文章标题：Quantifying the impact of climate change and extreme heat on rice in the United States
标题译文：量化气候变化和极端高温对美国水稻的影响
发表期刊：Agricultural and Forest Meteorology
在线时间：2024-7-11
通讯作者：David H. Fleisher
作者单位：美国农业部农业研究局
文章要点
水稻生产受到高温和水分供应的影响。
利用模型方法在地理空间层面上评估气候变化的影响
水稻产量变化与颖花结实率降低和生育期缩短有关。
二氧化碳对水稻减产的抵消作用因地点和栽培品种而异。
基于地区特点制定的管理和育种适应策略将会提供有力的帮助。
研究内容
美国是全球第四大水稻出口国，其出口的大米约占世界贸易量的 10%。然而，与气候变化和水资源供应相关的问题给美国水稻生产带来了严重挑战。进一步的气候变暖可能使得籽粒灌浆期的气温超过最佳阈值，影响产量和质量。同时，美国一些主要的水稻生产州如阿肯色州和加利福尼亚州的水资源供应问题尤为严重。鉴于美国水稻生产的经济意义，在考虑空间变化影响的同时，评估气候影响和识别环境制约因素对于制定指导方针以改善水管理和实施有效的避热和育种策略至关重要。
在全球和地方气候变化影响的评估中，基于过程的作物模型是一个广泛使用的工具，它能评估作物对二氧化碳、温度和水分供应的反应之间的相互作用和关系。然而，当前的研究结果往往相互矛盾，这可能与气候变化预测值的不确定性以及所选作物模型准确再现温度和水胁迫反应的能力有关。最近发布的第六次耦合相互比较项目（CMIP6）采用了空间分辨率更高的先进气候模式，减少了气候变化预测的不确定性。然而，模式相互比较研究也表明，当单个模式的科学基础得到改善时，减少集合中的模式数量有可能降低不确定性。
ORYZA（2000）是一种基于生理学的水稻模型，可模拟生长、发育、生物量分配以及土壤水分和氮素平衡。然而，现有的水稻模型可能无法充分反映现代作物品种和管理实践，特别是在考虑高温胁迫对水稻产量的影响方面存在限制。本研究使用改进版的ORYZA模型和CMIP6气候模型，旨在评估气候变化对美国主要水稻种植区水稻产量和用水的潜在影响。研究目标包括：（1）评估气候变化对水稻产量的影响，特别是不同栽培品种在耐热性方面的差异；（2）分析高温影响的产量损失与颖花结实率之间的关系；（3）以及调查气候变化对水资源使用的影响。
作者将多个CMIP6 气候模型的预测结果(UKESM1–0-LL, BCC–CSM2-MR, CNRM-ESM2–1) 与地理空间数据和优化的ORYZA 作物模型版本 (对物候学、高温胁迫、气体交换和能量平衡模块进行了修订更新) 相联系，利用四个地区特定的耐高温与热敏感水稻栽培品种，评估了未来气候变化对产量和水分利用效率 (WUE) 的影响。
研究发现：
预计在2040和2070年代，气温升高将使产量分别减少12~25%和22~41%，其中加利福尼亚和密西西比河三角洲北部受影响最大。
预计到2070年代，大气中升高的二氧化碳将弥补18-42%的产量损失，并有望减轻气温升高对耐高温品种的大部分负面影响。然而，在同一时期，热敏感品种仍然会减产1%到5%。
在SSP585情景下，2070年代品种差异尤为明显，耐高温品种产量比热敏感品种高出12%。预测产量损失的很大一部分源于花期高温胁迫导致的颖花结实率下降，因此，培育耐热性和高产性状是一种潜在的气候适应策略。
如果二氧化碳不升高，到2040年代，水分利用效率可能下降14~25%，到2070年代下降23~42%。在二氧化碳升高的情况下，这些水分利用效率的减少将会得到缓解，分别为-3%~7%(2040s)和-4%~8%(2070s)。
这项基于模型的研究就气候对水稻潜在产量和用水量的预测影响提供了独特的空间评估，并强调了整合作物基因和特定地区适应策略以保持水稻可持续生产的必要性。
图 1. 研究区域的美国六个州（2010）历史上收获水稻的每个 0.125° 网格单元的相对空间比例（0 至 1）。模型模拟仅在每个网格的这一比例区域内运行。
图 2. 在 SSP245 和 SSP585 气候变化情景下，CLXL753、Wells、M206 和 CH20l 栽培品种在2040年代和2070年代相对于基线（2000 年代）的预测产量变化百分比（%）。
图 3. 与2000年代基线相比，在SSP245和SSP585情景下，2040年代和2070年代颖花结实率对开花期高温胁迫反应的百分比变化（%）。
图 4. 在 SSP245 和 SSP585 情景下，对所有水稻种植区的平均而言，2040 年代和 2070 年代最高气温增加对水稻产量的影响百分比变化 (%)。红色：仅在环境大气二氧化碳水平下的全球变暖；绿色：在 494-577 ppm CO2 水平下的全球变暖；紫色：在 809 ppm CO2 水平下的全球变暖。每个数据点是每个气候模式的平均产量变化。
图 5. 在有/无额外CO2 的条件下，2040 年代和 2070 年代所有水稻种植区水稻产量随颖花结实率变化的平均值（%）。数据点是每个气候模型模拟的水稻产量在不同地区的平均变化百分比。红线为环境 CO2；蓝线为高浓度 CO2。
图 6. 在环境温度和 CO2 升高的 SSP245 和 SSP585 气候变化情景下，2040 年代和 2070 年代 CLXL753、Wells、M206 和 CH20l 品种的 WUE 相对于基线（2000 年代）的百分比变化（％）。
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