氣候變化下灌溉對(duì)旱地小麥產(chǎn)量的影響

曹 峰1，張 祎2

(1.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院,北京 100081；2.中國(guó)氣象科學(xué)研究院,北京 100081)

摘要[目的]探討氣候變化下灌溉措施對(duì)旱地小麥產(chǎn)量增加的可能性。[方法]應(yīng)用ECHAM和HadCM3氣候模式輸出的A1B情景數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)理模型APSIM，通過概率預(yù)測(cè)的形式，研究了氣候變化和增加拔節(jié)期灌溉對(duì)旱區(qū)雨養(yǎng)小麥產(chǎn)量的影響。[結(jié)果]未來氣候變暖使得雨養(yǎng)小麥產(chǎn)量降低7%～16%，而增加拔節(jié)期灌溉可以有效減緩溫度增加引起的負(fù)面作用，使得2011～2030年小麥產(chǎn)量顯著增加，2031～2050年小麥產(chǎn)量可以保持當(dāng)前的生產(chǎn)水平。[結(jié)論]該研究為制定氣候變化下有效的農(nóng)業(yè)應(yīng)對(duì)措施提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞氣候變化；灌溉；旱地小麥；產(chǎn)量；影響

中圖分類號(hào)S162.5+3

作者簡(jiǎn)介曹峰(1984-)，男，陜西彬縣人，工程師，碩士，從事水土地質(zhì)環(huán)境與區(qū)域環(huán)境地質(zhì)綜合研究。

收稿日期2015-06-10

Effect of Irrigation on Dryland Wheat Yield under Climate Change

CAO Feng1,ZHANG Yi2(1.China Institute of Geo-environmental Monitoring,Beijing 100081;2 Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081)

Abstract[Objective] The research aimed to explore the possibility of irrigation on dryland wheat yield increases under climate change. [Method]The outputs of climate models ECHAM and HadCM3 under SRES A1B and the process-based crop model APSIM were employed to evaluate the effect of climate change and limited irrigation at jointing stage on dryland wheat yields, with consideration of climate uncertainties through a probabilistic approach.[Result]The negative effects of warming temperatures on wheat yield were 7%-16%. But Irrigation at jointing stage could compensate for the negative effects of warming temperatures, leading to increase yield during 2011-2030 and maintain yield at current level during 2031-2050.[Conclusion] The study provides the theoretical basis for the effective adapting agricultural practices under climate change.

Key words Climate change;Irrigation;Dryland wheat;Yield;Effect

全球氣候變暖已成為一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)[1]。農(nóng)業(yè)作為受氣候變化影響最為敏感和脆弱的產(chǎn)業(yè)之一，大量研究已經(jīng)表明未來氣候變化對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)的影響以不利影響為主[2-4]。小麥作為我國(guó)的主要糧食作物，它的穩(wěn)定發(fā)展對(duì)于我國(guó)糧食安全有重大意義。因此，在全球變暖的背景下，小麥生產(chǎn)受到了廣泛的關(guān)注。多數(shù)研究表明未來氣候變暖使得灌溉小麥和雨養(yǎng)小麥的產(chǎn)量均有所降低[5-7]，通過調(diào)整播種期、品種等栽培措施可以有效減緩或補(bǔ)償氣候變暖的負(fù)面作用[8-10]。基于水資源短缺的現(xiàn)狀，“虧缺灌溉”和“限量灌溉”等節(jié)水灌溉措施發(fā)展起來。大量的田間試驗(yàn)研究表明播前灌溉、播前和拔節(jié)期灌溉是當(dāng)前適合的小麥灌溉方式[11-13]。但分析灌溉與氣候變化因素對(duì)旱地雨養(yǎng)小麥影響的研究鮮有報(bào)道。對(duì)于旱地小麥而言，當(dāng)前很多旱地地區(qū)不具備灌溉條件，但隨著科技的不斷進(jìn)步、南水北調(diào)工程等的開展，使得將來旱地地區(qū)具有一定的灌溉條件成為可能。在全球增溫的負(fù)面影響下，增加灌溉是否可以保證旱地小麥穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)。此外，氣候情景變化存在較大不確定性，會(huì)導(dǎo)致模擬結(jié)果產(chǎn)生更大的不確定性，最終影響結(jié)果的可靠性。針對(duì)上述問題，該研究采用ECHAM/MPI-OM和HadCM3 2個(gè)氣候模式輸出的A1B情景結(jié)合APSIM作物生長(zhǎng)模型，采用概率預(yù)測(cè)的方法，模擬研究未來氣候變化對(duì)旱地小麥產(chǎn)量的影響，探討增加拔節(jié)期灌溉對(duì)小麥產(chǎn)量的貢獻(xiàn)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源氣候情景數(shù)據(jù)來源于德國(guó)漢堡馬普氣象研究所提供的ECHAM/MPI-OM和英國(guó)哈德來中心HadCM3 2個(gè)不同的全球模式，在IPCC SRES A1B溫室氣體排放情景下模擬生成的未來氣候時(shí)段(2011～2030、2031～2050年)以及基準(zhǔn)氣候時(shí)段(1981～2000年)逐日格點(diǎn)數(shù)據(jù)(分辨率0. 5°×0.5°)。用于驗(yàn)證APSIM模型適用性的作物和土壤數(shù)據(jù)來自山西省土壤墑情監(jiān)測(cè)芮城縣雨養(yǎng)冬小麥監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)周期為2012～2014年度，作物數(shù)據(jù)包括小麥開花期和成熟期、產(chǎn)量和栽培管理資料。土壤數(shù)據(jù)包括理化性質(zhì)容重、田間持水量、凋萎含水量和飽和含水量，及小麥主要生育過程測(cè)定的0～20、20～40 cm土壤含水量。氣象數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象局，包括日最高溫度、最低溫度、日照時(shí)數(shù)和降雨量。

1.2數(shù)據(jù)處理

1.2.1作物模型校驗(yàn)。澳大利亞的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模擬模型APSIM廣泛應(yīng)用于評(píng)價(jià)農(nóng)作物生長(zhǎng)受氣候波動(dòng)和環(huán)境變化的影響等方面[14-15]。該研究應(yīng)用的主要模塊包括小麥模塊、土壤水模塊、土壤氮模塊、地表留茬模塊、灌溉模塊和施肥模塊。應(yīng)用2012年數(shù)據(jù)，采用“試錯(cuò)法”，使模型模擬的開花期、成熟期、產(chǎn)量等能夠最大程度地接近觀測(cè)值，從而確定品種的遺傳參數(shù)，包括春化作用系數(shù)(3.4)、光周期系數(shù)(3.0)、灌漿到成熟積溫(500 ℃·d)、灌漿期單位單莖干重籽粒數(shù)[25粒/(g·莖)]、潛在灌漿速率[0.002 5 g/(?！)]、每葉片發(fā)育所需熱時(shí)(85 ℃·d)。應(yīng)用芮城兩年試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)參數(shù)化的模型進(jìn)行驗(yàn)證。選擇以下統(tǒng)計(jì)指標(biāo)對(duì)模型的模擬能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，包括模擬值與實(shí)測(cè)值擬合方程y=ɑx的決定系數(shù)r2，反映了模型模擬值相對(duì)于實(shí)測(cè)值的真正偏差；斜率ɑ，反映了模型整體高估或低估實(shí)測(cè)值的程度；均方根誤差RMSE，反應(yīng)了模型模擬值相對(duì)實(shí)測(cè)值的絕對(duì)誤差。

1.2.2模擬試驗(yàn)設(shè)置。采用驗(yàn)證后的APSIM模型與氣候變化情景數(shù)據(jù)相結(jié)合，模擬分析不同灌溉水平對(duì)小麥產(chǎn)量的影響。模型模擬，在保證小麥出苗設(shè)置播種期土壤含水量為田間持水量75%前提下，保持了現(xiàn)階段的播種日期、施肥水平的處理方式。在此基礎(chǔ)上，建立2個(gè)模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)一設(shè)計(jì)方案為無灌溉處理，僅考慮未來氣候因素帶來的產(chǎn)量差異；試驗(yàn)二設(shè)計(jì)方案為拔節(jié)期灌溉處理，模擬分析氣候變化下限量灌溉對(duì)小麥產(chǎn)量的影響。凈灌溉量為50 mm。

1.2.3 不確定性分析?？紤]到氣候變化中應(yīng)用不同氣候模式的可能影響，研究使用未來模式下玉米產(chǎn)量相對(duì)于基準(zhǔn)情景變化的概率密度(PDFs)和累積概率分布函數(shù)(CDFs)進(jìn)行不確定性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1APSIM模型的適應(yīng)性從APSIM模型生育期、產(chǎn)量和土壤水分的驗(yàn)證結(jié)果(表1)可看出，各項(xiàng)的模擬值和觀測(cè)值基本吻合。決定系數(shù)r2均大于0.75，ɑ接近1.0，由此可見模擬數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本落在1∶1線附近。各主要生育期的模擬誤差RMSE約為1 d，產(chǎn)量的RMSE<200 kg/hm2，0～40 cm的土壤水分RMSE<10 mm，說明模型模擬值偏離觀測(cè)值的誤差較小，具有較好的一致性。各生育期間的RMSE均表現(xiàn)隨著生育進(jìn)程的增加誤差增大，這主要是由于模型模擬的生育進(jìn)程主要取決于之前生育進(jìn)程的累積，而生育進(jìn)程的模擬誤差也會(huì)影響產(chǎn)量的模擬誤差。此外，考慮到觀測(cè)過程中的可能誤差，如土壤參數(shù)的不精確導(dǎo)致的測(cè)量誤差的增加、取樣的不均勻等，整體上認(rèn)為APSIM模型對(duì)該站點(diǎn)的小麥生長(zhǎng)和土壤水分動(dòng)態(tài)具有較好的模擬能力。

表1　APSIM模型模擬開花期、成熟期、產(chǎn)量和土壤水分檢驗(yàn)效果

2.2 氣候變化對(duì)雨養(yǎng)小麥產(chǎn)量的影響從氣候變化下雨養(yǎng)小麥產(chǎn)量相對(duì)基準(zhǔn)時(shí)段變化的概率密度和累積概率(圖1)可看出，產(chǎn)量變化概率密度符合一般正態(tài)分布，但中心位置向左偏移，負(fù)面積較大。未來2011～2030年雨養(yǎng)小麥產(chǎn)量降低的累積概率約為63%，2031～2050年產(chǎn)量降低的概率增加至75%。未來產(chǎn)量降低的可能性大于增產(chǎn)的可能性，且2031～2050年減產(chǎn)可能性大于2011～2030年(表2)。 與基準(zhǔn)時(shí)段(5 296 kg/hm2)相比，未來2011～2030年產(chǎn)量平均降低7%，而2031～2050年產(chǎn)量降低增加至16%。整體上，未來氣候條件下，降水的增加不足以彌補(bǔ)溫度增加對(duì)雨養(yǎng)小麥產(chǎn)量的負(fù)面影響，且降雨存在較大不確定性。

表2氣候變化下雨養(yǎng)小麥產(chǎn)量相對(duì)基準(zhǔn)時(shí)段、平均產(chǎn)量、標(biāo)準(zhǔn)偏差及累積概率分布5%、50%、95%產(chǎn)量變化

2.3氣候變化下拔節(jié)期灌溉對(duì)小麥產(chǎn)量的影響模擬試驗(yàn)一表明，未來氣候變化下雨養(yǎng)小麥產(chǎn)量呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。鑒于此，筆者分析了氣候變化下增加拔節(jié)期灌溉對(duì)小麥產(chǎn)量的影響表現(xiàn)，結(jié)果顯示，2011～2030年拔節(jié)期灌溉的小麥產(chǎn)量相對(duì)基準(zhǔn)時(shí)段旱地小麥產(chǎn)量變化的概率密度中心位置向右偏移(圖2)，正面積較大，表明未來拔節(jié)期灌溉使得小麥產(chǎn)量增加的可能性大于減產(chǎn)的可能性；小麥產(chǎn)量增加的累積概率高于70%，平均產(chǎn)量增加約12%(表3)。然而，隨著溫度的不斷增加，2031～2050年灌溉帶來的增產(chǎn)基本被溫度的負(fù)面作用抵消，產(chǎn)量基本沒有變化(表3)。2031～2050年小麥增產(chǎn)可能性明顯小于2011～2030年，產(chǎn)量增加的累積概率僅為51%。整體上，拔節(jié)期的灌溉能夠有效減緩或補(bǔ)償氣候變暖對(duì)當(dāng)前雨養(yǎng)小麥造成的減產(chǎn)。但2031～2050年隨著溫度的繼續(xù)增加，灌溉僅能維持當(dāng)前雨養(yǎng)小麥的生產(chǎn)水平。

3 結(jié)論與討論

應(yīng)用ECHAM/MPI-OM和HadCM3氣候模式輸出的A1B情景數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)理模型APSIM，通過概率預(yù)測(cè)的形式，研究了氣候變化和增加拔節(jié)期灌溉對(duì)旱區(qū)雨養(yǎng)小麥產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，未來氣候變暖使得雨養(yǎng)小麥產(chǎn)量降低的概率約為63%～75%，平均降低7%～16%。而未來增加拔節(jié)期灌溉可以有效增加2011～2030年小麥產(chǎn)量，保持2031～2050年小麥產(chǎn)量穩(wěn)定在當(dāng)前的生產(chǎn)水平。

表3氣候變化下灌溉對(duì)小麥產(chǎn)量相對(duì)基準(zhǔn)時(shí)段平均產(chǎn)量、標(biāo)準(zhǔn)偏差及累積概率分布5%、50%、95%產(chǎn)量變化

需要注意的是，在此僅應(yīng)用了有限的單一氣候情景與作物模型結(jié)合對(duì)產(chǎn)量進(jìn)行了模擬研究，多氣候情景與不同機(jī)理模型結(jié)合減少不確定性的研究需要在未來引起關(guān)注。

參考文獻(xiàn)

[1] IPCC.Climate change 2013:The physical science basis[C]//STOCKER T F，QIN D，PLATTNER G K,et al.Contribution of working group I to the fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change.Cambridge University Press，Cambridge，United Kingdom and New York，NY，USA,2013.

[2] 王馥棠，趙宗慈，王石立，等.氣候變化對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)生態(tài)的影響[M].北京:氣象出版社，2003.

[3] 林而達(dá),許吟隆,蔣金荷,等.氣候變化國(guó)家評(píng)估報(bào)告(II):氣候變化的影響與適應(yīng)[J].氣候變化研究進(jìn)展,2006,2(2):51-56.

[4] 王志強(qiáng),方偉華,何飛.中國(guó)北方氣候變化對(duì)小麥產(chǎn)量的影響[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2008,17(1):109-114.

[5] 熊偉,居輝,許吟隆，等.氣候變化下我國(guó)小麥產(chǎn)量變化區(qū)域模擬研究[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2006,14(2)：164-167.

[6] 田展,劉紀(jì)遠(yuǎn),曹明奎.氣候變化對(duì)中國(guó)黃淮海農(nóng)業(yè)區(qū)小麥生產(chǎn)影響模擬研究[J].自然資源學(xué)報(bào),2006,21(4):598-607.

[7] 張建平,趙艷霞,王春乙,等.不同氣候情景下中國(guó)東北與華北作物產(chǎn)量變化趨勢(shì)模擬[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2012,30(3):262-266.

[8] 李茂松,王道龍,鐘秀麗,等.冬小麥霜凍害研究現(xiàn)狀與展望[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2005，14(4):72-78.

[9] LIU Y，WANG E L，YANG X G，et al.Contributions of climatic and crop varietal changes to crop production in the North China Plain，since 1980s[J].Global Change Biology,2010,16:2287-2299.

[10] WANG J，WANG E L，YANG X G.Increased yield potential of wheat-maize cropping system in the North China Plain by climate change adaptation[J].Climatic Change,2012,113:825-840.

[11] 鄭成巖，于振文,馬興華,等.高產(chǎn)小麥耗水特性及干物質(zhì)的積累分配[J].作物學(xué)報(bào),2008,34(8):1450-1458.

[12] 張柏治，殷格俠，張學(xué).關(guān)中灌區(qū)小麥、玉米高產(chǎn)節(jié)水灌溉的幾個(gè)指標(biāo)確定[J].水土保持通報(bào)，2009，29(5)：142-145.

[13] 譚念童，林琪，姜雯，等.限量灌溉對(duì)旱地小麥旗葉光合特性日變化和產(chǎn)量的影響[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2011，19(4)：805-811.

[14] CHEN C，WANG E L，YU Q.Modeling the effects of climate variability and water management on crop water productivity and water balance in the North China Plain[J].Agricultural Water Management,2010,97:1175-1184.

[15] 王琳，鄭有飛，于強(qiáng)，等.APSIM模型對(duì)華北平原小麥-玉米連作系統(tǒng)的適用性[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2007,18(11):2480-2486.