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        未來氣候變化對關中地區(qū)冬小麥耗水和產(chǎn)量的影響模擬

        2016-03-01 06:22:56任小川
        干旱地區(qū)農業(yè)研究 2016年1期
        關鍵詞:耗水量冬小麥產(chǎn)量

        張 延,任小川,趙 英,曹 寒,馮 浩

        (1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院,陜西 楊凌 712100; 2.陜西省咸陽市乾縣農經(jīng)站, 陜西 乾縣 713300;

        3.西北農林科技大學資源環(huán)境學院, 陜西 楊凌 712100; 4.中國旱區(qū)節(jié)水農業(yè)研究院,陜西 楊凌 712100;

        5.國家節(jié)水灌溉楊凌工程技術研究中心, 陜西 楊凌 712100)

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        未來氣候變化對關中地區(qū)冬小麥耗水和產(chǎn)量的影響模擬

        張延1,任小川2,趙英3,曹寒1,馮浩4,5

        (1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院,陜西 楊凌 712100; 2.陜西省咸陽市乾縣農經(jīng)站, 陜西 乾縣 713300;

        3.西北農林科技大學資源環(huán)境學院, 陜西 楊凌 712100; 4.中國旱區(qū)節(jié)水農業(yè)研究院,陜西 楊凌 712100;

        5.國家節(jié)水灌溉楊凌工程技術研究中心, 陜西 楊凌 712100)

        摘要:采用IPCC第四次評估報告給出的SRA1B、SRA2和SRB1 3種氣體排放情景,選用HadCM3、IPCM4、MPEH5、NCCCSM 4種大氣環(huán)流模式,利用隨機天氣發(fā)生器LARS-WG生成逐日氣象資料,結合DSSAT模型,模擬歷史(1961—2010年)和未來(2011—2030、2046—2065、2080—2090年)氣候變化下灌溉與不灌溉條件下冬小麥生育期、耗水量及產(chǎn)量的變化情況。模擬結果顯示:未來氣候變化情景下,冬小麥生育期內平均氣溫上升,降雨量下降,2011—2030、2046—2065、2080—2090年3個時間段內平均氣溫分別上升0.93℃、1.76℃、2.87℃,降雨量分別下降27.40、39.37、42.50 mm。灌溉和不灌溉條件下冬小麥生育期內耗水量和產(chǎn)量較現(xiàn)狀均下降,其中灌溉條件下分別減少5.16%和8.63%,不灌溉條件下減少9.58%和13.76%。無論何種氣候變化情景,灌溉和不灌溉方式下冬小麥生育期均縮短且與生育期內的平均氣溫呈現(xiàn)較好的負相關性,生育期內降水量與耗水量、降水量與產(chǎn)量、耗水量與產(chǎn)量均具有較好的正相關性。

        關鍵詞:未來氣候變化;冬小麥;耗水量;產(chǎn)量;DSSAT模型

        近年來,氣候變化已成為全球性話題,引起了世界各國的關注[1-3]。氣溫升高、CO2濃度增加及降水不均勻等因素的變化對我國農業(yè)生產(chǎn)及生態(tài)已產(chǎn)生重大影響[4]。氣候變化引起了作物生長發(fā)育、產(chǎn)量及耗水量的改變。冬季氣溫升高,熱量資源增加,導致北方旱區(qū)冬小麥種植區(qū)向北擴展,其越冬安全受到氣候變化的威脅;同時,降雨量的減少導致水資源嚴重不足,使得該地區(qū)干旱加劇[5-6]。

        在探討氣候變化對作物潛在蒸騰量和耗水量的影響時,Penman-Monteith公式和作物單系數(shù)法多被用于研究中[7-8],而將未來氣候信息和作物模型相結合的方法則具有可定量、動態(tài)地描述作物生長及耗水情況的特征,因此后一種研究方法是一種快速且有廣闊前景的方法。模擬作物的生長、耗水及產(chǎn)量的作物模型主要有WOFOST[9]、APSIM[10]、CERES[11]、CropSyst[12]和ORYZA2000[13]等。Wang[14]借助APSIM模型研究了氣候變化對小麥生長的影響和極端氣候變化下的農田水分平衡狀況。利用將氣候變化情景與ORYZA模型相結合的方法,王衛(wèi)光[15]研究了氣候變化下水稻耗水量、灌水量及產(chǎn)量的響應規(guī)律。

        對于氣候變化的預估主要以大氣環(huán)流模式(GCMs,General circulation models)為主,HadCM3大氣環(huán)流模式、IPCM4大氣環(huán)流模式等在研究作物耗水量和產(chǎn)量方面得到了較為廣泛的應用[15-17]。對于氣候變化多采用SERS(Special report on emission scenarios)系列情景加以表達[18]。其中SRA1B情景主要特征為人口增加緩慢,經(jīng)濟增長迅速,新技術得到應用[19];SRA2情景主要特征為人口持續(xù)增加,經(jīng)濟增長和技術更新緩慢[20];SRB1情景主要特征為人口增加緩慢,可實現(xiàn)經(jīng)濟、社會、環(huán)境的持續(xù)發(fā)展[21]。

        本文主要利用IPCC第四次評估報告給出的SRA1B、SRA2和SRB1排放情景下的大氣環(huán)流模式(HadCM3、IPCM4、MPEH5、NCCCSMS)結果,并選擇統(tǒng)計降尺度方法中的天氣發(fā)生器作降尺度處理生成逐日氣象資料,結合經(jīng)田間試驗資料率定過的DSSAT模型,模擬歷史及未來氣候變化下灌溉與不灌溉條件下冬小麥生育期、需水量與產(chǎn)量的變化情況,為定量評估氣候變化對作物水分與產(chǎn)量的影響提供新的技術手段。

        1材料與方法

        1.1田間試驗

        本試驗地點位于陜西省楊凌區(qū)西北農林科技大學教育部旱區(qū)農業(yè)水土工程重點實驗室灌溉試驗站(N108°24′,E34°20′),海拔521 m。該地區(qū)年平均氣溫13℃,降水量660 mm左右。土壤質地為中壤土,平均容重為1.44 g·cm-3,地下水埋藏較深,忽略其向上補給量。

        試驗于2008年10月到2010年6月進行,小麥品種為小偃22。2008年于10月15日播種,2009年6月7日收獲,施尿素(N≥46%)25 kg·667m-2,磷酸二銨(P2O544%、含N 16%)25 kg·667m-2。2009年于10月17日播種,2010年6月14日收獲,施尿素(N≥46%)30 kg·667m-2,磷酸二銨(P2O544%、含N 16%)30 kg·667m-2。試驗監(jiān)測的主要指標有:氣象資料、土壤水分、土壤有機質與養(yǎng)分含量、作物生長動態(tài)狀況及產(chǎn)量等。

        1.2DSSAT模型及其參數(shù)率定

        DSSAT(Decision support system for agrotechnology transfer)模型是目前使用最廣泛的模型之一,被國內外許多研究人員廣泛應用[22-24]。模型通過輸入氣象資料、土壤數(shù)據(jù)、田間管理措施及作物品種遺傳特性參數(shù),對作物的生長發(fā)育過程、作物地上器官和根系生長、土壤水分平衡、土壤碳、氮平衡等進行模擬。

        DSSAT模型中冬小麥主要參數(shù)包括春化敏感系數(shù)、光周期敏感系數(shù)、灌漿期特性系數(shù)、籽粒數(shù)特性系數(shù)、標準籽粒重系數(shù)、成熟期單株莖穗重系數(shù)、出葉間隔特性系數(shù)。根據(jù)2008—2009年試驗實測數(shù)據(jù),以冬小麥生育期和產(chǎn)量為目標對DSSAT模型進行參數(shù)調試,得到各參數(shù)結果為34.73、109.2、591.4、17.79、52.81、1.924、94.6,然后采用經(jīng)過率定的參數(shù)對2009—2010年的試驗數(shù)據(jù)進行驗證,結果表明模型對冬小麥生育期及產(chǎn)量的模擬結果與實測值較為接近[25]。由表1可以看出,冬小麥兩年開花期和成熟期的模擬值和實測值誤差不超過2 d,產(chǎn)量的模擬值和實測值差異不超過5%。

        表1 關中地區(qū)2008—2010年冬小麥生育期及產(chǎn)量模擬值與實測值對比

        1.3未來氣象數(shù)據(jù)的生成

        武功站1961—2010年逐日最高氣溫、最低氣溫、降水量來自中國氣象科學共享服務網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn),太陽輻射利用國際上公認的Angstron(艾斯屈郎)經(jīng)驗公式計算得到。未來氣象HadCM3[26]、IPCM4[27]、MPEH5[28]、NCCCSMS[29]4種大氣環(huán)流模式和SRA1B、SRA2和SRB1 3種排放情景氣象數(shù)據(jù)選擇統(tǒng)計降尺度方法LARS-WG(Long ashton research station weather generator)隨機天氣發(fā)生器[30-31]作降尺度處理生成逐日氣象資料。LARS-WG天氣發(fā)生器是由英國洛桑實驗室開發(fā)的,其可以根據(jù)某一地區(qū)歷史氣象資料和地形資料的統(tǒng)計特征生成未來若干年的最高氣溫、最低氣溫、降雨量和太陽輻射的日序列氣象資料。此外,本研究選用由不同國家開發(fā)的大氣環(huán)流模式可以避免僅使用一種大氣環(huán)流模式的不確定性。

        圖1為LARS-WG天氣發(fā)生器1961—2010年月平均氣溫及降雨量觀測值和模擬值的比較,并采用均方根誤差法RMSE來衡量觀測值和模擬值的相對差異(一般認為:RMSE<10%,為極好;10%30%,為差)。1961—2010年月平均氣溫觀測值和模擬值的相對差異RMSE=1.4%,降雨量觀測值和模擬值的相對差異RMSE=9.9%,兩者均小于10%,并且平均氣溫的模擬結果好于降雨量的模擬結果。總體來說,LARS-WG天氣發(fā)生器在關中地區(qū)可以用來預測該地區(qū)未來氣象資料以驅動DSSAT模型。

        圖1基于LARS-WG的1961—2010年月平均氣溫、降雨量觀測值與模擬值的比較

        Fig.1Comparison of simulated and observed monthly average temperature, precipitation in the baseline period 1961—2010

        1.4模擬方案的設定

        本研究考慮灌溉和不灌溉兩種方式。灌溉條件通過分析關中地區(qū)近30年冬小麥需水量及有效降水量,冬小麥生育期內需灌水248.4 mm[32],本研究選取灌溉定額120 mm(約為需灌水總量的1/2),灌水次數(shù)2次,每次60 mm,分別在越冬期和拔節(jié)期進行灌溉,灌溉日期為12月25日(越冬)和4月15日(拔節(jié))。無灌溉條件下冬小麥的水分來源主要是降雨,這樣設定更能反映未來氣候情景下降雨的變化對冬小麥耗水量及產(chǎn)量產(chǎn)生的影響。

        2結果與分析

        2.1氣候要素分析

        表2給出了未來氣候變化HadCM3、IPCM4、MPEH5、NCCCSM 4種大氣環(huán)流模式下3種排放情景(SRA1B、SRA2、SRB1)不同時段(2011—2030、2046—2065、2080—2090年)關中地區(qū)冬小麥生育期內平均溫度及降雨量的變化情況。從表中可以看出未來氣候變化情景下冬小麥生育期內的平均氣溫均不同程度上升,并隨著時間的推移上升的程度越來越大,2011—2030、2046—2065、2080—2090年3個時間段內分別平均上升0.93℃、1.76℃、2.87℃,最大上升1.74℃、2.23℃、4.46℃。冬小麥生育期內的降雨量呈現(xiàn)下降趨勢,在2011—2030、2046—2065、2080—2090年3個時間段內分別平均下降27.40、39.37、42.50 mm,最多下降44.46、68.07、53.82 mm。

        表2 冬小麥生育期內平均氣溫及降雨量變化

        2.2冬小麥生育期變化

        未來氣候4種大氣環(huán)流模式3種排放情景不同時間段內關中地區(qū)灌溉和不灌溉條件下冬小麥生育期縮短,且隨著時間的推移在未來3個時期生育期越來越短(見表3),2011—2030、2046—2065、2080—2090年3個時間段內冬小麥生育期分別為231、225、218 d,較現(xiàn)狀分別縮短6、12、19 d,并且最短生育期達到211 d,較現(xiàn)狀縮短26 d。未來氣候變化情景下冬小麥生育期內的平均氣溫呈現(xiàn)不同程度的上升會導致其生育期縮短,并且生育期長度和生育期內的平均氣溫兩者相關性較好,氣溫每升高1℃,生育期就會縮短約6 d(見圖2)。

        2.3冬小麥耗水量及產(chǎn)量變化

        表3為未來氣候變化下灌溉條件下冬小麥耗水量及產(chǎn)量DSSAT模型模擬結果,從表中可以看出4種大氣環(huán)流模式3種排放情景不同時間段內灌溉條件下冬小麥耗水量和產(chǎn)量較現(xiàn)狀多數(shù)減少。耗水量較現(xiàn)狀平均減少5.16%,最多減少11.69%;產(chǎn)量較現(xiàn)狀平均減少8.63%,最多減少19.57%。2011—2030、2046—2065、2080—2090年3個時間段內冬小麥生育期內耗水量和產(chǎn)量隨時間的推移而減少,耗水量分別減少3.34%、5.21%、6.92%,產(chǎn)量分別減少4.45%、9.83%、11.62%。

        圖2生育期長度與生育期平均氣溫

        Fig.2The relationship between growth period and

        average temperature in growth period

        未來氣候變化下氣溫升高導致作物耗水量增加,灌溉條件下,水分供給不足,冬小麥生長受到水分脅迫,即使氣溫的升高會導致冬小麥耗水量和光合作用的增強,但氣溫的升高會使土壤水分減少,再加之未來氣候變化下冬小麥生育期內降雨量的減少,冬小麥生長受水分脅迫更加嚴重,從而導致葉面積指數(shù)減小,同時氣孔開度減小,蒸發(fā)蒸騰量減少[33-34]。溫度升高使冬小麥生長發(fā)育加速,生育期的縮短不利于干物質的積累,從而導致產(chǎn)量下降。受氣溫升高、生育期縮短、降雨減少的綜合作用,未來氣候變化下關中地區(qū)冬小麥耗水量和產(chǎn)量均下降。

        表3 灌溉條件下冬小麥耗水量及產(chǎn)量模型模擬結果

        表4為未來氣候變化不灌溉條件下冬小麥耗水量及產(chǎn)量DSSAT模型模擬結果,從表中可以看出4種大氣環(huán)流模式3種排放情景不同時間段內不灌溉條件下耗水量及產(chǎn)量模型模擬結果變化規(guī)律與灌溉條件下一致,但不灌溉條件下冬小麥耗水量和產(chǎn)量減少程度均比灌溉條件下大。不灌溉條件下耗水量較現(xiàn)狀平均減少9.58%,最多減少18.51%;產(chǎn)量較現(xiàn)狀平均減少13.76%,最多減少24.32%。

        表4 不灌溉條件下冬小麥耗水量及產(chǎn)量模型模擬結果

        2011—2030、2046—2065、2080—2090年3個時間段內冬小麥生育期內耗水量和產(chǎn)量隨時間的推移而減少,耗水量分別減少6.61%、9.56%、12.58%,產(chǎn)量分別減少9.93%、14.84%、16.81%。不灌溉條件下,冬小麥水分的供給主要受降雨控制,水分脅迫更加嚴重,氣溫的升高、降水的減少、生育期的縮短使得冬小麥耗水量及產(chǎn)量也呈現(xiàn)下降趨勢并比灌溉條件下更為明顯。

        此外,未來不同氣候變化情景下3個時期內,不灌溉與灌溉條件下冬小麥生育期內降水量與耗水量、降水量與產(chǎn)量、耗水量與產(chǎn)量均具有較好的正相關性(見圖4)。其中不灌溉條件下冬小麥生育期內降水量與耗水量、降水量與產(chǎn)量、耗水量與產(chǎn)量的相關關系分別為0.84、0.88、0.89;灌溉條件下降水量與耗水量、降水量與產(chǎn)量、耗水量與產(chǎn)量的相關關系分別為0.79、0.70、0.84。

        圖3降水量與耗水量、降水量與產(chǎn)量、耗水量與產(chǎn)量的關系

        Fig.3The relationship between precipitation and water consumption, rainfall and yield, water consumption and yield

        3結論與討論

        本文利用歷史氣象資料和不同氣候變化情景(SRA1B、SRA2、SRB1)不同大氣環(huán)流模式(HadCM3、IPCM4、MPEH5、NCCCSM)的輸出,結合DSSAT模型,模擬了關中地區(qū)歷史和未來氣候變化下3個時期(2011—2030、2046—2065、2080—2090年)不灌溉和灌溉條件下冬小麥生育期、耗水量及產(chǎn)量的變化規(guī)律,結果表明:未來不同氣候變化條件下不同時期內,平均氣溫不同程度上升,降水量不同程度下降;灌溉與不灌溉條件下冬小麥生育期均縮短,并且與生育期內的平均氣溫存在較好的負相關關系;未來氣候變化兩種灌溉條件均受到水分脅迫,未來氣溫升高、降雨減少、生育期縮短導致冬小麥耗水量與產(chǎn)量較現(xiàn)狀減少且不灌溉條件下更為明顯;灌溉與不灌溉條件下冬小麥生育期內降水量與耗水量、降水量與產(chǎn)量、耗水量與產(chǎn)量均具有較好的正相關性。

        居輝、孫芳等[35-36]研究表明未來氣候變化條件下我國小麥不管是灌溉方式下還是雨養(yǎng)方式下均面臨減產(chǎn)趨勢,與本研究的灌溉和不灌溉條件得到的結果相一致。姚玉璧等[5,37]對黃土高原地區(qū)歷史氣象資料分析表明該地區(qū)平均氣溫呈現(xiàn)上升趨勢,降水量呈現(xiàn)下降趨勢,從而導致作物生育期縮短和作物產(chǎn)量減少。本文分析了未來氣候變化氣象因素的變化情況,未來氣候變化情景下溫度繼續(xù)呈現(xiàn)上升趨勢,降水量繼續(xù)呈現(xiàn)下降趨勢,隨著溫度的上升與降水量降低冬小麥的生育期繼續(xù)縮短,產(chǎn)量也繼續(xù)下降。

        本文在作物生長模擬過程中未考慮CO2濃度變化,土壤養(yǎng)分(設定土壤養(yǎng)分充足)與病蟲害(設定無病蟲害)引起的冬小麥蒸發(fā)蒸騰和產(chǎn)量的變化,且未來氣候變化情景下模型對冬小麥耗水量與產(chǎn)量的模擬沒有考慮品種的變化帶來的影響,此外,天氣發(fā)生器統(tǒng)計降尺度的模擬過程與作物模型參數(shù)的不確定增加了模擬結果的不確定性。

        冬小麥作為我國主要的糧食作物之一,面對未來氣候變化帶來的風險,應采取一定的措施以適應氣候變化對冬小麥生產(chǎn)帶來的負面影響。通過調整冬小麥的播期、改變其種植密度、制定合理的灌溉制度等改變生育期長度及生育期內光溫水的配置,提高資源的有效利用,增加冬小麥的產(chǎn)量。此外,通過改變冬小麥品種的遺傳改良培育適應未來氣候的新品種,或引進適應于未來氣候變化的新品種來提高冬小麥的產(chǎn)量也是未來農業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

        參 考 文 獻:

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        Impact and simulation of climate change on water consumption and

        yield of winter-wheat in Guanzhong Region

        ZHANG Yan1, REN Xiao-chuan2, ZHAO Ying3, CAO Han1, FENG Hao4,5

        (1.CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;

        2.AgriculturalEconomyManagementStationofQianxianCounty,Xianyang,Shaanxi713300,China;

        3.CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;

        4.InstituteofWaterSavingAgricultureinAridRegionsofChina,Yangling,Shaanxi712100,China;

        5.NationalEngineeringResearchCenterforWaterSavingIrrigation,Yangling,Shaanxi712100,China)

        Abstract:Study the effects of climate change on water consumption and yield of winter wheat is significant for mitigating the negative impact of climate change, ensuring food security and the sustainable utilization of water resources. This paper applied the LARS-WG weather generator to simulate synthetic weather data under the SRA1B, SRA2, SRB1 emission scenarios from Intergovernmental Panel on Climate Change(IPCC) using the results of General Circulation Model HadCM3、IPCM4、MPEH5 and NCCCSM. Furthermore, DSSAT model was combined to simulate the change of winter wheat growth period、yield and water consumption under irrigation and non-irrigation conditions at the history(1961—2010) and future (2011—2030、2046—2065、2080—2090) climate change scenarios. Simulation results showed that, the average temperature will increase, the precipitation will decrease during the growth season under climate change scenarios in the future. Average temperature will increase by 0.93℃, 1.76℃ and 2.87℃, and rainfall will drop by 27.40 mm, 39.37 mm and 42.50 mm respectively in three periods(2011—2030, 2046—2065, 2080—2090). Water consumption and yield will decrease in both irrigation and non-irrigation conditions under different climate scenarios (irrigation condition will reduce by 5.16% and 8.63%, while non-irrigation condition will reduce by 9.58% and 13.76%). Regardless of climate change scenarios, winter wheat growth period will be shortened under both irrigation and non-irrigation conditions and it correlates negatively with average temperature, whereas positive correlation existed between precipitation and water consumption, rainfall and yield, and water consumption and yield.

        Keywords:climate change; winter wheat; water consumption; yield; DSSAT model

        中圖分類號:S162;S512.1+1

        文獻標志碼:A

        通信作者:馮浩(1970—),男,陜西延安人,研究員,博士生導師,主要從事水土資源高效利用方面的研究。 E-mail:nercwsi@vip.sina.com。

        作者簡介:張延(1988—),女,河北保定人,碩士,主要從事雨水資源高效利用及作物模型方面的研究。 E-mail:zhangyan0929@sina.cn。

        基金項目:國家863計劃項目(2013AA102904);高等學校學科創(chuàng)新引智計劃資助(B12007)

        收稿日期:2014-11-25

        doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.01.34

        文章編號:1000-7601(2016)01-0220-09

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