中国气候变化对农作物育种策略影响探究

汪和廷，张从合，方 玉,2，褚进华，严 志，周桂香，王 林，杨 韦，申广勒，王 慧

（1安徽荃银高科种业股份有限公司/农业部杂交水稻新品种创制重点实验室，合肥 230088；2上海中科荃银分子育种技术有限公司，上海 200233；3中国气象局上海物资管理处，上海 200050）

0 引言

新中国成立以来，中国粮食生产取得巨大成就，粮食总产量从1949年的11318.4万t增长到2020年的66949.2万t，增幅达到491.5%[1]，为保障中国经济高速发展和稳定安全发挥着重要作用。但在全球变暖的趋势下，台风、干旱和洪涝等自然灾害频发，威胁着中国粮食安全。以2020年为例，全国农作物受灾面积为1995.77万hm2，绝收270.61万hm2[2]。一般来说，气候变化通过气温和降水等因素影响农作物生长发育，Zhao等[3]和Asseng等[4]将温度升高1℃造成作物产量变化的百分比称为温度敏感性指标，全球玉米温度敏感性指标约为-8%，小麦约为-6%，中国双季稻约为-2.8%，单季稻约为4.6%[4-6]。水分对粮食产量影响也非常显著，据估算，中国水资源减少1%，灌溉面积将减少1%，粮食产量减少75亿kg，其中对旱地作物影响更大[7]，持续干旱则会存在绝收的风险。IPCC预测到2050年因气候变化引起的主要粮食作物减产将超过现在粮食产量的50%；到2100年大气温度将上升1.4～5.8℃，夏季高温等极端气候灾害会更加频繁，持续时间更长[8-9]，中国粮食生产将面临诸多挑战。

高温热害、低温冻害、涝害以及干旱胁迫等是农作物的主要气候灾害，实际生产中通常采取种植制度优化、栽培技术升级和品种综合抗性提升等方式来应对此类灾害，其中提高农作物品种综合抗性是关键。因此，抗逆性也是中国农作物品种审定或登记的重要评价指标。以高温热害和干旱为例，水稻扬花期高温将影响花粉活力，从而降低结实率[10-11]；灌浆结实期高温造成叶绿素和直链淀粉含量降低，降低千粒重[12]，最终导致减产；玉米大喇叭口至成熟期高温，会显著降低籽粒产量[13]。干旱对抽穗期至乳熟期玉米影响最为显著，造成减产最严重[14]；对小麦各生育期影响减产幅度为5.44%～61.95%，其中孕穗期和抽穗期对干旱最为敏感[15]。因此，将气候灾害因子作为农作物育种的参考指标，培育综合抗性优良的新品种，是应对全球气候变化、保障粮食安全的有效途径之一[16]。

黄淮海地区、东北地区和长江中下游地区作为中国三大粮食主产区，在保障国家粮食安全中起到十分重要的作用。但对于中国粮食主产区气候变化趋势、粮食产量以及育种策略之间关系的研究尚未见报道。本文通过分析1979—2014年中国粮食主产区及西北地区气候与粮食产量变化规律，因地制宜制定育种策略，针对性提高区域粮食品种综合抗性，是应对全球气候变暖带来的受灾减产问题的途径之一，并对保障中国粮食安全具有积极的意义。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

1979—2014年中国粮食主产区及西北地区粮食产量数据和气象数据分别来源于《中国统计年鉴》和国家气象数据中心(https://data.cma.cn/site/index.html)。本研究中的东北地区指辽宁省、吉林省、黑龙江省、内蒙古自治区；黄淮海地区指河北省、山东省、河南省、安徽省、江苏省；长江流域地区指四川省、湖北省、湖南省、江西省；西北地区指甘肃省、陕西省及宁夏回族自治区。粮食产量数据包括总产量、水稻产量、小麦产量和玉米产量；气象数据包括年平均气温和年降水量。

1.2 研究方法

通过算术平均数趋势分析、相关系数分析法，对中国粮食主产区与西北地区粮食产量数据和气象数据变化规律进行分析，运用Excel 2010对数据进行统计、分析及绘图。

2 结果与分析

2.1 中国粮食主产区气候变化特征

2.1.1 粮食主产区年平均气温变化特征 1979—2014年东北地区、黄淮海地区和长江流域地区各省年平均气温均呈现上升趋势，与全球变暖趋势一致，但增幅存在差异。由图1可以看出，黑龙江省年平均气温最低，辽宁省年平均气温最高，分别为2.87℃和8.67℃；吉林省和内蒙古自治区年平均气温增幅分别为0.31℃/10 a和0.39℃/10 a，显著高于黑龙江省和辽宁省。

图1 1979—2014年东北地区年平均气温变化特征

由图2可以看出，1979—2014年黄淮海地区年平均气温安徽省＞江苏省＞河南省＞山东省＞河北省，变化范围在10.53～16.74℃；其中，江苏省年平均气温增幅最大，达到0.46℃/10 a，显著高于其他各省。如图3，长江流域地区各省年平均气温变化区间为14.16～18.96℃，但年平均气温增幅差异不显著，空间上年平均气温表现为从北到南，从西到东呈现升高趋势。

图2 1979—2014年黄淮海地区年平均气温变化特征

图3 1979—2014年长江流域地区年平均气温变化特征

2.1.2 粮食主产区年降水量变化特征 如图4，1979—2014年东北地区年降水量辽宁省最高且增幅最大，达到4.16 mm/10 a，内蒙古自治区最低，吉林省和内蒙古自治区年降水量呈减少趋势，降幅分别为3.91 mm/10 a和4.25 mm/10 a。

图4 1979—2014年东北地区年降水量变化特征

从图5可以看出，1979—2014年黄淮海地区年降水量为安徽省＞江苏省＞河南省＞山东省＞河北省，其中安徽省和河南省年降水量减幅较大，分别为19.95 mm/10 a和14.07 mm/10 a，河北省减幅较小；但江苏省和山东省年降水量呈增加趋势，增幅分别为7.24 mm/10 a和28.41 mm/10 a。

图5 1979-2014年黄淮海地区年降水量变化特征

如图6，长江流域地区年降水量湖南省、湖北省和四川省呈减少趋势，降幅分别为1.78 mm/10 a、38.87 mm/10 a和16.94 mm/10 a，但江西省年降水量呈增加趋势，增幅为4.52 mm/10 a，且江西省年降水量波动最大，极差达到906.22 mm，可能对粮食生产带来不利影响。

图6 1979—2014年长江流域地区年降水量变化特征

2.2 西北地区气候变化特征

2.2.1 西北地区年平均气温变化特征 由图7看出，1979—2014年甘肃省、陕西省和宁夏回族自治区年平均气温增幅分别为0.46℃/10 a、0.40℃/10 a和0.58℃/10 a，且陕西省年平均气温显著高于甘肃省和宁夏回族自治区。

图7 1979—2014年西北地区年平均气温变化特征

2.2.2 西北地区年降水量变化特征 1979—2014年，西北地区年降水量表现为陕西省＞甘肃省＞宁夏回族自治区，且各省间存在显著差异。其中，陕西省年降水量降幅为6.69 mm/10 a，且年度间降水量极差达497.66 mm；甘肃省和宁夏回族自治区年降水量增幅分别为0.93 mm/10 a和2.67 mm/10 a，且年度间波动较小。

图8 1979—2014年西北地区年降水量变化特征

2.3 中国粮食主产区粮食产量变化特征

2.3.1 1979—2014年东北地区粮食产量变化特征 如图9，1979—2014年东北地区粮食产量呈增长趋势，且黑龙江省增幅最大，达到143.71万t/10a，其他各省增幅较小。由图10看出，东北地区水稻产量呈增长趋势，2003年呈快速增长，且产量贡献主要来自于黑龙江省。如图11，内蒙古自治区小麦产量呈缓慢增长的趋势，年产量在200万t左右，其他各省小麦产量呈下降趋势，其中黑龙江省降幅最大为112.76万t/10 a。由图12可知，东北地区玉米产量呈上升趋势，黑龙江省玉米产量增幅最大，为715.38万t/10 a，辽宁省增幅最小。从图9～12可以看出，1979—2014年东北地区主要粮食作物种植制度主要为水稻-玉米模式，水稻主产区在黑龙江省，小麦主产区在内蒙古自治区，玉米对东北地区的粮食产量贡献最大。

图9 1979—2014年东北地区粮食总产量变化特征

图10 1979—2014年东北地区水稻产量变化特征

图11 1979—2014年东北地区小麦产量变化特征

图12 1979—2014年东北地区玉米产量变化特征

2.3.2 1979—2014年黄淮海地区粮食产量变化特征 从图13～16可以看出，1979—2014年黄淮海地区粮食总产量呈增长趋势，河南省增幅最大，达到1107.6万t/10 a，山东省增幅次之，其他各省增幅较少。其中，江苏省、安徽省和河南省是黄淮海地区水稻主要种植区，水稻产量江苏省＞安徽省＞河南省，且水稻产量增幅较小。小麦产量呈增长趋势，河南省增幅最快且产量最高，增幅达到659.62万t/10 a，山东省增幅次之，其他各省增幅较小且产量较低。玉米产量呈增长趋势，山东省、河南省和河北省增幅较大且产量较高。黄淮海地区种植模式具有明显的地域性，河北省、山东省和河南省种植模式主要为小麦-玉米种植模式，安徽省和江苏省以小麦-水稻种植模式为主，小麦-玉米模式次之。

图13 1979—2014年黄淮海地区粮食总产量变化特征

图14 1979—2014年黄淮海地区水稻产量变化特征

图15 1979—2014年黄淮海地区小麦产量变化特征

图16 1979—2014年黄淮海地区玉米产量变化特征

图17 1979—2014年长江流域地区粮食总产量变化特征

图18 1979—2014年长江流域地区水稻产量变化特征

图19 1979—2014年长江流域地区小麦产量变化特征

图20 1979—2014年长江流域地区玉米产量变化特征

2.3.3 1979—2014年长江流域地区粮食产量变化特征由图17～20看出，长江流域地区湖南省、湖北省和江西省粮食总产量和水稻产量呈增长趋势，但四川省呈下降趋势。其中，江西省水稻产量增幅最大为206.07万t/10 a，四川省降幅为155.81万t/10 a；长江流域地区小麦种植区域主要在四川省和湖北省，且产量呈下降趋势，四川省降幅较大为99.80万t/10 a；湖南省、湖北省和四川省玉米产量呈增长趋势，且四川省产量最高，江西省最低。长江流域地区种植模式差异较大，四川省和湖北省主要种植水稻、玉米和小麦，但四川省未来可能以水稻、玉米为主，湖南省主要种植水稻、玉米，江西省主要以种植水稻为主。

2.4 西北地区粮食产量变化特征

从图21～24可以看出，1979—2014年西北地区粮食总产量呈增长趋势，甘肃省增幅最大，达到166.99万t/10 a，宁夏回族自治区粮食总产量最低。其中，西北地区水稻种植区主要在陕西省和宁夏回族自治区，且陕西省呈增长趋势，宁夏回族自治区反之；西北地区小麦产量陕西省＞甘肃省＞宁夏回族自治区，宁夏回族自治区呈缓慢增长趋势，其他两省呈下降趋势；西北地区玉米产量呈增长趋势，甘肃省增幅最大为122.04万t/10 a，陕西省增幅次之。同时可以得出，西北地区粮食作物种植模式主要为小麦-玉米，陕西省水稻种植略有增加。

图21 1979—2014年西北地区粮食总产量变化特征

图22 1979—2014年西北地区水稻产量变化特征

图23 1979—2014年西北地区小麦产量变化特征

图24 1979—2014年西北地区玉米产量变化特征

2.5 年平均气温、年降水量与粮食产量相关性

中国粮食主产区及西北地区粮食产量与年平均气温和年降水量相关性分析结果得出：粮食产量与年平均气温存在显著相关性，与年降水量相关性不显著。如表1，年平均气温升高显著提高了东北地区吉林省、辽宁省和内蒙古自治区水稻产量，以及吉林省和内蒙古自治区玉米产量；显著提高了黄淮海地区粮食总产量，同时年平均气温与江苏省水稻产量、河北省小麦以及玉米产量呈正相关，但与河北省水稻产量呈负相关。在长江流域地区，年平均气温与湖北省玉米产量呈正相关，与湖南省、江西省粮食总产量和玉米产量呈正相关，与小麦产量呈负相关，与四川省粮食总产量、水稻产量和小麦产量呈负相关；年平均气温显著提高了西北地区粮食总产量和玉米产量，与甘肃省和陕西省水稻产量呈正相关，但与宁夏回族自治区水稻产量呈负相关。

表1 年平均温度、年降水量与粮食产量相关性

3 结论

中国粮食主产区和西北地区年平均气温均呈现上升趋势，但上升速率存在差异。从空间上看，从南到北、从东到西年平均气温增幅呈减小趋势。在东北地区，气温升高提高了吉林省和内蒙古自治区水稻及玉米产量，提高了辽宁省水稻产量；年降水量减少不利于黑龙江省北部与内蒙古呼伦贝尔地区小麦和玉米生产；气温升高和降水量增加有利于吉林省玉米产量。在黄淮海地区，气温升高显著增加河北省小麦和玉米产量，却不利于水稻增产；但有利于提高江苏省水稻产量。在长江流域地区，气温升高显著提高了湖北省、湖南省和江西省玉米产量，降低了湖南省和江西省小麦产量；但不利于四川省水稻和小麦增产。气候变暖有利于西北地区粮食总产和玉米产量，对甘肃省和陕西省水稻生产有促进作用，但不利于宁夏回族自治区水稻生产。中国粮食作物育种应以优质、高产、多抗以及适宜于机械化生产为基本原则，以种质资源收集和利用、传统育种和现代分子生物学技术相结合的育种策略，重点提高东北地区水稻品种的耐涝性和抗倒性，黄淮海和长江流域地区水稻品种的耐高温性，西北地区晚稻品种的耐低温性，以及各地区小麦和玉米品种的耐旱性。

4 讨论

气候变化对粮食生产影响极为显著，本研究表明年平均气温与东北地区、黄淮海地区、长江流域地区和西北地区粮食产量呈正相关，与四川省粮食总产量呈负相关，这与黄维等研究一致[17]。其中，年平均气温与吉林省、辽宁省和内蒙古自治区水稻产量呈正相关，但熊伟等[18]认为气候变暖不利于中国单双季稻生产，对东北单季稻减产幅度最大，此外干旱也是造成黑龙江省水稻单产减少的主要自然灾害，洪涝次之[19]，而洪涝灾害主要在夏季大雨、暴雨等异常天气集中时发生[20]，前人研究也证实了东北地区干旱化面积、极端强降水强度和降水值都呈增加趋势[21]，但东北地区水稻产量仍然呈增加趋势，原因可能是水稻生产季节平均气温明显升高，积温、热量增加，为水稻种植面积扩大创造了良好的条件[22]。但夏季高温不利于东北春小麦高产，反而会导致春小麦面积减少，部分被春玉米代替[23-24]，目前东北春小麦主要集中在黑龙江省北部与内蒙古自治区呼伦贝尔地区，属于典型“雨养农业”旱作区[25-26]，降水减少将不利于小麦生产。气候变暖将减少低温冷害对玉米造成的减产，却增加了干旱发生风险[27]，目前干旱和低温冷害对黑龙江省玉米生产影响较大[28]，吉林省玉米气象产量与年均气温、年降水量呈正相关性[29]，辽宁省玉米低温冷害发生程度及频率也呈变弱趋势，干旱灾害频发[30]，干旱也是内蒙古自治区玉米生产的主要灾害，受灾面积占70%以上[31]。

在黄淮海地区，气候变暖与江苏省、安徽省以及河南省水稻产量呈正相关，但江淮流域水稻高温热害发生面积在扩大，强度在增加[32]，气温升高被认为是1960—2009年江苏省水稻热害频次快速上升的重要原因[33]，同时也增加了水稻病虫害的发生面积和危害程度[34]，因此，虽然安徽稻区的种植面积和复种指数在提高，但对实际产量产生不利影响，早稻高温热害和晚稻低温冷害成为需关注的重点[35]。黄淮海地区小麦增产机制主要为单产主导型及单产与面积共同作用型[36]，气候变暖降低了黄淮海雨养农业区小麦产量[37]，但气温升高明显提高河南省小麦千粒重、有效茎数和单产[38]，同时降水量减少不能满足小麦生育期需求，造成缺水而减产[39]；气温升高和降水量增加能提高山东省冬小麦单产，其中降水量增产效果尤为显著[40]；河北平原冬小麦生长季气候变暖明显同时降水量呈由南向北递减[41-42]，将不利于小麦生产。研究认为最高温度升高能促进黄淮海地区小麦产量增加，江苏省和安徽省增产尤为显著[43]，但安徽省淮北小麦产量受秋种干旱、春季阴雨诱发的病草害及后期高温等因素影响[44]，在降水量减少和气温上升的趋势下，将不利于安徽省小麦生产。前人认为气候变暖和降水量增加有利于黄淮海北部夏玉米增产，造成南部地区减产[45]，其中河北平原夏玉米生长季内极端高温天气频发，干旱呈加重趋势[46]，不利于玉米生产；河南省夏玉米初夏旱也是造成减产量的重要因素[47]；山东省降水量增加有利于夏玉米增产，而气温升高却不利于夏玉米增产[48]。

全球变暖导致积温增加，可能促进长江中游水稻发育速度加快、生育期缩短、病虫害加重，也缩短了江西省双季稻生长季，增加了高温热害发生的风险[49-51]，除高温热害外，干旱和洪涝也是导致湖南省水稻减产的主要原因[52]，同时气温升高和降水量减少也不利于四川省水稻生产[53]。长江流域地区小麦主要在四川省和湖北省种植，且产量呈下降趋势，其中湖北省小麦产量下降原因可能是气候变暖导致生育期缩短、高温影响灌浆以及春季病虫害大爆发等[54]；而四川省小麦单产呈增长趋势[55]，但产量却呈减少趋势，可能是区域种植结构调整，种植面积减少所致。四川省、湖南省和湖北省是长江流域地区玉米主要种植区域，产量呈增长趋势，但干旱仍是影响玉米产量的重要因素，其中四川盆地中部玉米干旱频率在20%以上[56]，湖南春玉米干旱主要发生在抽雄－吐丝、乳熟等时期[57]，湖北省鄂中及鄂东南春玉米干旱发生在拔节期以后，而苗期渍害发生频率较高[58]。

气温升高显著提高了甘肃省和陕西省水稻产量，降低了宁夏回族自治区水稻产量。其中，气候变暖使宁夏回族自治区适宜种植中晚熟水稻的区域有所扩大[59]，但低温冷害成为晚稻减产的主要因素[60]。西北地区水资源短缺是小麦种植面积减少的重要原因[61]，而气温上升有利于促进小麦产量增加[62]；其中陕西关中地区降水增加对小麦产量影响更为显著[63]，而宁夏回族自治区南部山区及中部干旱地区小麦产量对气候变化响应较为显著[64]，甘肃平原地区小麦灌浆期温度每升高1℃，产量降低280 kg/hm2，尤其在灌浆后期遭受高温可使小麦产量降低10%～20%[65-66]。气候变暖有利于西北地区喜温作物的生长，玉米种植面积不断扩大，产量呈上升趋势，而陕西北部、宁夏回族自治区和河西走廊地区夏玉米干旱强度呈增加趋势[67]，因此甘肃玉米产量与年降水量也呈显著的正相关[68]，未来宁夏回族自治区气候可能呈“暖湿型”变化，春玉米生产潜力呈增加趋势[69]。

全球变暖引起极端天气频发，对综合性状优良的农作物新品种需求更加急迫。因此，因地制宜制定育种目标，采取科学合理的育种策略是关键。中国地域辽阔，气候差异较大，同一个品种很难适宜全国种植，因此结合种植区域气候和农业生产特点，设计育种目标，针对性开展新品种选育具有重要的意义。本研究认为东北地区特别是黑龙江省受台风影响较大，水稻倒伏减产明显，水稻品种的抗倒性成为重要育种目标；东北地区降水量逐年减少，应注重耐旱小麦品种和玉米品种的选育。江淮流域高温热害面积和强度不断增大，水稻和玉米品种的耐高温性应作为江苏省和安徽省的重要育种指标，其中安徽省早稻品种应具备耐高温性，晚稻品种应具备耐低温性；由于黄淮海流域冬小麦生长季降水量较少，应更加关注小麦品种的耐旱性；山东省夏玉米干旱和河南省初夏旱呈加重趋势，该地区玉米品种应将耐旱性作为重要育种指标。长江流域地区水稻高温热害风险增加，应增强水稻品种的耐高温性，同时应增加湖南省和四川省水稻及玉米品种的耐旱性；提高湖北省小麦品种抗低温冻害能力；湖南省玉米生长期干旱和渍害严重，应根据当地特点关注玉米品种耐旱性和耐渍性。在西北地区，应提高宁夏回族自治区晚熟水稻品种抗低温冷害性；西北地区水资源短缺的现状尚未改变，小麦和玉米品种耐旱特性仍是关注的重点。