《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Extreme heat reduces yields more than greenhouse gas emissions in a rice–wheat cropping system of Jiangsu Province, eastern China
编辑推荐：
•极端高温使水稻和小麦产量分别减少了26.8%和21.8%。•极端高温使年甲烷和氧化亚氮排放量分别减少了14.1%和11.5%。•产量损失超过了温室气体排放的减少量。•极端高温增加了按产量折算的温室气体排放量。引言随着全球人口增长，确保作物可持续生产对于满足不断上升的粮食需求
- •
极端高温使水稻和小麦产量分别减少了26.8%和21.8%。
- •
极端高温使年甲烷和氧化亚氮排放量分别减少了14.1%和11.5%。
- •
产量损失超过了温室气体排放的减少量。
- •
极端高温增加了按产量折算的温室气体排放量。
引言
随着全球人口增长，确保作物可持续生产对于满足不断上升的粮食需求和维护经济稳定至关重要（Tilman等，2011，世界银行，2019）。然而，农业活动是甲烷和氧化亚氮的主要来源，这两种强效温室气体对气候变化有重大贡献（IPCC，2022a）。水稻田约占人为甲烷排放的9%（IPCC，2021，Wang等，2023），农业土壤约占全球人为氧化亚氮排放的52%（Tian等，2020），这主要归因于氮肥的使用（Tian等，2020）。因此，在增加粮食生产的需要与减少温室气体排放的必要性之间寻求平衡，是构建气候适应性粮食体系的核心（Rosenzweig等，2020）。
极端高温事件对全球粮食安全构成重大且日益增长的威胁（IPCC，2022b，Sun等，2021）。它们加速作物过早衰老，损害光合作用功能（Djanaguiraman等，2020），并导致产量大幅损失（Lesk等，2016，Schittenhelm等，2020），尤其是在作物生殖阶段的关键时期（Wu等，2021）。最新估算表明，极端高温事件约占全球谷物年产量损失的10%——相当于全球超过一个月的热量需求（Lesk等，2016）。随着主要产粮区极端高温频率的增加（IPCC，2023），全球粮食生产日益不稳定，加剧了粮食价格波动的风险，并加深了饥饿问题，尤其在脆弱地区（Wheeler和von Braun，2013）。
除了降低作物产量外，在生殖阶段的关键时期发生极端高温还可能显著影响小麦和水稻的生物量积累和分配（Farooq等，2011，Sun等，2023）。这种由高温引起的作物生长和生物量变化可能会通过改变植物来源的碳输入和秸秆还田、土壤理化条件以及微生物过程，进一步影响农田温室气体排放。土壤净甲烷排放反映了微生物甲烷产生和氧化之间的平衡（Conrad，2007），而净氧化亚氮排放主要来自微生物硝化和反硝化作用（Butterbach-Bahl等，2013）。这些过程对温度敏感（Yvon-Durocher等，2014，Tu等，2024），表明极端热事件可能会显著改变温室气体通量。
然而，与大量记录极端高温对作物生长、生物量和产量影响的证据相比，关于其对农田温室气体排放影响的证据仍然有限，特别是来自田间操纵实验的证据。现有证据主要来自实验室孵育实验、模型研究以及对自然发生极端高温事件的田间观测。例如，模拟热浪事件在实验室孵育中增加了土壤氧化亚氮排放（An等，2022），而自然发生的极端高温事件增加了水稻-小麦种植系统中的氧化亚氮排放（Xia等，2023）。基于模型的评估和综合研究进一步表明，当作物产量减少超过同期温室气体排放减少时，或当升温直接刺激土壤温室气体排放时，极端高温可能会增加温室气体排放强度（Zhang等，2024，Shi等，2025）。然而，直接操纵作物特定发育阶段期间极端高温并同时量化作物生长以及甲烷和氧化亚氮排放的田间实验仍然很少。
为了弥补这一差距，我们在中国东部进行了一项田间实验，利用自由空气增温系统考察生殖阶段极端高温如何影响水稻-小麦轮作中的温室气体排放。该地区经常经历严重（Ding和Chen，2024）、持续时间长且具有重要社会经济影响的热浪（Sun等，2014，Xia等，2016），而水稻-小麦轮作在南亚和东亚占主导地位，覆盖面积超过2600万公顷——包括中国东部的大面积覆盖（Timsina和Connor，2001）。我们专注于拔节-抽穗期，这是作物发育对热胁迫最敏感的时期（Barber等，2017，Wang等，2022），以捕捉在易感性最高时期的响应。因此，本研究的目的是量化水稻-小麦轮作系统中极端高温对作物产量和温室气体排放的影响，并通过研究土壤碳氮可用性、微生物功能基因丰度的变化及其与温室气体动态的联系，探讨这些响应的潜在机制。
本实验设计结合了多项优势。自由空气增温系统允许在开放田间条件下模拟热浪，避免了基于气室增温的许多人为因素，同时保持精确的温度控制。通过追踪两个生长季节中整个水稻-小麦轮作周期的甲烷和氧化亚氮排放，我们捕捉了即时效应和滞后效应。将温室气体通量与土壤碳氮可用性、微生物功能基因丰度和作物表现相结合，进一步实现了对观测响应的过程水平解释。据我们所知，本研究是首批基于田间条件评估极端高温对农田温室气体排放影响的研究之一，为现实田间条件下农业对气候极端事件的响应提供了直接的过程水平见解。
章节摘要
实验设计
田间极端高温实验于2021年在中国江苏省丹阳市陵城镇宝林村（31.9°N，119.5°E）启动。该站点属于亚热带季风气候，年平均气温16.4°C，年降水量1056毫米，年日照时数2043小时。实验前，表层土壤性质如下：土壤有机碳21.09克/千克，总氮1.12克/千克，总磷0.47克/千克，总钾12.61克/千克；
植物性状
两年平均结果表明，与常规温度相比，极端高温使水稻籽粒产量显著降低26.8%，小麦籽粒产量降低21.8%（图1a）。秸秆生物量在两种作物中表现相反，水稻季在极端高温下增加11.0%，而小麦季在极端高温下减少13.4%（图1b）。小麦氮吸收量在极端高温下减少9.3%，而水稻氮吸收量不受影响（图1c）。未检测到显著的温度×年际交互作用
讨论
随着极端高温事件的频率和强度预计将增加（IPCC，2021），了解其对农田温室气体排放的影响仍然是一个重要的知识空白。在此，我们提供了首批田间实验证据，表明在中国东部水稻-小麦种植系统中，短暂的生殖阶段热胁迫会显著改变年温室气体通量。通过应用14天的红外冠层增温处理，我们使小麦冠层温度升高1.8–2.1°C，水稻冠层温度升高3.3–4.4°C
结论
我们的两年田间实验表明，在中国东部水稻-小麦轮作系统中，生殖阶段极端高温使按产量折算的温室气体排放量显著增加16.7%，尽管这种效应的大小在不同年份有所差异。虽然极端高温通过减少碳底物可用性和抑制反硝化微生物丰度降低了年甲烷排放量和氧化亚氮排放量，但产量损失远远超过了这些排放减少量，
作者贡献
Y.J.设计研究方案。Y.R.、Y.L.、T.C.、J.L.、Y.W.和Q.Y.进行实验。Y.J.、X.Z.、Y.R.撰写论文。H.Q.、X.Z.、L.W.、S.H.、G.L.、Z.L.、S.W.、Y.D.和K.J.v.G.审阅并评论手稿。
CRediT作者贡献声明
任雨馨：撰写-原稿、调查、数据整理。刘云龙：调查。朱向城：撰写-原稿。陈陶云：调查。刘久杰：调查。袁倩倩：调查。王雨莹：调查。王玲：调查。黄山：撰写-审阅与编辑。钱浩宇：撰写-审阅与编辑。李光华：撰写-审阅与编辑。刘正辉：撰写-审阅与编辑。王松翰：撰写-审阅与编辑。丁燕锋：
利益冲突声明
作者声明他们不存在已知的财务利益或个人关系，这些因素可能影响本文所报告的工作。
致谢
本工作得到以下机构支持：国家自然科学基金委员会（U24A20402、32271635）、国家重点研发计划（2022YFD2300400）、南京农业大学中央高校基本科研业务费（YDZX2025018）、江苏省碳达峰碳中和科技创新基金（BE2022308）以及江西省"双千计划"项目（jxsq2023102208）。
任雨馨|刘云龙|朱向城|陈陶云|刘久杰|袁倩倩|王雨莹|王玲|黄山|钱浩宇|李光华|刘正辉|王松翰|丁燕锋|Kees Jan van Groenigen|姜宇
