西藏高原玉米物候和生态特征对增温响应的模拟试验研究

付刚，钟志明

西藏高原玉米物候和生态特征对增温响应的模拟试验研究

付刚，钟志明*

中国科学院地理科学与资源研究所//生态系统网络观测与模拟重点实验室//拉萨高原生态系统研究站，北京 100101

气候变暖对青藏高原农作物物候和生物量的影响存在着不确定性。基于2015年4月布设在西藏自治区拉萨市达孜县的一个玉米模拟增温试验，通过对玉米不同物候期（即出苗期、三叶期、五叶期、拔节期、灌浆期、乳熟期和成熟期）、地上生物量和株高的观测，分析了温度升高对玉米各个物候期和生长发育的影响。结果表明，试验增温使得每个样方的三叶期和五叶期都提前了2 d，拔节期平均提前了1.3 d（t=2.00，P=0.184），灌浆期平均提前了3.3 d（t=2.00，P=0.184），乳熟期平均提前了4.7 d（t=2.80，P=0.119），成熟期平均提前了6.7 d（t=3.78，P=0.050 2）。增温使得出苗期—成熟期的间隔缩短了6.7 d（t=2.77，P=0.050 2），使得灌浆期—成熟期的间隔缩短了3.3 d（t=2.43，P=0.122）。试验增温显著增加了播种期—出苗期的积温（t=11.21，P=0.000），增加11.89 ℃；显著减少了出苗期—三叶期间的积温（t=77.55，P=0.000），减少7.58 ℃；对三叶期—五叶期、五叶期—拔节期、拔节期—灌浆期、灌浆期—乳熟期、乳熟期—成熟期、以及播种期—成熟期的积温都无显著影响。试验增温对地上生物量和株高均无显著影响。

青藏高原；农田生态系统；气候变暖；植物生长

引用格式：付刚， 钟志明. 西藏高原玉米物候和生态特征对增温响应的模拟试验研究［J］. 生态环境学报， 2016， 25（7）：1093-1097.

FU Gang， ZHONG Zhim ing. Initial Response of Phenology and Aboveground Biomass to Experimental Warm ing in A Maize System of the Tibet ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016， 25（7）： 1093-1097.

虽然作为三大谷物之一的玉米的种植面积小于水稻和小麦，但是它的总产量却高于水稻和小麦（葛亚宁等，2015）784。目前，我国是仅次于美国的世界第二大玉米生产大国（葛亚宁等，2015）784。作为一种适应性很强的农作物，玉米在青藏高原也有种植，并已经成为了当地人民的主要粮食之一（李玲等，2014；李勇等，2014）。目前，有关玉米生长和物候及其与气候因子的相互关系的研究已有不少报道。尽管如此，这些研究多数是基于气象站的气象观测数据来分析气候变化因子（主要是温度和降水）与玉米生长及物候特征的关系的，很难完全排除降水的干扰（李正国等，2011；罗春华，2009），而模拟增温试验可以尽量避免降水的干扰。多数研究发现，玉米物候期随着气候变化而提前（葛均筑等，201190；肖薇薇，2015167）。其他的一些研究则表明，玉米特定的一些物候期（如成熟期）还可能随着气候变化而推后，产生这个现象的原因很可能是降水的增多削弱了温度升高对玉米物候期的推迟作用（蒋菊芳等，2011548；李正国等，2013）。玉米生物量对气候变暖的响应也存在着不一致的研究结果（葛均筑等，201190；肖国举等，2007；张吉旺等，200752）。气候变暖背景下，玉米物候和生物量的改变还可能会影响到玉米产量，进而影响到区域粮食和食品安全（张强等，2012）。因此，需要加强有关玉米物候、生物量与气候变暖的相关研究。

作为世界第三极的青藏高原不仅增温幅度远远大于全球平均水平（1.0～3.7 ℃），而且是全球气候变化最为敏感的地区之一（Liu et al.，2009；Rangwala et al.，2012）。青藏高原上的高寒生态系统是全球高寒生态系统的重要组成部分。整合分析表明，青藏高原上的高寒植被对气候变暖的响应可能强于全球平均水平，即对气候变暖更敏感（Fu et al.，2015）。已经有很多模拟气候变暖的装置（如红外辐射器和开顶箱等）被广泛布设在青藏高原上以探讨高寒生态系统对气候变暖的响应，这些模拟增温试验研究主要在森林和草地生态系统中开展，很少在农田生态系统开展（Zhang et al.，2015）。已经报道的模拟增温试验研究结果为预测未来气候变化背景下高寒生态系统的变化提供了源数据和理论支持。

在青藏高原上通过布设开顶式生长箱等野外增温装置，开展玉米物候和生物量对气候变暖的响应还未见相关报道。因此，本研究以西藏自治区拉萨市达孜县中国科学院生态站的玉米为研究对象，通过对比分析对照和试验增温条件下的玉米的不同物候期（出苗期、三叶期、五叶期、拔节期、灌浆期、乳熟期和成熟期）、收获时地上全株生物量和株高的变化，探讨了气候变暖对西藏玉米生长发育的影响。

1　材料与方法

1.1研究地概况和试验设计

研究区域（91°21'E，29°41'N，3688 m）位于西藏自治区拉萨市达孜县中国科学院拉萨农业生态系统研究站。年均气温7.9 ℃，年均降水425 mm，其中90%的降水集中在6—9月份（付刚等，2015）。自1970s以来，试验区域的土地一直被用于种植农作物。在本试验研究中，开顶式生长箱（顶部开口和底部大小完全一样，都为2 m×3 m，高度为2.1 m）被用来升高环境温度，设置两个增温水平，即对照（C）和增温（W），每个处理3个重复，样方大小为2 m×3 m。于2015年4月22日播种玉米，2015年9月19日收获。预计至21世纪末，全球表面温度将升高1.0～3.7 ℃（IPCC，2013），因此本研究的目标增温幅度为1～2 ℃，目的在于模拟21世纪末玉米物候和生态特征的状况。2015年4月22日—2015年9月19日的对照和增温两个处理的空气温度分别为14.26 ℃和15.48 ℃（t=34.79，P=0.001），即增温试验提高了1.22 ℃的空气温度，刚好落在IPCC报告预估的21世纪末的地球表面的增温幅度范围内。

1.2研究方法

1.2.1微气候、物候、地上全株生物量和株高的观测

人工观测记录了每日8：00、14：00和20：00的各个样方距地面2.0 m高处的空气温度，为了得到连续的空气温度数据，建立了人工观测的各个处理样方的空气温度与自动气象站记录的空气温度的线性回归方程（r2＞0.82，P＜0.05），并基于回归方程得到了各个样方连续的空气温度数据。物候观测包括出苗期、三叶期、五叶期、拔节期、灌浆期、乳熟期和成熟期，以样方内50%以上玉米达到相应物候期作为调查标准（刘祖贵等，2013）。2015年9月19日收获前在每个样方内选择能够代表样方平均水平的5株玉米测定株高，收获后测定样方内所有植株的总地上生物量。

1.2.2数据分析

通过SPSS 16.0软件采用t检验分析了试验增温对各个观测物候期、积温（＞10 ℃）、生物量和株高的影响。采用Sigmaplot 10.0进行绘图。

2　结果与分析

表1　西藏玉米田对照和试验增温两处理不同物候期的对比Table 1　Comparison of phenological phase between the control and warming treatment in a maize system of the Tibet

2.1试验增温对物候的影响

试验增温和对照处理的出苗时间一致（表1）。试验增温使得每个样方的三叶期和五叶期都提前了2 d，拔节期平均提前了1.3 d（t=2.00，P=0.184），灌浆期平均提前了3.3 d（t=2.00，P=0.184），乳熟期平均提前了4.7 d（t=2.80，P=0.119），成熟期平均提前了6.7 d（t=3.78，P=0.0502）（表1）。增温使得出苗期—成熟期的间隔缩短了6.7 d（t=2.77，P=0.0502），使得灌浆期—成熟期的间隔缩短了3.3 d（t=2.43，P=0.122）。总之，试验增温改变了玉米的物候，使得观测的多数物候期提前，缩短了玉米的全生育期。

2.2试验增温对积温、生物量和株高的影响

试验增温虽然显著增加了播种期—出苗期的积温（t=11.21，P=0.000），增加了11.89 ℃，但是显著减少了出苗期—三叶期间的积温（t=77.55，P=0.000），减少了7.58 ℃（表2）。此外，试验增温对三叶期—五叶期、五叶期—拔节期、拔节期—灌浆期、灌浆期—乳熟期、乳熟期—成熟期、以及播种期—成熟期的积温都无显著影响（表2）。虽然试验增温使玉米地上生物量减少了16.7%（1.58 kg·m-2），同时玉米株高降低了0.12 m，但均未达统计显著水平（图1）。

3　讨论与结论

3.1讨论

温度升高使得玉米多数物候期提前，并缩短了其全生育期，这与前人的很多研究结果一致。在全国范围内，气温升高1 ℃将使玉米生育期缩短约7 d（肖风劲等，2006）。1992—2012年中国北方玉米生育期以3～5 d·℃-1的速率在缩短（肖薇薇，2015）167。西北地区雨养旱作区的玉米全生育期缩短了6～8 d（张强等，2008）1212。增温使得黑龙江省玉米的出苗期和成熟期分别提前3～4和2～4 d（钱春荣等，2012）2484-2485。1980—2005年辽宁省玉米的物候特征与平均气温呈负相关关系，气温升高使得玉米播种期和出苗期都提前0.56 d·℃-1，成熟期提前2.40 d·℃-1，全生育期缩短0.94 d·℃-1（李荣平等，2009）。1981—2009年新疆玉米的播种期、抽穗期和成熟期都呈提前趋势，作物生长阶段的日最高温和日最低温都呈增加趋势而降水变化趋势不明显，即玉米各个物候期的提前可能主要是由气温升高导致（肖登攀等，2015）。1981—2008年甘肃省河西走廊东部玉米的三叶期、拔节期、抽穗期、乳熟期和成熟期都随着平均气温的升高而提前（蒋菊芳等，2011）546。

表2　西藏玉米田对照和试验增温两处理不同时期＞10 ℃积温的对比Table 2　Comparison of ＞ 10 ℃ cumulative temperature between the control and warming treatment in a maize system of the Tibet

图1　试验增温对西藏玉米田（a）地上生物量和（b）株高的影响Fig. 1　Effects of experimental warming on aboveground plant biomass （AGB） and plant height in a maize system of the Tibet

本研究发现温度升高并没有显著改变玉米的地上生物量和株高（图1）。由于对照和试验增温两个处理间的降水是一样的，而试验增温增强了玉米蒸腾和土壤蒸发潜力，进一步导致土壤干旱，由此说明试验增温对玉米生长无显著影响主要与试验增温形成的暖干化环境条件有关。在辽宁省锦州市生态与农业气象中心的增温试验也表明，与对照相比，试验增温使玉米株高降低了6.5%，同时玉米生物量也减少了，但差异都不显著（刘丹等，2013）。其他的一些研究则表明气候变暖导致全球很多地区的玉米产量降低（Lobell et al.，2007；张吉旺等，200752）。此外，气候变暖总体上有利于西北地区玉米的生长发育（张强等，2008）1212。在黑龙江省的增温试验结果也表明增温显著提高了玉米的生物产量（钱春荣等，2012）2486。因此，目前关于气候变暖对玉米产量的影响研究结果存在较多争议，这可能与增温对玉米的生长发育既存在有利影响又存在不利影响有关。第一，温度升高缩短了玉米全生育期，使得其光合产物的有效积累时间变短，这可能降低了玉米有机物的积累。第二，温度升高增强了玉米呼吸作用，消耗了更多的有机物，不利于光合产物的积累（Crafts-Brandner et al.，2002；张吉旺等，2008）。第三，由于玉米冠层温度的升高增强了玉米蒸腾作用，增加了水分散失，造成了环境干旱，进而抑制了玉米的生长发育（南纪琴等，2012；张强等，20081212；郑云普等，20161）。第四，增温增加了玉米叶面积指数和叶片净光合速率，有利于玉米光合作用的增强（葛均筑等，201190；郑云普等，20161）。第五，增温导致的物候期提前可以减轻早霜对玉米生长发育的危害（钱春荣等，2012）2485，这可能削弱了增温对玉米光合产物积累的不利作用。

3.2结论

综上，试验增温虽然缩短了玉米的全生育期，但是并没有改变其积温，这可能是导致玉米地上生物量和株高没有发生显著改变的重要原因。鉴于气候变暖会缩短玉米的全生育期，可以考虑在西藏进行复种。在降水保持不变的情况下，增温会造成干旱，因此在灌溉条件比较优越的地区可以考虑进行适当的灌溉以缓解干旱对玉米生长发育所产生的不利效应。

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Initial Response of Phenology and Aboveground Biomass to Experim ental Warm ing in A M aize System of the Tibet

FU Gang， ZHONG Zhim ing
Lhasa Plateau Ecosystem Research Station//Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling//Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100101， China

There remains uncertainty on effects of climatic warm ing on crop phenology and biomass on the Tibetan Plateau. A field warm ing experiment was conducted in a maize system located at the Dazi county of the Tibet since late April， 2015. This study exam ined the effect of warm ing on maize phenology （i.e. sow ing time， seeding stage， trefoil stage， five-leaf stage， jointing stage，pustulation period， m ilk-ripe stage， mature period）， aboveground biomass and p lant height. The trefoil stage and five-leaf stage completed 2 days earlier； the jointing stage completed 1.3 days earlier （t=2.00， P=0.184）， the pustulation period completed 3.3 days earlier （t=2.00， P=0.184）， the milk-ripe stage completed 4.7 days earlier （t=2.80， P=0.119）， and the mature period completed 6.7 days earlier （t=3.78， P=0.0502） under experimental warm ing conditions. Experimetal warming shorten 6.7 days of the interval between seeding stage and mature period （t=2.77， P=0.050 2）， and 3.3 days of the interval between pustulation period and mature period（t=2.43， P=0.122）. Experimental warming increased cumulative temperature by 11.89 ℃ during the period from sowing time to seeding stage （t=11.21， P=0.000）， decreased cumulative tem perature by 7.58 ℃ during the period from seeding stage to trefoil stage（t=77.55， P=0.000）. However， experimental warming had no obvious effects on cumulative temperature during the period from trefoil stage to five-leaf stage， from five-leaf stage to jointing stage， from jointing stage to pustulation period， from pustulation period to m ilk-ripe stage， from m ilk-ripe stage to mature stage， and from sowing stage to mature stage. Experimental warming had no significant effects on aboveground plant biomass and plant height. Therefore， warming may alter maize phenology but did not significantly affect aboveground plant biomass.

Tibetan Plateau； agricultural ecosystems； climatic w arm ing； p lant grow th

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.07.001

X16

A

1674-5906（2016）07-1093-05

中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室青年创新团队项目（LENOM 2016Q 0002）；国家自然科学基金项目（31600432；41171084；31470506；31370458）；中国科学院西部之光项目“藏北高寒草甸牲畜承载力对气候变化和放牧的响应”；国家星火计划项目“优质饲草种植与奶牛健康养殖技术集成与示范”；西藏饲草专项和国家科技支撑计划课题（2014BAD14B006；2013BAC04B01；2011BAC09B03）

付刚（1984年生），男，助理研究员，博士，研究方向为全球变化与高寒生态系统。E-mail： fugang@igsnrr.ac.cn； fugang09@126.com *通信作者：钟志明（1971年生），男，助理研究员，研究方向为全球变化与高寒草地生态系统。E-mail： zhongzm@igsnrr.ac.cn

2016-05-27