秸秆覆盖可以缓解因温度升高导致的产量损失，并利用较高的二氧化碳浓度来提高在预测气候情景下的冬小麦生产率

《Agricultural and Forest Meteorology》：Straw mulching mitigates warming-induced yield loss and leverages elevated CO 2 to improve winter wheat productivity under projected climate scenarios

　　

摘要

加速的气候变化对全球农业生产力构成了重大挑战。为了确定适应策略，我们进行了一项为期四年的（2020-2024年）控制环境实验，采用了因子设计方法。在四种气候情景下评估了三种秸秆处理方式：不使用秸秆（NS）、秸秆混入土壤（SI）和秸秆覆盖（SM）：环境对照（CK）、高浓度二氧化碳（600 μmol mol^-1；EC）、高温（+2°C；ET）以及联合处理（ECT）。实验中量化了光合特性、土壤水热性质和与产量相关的参数。结果显示，高浓度二氧化碳使谷物产量平均增加了9.5%，并主要通过提高光合效率和每穗籽粒数来增加了地上生物量。相比之下，高温使产量平均减少了18.7%。联合处理（ECT）在很大程度上抵消了高温带来的产量损失。与NS对照组相比，SI和SM分别使谷物产量增加了22.9%和31.7%，同时改善了生物量、叶面积指数（LAI）、水分利用效率（WUE）和土壤水热条件。这些效益具有时效性。在灌溉量较少的年份，秸秆覆盖效果更显著；而在灌溉充足的条件下，秸秆混入土壤的效果更好。偏最小二乘路径模型分析表明，产量、土壤温度和水分利用效率是最终产量的主要正向驱动因素。这些发现表明，在预计的二氧化碳浓度和温度升高条件下，秸秆回收利用，尤其是秸秆覆盖，是提高冬小麦生产力和资源利用效率的有效策略。进一步优化需要协调灌溉和氮肥管理，以最大化效益并减少潜在的权衡。

引言

全球温室气体排放的预测表明，将全球变暖限制在1.5°C以下将极为困难，甚至在2030年后很可能超出2°C的目标（IPCC，2021）。根据地球系统模型，到2100年，大气中二氧化碳浓度（[CO₂）在最乐观的减缓情景（SSP1-1.9）下可能约为400 μmol mol^-1，而在高排放情景（SSP5-8.5）下可能超过1100 μmol mol^-1。根据不同的社会经济路径，2081-2100年的全球平均表面温度预计将比1850-1900年高出1.0–1.8°C至3.3–5.7°C（IPCC，2021）。这一全球趋势在地区上也表现得非常明显。在华北平原，过去六十年的气象记录显示了明显的升温趋势和降水量的总体下降（Zhang等，2014）。涵盖2001-2013年的研究也指出，中国北方和南方地区发生干旱的概率较高（Zhou等，2017）。值得注意的是，全球温度每升高0.5°C，极端高温、强降雨以及区域性和农业生态干旱的强度和频率都会增加（IPCC，2021）。

高浓度的二氧化碳通常会增强冬小麦旗叶的关键生理过程，包括净光合速率（P_n）、蒸腾速率（T_r）和叶片水平的水分利用效率（LWUE）。相比之下，单独的高温往往抑制P_n和T_r（Si等，2014；Guo等，2019）。高浓度的二氧化碳还可以减轻高温和干旱对小麦这些光合参数的负面影响（Si等，2014；Guo等，2019）。温度和大气中二氧化碳浓度的同时升高（例如，在560 μmol mol^-1 [CO₂条件下升高1.7°C）可以刺激灌溉冬小麦的茎秆生物量生产，主要通过增加分蘖数量和植株高度（Tan等，2015）。这种相互作用也会影响物候。例如，在2°C的升温条件下，早熟品种比晚熟品种表现更好（Zhang等，2023）。因此，高浓度的二氧化碳通常通过增加每穗籽粒数来提高谷物产量，而高温则主要通过降低千粒重来减少产量（Pinke和L?vei，2017；Ben等，2021；Marcos-Barbero等，2021）。未来的气候条件还可能加速小麦秸秆的分解，并改变相关的土壤微生物群落（Dong和Qian，2002；Fareed Mohamed Wahdan等，2020；Wahdan等，2023）。

全球气候变化给作物生产带来了多重挑战。为了增强气候适应性，未来的农业系统需要综合适应策略，既能够缓解热应激，又能利用二氧化碳的肥效。秸秆回收利用就是这样的策略之一。通过改变地表覆盖和土壤有机质，它直接影响决定作物适应性的生物物理过程（Dong和Qian，2002；Wang等，2019）。中国产生的农作物秸秆量最大，将其返还田间是这种大量生物质资源的最有效利用方式之一（Turmel等，2015；Li等，2018；Chen等，2022）。除了农业废弃物管理外，秸秆回收还能提高土壤肥力。例如，在稻麦种植系统中，它可以增加土壤有机碳（SOC），从而影响铵离子（NH₄⁺）的吸附和固定，提高作物的氮素（N）利用率，并减少肥料损失（Chen等，2017；Zhang等，2022）。秸秆覆盖这种具体的回收方法通过保持土壤湿度、抑制蒸腾和调节土壤温度来改善田间微环境，从而减少总体灌溉需求（Peng等，2015；Qin等，2015；Irshad等，2022）。这些改进通常会带来长期的高产。例如，一项为期八年的研究表明，秸秆混入土壤比对照组提高了小麦和玉米的年产量（Zhao等，2019）。同样，一项为期五年的实验发现，每年返还玉米秸秆并结合两年一次的深耕促进了根系生长，并提高了谷物产量（Chen等，2020）。然而，气候变化因素（特别是高浓度的二氧化碳和温度）与不同秸秆管理方式（覆盖与混入）对冬小麦光合作用和生产力的交互效应仍有待进一步研究。

本研究的目的是：（i）量化在不同二氧化碳浓度和温度条件下，不同秸秆管理方式（覆盖、混入和不使用秸秆）对小麦产量、产量组成部分和生物量的影响；（ii）阐明秸秆回收利用和气候变化因素对关键小麦光合参数及土壤水热性质（温度和湿度）的交互效应；（iii）评估秸秆管理、高温和高浓度二氧化碳对冬小麦生产力的综合影响。

节选内容

实验地点

实验在中国山西省太谷市（35°20′N，111°17′E，海拔630米）的控制环境室内进行。该地点位于华北平原，年平均温度为10.7°C，年平均降水量为458毫米。表1提供了表土（0–25厘米深度）的基本性质。

实验设计

在实验地点设置了四个控制环境室来调节二氧化碳（[CO₂）和温度：

与CK相比，EC处理分别使NS、SI和SM处理下的四季平均产量增加了13.6%、11.7%和3.2%（p < 0.01；图2A）。相比之下，ET处理分别使NS、SI和SM处理下的平均产量减少了13.4%、16.2%和26.4%（p < 0.01）。ECT处理在NS和SI处理下分别使平均产量增加了3.9%和8.8%，与CK相比。与单独的ET处理相比，ECT处理在NS、SI和SM处理下分别使产量增加了21.3%、30.3%和34.6%。在所有气候条件下

我们的结果证实了关键气候因素对光合作用的不同影响：高浓度二氧化碳（EC）增强了光合速率（P_n），而高温则抑制了光合作用。值得注意的是，联合处理（ECT）仍然比CK提高了光合速率（图3A）。这一发现与已有的认知一致，即高浓度二氧化碳能促进光合作用，而高温会抑制光合作用，高浓度二氧化碳可以部分抵消高温引起的影响（Wahid等，2007；Chavan等，2019）。

关于农艺措施，秸秆

结论

高浓度二氧化碳主要通过增强光合作用和增加每穗籽粒数来提高小麦产量和生物量，而单独的高温则导致产量显著下降。然而，在高浓度二氧化碳和高温共同作用的情况下，这种负面影响被大大抵消了。秸秆混入土壤和秸秆覆盖始终提高了谷物产量、生物量、叶面积指数（LAI）和水分利用效率（WUE），与不使用秸秆的对照组相比。它们的效果具有时效性：其中秸秆覆盖的效果

本工作得到了国家自然科学基金的支持[32572456]。

杨琦：撰写——初稿，可视化。 陈晓冉：调查。 王梓轩：软件开发。 宗宇正：方法学，数据分析。 张东生：资源协调。 史新瑞：验证。 高志强：监督。 李平：撰写——审稿与编辑。 郝兴宇：项目管理，资金争取，数据管理，概念规划。

杨琦|陈晓冉|王梓轩|宗宇正|张东生|史新瑞|高志强|李平|郝兴宇

中国山西农业大学农学院，太谷，030801