In this review, we made an attempt to create a holistic picture of plant response to a rising temperature environment and its impact by covering all aspects from temperature perception to thermotolerance. This comprehensive account describing the molecular mechanisms orchestrating these responses and potential mitigation strategies will be helpful for understanding the impact of global warming on plant life. Organisms need to constantly recalibrate development and physiology in response to changes in their environment. Climate change-associated global warming is amplifying the intensity and periodicity of these changes. Being sessile, plants are particularly vulnerable to variations happening around them. These changes can cause structural, metabolomic, and physiological perturbations, leading to alterations in the growth program and in extreme cases, plant death. In general, plants have a remarkable ability to respond to these challenges, supported by an elaborate mechanism to sense and respond to external changes. Once perceived, plants integrate these signals into the growth program so that their development and physiology can be modulated befittingly. This multifaceted signaling network, which helps plants to establish acclimation and survival responses enabled their extensive geographical distribution. Temperature is one of the key environmental variables that affect all aspects of plant life. Over the years, our knowledge of how plants perceive temperature and how they respond to heat stress has improved significantly. However, a comprehensive mechanistic understanding of the process still largely elusive. This review explores how an increase in the global surface temperature detrimentally affects plant survival and productivity and discusses current understanding of plant responses to high temperature (HT) and underlying mechanisms. We also highlighted potential resilience attributes that can be utilized to mitigate the impact of global warming.© 2023. The Author(s), under exclusive licence to Springer-Verlag GmbH Germany, part of Springer Nature.

【目的】我国拥有丰富的小麦和玉米秸秆资源，明晰我国小麦、玉米秸秆产量和养分资源量及还田减肥潜力的时空变化特征，可为推进秸秆资源利用和化肥减施提供决策依据。【方法】以农业农村部1988－2019年在全国小麦玉米区的土壤长期监测数据为基础，分析我国各地区不同年份的小麦玉米秸秆和养分资源量及还田减肥潜力。【结果】2010s全国小麦和玉米秸秆年均量分别达到1.62×10⁸和4.23×10⁸ t，比1990s增加0.16×10⁸和2.04×10⁸ t；秸秆NPK总养分资源年均量分别达到278.19×10⁴和901.08×10⁴ t，比1990s增加27.97×10⁴和434.82×10⁴ t，均以华北增量最高。30年来全国小麦秸秆及养分资源呈先降后增的趋势，玉米呈增长趋势。第一阶段（1990s—2000s）和第二阶段（2000s—2010s）小麦秸秆资源年变化速率分别为-42.47×10⁴和205.10×10⁴ t·a^-1，N、P和K的养分资源年变化速率分别为-0.26×10⁴、-0.03×10⁴、-0.44×10⁴ t·a^-1和1.27×10⁴、0.14×10⁴、2.11×10⁴ t·a^-1；第一阶段和第二阶段玉米秸秆资源年变化速率分别为397.82×10⁴和1643.60×10⁴ t·a^-1，N、P和K的养分资源年变化速率分别为3.46×10⁴、0.56×10⁴、4.46×10⁴ t·a^-1和14.30×10⁴、2.30×10⁴、18.41×10⁴ t·a^-1。80%以上的小麦秸秆及其养分资源分布在华北和长江中下游，以华北最高（0.93×10⁸ t，NPK 160.31×10⁴ t），西南最低（0.09×10⁸ t，NPK 16.05×10⁴ t）；70%左右的玉米秸秆及其养分资源分布在东北和华北，以东北最高（1.39×10⁸ t，NPK 296.96×10⁴ t），长江中下游最低（0.21×10⁸ t，NPK 44.40×10⁴ t）。全国小麦秸秆还田的N、P和K养分单位面积年均当季释放量分别为21.1、3.0和62.3 kg·hm^-2，以华北最高，西南最低；玉米秸秆还田的N、P和K养分单位面积年均当季释放量分别为48.6、10.6和97.7 kg·hm^-2，以西北最高，西南最低。近30年来，全国单位面积小麦和玉米秸秆还田的养分年均当季释放量持续稳定增加，小麦秸秆还田的N、P、K养分相当于化肥年均施用量的比例分别为9.13%—10.82%、4.26%—6.43%、88.02%—111.86%，玉米秸秆分别为22.99%—24.37%、16.04%—28.67%、150.29%—181.42%。【结论】我国小麦和玉米秸秆还田可满足作物生长的钾素需求，可减少约10%—20%氮肥、5%—20%磷肥的施用，充分利用秸秆资源，是实现化肥减施增效的重要保障。

采用随机区组设计进行大田试验,设置传统耕作(CT)、免耕(NT)、传统耕作+秸秆覆盖(TS)、免耕+秸秆覆盖(NTS)4种处理,研究不同处理下旱作区春小麦田的土壤容重、含水量、全氮含量、铵态氮含量、硝态氮含量和小麦产量。结果表明:不同处理实施2 a后,NT和NTS处理的0~10 cm土层土壤容重显著(P<0.05)高于CT和TS处理;TS和NTS处理较CT处理增加了土壤含水量和土壤表层(0~40 cm)全氮含量,就2 a试验平均值而言,TS、NT和NTS处理的土壤含水量较CT处理分别增加8.33%、3.17%和3.82%,TS和NTS处理的土壤全氮含量分别较CT处理显著(P<0.05)增加1.78%和3.48%;但TS、NT和NTS处理的土壤铵态氮和硝态氮含量较CT处理显著(P<0.05)降低。从2 a试验平均值看,与CT处理相比,TS和NTS处理的春小麦产量明显增加,而NT处理的春小麦产量下降。

水和氮是影响西北黄土高原雨养农业区粮食生产的主要因素, 但其增产效应受降水年型影响明显。本水氮调控试验利用APSIM模型在甘肃省定西市安定区1971—2018年气象数据, 分析了不同降水年型下水氮管理对小麦产量和生物量的变异系数、可持续性指数的影响, 明确了各年型产量与施氮量、降水量之间的关系。结果表明, 模型模拟的小麦产量和生物量的决定系数R ²均在0.90以上, 一致性指标D均在0.95以上, 归一化均方根误差(NRMSE)均在15%以下, 表明该模型在研究区具有较好的模型拟合度和适应性。通过二元二次回归方程探讨了其最优产量下的水氮优化组合, 在当年年降水总量的基础上, 干旱年小麦达潜在最优产量时(3492.6 kg hm ^-2), 降水需增加39.73%, 应施氮182.73 kg hm ^-2; 平水年小麦达潜在最优产量时(4514.5 kg hm ^-2), 降水需增加45.26%, 应施氮208.26 kg hm ^-2; 湿润年小麦达潜在最优产量时(4890.3 kg hm ^-2), 降水需增加46.31%, 应施氮211.15 kg hm ^-2。研究结果可为研究区不同降水年型下缓解小麦干旱和养分胁迫, 节约化肥资源和农业可持续性发展提供理论依据。

黄淮海地区水资源紧缺以及氮肥不合理施用制约着小麦产量和水肥利用效率的协同提高。本研究采用两因素裂区设计,主区为3个灌溉水平:在小麦拔节期和开花期0～40 cm土层土壤相对含水量均分别补灌至65%(W₁)、75%(W₂)和85%(W₃);副区为4个施氮量:施纯氮0(N₀)、150(N₁)、180(N₂)和210(N₃)kg·hm^-2,分析不同水氮运筹方式对小麦花后光合物质生产能力、籽粒产量和水氮利用效率的影响。结果表明: 小麦产量随灌溉水平和施氮量的提高呈增加趋势,W₂N₂处理具有较高的籽粒产量,为9103.53 kg·hm^-2;继续增加水氮投入对小麦产量无显著影响。在相同施氮量条件下,与W₁相比,W₂条件下小麦花后冠层光截获率、叶绿素相对含量和实际光化学效率分别平均提高了4.5%～6.0%、19.7%～28.2%和7.5%～9.8%,与W₃相比均无显著差异。同一灌溉水平下,N₂处理花后干物质积累量较N₀和N₁处理分别平均增加80.1%～88.9%和16.7%～22.2%,与N₃处理间无显著差异。小麦灌溉水利用效率和氮肥偏生产力均表现为随灌溉水平和施氮量的增加而降低,W₁、W₂和W₃处理下小麦灌溉水利用效率分别为16.23、11.01和7.91 kg·hm^-2·m^-3,N₁、N₂和N₃处理下氮肥偏生产力分别为50.8%、48.4%和42.5%。综上,在测墒补灌条件下,综合考虑小麦产量和水氮利用效率,小麦拔节期和开花期0～40 cm土层土壤相对含水量均补灌至75%协同施氮180 kg·hm^-2(W₂N₂)是该地区小麦节水节肥、高产高效的最优水氮运筹方式。

为提高黄土高原东部河谷平原春玉米水分利用效率, 探究最适宜该地区春玉米种植的地表覆盖措施, 基于连续7年长期定位试验, 于2021—2022年开展田间试验, 共选取无覆盖(CK)、地膜覆盖(plastic film mulching, FM)以及秸秆覆盖(straw mulching, SM) 3个处理, 研究不同覆盖措施对土壤水热状况及春玉米产量和水分利用效率的影响, 系统分析了2年试验期土壤水分与温度动态变化及春玉米各阶段水分生产力, 为该地区春玉米水肥高效提供利于农业可持续发展的科学管理措施。结果表明: 与无覆盖处理相比, 地膜覆盖具有增温效应, 2年内土壤温度提高0.72~2.63℃; 秸秆覆盖具有降温效应, 2年内土壤温度降低0.20~1.51℃。与无覆盖处理相比, 地膜与秸秆覆盖处理均可改善春玉米生长前期土壤含水量, 并驱动土壤“湿干交替”现象促进水分吸收, 提高水分利用效率, 实现增产。虽然地膜覆盖处理改善了前期土壤含水量, 促进春玉米前期生长发育, 但会导致根系生长过浅, 不利于生长后期水分利用, 甚至植株存在倒伏风险(2021年倒伏率高达72.14%), 影响产量形成。与地膜覆盖处理相比, 秸秆覆盖处理驱动土壤“湿干交替”时表现出更强水分缓冲力, 协调春玉米各阶段生长发育, 生长后期水分利用效率显著提高25.17%~ 34.71%, 并降低倒伏风险。2年平均数据显示, 与地膜覆盖处理相比, 秸秆覆盖处理产量与水分利用效率显著提高8.55%和10.23%, 经济效益显著提高12.57%。综上所述, 秸秆覆盖可作为该地区春玉米水肥高效可持续利用的科学管理措施。

Rising air temperature and change in rainfall patterns are expected to have impact on agricultural production. The impact of climate change on wheat production was investigated and agronomic adaptation strategies were evaluated for two emission scenarios of Representative Concentration Pathway (RCP4.5 and RCP8.5) and three projection periods (2030, 2050 and 2070) using a climate model ensemble in the bio-physical model Agricultural Process SIMulator (APSIM). Early and late maturing wheat varieties were tested under six sowing time scenarios. Under RCP4.5, growing season rainfall would decrease by 9%, 15% and 19% in 2030, 2050 and 2070, respectively, and temperature would increase by 0.7 °C, 1.2 °C and 1.4 °C, respectively. For RCP4.5, the wheat yield would decrease by 9%, 15% and 19% in 2030, 2050 and 2070, respectively. Under RCP8.5, the yield would decrease by 9%, 18% and 27%, respectively. Short-season cultivars would be suitable for the low-rainfall environments and long-season cultivars for the high-rainfall environments. In 2050, for RCP4.5 at a low-rainfall site, the yield of early maturing variety would decrease by 11% and 31%, while at a high-rainfall site, these values would show a 9% decrease and 1% increase, respectively. At the low rainfall site, yield reduction for early sown variety would be 14% and 23% when late sown, while late maturing wheat would have a much higher yield reduction. At the higher rainfall site, yield reduction for early and late sown early maturing variety would be 3% and 15%, while for late-maturing wheat these values would be only 1% and 2%. Generally, the future climate is expected to have significant impact on wheat yield and changes in agronomic practices can mitigate the impacts on yield.

【目的】明确旱地麦田休闲期覆盖的蓄水增产效果和生育期覆盖播种的节水增产效果，探索旱地小麦不同降水年型休闲期覆盖和生育期覆盖的保水技术新途径。【方法】于2011—2014年在山西闻喜县开展大田试验，以休闲期覆盖渗水地膜与不覆盖为主区，以生育期膜际条播、条播为副区，研究覆盖对旱地麦田3 m内土壤水分、小麦产量构成、水分利用效率和节水增产效率的影响。【结果】休闲期覆盖较不覆盖处理提高了播种期0—300 cm土层土壤蓄水量，丰水年达40—41 mm，平水年达55—58 mm，欠水年达70 mm，且欠水年更有利于蓄积土壤水分于深层，显著提高了不同降水年型休闲期土壤蓄水效率，达到20%以上，其覆盖的蓄水效果可延续至孕穗期，且生育期配套膜际条播效果更佳。休闲期覆盖较不覆盖处理显著提高小麦穗数、产量和水分利用效率，产量提高20%以上，水分利用效率提高15%以上，且生育期配套膜际条播小麦穗粒数、千粒重也显著提高。结果还表明，休闲期覆盖处理小麦播种期土壤水分每多蓄1 mm，丰水年小麦可增产21—27 kg·hm^-2，平水年可增产16—18 kg·hm^-2，欠水年可增产13—24 kg·hm^-2，且休闲期覆盖条件下，生育期膜际条播播种对产量的提升有较大的调控作用。生育期地膜覆盖保水后，旱地麦田节水、增产效果提高，单位粮食生产节水量提高10%以上，消耗1 mm土壤水分产量提高11%以上。【结论】旱地小麦休闲期覆盖有利于蓄积休闲期降雨，改善底墒，尤其欠水年蓄水效果更佳，有利于提高小麦花前土壤水分，促进有效穗数的形成，提高产量，且生育期膜际条播播种效果更佳。底墒充足时，生育期膜际条播播种有利于提高旱地麦田的节水增产效果，而欠水年底墒不足时，会导致水分浪费和减产。

2018—2021年连续3年在宁夏南部旱作区开展大田定位试验,设置4种耕作方式(翻耕15 cm、深松30 cm、深松40 cm、深松50 cm)和3种覆盖措施(燕麦秸秆覆盖、塑料地膜覆盖、不覆盖),以翻耕15 cm不覆盖处理为对照,探讨不同降水年型下耕作方式结合覆盖对旱地土壤容重、团聚体含量、生育期土壤蓄水量和马铃薯产量的影响。结果表明: 与试验处理前相比,3年耕作结合覆盖均能有效降低0～60 cm土层土壤容重;同一耕作方式下,不同降水年型均以秸秆覆盖最佳;丰水年20、40 cm土层以深松30 cm覆盖秸秆处理最佳,60 cm土层以翻耕15 cm覆盖秸秆处理最佳,平水年和枯水年20、40、60 cm土层均以深松40 cm覆盖秸秆处理最佳。在0～20 cm土层,＞0.25 mm土壤团聚体含量3年均以深松40 cm覆盖秸秆处理最高;20～40 cm土层,丰水年以翻耕15 cm覆盖秸秆处理最高,平水年和枯水年以深松40 cm覆盖秸秆处理最高;在40～60 cm土层,丰水年、平水年、枯水年分别以翻耕15 cm覆盖地膜处理、深松30 cm覆盖地膜处理、深松30 cm覆盖秸秆处理最高,较对照分别显著提高18.8%、27.0%、35.8%。马铃薯关键生育期(现蕾至块茎膨大期)0～100 cm土层土壤蓄水量,丰水年以深松30 cm覆盖秸秆处理最佳,平水年和枯水年均以深松40 cm覆盖秸秆处理最佳,较对照分别显著提高19.4%、19.5%、23.7%。对于马铃薯产量,丰水年以深松30 cm覆盖秸秆处理最佳,平水年和枯水年均以深松40 cm覆盖秸秆处理最佳,较对照分别显著提高84.6%、81.7%、106.3%。相关性分析表明,土壤物理性质的改善可显著影响马铃薯产量,其中以土壤容重和现蕾期土壤蓄水量作用最显著;对不同降水年型下马铃薯产量与耕作深度间关系进行拟合发现,耕作深度为34.67～36.03 cm时,马铃薯可获得高产。可见,耕作方式结合覆盖可有效改善土壤物理性质,增加马铃薯生育期土壤蓄水量,从而显著提高产量,其中在丰水年采用深松30 cm覆盖秸秆处理,在平水年和枯水年采用深松40 cm覆盖秸秆处理可实现旱作区马铃薯增产。

【目的】在陕西关中小麦-玉米轮作区通过连续7年田间定位试验,探索秸秆还田配施化学氮肥对冬小麦产量、籽粒蛋白质含量、地上部吸氮量、收获期土壤硝态氮残留量及土壤氮素平衡的影响,为小麦增产及氮素高效利用提供科学依据。【方法】试验采用裂区设计,主处理为玉米秸秆还田和不还田,副处理设置5个施氮水平,分别为0（N0,不施用氮肥）、84 kg·hm^-2（N84,当地推荐氮肥用量的一半）、168 kg·hm^-2（N168,当地推荐氮肥用量）、252 kg·hm^-2（N252,高氮肥用量）、336 kg·hm^-2（N336,超高氮肥用量）。【结果】与秸秆不还田处理相比秸秆还田未提高冬小麦籽粒产量,施用氮肥较不施氮肥小麦增产18%—29%,而超高氮肥用量较推荐氮肥用量有减产风险。秸秆还田和氮肥用量对小麦产量有交互效应。与秸秆不还田处理相比,秸秆还田在氮肥用量为252和336 kg·hm^-2时,公顷小麦穗数增加5%—7%,产量平均增加5%—6%。秸秆还田对小麦籽粒蛋白质含量无显著影响,施用氮肥的籽粒蛋白质含量较不施用氮肥增加16%—33%。秸秆还田对小麦地上部吸氮量无显著影响,施用氮肥的地上部吸氮量较不施用氮肥增加36%—72%。秸秆还田和氮肥用量对小麦地上部吸氮量有交互效应。与秸秆不还田处理相比,秸秆还田在氮肥用量为252和336 kg·hm^-2时地上部吸氮量平均增加5%—8%。与秸秆不还田相比,秸秆还田使土壤硝态氮残留量平均增加18%,增加的硝态氮含量主要分布在70—170 cm土层。N168处理在秸秆不还田条件下土壤氮处于亏损状态,秸秆还田后有效地弥补了氮亏缺,进一步增加氮肥用量,将大幅增加土壤氮盈余量。相对于秸秆还田,氮肥用量对土壤氮盈余量的影响更大。【结论】秸秆还田配施高氮肥用量能增加小麦产量和地上部吸氮量,但同时增加了土壤硝态氮残留量和氮盈余量。综合考虑小麦籽粒产量、土壤硝态氮残留和土壤表观氮平衡等,秸秆还田配施168 kg·hm^-2氮肥更利于维持小麦产量和保护生态环境。