东印度-恒河平原小麦气候响应型最优播种窗口及生殖热损失调控

《Agricultural Systems》：Climate-responsive sowing strategies reduce reproductive heat losses in Eastern Indo-Gangetic wheat

　　

气候响应型播种策略可降低东印度-恒河平原小麦的生殖期热胁迫产量损失。灌溉与雨养小麦系统对播期变化表现出截然不同的产量响应。灌溉系统在不同农业气候区（agroclimatic zones）呈现出系统性差异的气候响应型最优播种窗口（optimal sowing windows）。气候响应型播种策略可减少生殖期热胁迫相关的产量损失，尤其在较暖农业气候区效果更为显著。在延迟播种条件下，灌溉使热胁迫相关产量损失降至雨养系统的一半左右。

全球粮食生产体系正承受气候变化、资源退化与人口增长的多重压力。经营面积通常不超过2公顷的小农户系统贡献了发展中国家90%的主粮产量，但因缺乏灌溉与技术支持而尤为脆弱。作为南亚“粮仓”，东印度-恒河平原（Eastern Indo-Gangetic Plains, EGP）集中了全球最高度的小农贫困问题。该地区农业灾害风险因季风不规律及极端高温而不断放大。小麦作为冬季（rabi）主要作物对热胁迫敏感：平均气温每升高1°C，产量下降5%–10%，至2080年代总产量可能减少40%。尽管优化播期是相对可及的适应策略，但现有研究缺乏对EGP不同农业气候区及灌溉与雨养系统差异的系统量化。因此，研究人员开展本研究，旨在确定播期响应在EGP不同农业气候区的变异规律，并评估播期变化对小麦产量与气候风险暴露的影响。

研究人员基于DSSAT（Decision Support System for Agrotechnology Transfer）平台中的CERES-Wheat（机理作物生长模型）开展研究。研究区域依据生长度日（growing degree days, GDD）划分为五个农业气候区（agroclimatic zones, AZs）。研究采用位于印度比哈尔邦Buxar、孟加拉国Dinajpur和尼泊尔Rupandehi三个试验站的已发表小麦田间试验数据进行模型校准与验证。气候数据来源于印度气象局（India Meteorological Department, IMD）和NASA-POWER数据库（1984–2020年），土壤数据来自Global High-Resolution Soil Profile Database for Crop Modeling Applications（v2.5）。模拟实验设置12个播期（11月1日至12月26日，间隔5天），对比灌溉（YI）与雨养（YR）情景。通过二次回归确定最优播种窗口（optimal sowing window），并采用平均绝对误差（mean absolute error, MAE）、归一化均方根误差（normalized root mean square error, NRMSE）和Willmott一致性指数（D值）评估模型性能。

3.1 播期对灌溉与雨养小麦产量的影响
研究人员首先利用三个试验站的小麦物候与产量数据验证CERES-Wheat模型，模拟与观测吻合良好：播种至抽穗与成熟的模拟天数MAE分别约为2.9天和4.5天，产量MAE为348.3 kg ha^-1，NRMSE为11.6%，D值为0.91。进而模拟1984–2020年五个农业气候区不同播期产量。结果显示，灌溉小麦产量（YI）随播期推进呈先升后降的二次曲线关系（R² ≥ 0.98，p < 0.001），多数区域在11月中旬至下旬（DOY 320–330）达最高长期平均产量；延迟至12月显著减产，hottest AZ5最大降幅1402 kg ha^-1。雨养小麦产量（YR）随播期延迟呈近似线性下降（R² ≥ 0.99），未出现内部最优，平均减产1532 kg ha^-1，负效应大于灌溉系统。

3.2 小麦对早播与延迟播种的产量响应
鉴于雨fed产量线性下降，后续分析聚焦灌溉系统。模拟表明，过早播种未必增产，可能与EGP部分田块季风后期土壤过湿、不利于整地有关。与最优播期相比，延迟播种一天的损失（-0.33% day^-1）大于提前一天的损失（-0.24% day^-1），因延迟缩短了生育期并叠加高温。从较冷AZ1到较暖AZ5，延迟播种的产量降幅递增，AZ5每日约损失0.6%（52 kg ha^-1），这与播期改变引起的气候暴露差异有关。

3.3 播期改变下全生育期的气候暴露
偏离最优播期显著改变作物发育与有利气候条件的同步性。延迟播种在整个生育期升高最高与最低气温，营养期（vegetative stage）与生殖期（reproductive stage）最低气温分别增加1–2°C和3–4°C；生殖期最高气温升幅在AZ1和AZ2可达5°C。伴随粒重与粒数下降，雨养条件下产量与高温呈负相关（R²最高0.9）。延迟播种还增加营养期降水，但显著降低全生育期太阳辐射，尤其生殖期。提前播种则降低全期温度并增加多数区域生殖期太阳辐射截获。通过量化生殖期三个亚阶段（早、中、晚）热胁迫日数（日最高气温>30°C），发现延迟播种使热胁迫急剧增加，后期亚阶段（late sub-stage，灌浆期）日数平均约为其他两阶段的三倍。雨养小麦产量随热胁迫日数线性下降（各亚阶段R²分别为0.38、0.36、0.17，均p < 0.01），平均每增加一日减产约84至192 kg ha^-1；灌溉小麦热敏感性较弱，表明灌溉降低了热胁迫的产量影响。

3.4 结合气候信息与最优播种时序
研究评估了气候变率对灌溉小麦最优播期（optimal sowing window）的影响。较冷区域（AZ1–AZ2）窗口更早更宽，较热区域（AZ4–AZ5）更晚更窄，且对阈值与方法选择稳健。湿润年型下窗口更早更宽；正常年型下较冷区域窗口更宽；干燥年型下最优播期推迟约12天且窗口更窄，表明产量对播期更敏感。总体表明，较冷条件提供更宽的高产适宜期，而较热区域温度窗口更受限，要求更精准的播期管理。

讨论指出，播期调整是EGP小农户可行的气候适应策略。研究确认最优播期因区而异，较冷区域更早更宽，较热区域更晚更窄。较热区域的较晚最优播期反映区域间局部最优的转移，而非持续延迟有益；继续延迟将增加生殖期热胁迫并收窄窗口，故静态播期建议不足以应对EGP内部气候波动。延迟播种的更大损失主要与热暴露增加有关：>30°C高温阻碍叶片扩展与生物量积累、增加蒸散发与需水量、降低光合效率并通过早衰缩短灌浆期。提前播种的较小惩罚可能源于抽穗成熟提前、避开后期热与水分胁迫及增加太阳辐射累积。灌溉与雨养响应的差异部分反映灌溉的缓冲效应；研究以概念图说明了灌溉通过水分供给与潜在降温影响产量，但未量化降温效应。实际农场条件介于充分灌溉与雨养之间，模拟响应应结合当地灌溉条件解读，并考虑季风后退土壤通行性、水稻收获与灌溉可及性等本地约束。该方法亦可推广至其他热量与水分受限麦区。

本研究识别出EGP小麦带五个农业气候区灌溉小麦独特的模拟最优播种窗口：较冷区域窗口更早更宽，较热区域更晚更窄，主要由气候条件塑造。雨养小麦呈相反响应，在模拟范围内产量随播期延迟近似单调下降。灌溉小麦在窗口内播种可最小化热暴露并最大化产量，偏离最优播期（无论提前或延迟）均导致减产，延迟播种在最热的AZ5造成高达15%的损失。延迟播种显著增加生殖期热暴露，导致雨养小麦产量大幅下降；灌溉将热暴露相关损失降至延迟播种下雨养系统的一半左右。最优播种窗口的时序与宽度随农业气候区间气候条件系统性变化。这些发现强调了播期优化作为气候适应策略的重要性，特别是在已面临严重气候风险、炎热且水分受限的地区。