作者:周丰等 来源:《自然—食物》 发布时间:2023/5/18 9:30:24
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极端降水,让中国一年损失一个安徽省水稻产量

 

提起极端降水,你可能会联想到近年来北京特大暴雨、河南特大暴雨带来的生命财产损失。极端降雨对农业会有什么影响呢?

现在,北京大学城市与环境学院教授周丰团队与国内外合作者通过控制试验、联网观测、模型模拟等多种方法发现,极端降水可造成全国年均水稻减产约8%,这相当于全国水稻产量排名第六的安徽省一年的水稻总产量。相关研究近日发表于《自然—食物》。

“极端降雨造成的潜在损害令人担忧,尤其是考虑到中国和全球的极端降雨究竟会增加多少具有巨大的不确定性。”哈佛大学Jonathan Proctor在该刊同期发表的新闻观点文章中评价。

64场人工降雨

五年前,付瑾从德国弗莱堡大学毕业加入周丰课题组时,没想到会有机会体验一把“工程师”的感觉。

为了解析极端降雨对水稻的影响,周丰交给她一个任务,与同门师弟师妹在湖北荆州搭建一个人工降水试验平台。在多年的碳氮循环研究中,周丰发现极端降水会影响作物的碳氮循环,这让他决定通过水稻进一步了极端降水对粮食产量的潜在影响及其机制。

作为我国第一大粮食作物,水稻通常被认为对极端降水的耐受性较强,但其具体影响并不清楚。荆州气象站300平方米的水稻田成了该团队的实验场。

给水稻进行人工降雨,并非简单意义上用水管对稻田进行直喷。为了精确的实验结果,长期“泡实验室”的“书生们”跟自己杠上了。

他们把试验场划分为40个小区,模拟不同降雨强度和降雨量对水稻生长和产量的影响。为了将降水尽快排出田块,他们依据地势设计了排灌系统。小区间的田埂泡水时间长会塌陷,他们就在其上搭建栈桥,让设备在田垄间移动自如。

为了让最关键的降水设备更好地模拟自然降水过程,他们更是一家家公司参观学习,最后组装了长度20米的钢网水管实现按需降雨。“依据我国水稻种植区历史极端降水特征,我们的设备设置了4个不同降水梯度,可以精确地模拟自然界的降雨量。”论文第一作者付瑾向《中国科学报》介绍。

人工降水设备,可更精确地模拟自然界降水。受访者供图

2018年6月的水稻分蘖期,付瑾与同伴们顺利完成了第一场人工降雨。三个月来从早到晚废寝忘食“累到麻木”的赶工在那一瞬间被满满的喜悦和成就感取代。

“周老师总说,做研究不是坐在办公室里空想。我们下了田才发现做实验并非所有的事情都能按照预想的来,也会遇到水管崩裂、仪器罢工、数据一遍遍收集等各种琐碎的事情,很考验人的心态。”论文共同第一作者、周丰课题组博士生菅艺伟说,有一次,他们为了一个实验数据,在田里干到夜幕降临,等到当天工作全部结束才有时间在地头上一起草草定外卖吃饭。

“当问题最后被解决,实验过程中遇到的‘痛苦’,也会变成成就感。”她说。

在地头吃快餐的北大博士生们,右为菅艺伟。受访者供图

从2018年到2019年,她与同伴们多次往返北京-荆州,在夏天最炙热的水稻生长关键期开展64场降水控制试验,积累了详实的一手数据。

结合土壤碳氮研究与作物生理性状分析,他们发现极端降雨的确会导致产量损失增加。这主要包括两个关键影响机制:一方面,极端降水会通过生物物理过程降低受精而影响实粒数;另一方面,它会通过生物化学过程增加土壤氮损失,减少叶片氮吸收,造成水稻减产。

“极端降水会对给关键生育期的水稻带来直接影响,进而影响其产量。”论文通讯作者周丰向《中国科学报》表示,其中影响最严重的是在抽穗扬花期,极端降水会导致授粉困难,开花率下降,结实率降低;而灌浆期如遇到极端降雨则会减少实粒数,产生更多瘪谷。

“另外,在分蘖拔节期,这个时期正好与梅雨季节重叠,很容易通过径流和侧渗的方式让养分进入周边的沟塘系统。”周丰举例说,“基肥的比例一般是40%,按一般农田施肥量每公顷200公斤计算,径流和侧渗损失可达10%,相当于20公斤肥料,这将导致分蘖抽穗期养分损失而造成产量下降。”

在2018年和2019年人工降水等分析的基础上,研究团队在2021年开展的补充试验进一步证实,在极端降雨后施肥可以弥补氮损失,减轻营养期极端降雨的损害。

“这种机制解释是有价值的,它们增加了对结果稳健性的信心,并为潜在的适应策略提供了信息。”Proctor评价。

周丰(左二)、菅艺伟(前排)与同伴们在荆州试验田受访者供图

不容忽视的“忽视”

荆州的田间试验结果是否具有普遍性?周丰和团队进一步通过更大范围的联网观测以及过程模型等多种综合分析进行了验证。

以往,在研究极端气候对农业的影响时,科学家普遍关注高温、干旱和低温造成农作物减产,但对极端降水影响及其机制的认识十分有限。

“其中的一个难题是很难准确剥离出极端降水的影响信号。”论文共同第一作者、北京大学研究员王旭辉解释,研究提出了一种新方法——窗口搜索策略,可以最大程度地剥离各类极端气候事件影响,同时剔除了品种变迁、物候变化和常规气候变化等噪声的影响。

通过对中国气象局农业气象观测网络1999-2012年114个站点707个“对照-处理组”数据进行分析,结果分析发现,极端降水可造成水稻产量下降7.6±0.9%。

“这些站点覆盖从东北、华中地区的单季稻产区到华南地区的双季稻产区,具有较强时空代表性。”王旭辉说。

如何验证这一数据的准确性呢?他们进一步将极端降水的生物物理和生物化学机制纳入到作物模型,实现了对全国范围内极端降雨对水稻产量的影响更准确的判断和预测。模型模拟发现过去二十年极端降水会造成中国水稻减产8.1%。

多位国际审稿人认为,研究者采用从联网观测、田间试验到过程模型多种综合分析方法,产生了非常显著的一致性结果,具有重要的科学价值。它为更好地了解极端降雨事件如何影响水稻产量,以及今后其他的相关研究提供了一个新的范式。

由于我国南北各地极端降水水平并不一致,周丰介绍,这项研究用统一的百分数来定义全国各地的极端降水,即选用各个站点过去30年小时降雨数据的99%分位数,这个值在每个站点绝对值并不相同。

在此基础上,如果以极端降水每年造成7.6%的水稻产量损失估算,周丰表示:“极端降水造成的全国年均水稻减产总量约为1609万吨,相当于全国水稻产量排名第六的安徽省2021年水稻总产量。在过去的二十年里,极端降雨使中国的水稻产量减少了十二分之一。”

他表示,这说明极端降水造成的水稻减产可与极端高温相当,挑战了“极端降水的影响是可以忽略的”主流认识。

年轻的研究者在测量极端降雨后的光合作用生物量,即“源”的过程,相关数据被纳入新的研究模型。受访者供图

课题组的学生们在分析水稻中的碳氮含量,即“汇”的过程,相关数据被纳入新的研究模型。受访者供图

极端降雨仍在增加

通过梳理过去几十年间的极端降水历史,研究者发现,我国水稻主产区的极端降水量占总降水量的比例以每十年2.3%~2.9%的速度显著增加,主要集中在华南地区和长江中下游。同时,稻区极端降水呈现增强和增多的趋势,且水稻生长早期(分蘖期、扬花期)极端降水发生频率更高,以每十年5.1%~5.6%的速度增加。这可能会对水稻生长及产量造成重要的潜在影响。

“极端降水不仅会造成作物产量大幅减产,严峻时可能造成绝收。”周丰举例,2021年河南郑州“7·20”特大暴雨灾害就造成重大人员伤亡和财产损失,其中农作物受灾面积7.5万公顷,绝收面积4700公顷。由此可见,极端降水对农作物的影响不容忽视。

那么,如何应对极端降水带来的产量损失问题呢?

周丰表示,可以在分蘖拔节阶段采取补肥等措施,但当前城镇化背景下劳动力有限,很多年轻人在春节之后赶紧插秧、施底肥,就外出打工了,后面不会再追肥与补肥。在此背景下,或需通过改良品种,如培育抗强降雨倒伏、无需扬花就能授粉的水稻品种等缓解问题。

据介绍,目前,周丰课题组已在哈尔滨、盘锦、巢湖、孝感、高安等多地建立了全国农田生态系统观测网和极端气候控制试验平台,他希望进一步探索极端降水对小麦和玉米等其他主食作物的影响。(来源:中国科学报 冯丽妃)

周丰(前排左三)与团队里的青年们 受访者供图

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s43016-023-00753-6

 
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