全球作物生殖生长阶段暴露在极端高温环境中， 历史趋势与未来预测外文翻译资料

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全球作物生殖生长阶段暴露在极端高温环境中，

历史趋势与未来预测

Sharon M Gourdji, Adam M Sibley and David B Lobell

摘要

长期的全球变暖趋势已经改变了温度变异分布，例如曾相对于当地的平均条件被归类为极端高温的事件已经变得越来越普遍。这对农业生产地区也是如此，这些地区暴露在极端高温的环境中，特别是在作物的关键生长阶段，如生殖生长期，会严重危害作物生长，而其机理目前绝大多数作物模型尚不能够模拟出。本文我们以全球玉米、水稻、大豆和小麦作物的主要种植区域为研究区，对在生殖生长期的作物暴露在生理极端温度（）进行分析。1980-2011年期间生育期平均气温和的表现出相对较弱的相关关系（r = 0.19），所以需要独立对的进行研究。过去的几十年中，在中南亚和南美的小麦明显增长，对于玉米生产在世界很多不同的地区也存在同样的现象。在2000s，全球耕种面积中，作物生殖生长阶段暴露在高于的环境中的天数超过5天的面积的15%都是玉米种植区，所占比例最高，尽管这个数值一定程度上受作为阈值的具体温度的影响。过去几十年，其他农作物也有在生殖生长期暴露在超出温度的环境中，只是持续时间相对较短，随着未来气候变暖这一现象会增多。使用气候模式的预估数据，我们估计到21世纪30年代，全球玉米，水稻，小麦种植区的31%、16%和11%的面积在典型年份作物生殖生长期将至少5天暴露在超过温度的环境中，大豆受到的影响较小。玉米和水稻均表现出随时间非线性增加，水稻总暴露地区预计从21世纪初的8%增长到20世纪50年代的27%，玉米在同一时期从15到44%。然而作物更快的发育可导致更早开花，从全球总体情况上看这将减少小麦生殖生长阶段暴露在极端高温环境中，对于其他农作物有较小的影响。因此，不考虑其他全球变化的其他因素（如增加大气中的二氧化碳）的影响，如果不采取适应对策，例如改变播种日期、作物轮作机制、灌溉及作物耕种范围等，未来作物生殖生长阶段暴露在极端高温环境中将对全球作物生产带来危险。

关键词：气候变化，农业，极端高温

在线补充资料stacks.iop.org/erl/8/024041/mmedia

1.简介

在过去的几十年里，全世界年平均气温明显上升[1]，包括在最主要的农业地区[2]。随着平均温度变化，出现极端高温的情况已经增加，极端低温的情况同时减少[3-5]。历史上极端事件发生的趋势是平均温度变化的自然结果，但温度分布的改变也有可能造成影响[5-7]。随着平均温度的变化，极端的趋势主要是受温室气体排放的影响[8-9]，因此预计在未来的几十年仍将持续。

较热的平均温度通过这几种机制影响作物的生产，包括加快农作物的生长速度和蒸散量[10-12]。平均温度变化条件的影响与平均气候对害虫和疾病的影响有显著不同，它被作物模型相当不错地模拟，经常用来评估气候变化的影响[13]。然而，极端温度（热和冷）也能引起生理伤害和导致作物死亡，特别是在敏感作物周期（如开花或生殖生长阶段）[14-15]。虽然极端高温被作物模型社区广泛知晓，但它的影响往往不能很好地量化，一般不能用现有的模型模拟[16-19]。

作物在生殖生长期对极端高温特别敏感，此时会大幅减少粮食数量和最终产量，并在最不利的情况下导致作物死亡[20-22]。特谢拉等[23]在2071 – 100期间研究对小麦、玉米、水稻和大豆生殖生长期暴露于高温的预测。他们的分析认为单一的全球流通模式（GCM）的预测，没有在农业区域对潜在全球流通模式的温度偏差进行校正。尽管如此，该研究表明在全球范围内作物在生殖生长期暴露于高温的区域有增加的趋势，特别是对玉米和水稻，虽然对小麦的适应性措施有部分缓解的效果，情况依然比较严峻。

虽然作物高温迫害预计将在21世纪末增加，但除了在个别地区[19-24]，其它地区一直没有记录全球作物系统发生的变化。本文我们研究在30天开花期，即生殖生长阶段，作物暴露于特定极端高温的环境中，以下记作。我们评估全球玉米、小麦、水稻和大豆地区的历史趋势，以检验在过去的三年里是否发生了变化。我们也考虑未来几十年（直到2050年）对气候变暖的敏感度，以确定将大幅增加暴露在高温环境中的面积的危险地区。

2.方法

首先选取全球将近所有的玉米、小麦、水稻和大豆的代表性种植区域。从全球种植区域的半分辨率地图中[25]，我们随机选择sim;1100网格，包含的区域至少有10%的面积种植四种作物之一，并且至少距其他点100公里以外。假设所选的每一个点的气候状况都是100平方公里半径内的一般代表条件，这个集合点代表全球所有四种作物种植面积的98%。此值从玉米的96%到大豆的99%不等。

从1980到2011年，每天的天气数据产生于每一个所选择的点，对来自全球气象站历史气候网[26]和全球表面每日总结[27，28]的综合数据的40 000个天气站的每日最低最高温度进行插值处理。为了提高精度，空间插值适用于1平方公里分辨率的多年平均气候的每日异常情况（即WorldClim，[29]），而不是实际站数据本身，这有助于合理地解释由纬度或海拔[30]造成的空间温度梯度 [31]。距离加权回归法（即角距离加权）是用来对各地点播种期到收获期的每日天气异常进行插入。

其次，为了确定每一种作物每个位置的播种和收获日期，将重建的每日天气数据与网格作物日历数据库[32]配对。对于小麦，春小麦相较于冬小麦的日历选取是基于在哪种地区哪种类型占主导地位的专业知识。此外，为了捕捉春小麦和冬小麦的初级成长期，不用作物日历上的小麦播种期，而是采用所有地区收获期前120天为开始播种期。

作物日历[32]平均分辨率为0.5°，并是从国家和副国家级数据的组合编译而来。而播种和收获日期可以在更精细的空间尺度上总体变化，为了做全球性的分析，我们必然依赖于数据产品来估计整个地区的平均值。此外，我们强调从区域到全球范围的结果，所以低于全国规模的变化的影响不明显。

假定所有农作物的生殖生长期为30天，并集中在特定作物的特殊事件（即小麦和水稻抽穗，大豆结荚、玉米吐丝）的5天前。这个日期被推定为收获日期前的某个具有固定比例的时期，不同作物的有不同比例，比例值可基于美国国家农业统计局（NASS；www.nass.usda.gov/Data_and_Statistics/）的全球作物日历。小麦的比例是0.45，玉米是0.55，大豆是0.50。水稻的比例不包括在NASS数据库，可根据文献回顾水稻作物全球日历（补充材料表S1，stacks.iop.org/ERL/8/024041 /mmedia），选为0.3。

美国大陆的不同国家给了一些气候变率的指标，事实上，在各州的季节性开花比例是相对恒定的。我们承认，这些基于美国的比例在全球范围内保持恒定是不可能的，如在补充文献综述的材料表S1结果所示。特别是小麦通常在整个时期温度不断上升，而且物候随曲线变化（补充材料图S1，stacks.iop.org/ERL / 8 / 024041 / mmedia）。可是，我们不知道预测作物开花期的全球数据产品，因此，必须依靠简单的指标来估计。最后，我们使用了30天的开花阶段为生长生殖期，改变开花的时间一至两周会使新的阶段与当前阶段大部分重叠。所以，这对区域或全球范围的影响不大。

使用气象数据和作物日历，我们计算1980到2011年期间所有选定地点每个作物在每个季节生殖生长期温度超过的天数。对于，我们使用取自[14]的数值：小麦是34°C，玉米是35°C，，水稻是 36°C，大豆是39°C。需要指出的是，这些极端高温不仅随作物种类而不同，一定程度上还有作物生长变化。此外，冠层温度往往与我们重建天气数据中的空气温度不同，受土壤水分、大气水汽压亏损以及品种蒸腾效率的的影响[33]。作为一个参考指标，我们还计算了每个地点和年份的生育期平均气温。

利用每个位置和作物的年历史数据组合，我们计算2000s的年平均和从1980到2011年期间32年的趋势。此外，我们采用来自CMIP5气候模式国际比较项目[34]与RCP8.5发射场景[35]的37个模型的模拟结果，计算出年平均值并且预测到2050年的未来气候变暖。因为在未来几十年的气候演变不取决于大幅度的排放途径，我们使用了单一的模型预测代表浓度路径（RCP）辐射强制方案。对于所有的气候模型，我们计算出相对于2000年的各年月预测的变化，为了模拟现实日常的变化，将这些变化插值到日规模，然后将它们添加到21世纪初的实际值中。通过从模型中添加温度变化到实际天气数据，有利于解释在农业区潜在的GCM偏差。

对于历史和预计未来时期，我们分析在个别地点作物生长生殖期暴露在极端高温的情况，以及在全球范围内的汇总。对于全球分析，我们进行加权平均，权重由种植区域100公里以内的每一个位置点确定，假设在这个半径范围内平均暴露在极端高温的情况相同。

我们实施2组敏感性测试，以评估结论的稳定性。首先，在全球范围内使用比极端温度高1°C的情况来计算生殖生长期暴露在高温的天数。其次，升高温度增加作物的发育速度，这在未来气候中可能改变生殖生长期的时间。这项研究中使用的静态作物日历不一定能反映。粗略进行估计，气候变暖1°C将缩短4天开花时间[36]，但这也随作物品种，生长变化和基准温度而不同。为了检验生殖生长期暴露在极端高温环境中是否对加速发育敏感，我们实施敏感性测试，每1°C变暖就把生殖生长阶段提前4天。

3.结果

正如预期的那样，目前主要是在热带和亚热带，作物种植制度经历最高的生育期平均气温（图1）。分析的四种作物中，小麦生长在最冷温度区，水稻生长在最热温度区，玉米和大豆居中（补充材料表1，图S1）。然而，在全球范围内所有农作物都生长生育期平均气温的大变化范围内，每个站点都有相对于年际变异更大的空间变异。四种作物中，小麦由于种植场所主要是温带，它有最大的温度年际变异，玉米具有最大的空间变异。

虽然最近的气候有变暖的趋势，大多数种植地区在过去30年尚未系统全面地暴露在生殖生长期极端高温的环境中。例如，在2000s，大约一半种植小麦和玉米的区域在生殖生长期暴露在超过环境中的天数不到一天，水稻和大豆种植区域甚至有更高的比例。在2000s，小麦在生殖生长期暴露在极端高温环境中最多的是在中南亚（图1）。玉米在不同区域中有频繁暴露的地点，包括美国，墨西哥，阿根廷，撒哈拉沙漠以南的非洲地区和尼罗河流域的部分地区，南亚和中国。水稻在巴基斯坦和印度南部有最多暴露，还有其他分散的地点，包括加利福尼亚，尼罗河流域和西非萨赫勒地区。大豆在四种作物中是暴露最少的，唯一的非零暴露是在中美和阿根廷。

自1980年以来，生育期平均气温在全球范围内有强烈的气候变暖趋势，特别是欧洲，中东，中国北方和日本（图2）。与其他研究相一致[2，37]，全球变暖趋势的一个反例是在北美国，在这里的“暖洞”长期存在。所有四种作物的生育期平均气温从1980到2011年平均是sim;0.3°C /年，与全球土地的全年趋势一致[1]。小麦有最强的季节性变暖趋势，大豆最弱，只有小麦的一半（表2），这是由于高纬度的升温速率更快[38]。在生殖生长期的与生育期平均气温趋势只有很小相关关系（r= 0.19），（补充材料图2，stacks.iop. org /ERL/ 8 / 024041 /mmedia）。

当多地区达到极端阈值，这种相关关系有可能加强。然而，自1980以来许多地方仍存在显著正的历史趋势（图2）。对于小麦，包括东欧、中东、中南亚以及巴西、阿根廷、北美国地区。玉米趋势最显著的区域在东欧、尼罗河流域、非洲的科特迪瓦、阿根廷、整个美国、墨西哥和中国北方。水稻的正趋势特别地表现在中国北部、印度东部和尼罗河盆地，而大豆有几个显著的正趋势在阿根廷和美国中部。许多其它地区的四种作物有非零，但趋势不显著，包括美国玉米、小麦和南亚北部地区水稻的负趋势。

对1980年以来在气候变暖和在生殖生长期暴露在极端高温环境中的正负历史趋势进行比较，可以发现这2个指标之间的一些差异（表2）。例如，大多数小麦种植区域有季节性平均变暖，总面积的83%表现出ge;0.1°C /年的趋势，只有5%有le;minus;0.1 °C /年的趋势。小麦在生殖生长期超过的情况也表现为正趋势，但对比度不很明显。具体而言，小麦面积的27%有ge;0.1天/年的趋势，而10%有le;minus;0.1天/年的趋势。对于大豆，大约有三分之二的种植区域经历季节性气候变暖趋势，但对生长繁殖期暴露在极端高温环境中的正和负的趋势是很小而且相对平衡的。

表1.21世纪初小麦、玉米、大米和大豆生育期平均温度，空间和时间的标准偏差和温度范围。空间标准偏差，先逐年计算整个站点，再求时间平均。时间标准偏差，先计算32年的每个站点，然后求空间平均。除了温度范围的所有度量值都由种植区域100公里内的每一个种植位置加权而来。