肖薇薇,許晶晶

(1.安康學院,陜西 安康 725000;2.陜西省安康市漢江水資源保護與利用工程技術研究中心,陜西 安康 725000;3.中國科學院 遺傳與發(fā)育生物學研究所 農業(yè)資源研究中心,河北 石家莊 050021;4.江西省農業(yè)科學院 農業(yè)經濟與信息研究所,江西 南昌 330200)

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氣候變化對華北平原主要農作物生長影響研究
——以冬小麥、夏玉米為例

肖薇薇1,2,3,許晶晶4

(1.安康學院,陜西 安康 725000;2.陜西省安康市漢江水資源保護與利用工程技術研究中心,陜西 安康 725000;3.中國科學院 遺傳與發(fā)育生物學研究所 農業(yè)資源研究中心,河北 石家莊 050021;4.江西省農業(yè)科學院 農業(yè)經濟與信息研究所,江西 南昌 330200)

摘要：為了探討未來氣候變化對華北平原區(qū)農業(yè)生產的可能影響,收集了中國科學院欒城試驗站15年的田間試驗資料,下載了HadCM3氣候模式A2、B2情景下2050s以及2080s氣象資料,將降尺度后的氣象資料輸入DSSAT模型,模擬了未來冬小麥、夏玉米生育期、耗水量和產量的變化。結果表明:在未來氣候情景下,欒城日均溫將明顯升高,冬小麥、夏玉米的生育期均將縮短,耗水量總體上均減少，冬小麥產量增加，夏玉米產量下降;將現有的中熟玉米品種調整為晚熟品種后,在未來氣候情景下,冬小麥的生育期將縮短，耗水量將減少,產量將明顯增加，而夏玉米的生育期將延長，耗水量將增加,產量將與現在相差不大。因此，調整作物品種是華北平原未來農業(yè)適應氣候變化的重要途徑。

關鍵詞：氣候變化;耗水量;生育期;產量;冬小麥;夏玉米;華北平原

0引言

根據政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第四次氣候變化綜合報告和中國第二次氣候變化國家評估報告[1-3],未來20～100年中國地表氣溫將明顯升高,其中北方增暖將大于南方,冬、春季增暖將大于夏、秋季;與此同時,中國未來20～100年降水量將呈增加趨勢,其中降水日數將在北方顯著增加,南方變化不大,從而將對農業(yè)用水造成影響。未來氣候變化帶來的氣溫升高將使作物生育期縮短、產量下降,在現有的種植品種和生產水平保持不變的前提下,氣溫每增高1 ℃,冬小麥生育期會平均縮短17 d左右,減產幅度為10%～12%;玉米生育期會縮短7 d左右,產量平均下降5%～6%[4-5]。

華北平原是我國重要的糧食產區(qū),氣候變暖使華北平原熱量資源更加豐富,但在過去47年華北區(qū)域年降水量呈下降趨勢[6]。未來天氣條件變化可能會對華北主要作物生產帶來不利影響,其中冬小麥的生育期可能平均縮短8.4 d,產量平均下降10.1%;夏玉米生育期可能縮短4～7 d,產量下降13.2%～19.1%[7-9]。為了進一步探索農業(yè)生產適應氣候變化的對策,我們利用農業(yè)技術轉移決策支持系統(tǒng)(Decision Support System for Agrotechnology Transfer, DASST)模擬了欒城于2050s(2040～2059年)和2080s (2070～2089年)分別在A2(CO2中高排放)、B2(CO2中低排放)情景下冬小麥、夏玉米的生長過程,分析了未來氣候變化對冬小麥和夏玉米生育期、耗水量和產量的影響；并通過比較作物品種改變前后的生育期、耗水量和產量,探討了通過改變作物品種來適應氣候變化的可行性,以期為該區(qū)未來農業(yè)種植結構調整以及農業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學依據。

1研究區(qū)概況、研究數據和方法

1.1研究區(qū)概況

中國科學院欒城農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)實驗站位于河北省欒城縣,地處北緯37°53'、東經114°41',海拔50.1 m,年平均氣溫12.2 ℃,年均降水量530.0 mm。該區(qū)是華北平原北部的太行山山前沖積扇平原,屬暖溫帶半濕潤季風氣候;土壤類型以潮褐土為主,代表華北平原北部典型潮褐土高產農業(yè)生態(tài)類型。

1.2研究數據及方法

1.2.1氣象數據1961～2010年逐日氣象資料來源于欒城實驗站地面氣象觀測站。為了便于與未來進行比較,選取1986～2005年20年數據的平均值作為背景值；2050s數據是2040～2059年的平均值,2080s數據是2070～2089年的平均值。2050s和2080s在A2、B2情景下的逐日氣象資料來源于HadCM3模式的模擬結果,這是因為HadCM3對中國地區(qū)模擬結果較好[10]。由于HadCM3輸出的氣象資料的網格分辨率過低,因此使用統(tǒng)計降尺度模型SDSM(Statistical DownScaling Model)[11-13]對HadCM3輸出的氣象資料進行空間降尺度。應用SDSM方法進行統(tǒng)計降尺度需要3類數據:站點實測日資料、美國環(huán)境預報中心(NCEP)的再分析日資料和氣候模型模擬的當前和未來氣候條件下的日資料。選擇站點實測的1961～1990年的資料標定SDSM模型,用站點實測的1991～2000年的資料驗證模型。

1.2.2DSSAT模型 DSSAT模型以1 d為步長模擬作物生長,需要的輸入數據包括田間管理數據、土壤數據、作物品種遺傳特性參數以及逐日氣象數據。在華北地區(qū),作為前期工作,已選取欒城生態(tài)農業(yè)試驗站的大量野外觀測試驗數據及15年間逐日氣象數據,對模型(DSSAT-WHEAT、DSSAT-CORN)的適應性、參數、源程序進行了校驗。為了進一步預測未來全球氣候變化對華北平原冬小麥、夏玉米生長的影響,本文選用DSSAT (Version 3.5)中的CERES-Maize、CERES-Wheat模塊模擬欒城冬小麥/夏玉米輪作系統(tǒng)中作物的生長發(fā)育過程。玉米品種為“鄭單958”,播種日期為6月11日～6月19日,收獲日期為9月22日～10月2日;小麥品種為“4185”,播種日期為10月3日～10月10日,收獲日期為6月3日～6月11日。

2結果與分析

2.1基于SDSM模型的未來溫度變化趨勢

從圖1可以看出：在1986～2012年期間,年均溫有明顯的增高趨勢,增幅達到1.00 ℃；此27年間的平均溫度達到14.08 ℃,期間1986年僅13.00 ℃,為最低,1998年達15.07 ℃,為最高;自1994年年均溫超過14.00 ℃后,僅1996、2000、2003三年的年均溫低于14.00 ℃;與1986～2005年20年的平均溫度(14.00 ℃)相比，2050s、2080s增溫明顯,在A2情景下分別增溫0.6、1.9 ℃，在B2情景下分別增溫0.5、1.2 ℃。

在1986～2012年間,≥10 ℃的年積溫有明顯的增加趨勢,增加幅度達到328 ℃·d；此27年間≥10 ℃的年積溫平均值為4755 ℃·d,期間1986年僅4393 ℃·d，為最低,2006年達5105 ℃·d，為最高；1998(年均溫最高)、2005、2006、2010年的年積溫均高于5000 ℃·d；1986～2005年20年的年積溫平均值為4671 ℃·d，與此平均值相比，2050s、2080s的年積溫增加明顯,在A2情景下分別增加738、127 ℃·d，在B2情景下分別增加1167、354 ℃·d(圖2)。

圖2　欒城1986～2099年在A2、B2情景下≥10 ℃年積溫變化趨勢

2.2當前冬小麥、夏玉米品種在未來氣候下生育期、耗水量和產量變化

將未來A2、B2情景下不同時間段的溫度和CO2濃度值帶入DSSAT模型,模擬現有的冬小麥和夏玉米品種在未來氣候條件下生育期、耗水量、產量的變化。

如表1所示,冬小麥在現有(1986～2005年)氣候條件下,平均生育期為243 d,平均耗水量為475 mm,平均產量為6383 kg/hm2。與當前氣候條件下的數據相比：在A2情景下,2050s和2080s冬小麥的平均生育期將分別縮短8和16 d，耗水量將分別減少16和36 mm，產量將分別增加1348和100 kg/hm2；在B2情景下,2050s和2080s冬小麥的平均生育期將分別縮短6和12 d，耗水量將分別增加5和0 mm，產量將分別增加1118和640 kg/hm2?？傮w來說,在保持當前品種不變的情況下,未來冬小麥的生育期將呈縮短趨勢,耗水量呈減少趨勢，產量呈增加趨勢，冬小麥在未來氣候變化下受到的影響較小。

表1　當前冬小麥品種在未來氣候下生育期、

從表2可以看出：夏玉米在現有氣候條件下,平均生育期為106 d,平均耗水量為416 mm,平均產量為7924 kg/hm2；與當前氣候條件下的數據相比,在A2情景下,2050s和2080s夏玉米的生育期將分別縮短17和22 d，耗水量將分別減少119和126 mm，產量將分別下降2203和2592 kg/hm2；在B2情景下,2050s和2080s夏玉米的生育期將分別縮短11和15 d，耗水量將分別減少87和115 mm，產量將分別下降1110和2536 kg/hm2?？傮w來說,在保持當前品種不變的情況下,未來夏玉米的生育期、耗水量和產量均將顯著減少,夏玉米在未來氣候下受到的負面影響較大。

表2　當前夏玉米品種在未來氣候下生育期、

2.3調整夏玉米品種后未來冬小麥、夏玉米生育期、耗水量和產量的變化

未來氣候變暖的對策一是合理調整作物區(qū)域布局,增加復種指數,將暖溫變?yōu)榭捎玫挠欣麣夂蛸Y源;二是調整作物播種期,有效地降低作物生育期縮短的不利影響[9]。在未來氣候條件下,冬小麥、夏玉米的生育期均將呈縮短趨勢。對冬小麥而言,因受春化溫度的影響,在不同氣候條件下其生育期比較穩(wěn)定；但對夏玉米而言,可供選擇的品種較多,在保持現有作物年總生育期不變的前提下，可用生育期較長的晚熟品種取代早、中熟品種，以規(guī)避未來氣候變暖的不利影響。

由圖3可見：在調節(jié)玉米品種后,在A2情景下,2050s和2080s冬小麥的生育期分別縮短至232和224 d,夏玉米的生育期則分別延長至121和119 d,與當前氣候條件下的數據相比,冬小麥的生育期分別減少了11和19 d,夏玉米的生育期分別增加了15和13 d;在B2情景下,2050s和2080s冬小麥的生育期分別調整至238和227 d,夏玉米的生育期則分別增加至118和116 d,與當前氣候條件下的數據相比,冬小麥的生育期分別減少了5和16 d,夏玉米的生育期分別增加了12和10 d。

圖3　改變夏玉米品種后欒城冬小麥、夏玉米生育期在1986～2089年間的變化

在現有氣候條件下,冬小麥/夏玉米輪作的年總耗水量為891 mm。在改變玉米的生育期后,在A2情景下,2050s和2080s冬小麥/夏玉米輪作的年總耗水量分別為874和863 mm,比當前氣候條件下分別減少17和28 mm;在B2情景下,2050s和2080s的年總耗水量分別為890和894 mm,與當前氣候條件下的基本一致(圖4)。由此可見,未來氣候變化對華北平原主要農作物耗水量的影響較小。

圖4　改變夏玉米品種后欒城冬小麥、夏玉米耗水量在1986～2089年間的變化

改變夏玉米品種前,在現有氣候條件下,冬小麥、夏玉米的年均產量分別為6383、7924 kg/hm2。調節(jié)夏玉米品種將玉米生育期延長后,在A2情景下,2050s和2080s小麥產量分別為8046和8676 kg/hm2,玉米產量分別為7578和7936 kg/hm2,與當前氣候條件下的產量相比,小麥產量明顯增加,分別增加了1663和2293 kg/hm2,玉米產量有升有降,2050s減產346 kg/hm2,2080s增產12 kg/hm2;在B2情景下,2050s和2080s小麥產量分別為7670和7955 kg/hm2,玉米產量分別為8103和7904 kg/hm2,與當前氣候條件下的產量相比,小麥產量明顯增加,分別增加了1287和1572 kg/hm2,玉米產量有升有降,2050s增產179 kg/hm2,2080s減產20 kg/hm2(圖5)?？傮w來說,小麥產量明顯增加,玉米產量波動不大。

圖5　改變夏玉米品種后欒城冬小麥、夏玉米產量在1986～2089年間的變化

3小結與討論

本研究結果表明：(1)冬小麥、夏玉米一年兩熟制種植方式下,作物生育進程伴隨氣溫升高而不斷加快,生育期明顯縮短。這與金之慶等[14]的觀點一致。從作物品種演變來看,對冬小麥而言,隨著溫度升高,冬小麥所需的春化積溫減少,冬小麥品種將由半冬性品種取代冬性品種[15]；而對夏玉米來說,溫度升高后,可適當提前播種,延長整個生長發(fā)育歷期,因此夏玉米將由晚熟品種取代中、早熟品種。 (2)在當前氣候條件下冬小麥的耗水量明顯高于夏玉米的；但在未來氣候條件下,延長夏玉米的生育期,保持未來作物年總生育期與現有氣候條件下的年總生育期一致時,冬小麥的耗水量將減少,夏玉米的耗水量將增加。所以華北平原地區(qū)未來農作物的總耗水量將與現在相差不大。(3)在未來氣候條件下,升溫將給夏玉米的產量帶來很大的負效應,其中A2情景對玉米產量的負面影響明顯大于B2情景[16]。作為C4作物的玉米，其對CO2肥效的反應不及作為C3作物的小麥強烈,是導致這種差異的主要原因。從這點意義上來講,小麥可能更容易適應氣候變化。在玉米品種不做出適應性調整的條件下,小麥有增產趨勢,而玉米則明顯減產[17-18],因此為了減少未來氣候對農業(yè)生產的負面影響,需要對夏玉米進行品種上的調整,即培育、種植晚熟品種。在調整玉米品種后,小麥產量明顯增加,玉米產量波動不大；小麥產量增加主要是由于CO2的肥效作用,而玉米產量波動不大主要是由于品種熟性調整。

綜上所述，通過選育適合未來氣候變化的新品種是未來農業(yè)適應氣候變化的重要途徑,這為制定應對氣候變化的農業(yè)生產措施提供了重要依據。本研究以調整夏玉米品種為主,未做冬小麥品種調整的嘗試；此外，在作物生長模擬中,本文沒有考慮水分虧缺條件和土壤養(yǎng)分的影響,這些也是影響作物產量與耗水量的重要因素,這些方面有待于今后進一步研究與探討。

致謝：感謝楊永輝研究員和周新堯博士對本研究數據采集及結果分析等關鍵步驟的傾力支持和點撥。

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(責任編輯:黃榮華)

Impact of Climate Change on Growth of Main Crops in North China Plain: A Case Study of Winter Wheat and Summer Maize

XIAO Wei-wei1,2,3, XU Jing-jing4

(1. Ankang University, Ankang 725000, China; 2. Engineering Technology Research Center for Hanjiang River Water Resource Protection and Utilization of Ankang City in Shaanxi Province, Ankang 725000, China; 3. Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050021, China; 4. Institute of Agricultural Economy and Information, Jiangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanchang 330200, China)

Abstract：In order to explore the possible effects of the future climate changes on the agricultural production in north China plain, we collected 15-year field experimental data from Luancheng Experimental Station, Chinese Academy of Sciences, downloaded the meteorological data under HadCM3 A2 or B2 scenarios in 2050s/2080s, used SDSM model to downscale the data from HadCM3, and applied DSSAT model to simulate the changes in the growth period, water consumption, and grain yield of winter wheat and summer maize in future. The results showed that: under the future climate scenarios, the daily mean temperature in Luancheng would increase obviously, the growth duration of both winter wheat and summer maize would shorten, their water consumption would decrease, the yield of wheat winter would increase, and the grain yield of summer maize would decrease. After adjusting maize medium-maturing varieties to late-maturing varieties, under the future climate scenarios, the growth duration of winter wheat would shorten, its water consumption would decrease, and grain yield would significantly increase; but the growth duration of summer maize would extend, its water consumption would increase, and grain yield would change little. Therefore, adjusting crop varieties is an important approach to adapt to the future climate changes in north China plain.

Key words：Climate change; Water consumption; Growth duration; Yield; Winter wheat; Summer maize; North China plain

收稿日期：2015-12-17

基金項目：陜西省教育廳項目(14JK1017);安康學院高層次人才科研專項(2015AYQDZR04)。

作者簡介：肖薇薇(1983─),女,陜西安康人,副教授,博士,主要從事氣候變化對區(qū)域農業(yè)影響研究。

中圖分類號：S162.5

文獻標志碼：A

文章編號：1001-8581(2016)06-0065-06