增温与CO2浓度升高对冬小麦的协同影响效应及作用机制

The impact of global environmental changes on crop yields and their regards to national food security have been important issues in contemporary global change research. In past 30 years, numerous studies were carried out on the fertilization effects of elevated atmospheric CO2 and influence of rising temperature on crop yields. However, those studies usually focused on one of the two factors or considered them separately. The field experiment that aims at the joint effects of elevated CO2 and rising temperature on crop yields, especially under some specific climate change scenarios and with a background of realistic warming, is largely lacking. In this project we propose a composite experiments to investigate the response of winter wheat to the concurrent changes of atmospheric CO2 and temperature under the projected climate scenarios for the middle of this century. Our approach is to conduct contrasting experiments (control vs. manipulative) using the latest version of open-top chamber and infrared radiative heater. The proposed experiments will be designed and founded on the successes of pre-trials and operated for a period of four consecutive years. We pursue to understand the mechanisms that govern the growth and yield of winter wheat and its water consumption in response to the elevated CO2 and asymmetric warming between day- and night-time across different climatic years. We will ultimately extend our research to a quantitative evaluation about the impact of future global environmental changes on the winter wheat production in the irrigated areas of Northern China as a whole.

全球环境变化对农作物产量的影响，事关国家粮食安全，一直是现代全球变化研究的重要课题。近三十年来，针对大气CO2浓度升高的施肥效应以及气候变暖对农作物产量的影响开展了广泛的研究，然而，针对两者协同影响的试验研究还很欠缺，尤其缺少模拟特定气候变化情景、符合地表增温特征的CO2浓度升高与增温的复合影响试验研究。本申请拟以华北灌溉冬小麦为研究对象，采用新型开顶式气室与红外辐射器相结合，模拟预估的本世纪中后期CO2浓度和地表增温幅度，在前期预试验基础上，通过连续4年的对比试验，研究不同天气气候年型背景下昼夜非对称性增温与CO2浓度升高对冬小麦生长发育、产量和品质以及冬小麦耗水量的影响规律及其作用机制，以期定量评价未来全球环境变化对我国华北灌溉冬小麦生产的影响。

近三十年来的气候变暖已对世界农作物生产带来重要的改变，根据预测，至本世纪末全球平均气温将升高3.7～4.8 ˚C，地表气温与大气CO2浓度继续升高必将显著影响未来农作物的产量。项目以华北地区灌溉冬小麦为研究对象，采用开顶式气室与红外辐射器相结合，模拟预测的本世纪70年代增温与CO2升高情景，进行冬小麦全生育期昼夜非对称性增温和CO2浓度升高复合处理试验，着重研究华北灌溉冬小麦产量和品质对未来气候情景下增温和CO2浓度升高的复合响应及其影响机制，以求全面认识未来气候变化可能对我国华北灌溉冬小麦生产带来的影响。基于本项目4年试验结果并结合前期研究结果，我们发现，随着增温幅度的增加，气候变化对华北冬小麦产量的影响将发生转折，拐点的增温阈值介于日平均气温增幅1.7℃～2.4℃之间；比较温和的增温（日平均增温1.7℃以下）加上相应的CO2浓度升高（560ppm）对华北冬小麦总体上是利大于弊的，在该情景下冬小麦产量略有增加。当生长季增温幅度超过2.4℃时，冬小麦冬后生育期大幅前移（14～20天），冬后各发育阶段的平均温度不但没有升高反而下降（返青至成熟平均温度下降0.8～1.5℃），这使冬小麦在穗花发育阶段遭遇低温灾害的几率显著增加，4年中穗花发育阶段低温灾害均致使冬小麦穗粒数显著减少（-10～-31%），并普遍导致冬小麦减产（-2～-15%）；由于冬小麦生育期大部分阶段气温较低，以及由适应性推迟播种和冬后生育期前移导致的生育期太阳辐射量减少，使得CO2浓度升高对冬小麦生长的施肥效应并没有以前报道的高，600 ppm CO2浓度不能弥补2.4℃以上增温对冬小麦生长的负效应。研究结果同时表明，未来气候气候变化不会引起华北冬小麦的籽粒营养品质下降（蛋白质含量略有增加），也不会显著改变冬小麦全生育期需水量。本项目研究取得了未来气候变化情景下华北冬小麦产量和品质变化的实证结果，其研究结果为制定华北冬小麦生产应对未来气候变化措施提供了科学依据。