氣候變暖對我國水稻生產的綜合影響及其應對策略

張衛建，陳長青，江 瑜，張 俊，錢浩宇

（1.中國農業科學院作物科學研究所，北京100081；2.南京農業大學農學院，南京210095）

水稻是全球最重要的口糧作物之一，世界上50%以上的人口以稻米為主食[1]。隨著世界人口的剛性增長，到21 世紀中葉全球稻米的需求還將增長30%左右，水稻豐產對全球糧食安全至關重要[2]。近100多年來，由于人類活動導致的大氣溫室氣體濃度遞增，引發了全球性的地表溫度升高。大量的科學研究證明，如果人類不采取有效的碳減排措施，到2100年全球地表溫度將持續升高0.75～4.0 ℃[3]。即使全球能夠采取共同措施，將碳排放降低到1990 年的水平以下，全球地表溫度也仍將升高1.5 ℃以上[4]。溫度是作物生長的最關鍵因子，探明氣候變暖對水稻生產的潛在影響，可為全球糧食安全戰略決策提供重要依據。

我國是世界上最大的水稻生產國、消費國和進口國，全國80%以上的人口以稻米為主食，水稻豐產是我國乃至全球糧食安全的壓艙石[5]。依據中國氣象局2018年4月3日發布的《中國氣候變化藍皮書》[6]，我國是全球氣候變化的敏感區和影響顯著區，1951—2017 年間我國地表年平均氣溫升高了1.6 ℃。我國不僅升溫率高于同期全球平均水平，而且高溫熱害和低溫冷害等極端天氣現象也更為頻發，氣候變暖對我國水稻生產的影響可能更為突出[7-9]。而且，我國水稻種植區域遼闊，從云貴高原到東部沿海三角洲，從黑龍江漠河到海南三亞，不同地區水稻生長季溫度差異顯著，氣候變暖對我國水稻生產的影響也將存在明顯的時空差異[10-11]。另外，我國水稻種植模式和制度多樣，包括南方雙季稻、長江流域水旱兩熟一季中稻和北方一熟單季稻，幾乎囊括了全球所有的稻作模式。由于不同稻作模式下水稻生長季所處的背景溫度差異顯著，不同稻作模式水稻的生育期和產量對氣候變暖的響應也將各具特征[10-11]。因此，以我國水稻生產系統為案例，全面分析氣候變暖的綜合影響，對氣候變化下的作物適應性栽培理論與技術創新更具指導意義。

到目前為止，關于氣候變暖對作物生產的影響已有大量研究，基本闡明了全球糧食生產的響應特征[8,12]。但是現有的研究多基于模型分析和歷史數據挖掘，對田間試驗研究和長期觀察總結不夠，就具體國家（種植區域）以及具體季節作物的影響仍存在較大的不確定性[13-14]。近年來關于作物生長對氣候變暖的響應與適應的試驗研究日益受到重視，田間長期觀察數據也逐年遞增。這些試驗和觀察不僅提升了學界和公眾對氣候變暖及作物響應的認識，而且也為綜合分析提供了豐富的實證數據。為此，本文依據作者多年多點的田間增溫試驗及長期觀察，并結合國內外現有實證研究進展，根據我國水稻多熟種植的區域特征，綜合分析了我國典型稻作系統水稻生育期、產量和品質對溫度升高的響應特征與適應趨勢，擬為應對氣候變暖的水稻綠色增產增效提供理論依據和技術建議。

1 我國糧食主產區氣候變暖的基本態勢

根據歷史氣象監測，全球氣候變暖呈現明顯的地區、季節和晝夜差異[3]。基本態勢為：高緯度地區的氣溫升高幅度明顯高于低緯度地區，作物的種植北界將北擴，面積擴大；夏秋季的變暖幅度顯著低于冬春季，冬春季作物的低溫冷害將可能減少或減輕；白天的氣溫升高幅度明顯低于夜間，晝夜溫差將縮小，可能不利于作物產量和品質的形成。由于不同地區和季節作物生長季的背景溫度差異，以及相應地區和季節氣溫升高幅度的不同，氣候變暖對作物生產的影響存在明顯的時空特征[8]。因此，掌握具體國家（種植區域）氣溫變化的時空特征及其趨勢，將利于全面了解作物生產對氣候變暖的綜合響應。

現有的大量氣象監測數據和模型預測分析結果表明，近幾十年來我國氣候變暖的趨勢明顯高于全球平均水平[6]。依據1970—2017 年我國氣象觀察站點的監測數據[15]，我國東北、華北、長江三角洲糧食主產區氣溫升高的時空差異顯著。與1970s 相比，東北2010s作物生長季日最低溫度和最高溫度分別升高了1.39 ℃和0.70 ℃，華北相應升高了1.35 ℃和0.86 ℃，長江三角洲相應升高了1.28 ℃和1.10 ℃。相同年代內，東北的冬春季和夏秋季平均氣溫升高幅度分別達到1.18 ℃和0.89 ℃，華北相應季節的平均氣溫升高幅度分別為1.31 ℃和0.67 ℃，長江三角洲的相應升幅分別為1.28 ℃和0.99 ℃，增溫趨勢與全球基本一致，但增幅顯著高于全球平均水平。

在整體呈現變暖趨勢的同時，我國糧食主產區作物生長季的降水量及其降水日數也發生了明顯的區域性變化，即西部降水呈增加趨勢，東部降水呈下降趨勢。另外，高強度降水的頻率增加，尤其是我國東南地區，總降水量呈微弱下降趨勢，但大雨和暴雨出現次數呈顯著的上升趨勢[16]。總體來看，作物生長季降水總量變化不顯著，但降水日數明顯減少，日降水強度顯著提高，作物關鍵生育期水熱不協調問題更為突出。

在這種氣溫和降水變化的影響下，季節性干旱、極端性變溫等災害天氣的發生頻率也呈遞增趨勢。夏季高溫干旱災害在我國大部分地區（華中地區除外）的發生均呈增加趨勢，但不同區域表現有異。Vicente-Serrano 等[17]提出的標準化降水蒸散指數（SPEI）是通過標準化潛在蒸散與降水的差值表征一個地區干濕狀況偏離常年的程度,是分析干旱演變趨勢的指標，以1970—2017 年我國糧食主產區作物耕種期SPEI為例，東北春耕季的SPEI值提高了0.36，華北夏耕季下降了0.59，而長江三角洲秋耕季提高了0.86，東北、華北和長江三角洲的區域差異明顯，分別呈現了明顯的暖干化、干熱化和濕熱化的新趨勢。同時氣候變暖導致了極端災害頻發，其空間分布也具有顯著差異。與東北、西北、華北地區相比，南方地區氣候變化幅度較小，但亞熱帶高壓在夏季增強，導致南方極端高溫事件增多。另外，西北地區雖表現增溫趨勢，但自20 世紀80 年代以來其極端低溫事件顯著增加[18]。總體來看，西北和長江中下游地區的極端氣候事件較多，東北和長江流域中上游地區則相對較少[19]。

2 氣候變暖對我國水稻生產的影響特征

為了降低模型分析和統計數據挖掘的不確定性，近年來關于氣候變暖對水稻生產影響的田間試驗研究越來越受到重視，基于田間長期觀察的資料也日益豐富。為此，本文在總結作者多年田間增溫試驗的基礎上，綜合長期田間觀察和省級統計數據，系統分析了我國三大稻作系統水稻產量對溫度升高1.5 ℃的響應特征。

2.1 我國典型稻作系統的背景氣溫及其變暖趨勢

我國的典型稻作系統包括以東北為代表的北方一熟區單季稻、長江中下游的水旱兩熟一季中稻和南方雙季稻三大系統，三大稻作系統的氣候背景差異顯著。依據1980—2015 年的長年氣溫變化[15]，北方單季稻水稻生長季日平均氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫分別為18.8、24.4、13.6 ℃，升溫幅度分別為0.31、0.29、0.36 ℃·10 a-1。同期水旱兩熟一季中稻生長季的日平均氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫分別為23.0、28.0、19.3 ℃，升 溫 幅 度 分 別 為0.34、0.39、0.32 ℃·10 a-1。南方雙季稻區的早稻季相應背景溫度分別為23.3、27.7、20.0 ℃，升幅分別為0.28、0.29、0.29 ℃·10 a-1；雙季稻區的晚稻季相應背景溫度分別為26.0、30.7、22.6 ℃，氣溫升高幅度分別為0.25、0.26、0.25 ℃·10 a-1。從整體趨勢來看（圖1），三大稻作系統水稻生長季的氣溫均呈現明顯升高趨勢，中稻和南方雙季稻早稻的背景溫度相似，東北氣溫升高幅度顯著高于其他稻作系統。東北一熟區水稻花后的背景溫度與雙季稻晚稻的花后背景溫度相似，明顯低于水旱兩熟一季中稻和雙季稻早稻的花后溫度。由于不同稻作系統背景溫度和升溫幅度的差異顯著，氣候變暖對它們的影響也將明顯不同。

圖1 1980—2015年我國主要稻作區水稻生長季日最低氣溫（a）、日最高氣溫（b）和日平均氣溫（c）Figure 1 Daily minimum（a）,maximum（b）and average（c）temperatures during rice growing seasons in the major Chinese rice cropping system over 1980—2015

2.2 水稻生育期和產量對氣溫升高的響應特征

近年來，作者在我國主要稻作區開展了大量田間開放式增溫試驗，如2016—2020 年在北方一熟單季稻區黑龍江哈爾濱設置全天增溫試驗，2008 年在水旱兩熟中稻區江蘇南京設置全天、白天、夜間增溫試驗，2007—2011 年在南方雙季稻區江西南昌開展夜間增溫試驗等，以期闡明我國不同稻作系統水稻生育期和生產力對未來氣溫升高1.5 ℃的響應與適應差異[11,20-22]。總結多年多點的田間增溫試驗結果發現，溫度升高1.5 ℃，水稻播種到抽穗開花的生育期顯著縮短，但籽粒灌漿充實期變化不大，黑龍江一季稻和南昌雙季稻晚稻籽粒灌漿期甚至有所延長。總體而言，盡管溫度升高明顯縮短水稻的全生育期，但需要注意的是，增溫會縮短水稻的花前生育期，但花后的生育期基本不變甚至延長，類似的作物物候期變化也在田間長期觀察中得到證實[10]。

多年的田間增溫試驗還發現，不同稻作系統下水稻生產力的響應特征也存在顯著差異[23]。氣溫升高1.5 ℃時，哈爾濱單季稻的生物產量和籽粒產量均呈顯著遞增趨勢，南京中稻的生物產量和籽粒產量呈下降趨勢，而南昌雙季稻早稻呈減產趨勢、晚稻呈增產趨勢。基于目前的水稻種植布局，綜合三大稻作系統的響應差異，發現全國水稻的總體單產變化不大。進一步分析區域聯合多年多點的播期試驗結果，發現水稻生產力主要受開花后的背景溫度影響。一方面增溫會使水稻葉面積顯著增加，利于群體的干物質積累和產量形成，而水稻在16～35 ℃溫度范圍內時，溫度越高，分蘗越強；另一方面，當夜溫大于29 ℃或日溫大于33 ℃時，水稻易受高溫熱害，顯著影響水稻結實率[24]。因此，在水稻花后背景溫度高的區域，如南京的中稻和南昌雙季稻的早稻，氣溫升高1.5 ℃，水稻穗分化和開花受精時更易受熱害而影響結實率，穗粒數的下降導致減產；而若背景溫度較低，如哈爾濱的單季稻和南昌雙季稻的晚稻，氣溫升高1.5 ℃，可以促進有效穗數和每穗粒數的提升，有利于增產[11]。

基于3 個稻作系統的長期定位試驗以及省級統計數據分析，獲得上述類似的氣溫升高效應（圖2）。長期定位試驗結果表明，水稻生長季平均氣溫每升高1.0 ℃，東北一熟區單季稻單產平均增產15.3%，水旱兩熟區中稻平均減產10.9%，南方雙季稻早稻平均減產6.7%、晚稻平均增產12.1%。而省級統計數據也表現出相似結果，水稻生長季平均氣溫升高1.0 ℃，東北一熟區單季稻平均增產3.8%，水旱兩熟區中稻減產0.6%，南方雙季稻區早稻和晚稻分別減產3.7%和增產8.9%。總體來看，氣候變暖時，我國三大稻作系統水稻生產力有增有減，總體上保持基本穩定。

2.3 水稻種植區域及其總產貢獻份額的變化趨勢

隨著氣溫的升高和社會經濟的發展，我國水稻種植區域出現了明顯改變，不同區域稻作系統水稻產量對全國水稻總產的貢獻份額也發生了明顯變化[25]。在南方水稻種植面積，尤其是雙季稻面積大幅下降的同時，北方水稻種植區域快速增加，其水稻種植面積份額從1980 年的5%，提高到2018 年的20%（圖3）。與1980 年相比，2015 年廣東省水稻種植面積縮小了60%以上，只有1.8×106hm2；而黑龍江省水稻種植面積增長30 多倍，達到4.0×106hm2。這除了與南方和北方經濟發展差異相關外，也與東北氣溫顯著上升相關，是氣候變暖和經濟發展的綜合效應。

圖2 氣候變暖對不同稻作系統水稻單產的影響差異Figure 2 Effects of climate warming on rice yield per unit in different rice cropping systems

圖3 近40年我國水稻種植面積的變化Figure 3 Changes of rice planting area in China during recent 40 years

不同稻作系統的產量貢獻份額也在發生明顯變化。南方雙季稻種植面積顯著下降，中稻種植面積快速增加，中稻對我國水稻總產的貢獻將逐步增加（圖3）。1980 年我國南方雙季稻種植面積和產量分別占全國水稻種植面積和總產的65.8%和61.4%，到2018年其份額分別下降到33.3%和28.3%，變化顯著。氣溫進一步升高增加了我國北方水稻適種區域[11]，國民經濟的進一步發展縮減了南方地區稻田面積，不同水稻種植區的區域優勢明顯改變。由于氣候變暖對水稻區劃和稻作系統的改變，如未來中稻面積的擴展，而中稻對溫度變化最為敏感，這勢必會進一步加重溫度升高對我國水稻生產的不利影響，危及到國家糧食安全。

2.4 稻米品質對氣候變暖的響應特征

隨著人類對生活質量要求的提高，優質稻米的需求也越來越大。溫度變化會顯著影響稻米品質的優劣，水稻籽粒直鏈淀粉和蛋白質含量是氣溫升高后響應最為敏感的參數[26-30]，增溫顯著降低了直鏈淀粉含量，提高了淀粉顆粒平均粒徑，并顯著增加了蛋白質含量[28]。這種淀粉和蛋白質含量的變化會使得稻米在加工過程中易碎，降低稻米的碾米和外觀品質，導致糙米率、精米率和整精米率等顯著降低，同時增加稻米的堊白度[26]。Lin 等[29]發現，稻米營養品質對氣溫升高同樣敏感，增溫使水稻籽粒中淀粉、貯藏蛋白、脂肪酸等營養成分出現顯著變化。增溫還會增高稻米淀粉的峰值黏度、熱漿黏度、最終黏度、崩解值和糊化溫度，降低食味品質[30]。

作者前期研究發現，生長期內氣溫升高可影響水稻籽粒形成，同時，氣候變暖改變了水稻生育進程，進而導致水稻生育期內發生極端溫度，且發生階段及持續時長也發生了變化[20,22-23]。通過人工氣候室試驗發現[26]，抽穗后第2 周是溫度對稻米品質形成產生影響的關鍵時期。溫度升高，水稻精米率、整精米率、籽粒長寬比顯著降低；堊白率、堊白度和堊白粒率均顯著增加；糊化溫度和蛋白質含量均顯著增加，而直鏈淀粉含量降低。楊陶陶等[31]的田間開放式增溫試驗研究認為，花后增溫雖導致早、晚稻的外觀品質變差，但對晚稻的加工品質有改善作用，同時一定程度提高了早、晚稻的營養品質，如蛋白質含量的提升。通常極端溫度對水稻品質的影響更多是在籽粒形成關鍵期，是籽粒灌漿與物質積累發生不可逆改變而形成的。當水稻灌漿期日均溫度超過臨界閾值（＞33 ℃）時，會對水稻產量和品質造成不利的影響[26]；而水稻灌漿期若遭遇極端低溫也會降低水稻籽粒品質[32]。總體來看，氣候變暖對稻米品質的影響弊大于利，優質水稻的生產中需要重視研發與推廣應對氣候變化的稻作措施。

3 應對氣候變暖的氣候智慧型稻作技術創新建議

雖然近年來國內外已經就氣候變暖對作物生產的綜合影響及其應對措施進行了大量研究，基本闡明了氣候變暖的趨勢和作物生育期與生產力的響應特征，并針對性地研發了一些適應性種植技術和應對策略。但是，具體區域和作物對其生長季未來氣候變暖的響應與適應認識至今仍存在較大的不確定性，在適應性生產和應對策略層面仍缺乏整體性應對技術，急需開展系統性理論研究和區域適應性關鍵技術與模式創新。

首先，在作物對氣候變暖的響應與適應理論研究層面，今后應進一步加強田間實證研究與區域模型分析的綜合。現有的研究多集中在模型分析和歷史數據挖掘層面，不多的田間實證研究也主要側重于溫度變化單一因素。但是，事實上氣候變暖不是單一的平均溫度變化，還包括極端性天氣、降水變化，以及伴隨的大氣組分變化，尤其是大氣CO2和近地表O3等變化。因此，氣候變暖對作物生產的影響是多因子的綜合，需要田間綜合實證和多因子模型挖掘，以闡明氣候變暖乃至氣候變化對作物生產的綜合影響，降低對未來認識的不確定性。

其次，在研究內容與方法及手段方面也急需創新。已有的研究多集中在作物生育期和生產力方面，對社會日益關注的作物產品品質及其安全性的研究還非常不清楚，研究內容和目標難以滿足我國農業提質增效和綠色發展的新要求。在研究對象方面，現有研究多集中在主要糧食作物，且多針對少數品種類型。但是，氣候變暖對非糧食作物的影響也非常突出，而且同一作物類型的不同品種差異也非常顯著。過少的作物類型和單一品種的研究，很難滿足適應性技術和應對策略的創新需求。在研究方法與手段層面，尤其是田間實證研究方面，目前多停留在單一因子，部分涉及到兩因子，急需創建多因子綜合的田間設施，以及相應的綜合模型，提升研究手段和方法，模擬真正的氣候系統。

最后，在應對氣候變暖的水稻生產技術與模式方面，我們還多側重在策略上，關鍵技術的系統集成不夠，應對技術的適應性和實用性不足。水稻生產應對氣候變暖應該考慮多個層面，包括如何提升水稻生產系統的適應能力，以降低氣候變暖對水稻有效供給和糧食安全的影響；同時還應該包括如何促進稻田土壤有機碳固存與溫室氣體減排的協調，尤其是CH4氣體減排，為減緩氣候變暖做貢獻，創建氣候智慧型農業[33]。

基于已有研究，作者對氣候智慧型稻作技術體系的構建提出以下建議：一要加強氣候變化的預警預報能力建設、高標準生態稻田建設、豐產抗逆水稻品種選育及抗逆稻作技術配套創新，提升稻田生態系統對氣候變暖的綜合適應能力，實現水稻周年豐產穩產優質安全；當前的氣候變化并不是一個均勻的增溫過程，頻發的極端氣候災害事件增加了農業生產的風險，需要設立極端天氣預警預報體系，如強降水、季節性干旱、極端變溫等自然災害的提前預警，可降低災害風險，同時政府牽頭建設現代化農田，完善稻田生產設施，選育豐產抗逆水稻品種，并配套現代化稻作技術，普及生態友好型的稻田生產方式[34]。二要加強水稻生產系統及稻田生態系統的優化與布局，促進產業鏈延伸和農產品提質增效，實現農業增效和農民增收。如熱量資源的增加以及優質稻米需求的提升，在東北地區可適度擴大水稻的生產，并推廣生長周期長的優質稻米品種，生產優質稻米，同時建設稻米產業集群，打造品牌，增加經濟效益[11,35]。三是要重視稻作區土地利用規劃、稻田土壤有機質提升和農用化學品增效減量，提高農業系統尤其是農田土壤有機碳固存能力，盡量降低農業源溫室氣體排放；可根據各稻作區實際情況開展適宜的配套栽培耕作措施，如雙季稻區可實施冬季綠肥覆蓋、石灰改良劑等保護性措施，推廣秸稈還田、間歇灌溉等節約型農藝措施，同時擴大測土配方和精準施肥的推廣力度，發展固碳減排的稻作模式[36-38]。筆者認為，氣候智慧型稻作技術體系包括三大模塊，即水稻生產力提升技術（適應性栽培技術）、土壤有機碳固存技術和稻田溫室氣體減排技術，通過技術集成，進行模式創新，實現保障糧食安全、改善稻農生計和減緩氣候變暖共贏，促進水稻產業可持續發展。