文章信息
文章标题：Phenological Adaptation Is Insufficient to Offset Climate Change-Induced Yield Losses in US Hybrid Maize
标题译文：物候适应性不足以抵消气候变化造成的美国杂交玉米产量损失
发表期刊：Global Change Biology
在线日期：2024.10.21
通讯作者：Patrick S. Schnable
作者单位： 爱荷华州立大学
研究背景
气候变化，特别是气温升高，预计将通过影响玉米的生长发育来降低其产量。以往的研究使用作物生长模型(CGMs)预测，通过调整种植日期、开花时间和成熟期，可以减轻甚至逆转产量损失。目前作物生产过程中适应气候变化常用策略可以概括为3种：回避（avoidance：寻求降低作物经历胁迫的频率或严重程度，特别是在非常敏感的发育阶段）、补偿（compensation：通过增加达到生理成熟所需的积温来解决温度驱动的发育加速问题）和耐受（tolerance：减少胁迫源对产量的负面影响）。
回避和补偿策略多为物候适应，如改变种植、开花或成熟日期，补偿策略还包括增加达到生理成熟所需的积温；耐受策略包括生理、分子或发育等方面的机制来减少胁迫对产量的负面影响。目前完全的补偿策略实证和历史依据不足，耐受策略在气候变化文献中研究较少，而回避/补偿综合策略虽受关注但效果存在争议，其效果评估取决于三个假设。文章检验了这些预测的三个假设：气候是否推动了历史物候趋势、CGM集成是否提供了在高温下产量的无偏估计、以及温度对产量的影响是否是物候与环境相互作用的涌现属性。
主要结果
美国玉米带物候趋势
1981-2022年，植日期在2005年之前有提前趋势，之后推迟；吐丝日期逐渐提前；成熟日期无明显趋势；营养生长阶段先延长后缩短；生殖生长阶段呈增加趋势；生长季长度（GSL）先增加后减少。
无霜期和积温趋势
1983-2013年部分地区无霜期和有效积温（GDD）积累增加，胁迫积温（HSDD）也有增加，CMIP6的五个GCM集合在SSP1-2.6、SSP3-7.0和SSP5-8.5情景下也有类似无霜期趋势。
积温和物候适应
回避策略提前种植不改变GDD导致种植和成熟日期提前、GSL缩短；回避/补偿策略提前种植且增加GDD使种植提前成熟推迟、GSL增加；最优周期策略灵活操纵种植和成熟日期，种植最早成熟增加、GSL在某些情景下增加小于回避/补偿策略。三种策略相对对照播期下GDD增加（回避策略弱），HSDD仅调整种植日期减少，涉及改变GDD的两种策略增加，与历史参考期相比HSDD相对水平都增加。
未来产量和适应策略
经验模型预测SSP1-2.6情景下产量损失25-30%，本世纪中叶和末在SSP5-8.5情景下分别损失50%和60-80%。三种适应策略益处不大，SSP1-2.6情景下无差异，变暖增加可识别差异，提前种植和收获有一定益处，其他两种策略损失更大，所有处理组合95% 置信区间重叠，变暖对产量有显著负面影响。
热耐受性的遗传变异影响
计算三个阶段杂交种（1934-1943、1973-1984 和 2005-2014）加权温度响应函数，2005-2014杂交种对中度胁迫温度耐受性最高、对严重胁迫温度耐受性最低。
结果模式与平均杂交种相似，即提前种植日期会使产量损失略小，但到2100年平均损失仍在25-80%之间，取决于变暖程度。最早的合成杂交种（1934-1943）表现通常优于其他合成杂交种，在适应策略中，回避是所有合成杂交种中略优的策略，但仍会产生显著产量损失。
文章图表
图 1：美国玉米带物候趋势
图 2：无霜期和无霜热时间的预计趋势（2015 - 2099 年）
图 3：改变玉米物候的策略
图 4：不同适应策略和气候变化情景下生长季和暴露变化（2040 - 2099 年）
图 5：温度对玉米产量的影响及未来产量预测
图 6：不同杂交种的温度响应和产量预测
作物生理生态
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