非对称性增温对农业生态系统影响研究进展

该文概述了北半球和我国气候变暖中增温的非对称性特征：北半球气候变暖存在明显的季节差异和昼夜不同步性,大部分地区冬、春季升温高于夏、秋季,日最低气温升幅是日最高气温升幅的2-3倍;近50年我国近地表气温升高主要是最低气温明显上升的结果,日最低气温升幅是日最气高温升幅的2-3倍,与北半球基本一致;升温最显著的季节为冬季和春季。在此基础上概述了非对称性增温对农业生态系统的影响,论述了非对称性增温对农作物物候和农作物产量的影响,得出最低气温升高促使整个生长季延长,促使早春作物物候期提前,但最低气温和最高气温对不同作物的物候以及同一作物的不同发育阶段影响不同。现有研究多采用模型或统计的方法研究气候变暖对作物生长的影响,认为温度升高对作物有＂强迫成熟＂效应;而现有的最低气温升高和最高气温升高对作物生长影响的研究结果并不一致。非对称性增温对农作物影响的实验研究极少,且缺乏对模型模拟结果的实验验证。

非对称性增温对冬小麦强势粒和弱势粒淀粉合成关键酶活性的影响

以扬麦11为材料,采用全生育期田间开放式增温系统进行增温处理,研究了不同增温处理对小麦强和弱势粒淀粉合成关键酶活性的影响差异。结果表明,冬小麦强势粒中蔗糖合酶(SS)、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(AGPase)和淀粉分支酶(SBE)的活性较弱势粒高,而且三者白天的活性均比夜间高。不增温条件下,整个灌浆期强势粒中SS、AGPase和SBE的活性平均分别比弱势粒高72.9%、111.4%和7.8%。全天、白天和夜间增温条件下,强势粒SS白天的活性比常温对照的高8.4%～31.2%,夜间的活性比对照高11.1%～20.3%;弱势粒SS白天的活性比对照高9.7%～20.3%,夜间的活性比对照高6.1%～32.0%。弱势粒中AGPase活性在不同增温处理下也显著提高,其白天的活性比对照高54.2%～124.4%,夜间的活性比对照高20.7%～99.3%。增温对SBE活性的影响较小,强势粒和弱势粒在增温条件下其白天的活性均比对照高3.9%～12.1%,夜间的活性均比对照高1.0%～7.6%。相关分析表明,AGPase和SBE的活性与千粒重之间存在极显著正相关,增温条件下AGPase和SBE的活性显著提高,尤其是弱势粒中AGPase和SBE活性的显著提高是千粒重提高的一个重要原因。

近56a新疆塔里木盆地非对称性增温变化特征分析

基于塔里木盆地25个气象台站1960—2015年的气温数据,采用线性趋势分析、Mann-Kendall检验等方法分析了年、季平均气温、最高气温、最低气温及日较差的时空变化特征。结果表明:56 a来,研究区年平均最高、最低气温在时间变化上呈非对称性增长,年平均最低气温变率为年平均最高气温变率的1.5倍。区域间的变暖幅度大致随纬度差异由北向南递增。不同季节增温幅度亦表现出非对称性,冬季平均气温、最低气温增幅均为全年最高,夏季最低,秋季最高气温增幅最高,夏季最小。四季平均气温的升高主要与最低气温的显著升高关系密切。年平均气温日较差呈显著下降趋势,气候倾向率为-0.19℃/10 a。平均气温和最高气温的气候突变年份基本都发生在1993年前后。

环塔里木盆地非对称性增温变化及其对特色林果物候期的影响

为揭示气候变暖中增温的非对称性对植物物候产生的影响,基于塔里木盆地1980—2014年的气象及物候观测数据,分析了该地区主要特色林果物候期对非对称性增温变化的响应。结果表明:35年来,研究区年平均最高、最低气温在时间变化上呈非对称性增长,年平均最低气温变化倾向率为年平均最高气温的2倍,春季气温增幅明显高于其他季节。几种林果春季物候期普遍提前,秋季物候期相对推迟,年平均气温每升高0.1℃,生长季平均延长1.5天。春季物候期大部分与当月及前一个月的平均气温、最高、最低气温呈极显著负相关(P<0.01),与前一个月的月均日较差呈极显著负相关(P<0.01)。春季气温变化是影响林果物候期的关键因子,月平均最低气温的变化对林果物候期的影响高于月平均最高气温。

我国昼夜非对称性增温时空变化特征及影响因素

近几十年来,全球变暖的一个主要特征是昼夜增温呈现非对称性,即夜间增温速率大于白天增温速率,但该现象还未引起广泛关注。为了解我国昼夜气温日温差的时空变化特征及影响因素,搜集我国838个气象站点历史观测数据,运用趋势检验等方法,对1952—2018年间气温日温差(DTR)进行分析。结果表明:空间上,全国年平均DTR最高的地区分布在西北和西南地区,其次是东北和华北地区,最低为华中、华东和华南地区;季节上,一年中月平均DTR总体呈多峰分布,其中春季、秋季各有1个波峰,夏季有1个低谷;长期来看,1952—2018年期间年平均DTR呈下降趋势(=-0.396;p<0.01)。DTR的长期变化与蒸发量、日照时数、纬度和海拔呈正相关,与风速、降水量、相对湿度、站点气压、总云量和经度呈负相关。

开放式增温下非对称性增温对冬小麦生长特征及产量构成的影响

在江苏南京(2007-2009年)设置了全天增温(AW)、白天增温(DW)和夜间增温(NW)3种处理,研究冬小麦生长及产量构成的响应差异.结果表明:非对称性增温条件下,冬小麦的无效分蘖减少,有效分蘖增加.对照(CK)处理的无效分蘖分别是AW、DW和NW处理的2.6、1.7和3.5倍,但有效分蘖却比3个增温处理分别减少13.7%、3.2%和0.5%.AW、DW和NW处理小麦株高分别较CK提高了5.6%、4.5%和1.3%.旗叶面积分别提高了45.7%、39.4%和26.1%,开花期总绿叶面积分别提高了25.1%、29.8%和17.3%,同期绿叶比分别提高了37.7%、43.3%和38.7%.穗部性状中,AW、DW和NW处理的每穗颖花数平均比CK提高了4.1%、5.7%和1.7%,每穗实粒数分别提高了2.2%、5.3%和2.6%.AW、DW和NW处理冬小麦的粒叶比平均分别较CK降低了15.3%、8.5%和11.3%,但千粒重平均分别提高了6.9%、6.2%和11.8%,单位面积产量平均分别提高了27.0%、40.1%和18.3%.表明预期增温条件下华东地区冬小麦生产力将可能进一步提高.

新疆自然植被对非对称性昼夜增温的时滞响应

为探究新疆地区植被活动与昼夜增温之间的复杂关系,本文利用2000~2015年归一化植被指数(NDVI)及气象数据,定量研究了新疆北疆、南疆及伊犁地区生长季日间最高气温(Tmax)、夜间最低气温(Tmin)变化趋势及植被对非对称性累积昼夜增温的时滞响应,通过二阶偏相关分析了Tmax、Tmin对新疆地区植被的影响.结果表明:北疆、南疆及伊犁地区昼夜增温均呈非对称性,昼夜增温空间异质性显著,北疆地区Tmin增温速率为Tmax增温速率的1.67倍,南疆地区Tmin增温速率为Tmax增温速率的1.59倍,伊犁地区Tmin增温速率为Tmax增温速率的2.67倍,伊犁地区昼夜温差缩小趋势显著.植被对非对称性昼夜累积增温时滞性呈现明显的空间差异,Tmax、Tmin对新疆地区植被平均滞后时间为(0.97±0.93)个月和(0.91±0.95)个月.南疆、北疆及伊犁地区针叶林、阔叶林及草甸草原植被受日间增温的影响,荒漠草原、典型草原受夜间增温影响显著,夜间增温影响范围更广.

高寒气候区生长季NDVI与昼夜不对称增温的Copula分析

利用1982—2016年的青海地区归一化植被指数和气象数据,基于马尔科夫链蒙特卡罗的Copula函数方法,深入探索昼夜增温不对称性与植被活动之间的复杂关系,揭示了昼夜增温和NDVI之间的联合概率分布及其季节性差异。研究结果表明,昼夜增温与NDVI之间的关系在不同季节呈现显著差异。尤其在秋季,昼夜增温对NDVI的影响最为显著,其次是夏季和春季。通过Copula函数模型,发现昼夜增温与NDVI在特定温度区间内呈现正相关,表明适宜的温度条件下昼夜增温对植被生长具有促进作用。然而,当昼夜增温超过某一阈值时,其对NDVI的促进作用转变为抑制作用,从而限制了植被的生长。同时,还揭示了重现期与昼夜增温及NDVI之间的关系。在较低的重现期下,昼夜增温与NDVI的联合概率较高,表明在这些条件下,植被生长良好的情况出现的频率较高。反之,较高的重现期对应于昼夜增温与NDVI较低的联合概率,表明植被生长受到抑制。本研究通过Copula函数提供了一个全新的视角来理解昼夜增温与植被动态之间的相互作用,强调了气温变化对植被生长影响的复杂性。

开放式昼夜不同增温对单季稻影响的试验研究

全球变暖趋势日益明朗,且存在明显的季节性差异和昼夜不对称性。水稻是我国最重要的粮食作物,研究水稻生产力对昼夜不同增温的响应与适应对我国未来粮食安全战略决策至关重要。在江苏南京设计我国首个稻田开放式增温(FATI:FreeAir Temperature Increased)系统,在2007—2008年对水稻进行昼夜不同增温(全天增温、白天增温和夜间增温)的试验研究。结果表明,该增温系统可以形成4 m2均匀且稳定的增温范围,全天、白天和夜间增温处理平均分别可以使水稻全生育期冠层日均温升高2.0℃、0.6℃和0.9℃。白天增温使水稻全生育期冠层白天温度平均升高1.1℃,夜间增温使夜间温度平均升高1.8℃,与未来的升温幅度相似。全天、白天和夜间增温处理下,水稻冠层温度日较差变化分别为0.1℃、0.6℃和-0.9℃。同时,在该系统的3种增温情景下,水稻分蘖期、孕穗期和灌浆期的田间冠层温度日变化趋势基本与常规对照区一致,全生育期的日平均温度变化趋势也基本一致。两年的增温试验表明,不同增温情景均对水稻的生育进程、成熟期地上生物量和产量产生了明显的影响。其中全天、白天和夜间增温分别使水稻从移栽到始穗平均的日期缩短3.5、2 d和2.5 d,但对始穗至成熟期的影响不明显;全天、白天和夜间增温分别使水稻地上生物量降低7.7%、6.6%和2.8%,但差异均不显著;白天和夜间增温分别使水稻产量下降8.9%和4.5%,而全天增温下水稻产量略有上升,但均未达到显著水平。从产量构成来看,增温下有效穗数和结实率呈现递增趋势,每穗粒数和千粒重呈现下降趋势。增温对水稻株高的影响不明显。上述结果表明,该稻田开放式增温系统能满足水稻系统生产力对未来气候变暖响应与适应的试验研究要求,气候变暖对水稻生产力影响的相关模型分析结果也尚需进一步的田间实际增温试验验证,模型所需的相关参数也需要进一步完善。

夜间增温对小麦干物质积累、转运、分配及产量的影响

为明确夜间增温对小麦产量形成的影响,于2019—2020和2020—2021年两个小麦生长季,以苏麦188和安农0711为试验材料,采用被动式夜间增温方法,以不增温为对照,对小麦生育前期3个阶段(分蘖期至拔节期、拔节期至孕穗期、孕穗期至开花期)进行夜间增温处理,研究不同阶段夜间增温处理对小麦干物质积累、分配、转运以及产量的影响。结果表明,分蘖期至拔节期与拔节期至孕穗期夜间增温处理均能提高小麦孕穗期和开花期的旗叶叶面积,且分蘖期至拔节期夜间增温处理与对照差异显著,孕穗期至开花期夜间增温处理的旗叶叶面积较对照有所降低;在小麦拔节期和孕穗期时,分蘖期至拔节期与拔节期至孕穗期夜间增温处理较对照均提高了小麦的株高,开花期各增温处理的株高与对照无显著差异;分蘖期至拔节期与拔节期至孕穗期夜间增温处理均提高了小麦干物质的积累量和产量,在分蘖期至拔节期夜间增温处理下,苏麦188和安农0711的两年平均产量较对照分别提高了5.63%和6.77%。综上,分蘖期至拔节期夜间增温处理提高了小麦的叶面积和株高,使其获得更多的光能用于光合作用,最终增加了小麦的干物质积累量和产量。本研究结果为制定未来气候变化背景下的农业适应战略提供了理论依据。

不同阶段夜间增温对小麦生长特性及产量的影响

全球变暖表现出夜间增温幅度大于白天的非对称性增温特性,为明确不同阶段夜间增温对小麦生长发育特征及产量的影响,以扬麦18为试验材料,采用被动式增温装置分别对小麦分蘖期至拔节期(NW_(T-J))、拔节期至孕穗期(NW_(J-B))、孕穗期至开花期(NW_(B-A))三个不同阶段进行夜间增温处理,以不增温为对照(NN),研究不同阶段夜间增温对小麦生长发育特性、旗叶衰老特性及产量的影响。结果表明,不同阶段夜间增温均能提高小麦花后0~15 d旗叶面积和叶绿素含量;显著提高灌浆前期小麦旗叶的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性,降低花后0~15 d小麦旗叶丙二醛(MDA)含量;显著增加成熟期小麦干物质的积累量,提高小麦产量,其中,NWJ-B处理下小麦产量增加幅度最大,较NN(对照)提高了8.75%。本试验条件下,拔节期至孕穗期夜间增温提高了花后0~15 d小麦旗叶面积、叶绿素含量和抗氧化酶活性,降低了灌浆前期小麦旗叶膜脂过氧化程度,最终增加了小麦的干物质积累量和产量。

集宁地区近40年气温变化趋势与特征分析

分析了集宁地区1971-2010年平均气温、最高气温、最低气温的气候变化趋势和特征,结果表明,近40a集宁地区增温显著,平均气温的增温速率超过全国以及内蒙古平均水平,且呈非对称性增温,表现在最低气温增温早、速率大,突变分析也证明了这一点。另外,通过小波系数实部分析,集宁地区的近40a平均气温以及最高、最低气温变化均以准10a周期震荡为主。

1961～2010年西北地区极端气候事件变化特征

利用1961～2010年西北地区131个气象站的逐日平均气温、最高和最低气温及逐日降水资料,分析了西北地区极端气候事件的变化趋势及空间分布特征。结果表明：气候变暖背景下,西北地区近50 a来气温整体呈增加趋势,极端高温事件增多,极端低温事件减少;降水量呈微弱的增加趋势,极端降水事件增多;极端高温日数分别在1982年和1996年发生转折,95%、99%极端低温日数均在1980年前后发生突变,95%、99%极端降水日数分别在2000年和1980年出现转折,这与气温和降水的变化趋势一致。极端低温日数减少的幅度大于极端高温日数增加的幅度,表明气温日较差呈减小趋势,存在非对称性增温特征。空间上,增温率大的区域其极端高温日数增加,极端低温日数显著减少;95%、99%极端降水日数增率大的区域多位于降水量倾向率较高的地区。