未來(lái)升溫情景下中國(guó)馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率變化

唐建昭，柏會(huì)子，鄭艷東，周海濤，張新軍，劉劍鋒，郭風(fēng)華，王仁德，肖登攀，王 靖

未來(lái)升溫情景下中國(guó)馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率變化

唐建昭1，柏會(huì)子1，鄭艷東2，周海濤3，張新軍3，劉劍鋒1，郭風(fēng)華1，王仁德1，肖登攀4，王 靖5※

（1. 河北省科學(xué)院地理科學(xué)研究所/河北省地理信息開(kāi)發(fā)應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新中心，石家莊 050011；2. 河北省國(guó)土整治中心，石家莊 050031；3. 張家口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，張家口 075000；4. 河北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，石家莊 050024；5. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193）

升溫和降水變化對(duì)全球馬鈴薯生產(chǎn)構(gòu)成巨大挑戰(zhàn)。揭示未來(lái)升溫1.5 和2.0 ℃情景下中國(guó)不同種植區(qū)馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用的變化，對(duì)保障中國(guó)糧食安全具有重要意義。該研究基于中國(guó)不同地區(qū)的氣候條件和種植制度，將全國(guó)馬鈴薯種植區(qū)劃分為北方一作區(qū)、中原二作區(qū)、南方冬作區(qū)和西南混作區(qū)。進(jìn)而，基于未來(lái)全球氣溫與基準(zhǔn)期（1986－2005）的差值，推算得出全球升溫達(dá)到1.5和2.0 ℃的時(shí)段分別為2016－2035年和2028－2047年。在全國(guó)馬鈴薯種植區(qū)共選擇7個(gè)馬鈴薯典型品種。該研究基于氣候模式通過(guò)降尺度獲取的未來(lái)氣象數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)充分校正的APSIM-Potato模型，模擬分析未來(lái)升溫1.5 ℃（2016－2035年）和2.0 ℃（2028－2047年）情景下中國(guó)不同種植區(qū)雨養(yǎng)和灌溉（基于土壤水分虧缺模型啟動(dòng)自動(dòng)灌溉）馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用的變化。結(jié)果表明：基準(zhǔn)期（1986－2005年），雨養(yǎng)馬鈴薯產(chǎn)量、生育期蒸散量（evaportranspiration，ET）和水分利用效率（water use efficiency，WUE）分別為0.05～52.40 t/hm2、7～454 mm和3～193 kg/(mm·hm2)，與基準(zhǔn)期相比，升溫1.5 ℃情景下，北方一作區(qū)和中原二作區(qū)馬鈴薯產(chǎn)量和ET呈增加趨勢(shì)，產(chǎn)量分別增加1.46%和1.93%，ET分別增加3.14%和2.93%；南方冬作區(qū)和西南混作區(qū)產(chǎn)量和ET呈下降趨勢(shì)，產(chǎn)量分別下降4.51%和12.74%，ET分別下降2.23%和8.44%；4個(gè)種植區(qū)馬鈴薯WUE均呈下降趨勢(shì)。升溫2.0 ℃情景下，北方一作區(qū)、中原二作區(qū)和南方冬作區(qū)馬鈴薯產(chǎn)量和ET均呈增加趨勢(shì)，產(chǎn)量分別增加15.48%、1.54%和3.27%，ET分別增加12.12%、4.63%和4.19%，西南混作區(qū)產(chǎn)量和ET分別降低8.82%和8.29%；北方一作區(qū)馬鈴薯WUE呈增加趨勢(shì)，其他3個(gè)區(qū)下降0.57%～3.25%?；鶞?zhǔn)期（1986－2005年），灌溉馬鈴薯產(chǎn)量、ET和WUE分別為6.80～59.60 t/hm2、151～631 mm和7.90～163.60 kg/(mm·hm2)，與基準(zhǔn)期相比，升溫1.5℃情景下，北方一作區(qū)和中原二作區(qū)產(chǎn)量呈增加趨勢(shì)，分別增加3.60%和3.00%，南方冬作區(qū)和西南混作區(qū)分別下降1.12%和11.79%；ET在北方一作區(qū)、中原二作區(qū)和西南混作區(qū)呈增加趨勢(shì)，分別增加4.63%、3.99%和2.14%，在西南混作區(qū)下降4.87%；4個(gè)種植區(qū)馬鈴薯WUE均呈下降趨勢(shì)。升溫2.0 ℃情景下，北方一作區(qū)、中原二作區(qū)和南方冬作區(qū)產(chǎn)和ET均呈增加趨勢(shì)，產(chǎn)量分別增加5.63%、6.82%和6.46%，ET分別增加11.94%、8.58%和7.12%，馬鈴薯西南混作區(qū)產(chǎn)量和ET分別下降8.56%和5.31%；4個(gè)種植區(qū)WUE均呈下降趨勢(shì)。研究結(jié)果表明未來(lái)升溫使北方一作區(qū)和中原二作區(qū)雨養(yǎng)和灌溉馬鈴薯增產(chǎn)，而導(dǎo)致南方冬作區(qū)和西南混作區(qū)減產(chǎn)。該研究可為中國(guó)馬鈴薯生產(chǎn)適應(yīng)未來(lái)氣候變化提供理論指導(dǎo)。

氣候變化；產(chǎn)量；蒸散量；馬鈴薯；APSIM-Potato

0 引 言

1910－2010年全球氣溫不斷上升，1986－2005年平均氣溫相比工業(yè)革命之前（1850－1900年）已上升0.61 ℃[1]。氣候變暖已對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水資源利用等產(chǎn)生重要影響，并且持續(xù)升溫會(huì)產(chǎn)生進(jìn)一步影響[2-3]。為降低氣候變化引起的風(fēng)險(xiǎn)和影響，《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》（United Nations Framework Convention on Climate Change，UNFCCC）近200個(gè)締約方一致同意通過(guò)《巴黎協(xié)定》，將全球平均地表溫度較工業(yè)前水平升高控制在2.0 ℃之內(nèi)，并為控制在1.5 ℃內(nèi)努力[4]。中國(guó)水資源短缺，人均水資源占有量?jī)H為全球平均水平的四分之一[5]，農(nóng)業(yè)用水的比例更是由1949年的97.10%下降到2011年的61.30%[6]。未來(lái)升溫將進(jìn)一步增加農(nóng)業(yè)用水的供需矛盾，因此，揭示未來(lái)升溫情景下農(nóng)作物水分利用的變化對(duì)保證農(nóng)業(yè)水資源的可持續(xù)利用具有重要意義。

馬鈴薯是全球第四大口糧作物，其總產(chǎn)量?jī)H次于玉米、水稻和小麥[7-8]。中國(guó)是馬鈴薯主產(chǎn)國(guó)，中國(guó)馬鈴薯總產(chǎn)和播種面積在全球的占比均超過(guò)四分之一[9]。中國(guó)馬鈴薯種包括4個(gè)植區(qū)，分別為北方一作區(qū)、中原二作區(qū)、南方冬作區(qū)和西南混作區(qū)[10]。然而，由于氣候和管理措施的差異，不同種植區(qū)馬鈴薯產(chǎn)量變異較高，收獲的單產(chǎn)在4～33 t/hm2之間[11]。馬鈴薯是喜涼作物，并且對(duì)水分變化敏感，過(guò)去幾十年以升溫為主的氣候變化顯著影響馬鈴薯生產(chǎn)[12]。前人研究指出氣候變暖導(dǎo)致馬鈴薯生育期內(nèi)氣候適宜度、生產(chǎn)潛力和單產(chǎn)水平降低[13-15]。氣候變暖伴隨降水減少導(dǎo)致馬鈴薯水分利用效率顯著降低，并且氣候變化背景下導(dǎo)致馬鈴薯水分利用效率變化的不確定性因素增加[16]。

未來(lái)升溫1.5和2.0 ℃對(duì)中國(guó)農(nóng)作物生產(chǎn)的影響研究主要集中在小麥[25]、玉米[26]和水稻[27]上，而對(duì)中國(guó)4個(gè)種植區(qū)馬鈴薯的產(chǎn)量、蒸散量和水分利用效率的影響鮮有研究。揭示未來(lái)升溫對(duì)中國(guó)不同種植區(qū)馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用的影響，對(duì)精準(zhǔn)制定馬鈴薯生產(chǎn)適應(yīng)未來(lái)氣候變化的策略具有重要意義。因此，本研究基于氣候模式通過(guò)降尺度獲取的未來(lái)氣象數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)APSIM-Potato模型，模擬分析未來(lái)升溫1.5和2.0 ℃對(duì)中國(guó)不同種植區(qū)馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用的影響，以期為中國(guó)不同種植區(qū)馬鈴薯生產(chǎn)適應(yīng)未來(lái)氣候變化提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

馬鈴薯與水稻、小麥和玉米共同成為中國(guó)協(xié)調(diào)發(fā)展的四大主要糧食作物。基于不同地區(qū)的氣候特點(diǎn)、地貌地形和馬鈴薯種植時(shí)間及收獲時(shí)間，中國(guó)馬鈴薯的主要種植區(qū)被劃分為北方一作區(qū)、中原二作區(qū)、南方冬作區(qū)和西南混作區(qū)[28]。本研究基于國(guó)家統(tǒng)計(jì)局馬鈴薯種植數(shù)據(jù)和未來(lái)氣候情景數(shù)據(jù)，在中國(guó)四大馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)共選取123個(gè)站點(diǎn)作為研究區(qū)（圖1），具體包括北方一作區(qū)70個(gè)，中原二作區(qū)25個(gè)，南方冬作區(qū)10個(gè)，西南混作區(qū)18個(gè)。

1.2 氣候數(shù)據(jù)

歷史（1981－2017年）氣候觀測(cè)資料來(lái)自中國(guó)地面氣候資料數(shù)據(jù)集，包括日尺度的最高和最低溫度、降水量和日照時(shí)數(shù)。其中，日照時(shí)數(shù)用于計(jì)算輻射，計(jì)算方法為Angstr?m方程[7]。

注：西藏馬鈴薯均為春季播種，且一年種植一季，因此將西藏5個(gè)站點(diǎn)劃分到北方一作區(qū)。

未來(lái)氣候情景數(shù)據(jù)包括日尺度輻射、溫度和降水?dāng)?shù)據(jù)，來(lái)自CMIP6中的BCC-CSM2-MR （BCC）全球氣候模式，前人研究表明BCC氣候模式可以較好地模擬中國(guó)的氣候變化[29-31]。全球氣候模式數(shù)據(jù)為月尺度的格點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)空間降尺度和時(shí)間降尺度2個(gè)步驟將月尺度的格點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為站點(diǎn)尺度的逐日數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)空間降尺度和時(shí)間降尺度的具體步驟和方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)[32]。

全球升溫1.5和2.0 ℃出現(xiàn)的時(shí)間基于CMIP6驅(qū)動(dòng)全球氣候模式的模擬結(jié)果確定。本研究選取氣溫的20 a滑動(dòng)平均值確定升溫幅度[4]：首先，基于氣候模式模擬的未來(lái)全球氣溫與基準(zhǔn)期（1986－2005）的差值，加上0.61 ℃（基準(zhǔn)期相對(duì)于工業(yè)革命前平均增溫0.61 ℃[1]），得到逐年全球升溫。然后，對(duì)計(jì)算出的逐年升溫幅度進(jìn)行20 a滑動(dòng)平均，找到升溫達(dá)到1.5和2.0 ℃的年份，前后各推10 a?；贐CC全球氣候模式，相對(duì)于基準(zhǔn)期升溫1.5和2.0 ℃的時(shí)間段分別為2016－2035年和2028－2047年。

1.3 APSIM-Potato模型介紹及試驗(yàn)數(shù)據(jù)

APSIM-Potato模型的核心模塊包括作物模塊、土壤水模塊、土壤氮模塊、土壤有機(jī)質(zhì)模塊和管理模塊。模型基于輻射、溫度、光周期、土壤水和氮肥，以日為步長(zhǎng)，模擬馬鈴薯的生長(zhǎng)發(fā)育、干物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成等?；谝寻l(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)[10]，本研究在不同種植區(qū)共選擇7個(gè)典型品種，北方一作區(qū)包括康尼貝科、克新一號(hào)和費(fèi)烏瑞它；中原二作區(qū)包括興佳-2號(hào)、大西洋和費(fèi)烏瑞它；南方冬作區(qū)包括興佳-2號(hào)、大西洋和費(fèi)烏瑞它；西南混作區(qū)包括麗薯-6號(hào)、青薯-9號(hào)和費(fèi)烏瑞它。

1.4 模型模擬設(shè)置

APSIM-Potato模型中的土壤參數(shù)來(lái)自中國(guó)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)（http://www.soil.csdb.cn/），主要包括土壤容重、凋萎含水率、田間持水量、飽和含水率和土壤養(yǎng)分含量等理化數(shù)據(jù)。

由表1可見(jiàn),在治療前,兩組VAS評(píng)分比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),組間具有可比性,治療后,兩組組內(nèi)治療前后VAS評(píng)分比較差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01),說(shuō)明兩種方法均能減輕患者的疼痛;兩組VAS評(píng)分組間比較,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),且針刀組治療后VAS評(píng)分減少的更多,說(shuō)明針刀松解術(shù)在改善KOA疼痛方面效果更好。

模型調(diào)參和驗(yàn)證所用的方法為“試錯(cuò)法”。北方一作區(qū)模型調(diào)參和驗(yàn)證均基于武川站試驗(yàn)數(shù)據(jù)。中原二作區(qū)模型調(diào)參基于欽州站試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證基于金華站馬鈴薯試驗(yàn)數(shù)據(jù)。南方冬作區(qū)模型調(diào)參和驗(yàn)證基于九江站試驗(yàn)數(shù)據(jù)。西南混作區(qū)模型調(diào)參基于江川站試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證基于新平站試驗(yàn)數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的7個(gè)品種的參數(shù)見(jiàn)表1[10]。

前期研究表明：APSIM-Potato模型可以較為準(zhǔn)確地模擬中國(guó)不同馬鈴薯種植區(qū)各品種的生育期和產(chǎn)量（圖2）。調(diào)參和驗(yàn)證結(jié)果顯示馬鈴薯播種-出苗期的模擬值和觀測(cè)值的相對(duì)均方根誤差（relative root mean square error，RRMSE）為8.90%（圖2a）；出苗-薯塊形成期的模擬值和觀測(cè)值的RRMSE為13.50%（圖2b）；薯塊形成-成熟期的模擬值和觀測(cè)值的RRMSE為7.90%（圖2c）。馬鈴薯模擬產(chǎn)量和實(shí)測(cè)產(chǎn)量的RRMSE為17.1%（圖2d）。

表1 7個(gè)馬鈴薯品種在APSIM-Potato模型中的參數(shù)設(shè)置

注：RRMSE為相對(duì)均方根誤差。 Note: RRMSE is relative root mean square error.

模型設(shè)置中，雨養(yǎng)和灌溉馬鈴薯播種密度相同，北方一作區(qū)、中原二作區(qū)、南方冬作區(qū)和西南混作區(qū)馬鈴薯種植密度分別為50 000、65 000、70 000和50 000株/hm2，播期選擇當(dāng)?shù)氐某Ｒ?guī)播期?；谕寥浪痔澣绷浚ㄌ镩g持水量和當(dāng)前土壤水分的差值）制定灌溉方案，當(dāng)100 cm土層深度的土壤水分虧缺量大于30 mm時(shí)，模型啟用自動(dòng)灌溉。為保證馬鈴薯生長(zhǎng)不受氮肥脅迫，模型啟用自動(dòng)施肥功能。長(zhǎng)時(shí)間序列模擬中，北方一作區(qū)為連續(xù)模擬。其他3個(gè)種植區(qū)考慮到輪作影響，每年模擬起始期重置土壤水分。并且，本研究中考慮了CO2施肥效應(yīng)，1981－2100年的逐年CO2濃度基于式（1）進(jìn)行計(jì)算[33]：

式中C為年份的CO2濃度，為1981–2100年所對(duì)應(yīng)的年份。

1.5 未來(lái)升溫1.5和2.0 ℃對(duì)馬鈴薯水分利用的影響評(píng)估

升溫1.5 ℃和2.0 ℃對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量、蒸散量和水分利用效率的影響采用式（2）～（6）進(jìn)行計(jì)算：

ΔY=(Y?0)/0×100% （2）

ΔT=(T?0)/0×100% （3）

ΔE=(E?0)/0×100% （4）

T=E+E（5）

E=Y/T（6）

式中Y、T和E（=0、1.5或2.0）分別代表基準(zhǔn)期、升溫1.5或2.0 ℃情景下馬鈴薯產(chǎn)量、蒸散量和水分利用效率。蒸騰量根據(jù)模擬的馬鈴薯生育期內(nèi)蒸騰量（transpiration，E）與土壤蒸發(fā)量（evaporation，E）求和。水分利用效率為馬鈴薯鮮薯產(chǎn)量和蒸散量的比值。

2 結(jié)果與分析

2.1 基準(zhǔn)期、升溫1.5和2.0 ℃情景下馬鈴薯生長(zhǎng)季內(nèi)平均溫度和降水

基準(zhǔn)期（1986－2005年），北方一作區(qū)、中原二作區(qū)、南方冬作區(qū)和西南混作區(qū)馬鈴薯生長(zhǎng)季平均溫度分別為17.65、16.93、19.24和21.71 ℃，總降水量分別為402、698、513和947 mm；與基準(zhǔn)期相比，升溫1.5 ℃情景下，生長(zhǎng)季平均溫度分別升高0.88、1.00、0.87和0.54 ℃，生長(zhǎng)季總降水量分別增加22、18、17和36 mm；升溫2.0 ℃情景下，生長(zhǎng)季平均溫度分別升高1.45、1.57、1.44和1.00 ℃，生長(zhǎng)季總降水量分別增加43、22、24和55 mm（圖3）。

圖3 基準(zhǔn)期（1986－2005年）、升溫1.5和2.0 ℃情景下馬鈴薯生長(zhǎng)季平均溫度和降水量

2.2 未來(lái)升溫1.5和2.0 ℃情景下雨養(yǎng)馬鈴薯產(chǎn)量、ET和WUE的變化

基準(zhǔn)期（1986－2005年），雨養(yǎng)馬鈴薯產(chǎn)量、ET和WUE分別為0.05～52.40t/hm2（圖4a）、7～454 mm（圖4b）和3～193 kg/(mm·hm2)（圖4c）。中原二作區(qū)產(chǎn)量最高（31.00 t/hm2），南方冬作區(qū)最低（22.80 t/hm2）。ET和WUE均是中原二作區(qū)最高，南方冬作區(qū)最低（表2）。與基準(zhǔn)期相比，升溫1.5 ℃情景下，不同種植區(qū)產(chǎn)量、ET和WUE的變化范圍分別為?78.80%～165.20%（圖4d）、?33.50%～51.30%（圖4e）和?50.20%～137.80%（圖4f）。北方一作區(qū)和中原二作區(qū)產(chǎn)量分別增加1.46%和1.93%，南方冬作區(qū)和西南混作區(qū)分別下降4.51%和12.74%。北方一作區(qū)和中原二作區(qū)ET分別增加3.14%和2.93%，南方冬作區(qū)和西南混作區(qū)分別下降2.23%和8.44%（表2）。不同種植區(qū)WUE均呈下降趨勢(shì)，其中西南混作區(qū)下降幅度最大（6.64%），中原二作區(qū)下降幅度最?。?.10%）（表2）。升溫2.0 ℃情景下，不同種植區(qū)產(chǎn)量、ET和WUE的變化范圍分別為?81.10%～187.90%（圖4g）、?34.90%～88.20%（圖4h）和?52.10%～155.80%（圖4i）。北方一作區(qū)、中原二作區(qū)和南方冬作區(qū)產(chǎn)量分別增加15.48%、1.54%和3.27%，西南混作區(qū)降低8.82%。北方一作區(qū)、中原二作區(qū)和南方冬作區(qū)ET分別增加12.12%、4.63%和4.19%，西南混作區(qū)降低8.29%。北方一作區(qū)WUE增加9.76%，中原二作區(qū)、南方冬作區(qū)和西南混作區(qū)分別下降2.78%、0.57%和3.25%（表2）。

2.3 未來(lái)升溫1.5和2.0 ℃情景下灌溉馬鈴薯產(chǎn)量、ET和WUE的變化

基準(zhǔn)期（1986－2005年），灌溉馬鈴薯產(chǎn)量、ET和WUE分別為6.80～59.60 t/hm2（圖5a）、151～631 mm（圖5b）和7.90～163.60 kg/(mm·hm2)（圖5c）。北方一作區(qū)產(chǎn)量最高（42 t/hm2），南方冬作區(qū)最低（23 t/hm2）。北方一作區(qū)ET最高，南方冬作區(qū)最低。南方冬作區(qū)WUE最高，為122.50 kg/(mm·hm2)，西南混作區(qū)最低，為79.10 kg/(mm·hm2)（表3）。升溫1.5 ℃情景下，不同種植區(qū)產(chǎn)量、ET和WUE的變化范圍分別為?77.90%～164.10%（圖5d）、?25.10%～35.50%（圖5e）和?72.30%～109.20%（圖5f）。北方一作區(qū)和中原二作區(qū)產(chǎn)量分別增加3.60%和3.00%，南方冬作區(qū)和西南混作區(qū)分別下降1.12%和11.79%。北方一作區(qū)、中原二作區(qū)和南方冬作區(qū)生育期ET分別增加4.63%、3.99%和2.14%，西南混作區(qū)下降4.87%。不同種植區(qū)WUE均呈下降趨勢(shì)，北方一作區(qū)、中原二作區(qū)、南方冬作區(qū)和西南混作區(qū)分別降低1.16%、0.74%、3.32%和11.44%（表3）。升溫2.0 ℃情景下，不同種植區(qū)產(chǎn)量、ET和WUE的變化范圍分別為?80.40%～198.30%（圖5g）、?24.10%～104.30%（圖5h）和?78.60%～147.40%（圖5i）。北方一作區(qū)、中原二作區(qū)和南方冬作區(qū)產(chǎn)量分別增加5.63%、6.82%和6.46%，西南混作區(qū)下降8.56%。北方一作區(qū)、中原二作區(qū)和南方冬作區(qū)生育期ET分別增加11.94%、8.58%和7.12%，西南混作區(qū)下降5.31%。不同種植區(qū)WUE均呈下降趨勢(shì)，北方一作區(qū)、中原二作區(qū)、南方冬作區(qū)和西南混作區(qū)分別下降2.34%、1.27%、1.12%和6.69%（表3）。

2.4 未來(lái)升溫1.5和2.0 ℃情景下馬鈴薯生育期蒸騰量和土壤蒸發(fā)量的變化

基準(zhǔn)期（1986－2005年），北方一作區(qū)、中原二作區(qū)、南方冬作區(qū)和西南混作區(qū)雨養(yǎng)馬鈴薯生育期蒸騰量（E）分別為137、176、82和108 mm（圖6a）；雨養(yǎng)馬鈴薯生育期土壤蒸發(fā)量（E）分別為141、107、62和104 mm（圖6b）；灌溉E分別為229、271、93和158 mm（圖6c）；灌溉E分別為171、122、110和138 mm（圖6d）。升溫1.5 ℃情景下，雨養(yǎng)E在北方一作區(qū)和中原二作區(qū)分別增加16.90%和7.30%，南方冬作區(qū)和西南混作區(qū)分別下降16.30%和15.90%（圖6a）；雨養(yǎng)E在北方一作區(qū)增加最多（23.90%），西南混作區(qū)增加最少（1.90%）（圖6b）；灌溉E在北方一作區(qū)、中原二作區(qū)和南方冬作區(qū)分別增加9.60%、4.40%和4.90%，西南混作區(qū)下降13.60%（圖6c）；灌溉E在中原二作區(qū)增加最多（18.80%），南方冬作區(qū)增加最少（7.40%）（圖6d）。升溫2.0 ℃情景下，雨養(yǎng)E在北方一作區(qū)、中原二作區(qū)和南方冬作區(qū)分別增加14.50%、11.30%和10.40%，西南混作區(qū)下降14.30%（圖6a）；雨養(yǎng)E在北方一作區(qū)增加最多（25.60%），中原二作區(qū)增加最少（8.90%）（圖6b）；灌溉E在北方一作區(qū)、中原二作區(qū)和南方冬作區(qū)分別增加15.40%、13.60%和10.60%，西南混作區(qū)下降18.20%（圖6c）；灌溉E在中原二作區(qū)增加最多（22.10%），西南混作區(qū)增加最少（6.60%）（圖6b）。

圖4 中國(guó)雨養(yǎng)馬鈴薯基準(zhǔn)期產(chǎn)量、生育期蒸散量和水分利用效率及其在升溫1.5和2.0 ℃情景下的變化分布

表2 中國(guó)不同區(qū)域雨養(yǎng)馬鈴薯基準(zhǔn)期平均產(chǎn)量、生育期蒸散量和水分利用效率及其在升溫1.5和2.0℃情景下的變化

注：0、0和0分別為基準(zhǔn)期產(chǎn)量、ET 和WUE; Δ1.5℃和Δ2.0℃分別為相應(yīng)指標(biāo)的變化率。

Note:0,0and0are yield, ET and WUE in the baseline, and Δ1.5℃ and Δ2.0℃ are change of the corresponding index, respectively.

圖5 中國(guó)灌溉馬鈴薯基準(zhǔn)期產(chǎn)量、生育期蒸散量和水分利用效率及其在升溫1.5和2.0 ℃情景下的變化分布

表3 中國(guó)不同區(qū)域灌溉馬鈴薯基準(zhǔn)期平均產(chǎn)量、生育期蒸散量和水分利用效率及其在升溫1.5和2.0 ℃情景下的變化

圖6 基準(zhǔn)期、升溫1.5 ℃和2.0 ℃情景下雨養(yǎng)和灌溉馬鈴薯生育期內(nèi)蒸騰量和土壤蒸發(fā)量

3 討 論

全球變暖顯著影響作物產(chǎn)量和水分利用[34-35]。本研究表明全球升溫1.5 ℃情景下，北方一作區(qū)和中原二作區(qū)馬鈴薯產(chǎn)量上升，南方冬作區(qū)和西南混作區(qū)下降。一方面，氣候變暖加速馬鈴薯生長(zhǎng)速率，縮短生育期長(zhǎng)度[19,24]。另一方面，當(dāng)基準(zhǔn)期溫度低于馬鈴薯最適溫度時(shí)，在一定范圍內(nèi)升溫對(duì)馬鈴薯產(chǎn)生正面影響，然而，當(dāng)高于最適溫度時(shí)，升溫將產(chǎn)生負(fù)面影響[9]。相關(guān)研究表明，馬鈴薯生長(zhǎng)的最適溫度為18 ℃[36]。北方一作區(qū)和中原二作區(qū)基準(zhǔn)期生長(zhǎng)季平均溫度低于馬鈴薯最適溫度，升溫使生育期內(nèi)溫度更接近最適溫度，并且伴隨CO2濃度上升和降水量增加，因此北方一作區(qū)和中原二作區(qū)馬鈴薯產(chǎn)量在全球升溫1.5 ℃情景下呈上升趨勢(shì)（圖3）。南方冬作區(qū)和西南混作區(qū)基準(zhǔn)期生長(zhǎng)季平均溫度高于最適溫度，未來(lái)升溫導(dǎo)致這兩個(gè)地區(qū)產(chǎn)量下降。全球升溫2.0 ℃情景下，北方一作區(qū)、中原二作區(qū)和南方冬作區(qū)產(chǎn)量呈上升趨勢(shì)，這主要是因?yàn)镃O2施肥作用（相比于基準(zhǔn)期增加27.10%）和降水增加對(duì)增產(chǎn)的正效應(yīng)高于溫度升高產(chǎn)生的負(fù)效應(yīng)（圖3）。因此，未來(lái)氣候變化情景下，南方冬作區(qū)和西南混作區(qū)應(yīng)通過(guò)優(yōu)化管理措施降低升溫對(duì)馬鈴薯的負(fù)效應(yīng)，如調(diào)整播期[9]、選育耐高溫品種[18]和合理灌溉[19]等適應(yīng)措施。

定量揭示全球升溫背景下馬鈴薯水分利用的變化，對(duì)制定適宜的灌溉方案具有重要意義[37-38]。本研究表明，全球升溫1.5 ℃導(dǎo)致北方一作區(qū)和中原二作區(qū)雨養(yǎng)ET上升，南方冬作區(qū)和西南混作區(qū)下降，而灌溉ET僅在西南混作區(qū)下降。ET由土壤蒸發(fā)和植株蒸騰2部分組成，其中任何一部分變化都會(huì)使ET發(fā)生變化[39]。全球增溫1.5 ℃導(dǎo)致土壤蒸發(fā)量增加，并且，雨養(yǎng)條件下升溫促進(jìn)北方一作區(qū)和中原二作區(qū)馬鈴薯生長(zhǎng)，增加植株蒸騰量，因此北方一作區(qū)和中原二作區(qū)雨養(yǎng)馬鈴薯ET增加。升溫進(jìn)一步抑制了南方冬作區(qū)和西南混作區(qū)馬鈴薯的生長(zhǎng)，減少干物質(zhì)積累量，導(dǎo)致蒸騰量下降，并且降低的蒸騰量高于增加的土壤蒸發(fā)量，因此，南方冬作區(qū)和西南混作區(qū)雨養(yǎng)馬鈴薯ET降低。灌溉馬鈴薯ET在北方一作區(qū)、中原二作區(qū)和南方冬作區(qū)呈上升趨勢(shì)，在西南混作區(qū)呈下降趨勢(shì)，這主要是因?yàn)楣喔冗M(jìn)一步增加蒸騰量和土壤無(wú)效蒸發(fā)量，因此，全球升溫1.5 ℃情景下北方一作區(qū)、中原二作區(qū)和南方冬作區(qū)ET增加。西南混作區(qū)植株蒸騰的降低量高于土壤蒸發(fā)的增加量，因此ET下降（圖6）。全球升溫2.0 ℃情景下，雨養(yǎng)和灌溉馬鈴薯ET均在北方一作區(qū)、中原二作區(qū)和南方冬作區(qū)呈上升趨勢(shì)，在西南混作區(qū)呈下降趨勢(shì)，這主要是因?yàn)槿蛏郎?.0 ℃情景下，土壤蒸發(fā)量繼續(xù)升高，并且由于CO2濃度的升高（相比于基準(zhǔn)期增加27.10%）和降水量的增加，蒸騰量也增加，因此，北方一作區(qū)、中原二作區(qū)和南方冬作區(qū)ET增加，而西南混作區(qū)馬鈴薯蒸騰下降量高于土壤蒸發(fā)增加量，因此該地區(qū)ET下降（圖6）。綜上，全球升溫導(dǎo)致馬鈴薯生育期內(nèi)土壤無(wú)效蒸發(fā)增加，未來(lái)升溫情景下各種植區(qū)應(yīng)進(jìn)一步應(yīng)用覆膜、秸稈覆蓋和合理密植[11]等方式降低土壤無(wú)效蒸發(fā)量。

作物產(chǎn)量和生育期耗水量共同決定其水分利用效率[35]。前人研究表明，在不考慮CO2肥力效應(yīng)的條件下，氣候變化顯著降低馬鈴薯WUE[16]。本研究表明，全球升溫1.5 ℃情景下，中國(guó)4個(gè)種植區(qū)雨養(yǎng)和灌溉馬鈴薯WUE均呈下降趨勢(shì)。這主要是因?yàn)?，北方一作區(qū)和中原二作區(qū)雨養(yǎng)馬鈴薯產(chǎn)量上升幅度低于耗水量上升幅度，而南方冬作區(qū)和西南混作區(qū)產(chǎn)量下降幅度高于耗水量下降幅度，尤其灌溉條件下南方冬作區(qū)馬鈴薯耗水量呈上升趨勢(shì)，因此4個(gè)種植區(qū)馬鈴薯WUE均呈下降趨勢(shì)（表3和表4）。全球升溫2.0 ℃情景下，雨養(yǎng)馬鈴薯WUE在北方一作區(qū)呈上升趨勢(shì)，在其他3個(gè)種植區(qū)呈下降趨勢(shì)，灌溉馬鈴薯WUE在4個(gè)種植區(qū)均呈下降趨勢(shì)。這主要是因?yàn)?，雨養(yǎng)條件下，北方一作區(qū)馬鈴薯產(chǎn)量增加幅度高于耗水量增加幅度，因此北方一作區(qū)馬鈴薯WUE呈上升趨勢(shì)，雨養(yǎng)條件其他種植區(qū)和灌溉條件下4個(gè)種植區(qū)馬鈴薯WUE下降機(jī)理與全球升溫1.5 ℃情景相同?；谝陨涎芯拷Y(jié)果，未來(lái)升溫情景下提升不同種植區(qū)馬鈴薯水分利用效率，北方一作區(qū)和中原二作區(qū)應(yīng)優(yōu)化管理措施進(jìn)一步降低生育期內(nèi)耗水量（如降低土壤無(wú)效蒸發(fā)），而南方冬作區(qū)和西南混作區(qū)應(yīng)優(yōu)化管理措施進(jìn)一步提高馬鈴薯產(chǎn)量。

本研究基于未來(lái)氣候情景數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)APSIM-Potato模型，模擬分析了全球升溫1.5和2.0 ℃情景下雨養(yǎng)和灌溉馬鈴薯產(chǎn)量、ET和WUE的變化，研究結(jié)果為中國(guó)馬鈴薯生產(chǎn)適應(yīng)未來(lái)氣候變化提供重要的理論依據(jù)。當(dāng)前研究仍存在以下不足：1）本研究只選擇馬鈴薯單一種植模式，對(duì)輪作和套作等系統(tǒng)考慮較少，下一步應(yīng)考慮更多種植系統(tǒng)。2）馬鈴薯生長(zhǎng)對(duì)氮肥敏感，本研究中未充分考慮不同施氮水平下馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用的變化。3）本研究只模擬分析了全球氣候升溫對(duì)馬鈴薯生產(chǎn)的影響，未揭示適應(yīng)措施，下一步應(yīng)基于不同種植區(qū)的特點(diǎn)提出不同的適應(yīng)措施。4）本研究基于IPCC第五次評(píng)估報(bào)告提出的升溫?cái)?shù)值，下一步研究應(yīng)結(jié)合最新的IPCC評(píng)估報(bào)告開(kāi)展。

4 結(jié) 論

本研究基于土壤數(shù)據(jù)、田間管理數(shù)據(jù)和未來(lái)氣候情景數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)充分校正的APSIM-Potato模型，模擬分析了全球升溫1.5和2.0 ℃情景下馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用的變化。主要結(jié)論如下：

1）升溫1.5 ℃情景下，雨養(yǎng)和灌溉馬鈴薯產(chǎn)量在北方一作區(qū)和中原二作區(qū)呈增加趨勢(shì)，在南方冬作區(qū)和西南混作區(qū)呈下降趨勢(shì)。升溫2.0 ℃情景下，雨養(yǎng)和灌溉馬鈴薯產(chǎn)量在北方一作區(qū)、中原二作區(qū)和南方冬作區(qū)呈上升趨勢(shì)，在西南混作區(qū)呈下降趨勢(shì)。

2）升溫1.5 ℃情景下，雨養(yǎng)和灌溉馬鈴薯蒸散量（ET）在北方一作區(qū)和中原二作區(qū)呈增加趨勢(shì)，在南方冬作區(qū)和西南混作區(qū)呈下降趨勢(shì)。升溫2.0 ℃情景下，雨養(yǎng)和灌溉馬鈴薯ET在北方一作區(qū)、中原二作區(qū)和南方冬作區(qū)呈上升趨勢(shì)，在西南混作區(qū)呈下降趨勢(shì)。

3）升溫1.5 ℃情景下，雨養(yǎng)和灌溉馬鈴薯WUE在不同種植區(qū)均呈下降趨勢(shì)；升溫2.0 ℃情景下，雨養(yǎng)馬鈴薯WUE僅在北方一作區(qū)呈上升趨勢(shì)，其他種植區(qū)呈下降趨勢(shì)，灌溉馬鈴薯WUE在不同種植區(qū)均呈下降趨勢(shì)。

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Variations of potato yield and water use efficiency in China under future global warming scenarios

TANG Jianzhao1, BAI Huizi1, ZHENG Yandong2, ZHOU Haitao3, ZHANG Xinjun3, LIU Jianfeng1, GUO Fenghua1, WANG Rende1, XIAO Dengpan4,WANG Jing5※

(1.,,,050011,; 2.,050031; 3.,075000,; 4.,,050024,; 5.,100193)

Rising temperature and varying precipitation have posed huge challenges to the potato production in the world. Revealing changes of potato yield and water use efficiency (WUE) under 1.5 and 2.0 ℃ global warming, has significance for food security in China. In this study, based on the different climate conditions and cropping systems found in China, we divided the entire potato planting area across China into four zones, i.e., the north single cropping system zone, the central double cropping system zone, the south winter cropping system zone and the southwest mixed cropping system zone. Then, the 1.5℃ and 2.0 ℃ warming scenarios were generated based on the baseline period of 1986-2005, and the two warming scenarios were anticipated during 2016-2035 and 2028-2047. 7 typical potato cultivars were selected for whole potato planting area in China. APSIM-Potato model (version 7.6) was used in this study. To assess the impacts of global warming on potato water use, APSIM-Potato was drive by daily climate data under three climate scenarios of baseline, 1.5 ℃ and 2.0 ℃ warming under rainfed and irrigated treatment. Results showed that: Rainfed potato yield, evapotranspiration (ET) and WUE were 0.05-52.40 t/hm2, 7-454 mm and 3-193 kg/(mm·hm2), respectively during the baseline period (1986-2005). Compared with base line period, under 1.5 ℃ global warming scenario, rainfed potato yield increased by 1.46% and 1.93% in north single and central double cropping system, and the ET increased by 3.14% and 2.93% in the two regions, in south winter and southwest mixture cropping systems, the yield decreased by 4.51% and 12.74%, and ET decreased by 2.23% and 8.44% in the two regions. WUE decreased by 0.10%-6.64% in the four potato planting regions across China. Under 2.0 ℃ global warming scenario, potato yield increased by 15.48%, 1.54% and 3.27% in the north single, central double and south winter cropping systems, and the ET increased by 12.12%, 4.63% and 4.19% in the three regions, while the yield and ET decreased by 8.82% and 8.29% in southwest mixture cropping systems. WUE increased by 9.76% in north single cropping system, while decreased by 0.57%-3.25% in other three regions. Irrigated potato yield, ET and WUE were 6.80-59.60 t/hm2, 151-631 mm and 7.90-163.60 kg/(mm·hm2), respectively during the baseline period. Under 1.5 ℃ global warming scenario, potato yield increased by 3.60% and 3.00% in north single and central double cropping systems, while decreased by 1.12% and 11.79% in south winter and southwest mixture cropping systems. ET increased by 4.63%, 3.99% and 2.14% in north single, central double and south winter cropping systems, while decreased by 4.87% in southwest mixture cropping systems. WUE decreased by 0.74%-11.44% in the four potato planting regions across China. Under 2.0℃ global warming scenario, the yield increased by 5.63%, 6.82% and 6.46%, respectively in north single, central double and south winter cropping systems, and the ET increased by 11.94%, 8.58% and 7.12%, respectively in the three regions, potato yield and ET decreased by 8.56% and 5.31% in southwest mixture cropping systems. WUE decreased by 1.12%-6.69% in the four planting regions across China. This study showed that future global warming would have positive impacts on potato yield in north single and central double cropping system, while decrease the yield in south winter and southwest mixture cropping systems. This study can provide a theoretical guidance for potato production to adapt to future climate change in China.

climate change; yield; evapotranspiration; potato; APSIM-Potato

2022-07-29

2022-12-26

河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（C2021302004）

唐建昭，博士，副研究員，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模擬。Email：tjzcau@163.com

王靖，博士，教授，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模擬與氣候變化影響評(píng)估。Email：wangj@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.202207276

S162.3

A

1002-6819(2023)-07-0157-10

唐建昭，柏會(huì)子，鄭艷東，等. 未來(lái)升溫情景下中國(guó)馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率變化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2023，39(7)：157-166. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202207276 http://www.tcsae.org

TANG Jianzhao, BAI Huizi, ZHENG Yandong, et al. Variations of potato yield and water use efficiency in China under future global warming scenarios[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(7): 157-166. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202207276 http://www.tcsae.org