中国南方水稻系统未来的气候适应能力：双季种植在保障水资源和粮食可持续性方面优于单季种植

《Agricultural Systems》：Future climate resilience in rice systems of southern China: Double-cropping outperforms single-cropping in water-food sustainability

气候变化背景下双季稻与单季稻系统响应差异及适应性策略研究，基于CMIP6多情景气候预测和SWAT模型整合遥感数据，揭示双季稻在升温及CO?富集下早稻受益显著且晚稻抗热性优于单季稻，系统整体更优。

　　气候变化正在深刻地改变全球农业生态系统，尤其对粮食生产和区域水文循环产生了显著影响。在这一背景下，中国南方的亚热带季风区正经历着由双季稻系统（DCRS）向单季稻系统（SCRS）的转变，这种变化与全球气温升高和大气二氧化碳浓度上升的双重趋势相互交织，从而重塑了当地的农业生产格局和水资源利用方式。研究发现，随着气候变化的加剧，双季稻系统和单季稻系统在应对未来气候条件时表现出截然不同的适应性，这为制定更具韧性的耕作策略提供了重要参考。

双季稻系统通常指在同一块农田中连续种植两季水稻，一般包括早稻和晚稻。这一系统需要更多的热量和水资源投入，因此主要分布在中国长江中下游地区及其南部。相比之下，单季稻系统仅在一个生长季内种植一次水稻，其种植面积近年来显著扩大。这一转变主要受到城市化进程、劳动力成本上升、水资源短缺以及极端天气事件频发等因素的影响。例如，在1980年至2019年间，早稻和晚稻的种植面积减少了约43%，而单季稻的种植面积则几乎翻倍，这种变化引发了对未来粮食安全的担忧。

气候变化带来的挑战不仅体现在气温的上升上，还包括降水模式的变化、极端天气事件的增加以及土壤水分条件的不稳定。这些因素对水稻的生长周期、产量和水资源利用提出了新的要求。研究表明，水稻对二氧化碳浓度和气温的变化非常敏感，而中国作为全球最大的水稻生产国和消费国，其水稻产量占全球总产量的近30%。因此，确保中国水稻系统的可持续性和稳定性对于全球粮食安全至关重要。

面对这些挑战，科研人员正在积极探索适应性更强的耕作模式和农业技术。例如，通过整合遥感技术和水文模型，研究人员开发了一种能够精确反映水稻种植结构的模拟框架。这种框架不仅能够识别不同耕作系统，还能够评估其在不同气候条件下的响应。同时，结合多情景的CMIP6气候预测数据，研究团队还构建了一个综合评估系统，以分析双季稻系统和单季稻系统在不同气候条件下的表现差异。

研究发现，在高排放情景（如SSP5–8.5）下，单季稻系统的产量可能会受到显著影响，其产量损失可达29.9%。这一结果主要归因于高温导致的生长周期缩短。相比之下，双季稻系统表现出更强的气候适应能力：早稻在高二氧化碳浓度和增加的热量积累下能够实现稳定的产量增长，而晚稻虽然对高温更加敏感，但在适度升温的条件下仍能维持较高的生产力。整体来看，双季稻系统在平衡水资源投入与粮食生产方面具有系统性的优势。

这些研究结果强调了在未来的水稻生产系统中融入气候适应性的重要性。推动双季稻种植实践不仅有助于提高区域的粮食-水资源可持续性，还能增强农业系统的韧性。此外，研究还指出，传统的作物模型如CERES-Rice和APSIM虽然能够模拟关键的生理过程，如热量积累和二氧化碳施肥效应，但它们主要适用于田间点状模拟，难以全面评估区域水文过程和不同耕作系统的空间差异。因此，开发适用于大区域的综合评估模型，如SWAT，对于准确预测未来气候变化对农业的影响具有重要意义。

SWAT模型是一种广泛应用于流域尺度的水文-作物耦合模型，能够整合作物产量、水文过程和灌溉需求的模拟。通过将遥感数据与SWAT模型相结合，研究人员开发出一种能够更精确反映水稻种植结构的模拟框架。这种框架在验证过程中表现良好，适用于中国南方的山地水稻种植区。在此基础上，研究团队进一步整合了多情景的CMIP6气候预测数据和动态二氧化碳浓度模块，构建了一个更加全面的评估系统。

该评估系统不仅能够分析不同气候条件下的水稻产量变化，还能深入探讨关键水文过程的变化。例如，研究团队在Zishui河流域（ZRB）这一典型的山地水稻种植区，系统地评估了双季稻系统和单季稻系统在不同气候情景下的表现差异。ZRB位于中国湖南省中部，是洞庭湖系统的主要支流之一。该流域地形从西南向东北倾斜，地貌多样，包括高山、深谷、山间盆地、低山和丘陵等。这些地形特征使得该区域的水文过程具有高度的空间异质性，因此需要更加精细的模型来准确模拟。

在未来的气候条件下，ZRB地区的生长季将变得更加温暖，同时水文条件也更加不稳定。降雨模式的变化尤为显著：在高排放情景下，早季的降雨量可能减少或保持稳定，而晚季的降雨量则可能增加。这种时间上的变化导致水资源供应与作物需求之间的同步性降低，特别是在水稻的生殖和灌浆阶段，这种不匹配可能对产量产生负面影响。此外，随着气温的升高，水稻的蒸散发（ET）过程可能加剧，从而增加对灌溉的需求。

研究团队通过多情景的气候预测数据，模拟了不同气候条件下的水稻产量和水文响应。结果显示，在高排放情景下，双季稻系统在维持产量方面具有更强的适应能力，而单季稻系统则表现出更高的脆弱性。这些结果不仅为水稻种植模式的优化提供了科学依据，还为区域农业政策的制定提供了重要参考。通过分析不同气候情景下的水文过程，研究人员能够更好地理解水资源供需的变化趋势，并据此提出相应的管理策略。

此外，研究还强调了未来农业系统在应对气候变化时需要综合考虑多种因素，包括气候变化的强度、频率以及持续时间。例如，高二氧化碳浓度可能在一定程度上缓解高温对水稻生长的负面影响，但这种缓解作用是否能够抵消其他不利因素，仍需进一步研究。同时，研究团队还探讨了不同气候情景下水稻生长周期的变化，以及这些变化对作物产量和水资源利用的影响。

研究结果表明，双季稻系统在维持水稻产量和水资源利用之间具有更好的平衡能力。这种平衡能力主要源于双季稻系统能够利用更多的热量和水分资源，从而在高温条件下维持较高的生产力。相比之下，单季稻系统由于种植周期较短，可能更容易受到高温和降水模式变化的影响。因此，在未来气候变化背景下，推广双季稻种植模式可能是一种有效的适应策略，有助于提高区域粮食-水资源的可持续性。

研究团队的这一成果不仅为水稻种植模式的优化提供了科学支持，还为农业政策的制定提供了重要参考。通过结合遥感技术、水文模型和气候预测数据，研究人员能够更准确地评估不同耕作系统在不同气候条件下的表现差异，并据此提出相应的管理建议。此外，研究还强调了未来农业系统在应对气候变化时需要更加系统化的管理方式，以确保粮食生产的稳定性和可持续性。

总体来看，这项研究为理解气候变化对水稻种植系统的影响提供了新的视角，并为制定适应性更强的农业政策提供了科学依据。通过整合多种技术手段，研究人员能够更全面地评估不同气候情景下的水稻产量和水文响应，从而为未来农业的发展提供有力支持。研究结果表明，双季稻系统在应对气候变化方面具有更强的适应能力，这为推动农业系统的可持续发展提供了重要参考。