氣候變化對(duì)華北平原主要農(nóng)作物生長(zhǎng)影響研究
——以冬小麥、夏玉米為例

肖薇薇,許晶晶

(1.安康學(xué)院,陜西 安康 725000;2.陜西省安康市漢江水資源保護(hù)與利用工程技術(shù)研究中心,陜西 安康 725000;3.中國(guó)科學(xué)院 遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所 農(nóng)業(yè)資源研究中心,河北 石家莊 050021;4.江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息研究所,江西 南昌 330200)

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氣候變化對(duì)華北平原主要農(nóng)作物生長(zhǎng)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(xué)院,陜西 安康 725000;2.陜西省安康市漢江水資源保護(hù)與利用工程技術(shù)研究中心,陜西 安康 725000;3.中國(guó)科學(xué)院 遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所 農(nóng)業(yè)資源研究中心,河北 石家莊 050021;4.江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息研究所,江西 南昌 330200)

摘要：為了探討未來氣候變化對(duì)華北平原區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可能影響,收集了中國(guó)科學(xué)院欒城試驗(yàn)站15年的田間試驗(yàn)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(chǎn)量的變化。結(jié)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(chǎn)量增加，夏玉米產(chǎn)量下降;將現(xiàn)有的中熟玉米品種調(diào)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(chǎn)量將明顯增加，而夏玉米的生育期將延長(zhǎng)，耗水量將增加,產(chǎn)量將與現(xiàn)在相差不大。因此，調(diào)整作物品種是華北平原未來農(nóng)業(yè)適應(yīng)氣候變化的重要途徑。

關(guān)鍵詞：氣候變化;耗水量;生育期;產(chǎn)量;冬小麥;夏玉米;華北平原

0引言

根據(jù)政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第四次氣候變化綜合報(bào)告和中國(guó)第二次氣候變化國(guó)家評(píng)估報(bào)告[1-3],未來20～100年中國(guó)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(shí),中國(guó)未來20～100年降水量將呈增加趨勢(shì),其中降水日數(shù)將在北方顯著增加,南方變化不大,從而將對(duì)農(nóng)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(chǎn)量下降,在現(xiàn)有的種植品種和生產(chǎn)水平保持不變的前提下,氣溫每增高1 ℃,冬小麥生育期會(huì)平均縮短17 d左右,減產(chǎn)幅度為10%～12%;玉米生育期會(huì)縮短7 d左右,產(chǎn)量平均下降5%～6%[4-5]。

華北平原是我國(guó)重要的糧食產(chǎn)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(shì)[6]。未來天氣條件變化可能會(huì)對(duì)華北主要作物生產(chǎn)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(chǎn)量平均下降10.1%;夏玉米生育期可能縮短4～7 d,產(chǎn)量下降13.2%～19.1%[7-9]。為了進(jìn)一步探索農(nóng)業(yè)生產(chǎn)適應(yīng)氣候變化的對(duì)策,我們利用農(nóng)業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)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(zhǎng)過程,分析了未來氣候變化對(duì)冬小麥和夏玉米生育期、耗水量和產(chǎn)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(chǎn)量,探討了通過改變作物品種來適應(yīng)氣候變化的可行性,以期為該區(qū)未來農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整以及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)概況、研究數(shù)據(jù)和方法

1.1研究區(qū)概況

中國(guó)科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)站位于河北省欒城縣,地處北緯37°53'、東經(jīng)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(rùn)季風(fēng)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(chǎn)農(nóng)業(yè)生態(tài)類型。

1.2研究數(shù)據(jù)及方法

1.2.1氣象數(shù)據(jù)1961～2010年逐日氣象資料來源于欒城實(shí)驗(yàn)站地面氣象觀測(cè)站。為了便于與未來進(jìn)行比較,選取1986～2005年20年數(shù)據(jù)的平均值作為背景值；2050s數(shù)據(jù)是2040～2059年的平均值,2080s數(shù)據(jù)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(jié)果,這是因?yàn)镠adCM3對(duì)中國(guó)地區(qū)模擬結(jié)果較好[10]。由于HadCM3輸出的氣象資料的網(wǎng)格分辨率過低,因此使用統(tǒng)計(jì)降尺度模型SDSM(Statistical DownScaling Model)[11-13]對(duì)HadCM3輸出的氣象資料進(jìn)行空間降尺度。應(yīng)用SDSM方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)降尺度需要3類數(shù)據(jù):站點(diǎn)實(shí)測(cè)日資料、美國(guó)環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)的再分析日資料和氣候模型模擬的當(dāng)前和未來氣候條件下的日資料。選擇站點(diǎn)實(shí)測(cè)的1961～1990年的資料標(biāo)定SDSM模型,用站點(diǎn)實(shí)測(cè)的1991～2000年的資料驗(yàn)證模型。

1.2.2DSSAT模型 DSSAT模型以1 d為步長(zhǎng)模擬作物生長(zhǎng),需要的輸入數(shù)據(jù)包括田間管理數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、作物品種遺傳特性參數(shù)以及逐日氣象數(shù)據(jù)。在華北地區(qū),作為前期工作,已選取欒城生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站的大量野外觀測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及15年間逐日氣象數(shù)據(jù),對(duì)模型(DSSAT-WHEAT、DSSAT-CORN)的適應(yīng)性、參數(shù)、源程序進(jìn)行了校驗(yàn)。為了進(jìn)一步預(yù)測(cè)未來全球氣候變化對(duì)華北平原冬小麥、夏玉米生長(zhǎng)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(zhǎng)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(jié)果與分析

2.1基于SDSM模型的未來溫度變化趨勢(shì)

從圖1可以看出：在1986～2012年期間,年均溫有明顯的增高趨勢(shì),增幅達(dá)到1.00 ℃；此27年間的平均溫度達(dá)到14.08 ℃,期間1986年僅13.00 ℃,為最低,1998年達(dá)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(shì),增加幅度達(dá)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(dá)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(shì)

2.2當(dāng)前冬小麥、夏玉米品種在未來氣候下生育期、耗水量和產(chǎn)量變化

將未來A2、B2情景下不同時(shí)間段的溫度和CO2濃度值帶入DSSAT模型,模擬現(xiàn)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(chǎn)量的變化。

如表1所示,冬小麥在現(xiàn)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(chǎn)量為6383 kg/hm2。與當(dāng)前氣候條件下的數(shù)據(jù)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(chǎn)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(chǎn)量將分別增加1118和640 kg/hm2?？傮w來說,在保持當(dāng)前品種不變的情況下,未來冬小麥的生育期將呈縮短趨勢(shì),耗水量呈減少趨勢(shì)，產(chǎn)量呈增加趨勢(shì)，冬小麥在未來氣候變化下受到的影響較小。

表1　當(dāng)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(xiàn)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(chǎn)量為7924 kg/hm2；與當(dāng)前氣候條件下的數(shù)據(jù)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(chǎn)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(chǎn)量將分別下降1110和2536 kg/hm2?？傮w來說,在保持當(dāng)前品種不變的情況下,未來夏玉米的生育期、耗水量和產(chǎn)量均將顯著減少,夏玉米在未來氣候下受到的負(fù)面影響較大。

表2　當(dāng)前夏玉米品種在未來氣候下生育期、

2.3調(diào)整夏玉米品種后未來冬小麥、夏玉米生育期、耗水量和產(chǎn)量的變化

未來氣候變暖的對(duì)策一是合理調(diào)整作物區(qū)域布局,增加復(fù)種指數(shù),將暖溫變?yōu)榭捎玫挠欣麣夂蛸Y源;二是調(diào)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(shì)。對(duì)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(duì)夏玉米而言,可供選擇的品種較多,在保持現(xiàn)有作物年總生育期不變的前提下，可用生育期較長(zhǎng)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(diào)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(zhǎng)至121和119 d,與當(dāng)前氣候條件下的數(shù)據(jù)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(diào)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(dāng)前氣候條件下的數(shù)據(jù)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(xiàn)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(dāng)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(dāng)前氣候條件下的基本一致(圖4)。由此可見,未來氣候變化對(duì)華北平原主要農(nóng)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(xiàn)有氣候條件下,冬小麥、夏玉米的年均產(chǎn)量分別為6383、7924 kg/hm2。調(diào)節(jié)夏玉米品種將玉米生育期延長(zhǎng)后,在A2情景下,2050s和2080s小麥產(chǎn)量分別為8046和8676 kg/hm2,玉米產(chǎn)量分別為7578和7936 kg/hm2,與當(dāng)前氣候條件下的產(chǎn)量相比,小麥產(chǎn)量明顯增加,分別增加了1663和2293 kg/hm2,玉米產(chǎn)量有升有降,2050s減產(chǎn)346 kg/hm2,2080s增產(chǎn)12 kg/hm2;在B2情景下,2050s和2080s小麥產(chǎn)量分別為7670和7955 kg/hm2,玉米產(chǎn)量分別為8103和7904 kg/hm2,與當(dāng)前氣候條件下的產(chǎn)量相比,小麥產(chǎn)量明顯增加,分別增加了1287和1572 kg/hm2,玉米產(chǎn)量有升有降,2050s增產(chǎn)179 kg/hm2,2080s減產(chǎn)20 kg/hm2(圖5)?？傮w來說,小麥產(chǎn)量明顯增加,玉米產(chǎn)量波動(dòng)不大。

圖5　改變夏玉米品種后欒城冬小麥、夏玉米產(chǎn)量在1986～2089年間的變化

3小結(jié)與討論

本研究結(jié)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(jìn)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(diǎn)一致。從作物品種演變來看,對(duì)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(duì)夏玉米來說,溫度升高后,可適當(dāng)提前播種,延長(zhǎng)整個(gè)生長(zhǎng)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(dāng)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(zhǎng)夏玉米的生育期,保持未來作物年總生育期與現(xiàn)有氣候條件下的年總生育期一致時(shí),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(nóng)作物的總耗水量將與現(xiàn)在相差不大。(3)在未來氣候條件下,升溫將給夏玉米的產(chǎn)量帶來很大的負(fù)效應(yīng),其中A2情景對(duì)玉米產(chǎn)量的負(fù)面影響明顯大于B2情景[16]。作為C4作物的玉米，其對(duì)CO2肥效的反應(yīng)不及作為C3作物的小麥強(qiáng)烈,是導(dǎo)致這種差異的主要原因。從這點(diǎn)意義上來講,小麥可能更容易適應(yīng)氣候變化。在玉米品種不做出適應(yīng)性調(diào)整的條件下,小麥有增產(chǎn)趨勢(shì),而玉米則明顯減產(chǎn)[17-18],因此為了減少未來氣候?qū)r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的負(fù)面影響,需要對(duì)夏玉米進(jìn)行品種上的調(diào)整,即培育、種植晚熟品種。在調(diào)整玉米品種后,小麥產(chǎn)量明顯增加,玉米產(chǎn)量波動(dòng)不大；小麥產(chǎn)量增加主要是由于CO2的肥效作用,而玉米產(chǎn)量波動(dòng)不大主要是由于品種熟性調(diào)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(nóng)業(yè)適應(yīng)氣候變化的重要途徑,這為制定應(yīng)對(duì)氣候變化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施提供了重要依據(jù)。本研究以調(diào)整夏玉米品種為主,未做冬小麥品種調(diào)整的嘗試；此外，在作物生長(zhǎng)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(chǎn)量與耗水量的重要因素,這些方面有待于今后進(jìn)一步研究與探討。

致謝：感謝楊永輝研究員和周新堯博士對(duì)本研究數(shù)據(jù)采集及結(jié)果分析等關(guān)鍵步驟的傾力支持和點(diǎn)撥。

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(責(zé)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(xiàng)目：陜西省教育廳項(xiàng)目(14JK1017);安康學(xué)院高層次人才科研專項(xiàng)(2015AYQDZR04)。

作者簡(jiǎn)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(duì)區(qū)域農(nóng)業(yè)影響研究。

中圖分類號(hào)：S162.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-8581(2016)06-0065-06