“碳汇”。然而,土壤是否成为碳“源”或者“汇”取决于土壤碳库的平衡^[23]。陆地生态系统中的碳储量取决于光合碳的输入和以CO₂的形式及甲烷和可溶性有机碳的损失之间的平衡^[24],大气中CO₂浓度的增加和由此引发的全球变暖可能会通过改变碳的吸收和释放速率来影响这一平衡。本专题论文《大气CO₂浓度和温度升高对农田土壤碳库及微生物群落结构的影响》^[25]综述了大气CO₂浓度和温度升高及其交互作用对土壤碳库和土壤微生物群落结构的影响。大气CO₂浓度和温度升高对土壤碳库的影响可以相互抵消,但是土壤碳库是否成为碳“源”与温度升高的幅度密切相关,今后需重点关注气候变化条件下微生物底物利用策略以及微生物群落结构的变化。

农业生产是土壤温室气体排放的重要诱因,对全球温室效应的影响不容忽视^[26,27,28]。随着农作物产量的增加,温室气体排放也在不断增加^[29]。氮肥不合理施用是造成我国农田温室气体尤其是N₂O排放上升的主要因素^[30],施用缓释肥或添加抑制剂来调控氮素形态转化被认为是土壤温室气体减排的有效措施之一^[31,32,33]。本专题论文《不同类型氮肥对东北春玉米土壤N₂O和CO₂昼夜排放的影响》^[34]利用静态箱-气相色谱法,研究了缓释肥（SLN）、尿素添加硝化抑制剂+脲酶抑制剂（NIUI）和普通尿素（OU）等氮肥施用措施在不同生育时期的温室气体排放特性。缓释肥处理对于土壤N₂O的减排效应主要在苗前,而抑制剂则可延续至苗期。2种处理方法均可降低土壤CO₂排放。该研究为高纬度地区农田氮肥高效利用管理和温室气体减排提供参考依据。

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