北师大张朝教授团队发文揭示中国水稻产量停滞需要通过品种和管理改进来克服

文章题目：Stagnating rice yields in China need to be overcome by cultivars and managament improvements

发表期刊：Agricultural Systems

影响因子：6.1

通讯作者：张朝 教授

第一单位：北京师范大学

在线日期：2024-09-04

随着全球人口的持续增长，全球粮食需求预计将在2050年之前翻倍。水稻作为全球一半人口的主食，其生产对于全球粮食安全至关重要。中国是世界上最大的稻米生产国，占全球稻米供应的28%，年产量达到2.06亿吨。然而，自2000年以来，全球水稻产量增长率逐渐放缓，年增长率仅为1%。这种放缓趋势在中国的主要水稻种植地区表现尤为明显，部分地区甚至已达到产量上限，进一步威胁粮食供应和全球粮食安全。

水稻的潜在产量是指在最优条件下（如水分、养分、杂草等方面不受限制的情况下）每单位面积的最大产量，它是衡量增产潜力的重要指标。潜在产量与实际产量之间的差距通常被称为产量缺口，这一差距可以通过田间试验、作物模型模拟等方式进行估算。然而，许多研究指出，水稻种植区域的产量动态存在较大的不确定性。例如，在中国东北地区的潜在产量研究中，既有增加趋势的报道，也有下降趋势的发现。这种不一致性使得全面了解水稻产量增长的潜力变得更加复杂。

气候变化对水稻生产产生了显著影响，尤其是在近几十年，极端天气事件的频发、太阳辐射的减少以及温室效应的增加对水稻产量产生了负面影响。尽管气候变暖提高了水稻的积温需求，但总体而言，气候变化仍然给水稻生产带来了重大挑战。尤其是在中国南方的水稻主产区，持续的高温和极端天气对水稻产量的负面影响更加明显。

与此同时，技术进步，特别是水肥管理技术和品种改良技术的推广，在缓解气候变化负面影响方面起到了重要作用。近年来，改良的水稻品种、杂交水稻和更高效的管理措施使得水稻生产在气候不利的情况下仍保持了较为稳定的产量。然而，关于技术进步对产量增长的贡献程度，目前的研究结果尚不一致，部分研究高估了技术进步的作用，而忽略了气候变化的影响。因此，准确区分气候变化与技术进步对水稻产量增长的贡献，是确保未来粮食安全的关键。

此外，尽管施用氮肥等肥料有助于提高作物产量，但过量使用肥料已导致土地退化、环境污染和成本增加等问题。研究表明，优化肥料和水资源的使用效率，尤其是在高产地区，是提高产量可持续性的重要途径。而在中国，由于种植系统的差异和地区气候条件的变化，不同区域的技术投入产出效益存在显著差异。因此，明确不同地区的水稻产量增长潜力，优化技术投入，是中国乃至全球应对粮食安全问题的重点。

综上所述，尽管全球和中国的水稻生产面临着气候变化的巨大挑战，但技术进步仍为进一步提高产量提供了潜在的解决方案。因此，研究在不同地区和气候条件下，气候变化与技术进步对水稻产量的影响，是确保粮食生产稳定和全球粮食安全的当务之急。

本研究旨在通过对1981至2018年中国主要水稻种植区潜在产量、实际产量及其差距的分析，探讨气候变化和技术进步对水稻产量增长的贡献。同时，研究还比较了品种改良与水肥管理两种关键农业实践对提高水稻产量的相对效果。具体目标包括：（1）评估水稻增产潜力；（2）阐明气候变化和技术进步对产量增长的贡献；（3）比较品种改良与水肥管理在增强产量可持续性方面的效果。

1. 研究区域

研究涵盖了中国六个主要水稻种植区，划分为单季稻和双季稻种植系统。这些区域占中国水稻产量的90%以上。

2. 数据来源

研究使用了1981至2018年中国205个农业气象站的水稻田间试验观测数据，这些数据包括水稻物候期、管理措施、土壤特性和气象数据。

3. 模型校准与验证

使用CERES-Rice模型模拟1981至2018年的水稻潜在产量，结合田间试验数据进行校准和验证。

4. 情景模拟

研究设计了三个情景模拟：（S1）最佳情景（无水肥限制）、（S2）当前品种在最佳管理下的产量、（S3）最佳品种在当前管理下的产量。通过这三种情景，计算由于品种或管理导致的产量差距。

5. 气候和技术贡献计算

通过Mann-Kendall检验和Sen’s Slope方法，分别计算气候变化和技术进步对水稻产量的贡献。

1. 全国水稻产量潜力及实际产量的变化趋势

从1981年至2018年，全国水稻的潜在产量（Yp）和实际产量（Ya）有明显的地域差异，且不同地区的产量缺口（Ygp）变化显著。2018年全国单季稻和双季稻的潜在产量分别为11.1吨/公顷和7.1吨/公顷，产量缺口（Ygp）平均为3.0吨/公顷，约为潜在产量的27%。虽然2018年全国实际产量已达到潜在产量的73%，但仍低于预期的75%-80%范围，表明未来产量提升可能存在停滞风险。

不同农业生态区的产量潜力和产量缺口存在显著差异。东北平原（NECP）地区的实际产量最高，为8.2吨/公顷，潜在产量为13.3吨/公顷，产量缺口达4.5吨/公顷，占潜在产量的33%。相较之下，长江中下游地区（NMLRYR）的产量缺口最低，为2.1吨/公顷，仅占潜在产量的20%。

尽管实际产量在各地区均呈现显著增加趋势（每年13.9至60.6 kg/公顷），但潜在产量的趋势因地区而异，既有增加趋势，也有减少趋势。例如，东北平原的潜在产量以每年20.0 kg/公顷的速度增长，而长江中下游地区的单季稻和南部双季稻区的潜在产量则分别以每年-27.9 kg/公顷和-16.9 kg/公顷的速度下降。随着实际产量的增加，74%的地区产量缺口有所缩小。

2. 气候变化和技术进步对水稻产量的贡献

研究通过分离气候变化和技术进步的影响，揭示了不同地区水稻产量增长的驱动因素。气候变化对全国水稻产量的总体影响为负，每年减少2.6 kg/公顷。然而，这一影响在各地区存在显著的空间异质性。例如，气候变化对东北平原和四川盆地的单季稻具有积极贡献，分别为46%和63%；而在南方双季稻区（SMLRYR）和长江中下游地区的单季稻区，气候变化的影响则为负，分别为-82%和-46%。

全国范围内，技术进步对水稻产量增长的贡献为正，每年增加37.3 kg/公顷。特别是在长江中下游地区，技术进步（每年增加63.0 kg/公顷）成功抵消了气候变化的负面影响。而在技术贡献较小的四川盆地，其技术进步贡献仅为每年5.1 kg/公顷。

3. 品种改良和水肥管理对产量增长的相对贡献

研究进一步分析了品种改良和水肥管理对水稻产量增长的相对贡献。从全国范围来看，水肥管理和品种改良对产量增长的贡献基本相当，水肥管理的贡献为54%，而品种改良的贡献为46%。在主要水稻产区，品种改良的贡献超过了水肥管理。例如，在东北平原和长江中下游地区，品种改良对产量增长的贡献分别为57%和61%。而在其他地区，如南方双季稻区，水肥管理对产量增长的贡献较大，达到62%-66%。

4. 关键环境因素与气候贡献的关系

气候变化对水稻产量的影响因环境因素而异，最大温度和最小温度与气候贡献呈显著负相关，气温较低的地区（最大温度低于24°C，最小温度低于14°C）气候对产量有积极贡献，而在温度较高的地区，气候变化对产量的影响为负，主要是由于高温导致的热应激增加和水分蒸发加剧。年累计降水量与气候贡献呈负相关，降水量在500-600毫米之间的地区气候贡献最高，而降水量超过700毫米的地区，气候变化对产量的负面影响显著。太阳辐射与气候贡献呈正相关，辐射水平超过2900 MJ/m²时，气候变化对水稻生产的正面影响更加明显，表明更高的太阳能输入能够促进作物的光合作用，从而增加产量。

5. 产量增长的瓶颈

研究结果还显示，在高产地区，技术进步的边际效益出现了下降趋势。当实际产量超过8000 kg/公顷时，技术进步的贡献明显减少，表明在高产地区，现有技术已经接近其潜力。此外，随着氮肥使用量超过300 kg/公顷，氮肥的边际效益也呈现出递减趋势，这意味着氮肥过量施用并未带来相应的产量提升，反而可能造成环境问题。

研究结果表明，中国水稻产量的增长受到了气候变化和技术进步的双重影响。尽管气候变化在某些地区产生了负面影响，但技术进步，尤其是品种改良和水肥管理的优化，有效抵消了这些负面影响，推动了全国范围内水稻产量的持续增长。