氣候變化下灌溉對旱地小麥產量的影響

氣候變化下灌溉對旱地小麥產量的影響

曹 峰1，張 祎2

(1.中國地質環境監測院,北京 100081；2.中國氣象科學研究院,北京 100081)

摘要[目的]探討氣候變化下灌溉措施對旱地小麥產量增加的可能性。[方法]應用ECHAM和HadCM3氣候模式輸出的A1B情景數據驅動機理模型APSIM，通過概率預測的形式，研究了氣候變化和增加拔節期灌溉對旱區雨養小麥產量的影響。[結果]未來氣候變暖使得雨養小麥產量降低7%～16%，而增加拔節期灌溉可以有效減緩溫度增加引起的負面作用，使得2011～2030年小麥產量顯著增加，2031～2050年小麥產量可以保持當前的生產水平。[結論]該研究為制定氣候變化下有效的農業應對措施提供了理論基礎。

關鍵詞氣候變化；灌溉；旱地小麥；產量；影響

中圖分類號S162.5+3

作者簡介曹峰(1984-)，男，陜西彬縣人，工程師，碩士，從事水土地質環境與區域環境地質綜合研究。

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不爭的事實[1]。農業作為受氣候變化影響最為敏感和脆弱的產業之一，大量研究已經表明未來氣候變化對我國農業的影響以不利影響為主[2-4]。小麥作為我國的主要糧食作物，它的穩定發展對于我國糧食安全有重大意義。因此，在全球變暖的背景下，小麥生產受到了廣泛的關注。多數研究表明未來氣候變暖使得灌溉小麥和雨養小麥的產量均有所降低[5-7]，通過調整播種期、品種等栽培措施可以有效減緩或補償氣候變暖的負面作用[8-10]。基于水資源短缺的現狀，“虧缺灌溉”和“限量灌溉”等節水灌溉措施發展起來。大量的田間試驗研究表明播前灌溉、播前和拔節期灌溉是當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旱地雨養小麥影響的研究鮮有報道。對于旱地小麥而言，當前很多旱地地區不具備灌溉條件，但隨著科技的不斷進步、南水北調工程等的開展，使得將來旱地地區具有一定的灌溉條件成為可能。在全球增溫的負面影響下，增加灌溉是否可以保證旱地小麥穩產增產。此外，氣候情景變化存在較大不確定性，會導致模擬結果產生更大的不確定性，最終影響結果的可靠性。針對上述問題，該研究采用ECHAM/MPI-OM和HadCM3 2個氣候模式輸出的A1B情景結合APSIM作物生長模型，采用概率預測的方法，模擬研究未來氣候變化對旱地小麥產量的影響，探討增加拔節期灌溉對小麥產量的貢獻。

1 材料與方法

1.1 數據來源氣候情景數據來源于德國漢堡馬普氣象研究所提供的ECHAM/MPI-OM和英國哈德來中心HadCM3 2個不同的全球模式，在IPCC SRES A1B溫室氣體排放情景下模擬生成的未來氣候時段(2011～2030、2031～2050年)以及基準氣候時段(1981～2000年)逐日格點數據(分辨率0. 5°×0.5°)。用于驗證APSIM模型適用性的作物和土壤數據來自山西省土壤墑情監測芮城縣雨養冬小麥監測點，監測周期為2012～2014年度，作物數據包括小麥開花期和成熟期、產量和栽培管理資料。土壤數據包括理化性質容重、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定的0～20、20～40 cm土壤含水量。氣象數據來源于中國氣象局，包括日最高溫度、最低溫度、日照時數和降雨量。

1.2數據處理

1.2.1作物模型校驗。澳大利亞的農業生產系統模擬模型APSIM廣泛應用于評價農作物生長受氣候波動和環境變化的影響等方面[14-15]。該研究應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。應用2012年數據，采用“試錯法”，使模型模擬的開花期、成熟期、產量等能夠最大程度地接近觀測值，從而確定品種的遺傳參數，包括春化作用系數(3.4)、光周期系數(3.0)、灌漿到成熟積溫(500 ℃·d)、灌漿期單位單莖干重籽粒數[25粒/(g·莖)]、潛在灌漿速率[0.002 5 g/(粒·d)]、每葉片發育所需熱時(85 ℃·d)。應用芮城兩年試驗數據對參數化的模型進行驗證。選擇以下統計指標對模型的模擬能力進行評價，包括模擬值與實測值擬合方程y=ɑx的決定系數r2，反映了模型模擬值相對于實測值的真正偏差；斜率ɑ，反映了模型整體高估或低估實測值的程度；均方根誤差RMSE，反應了模型模擬值相對實測值的絕對誤差。

1.2.2模擬試驗設置。采用驗證后的APSIM模型與氣候變化情景數據相結合，模擬分析不同灌溉水平對小麥產量的影響。模型模擬，在保證小麥出苗設置播種期土壤含水量為田間持水量75%前提下，保持了現階段的播種日期、施肥水平的處理方式。在此基礎上，建立2個模擬試驗。試驗一設計方案為無灌溉處理，僅考慮未來氣候因素帶來的產量差異；試驗二設計方案為拔節期灌溉處理，模擬分析氣候變化下限量灌溉對小麥產量的影響。凈灌溉量為50 mm。

1.2.3 不確定性分析。考慮到氣候變化中應用不同氣候模式的可能影響，研究使用未來模式下玉米產量相對于基準情景變化的概率密度(PDFs)和累積概率分布函數(CDFs)進行不確定性分析。

2 結果與分析

2.1APSIM模型的適應性從APSIM模型生育期、產量和土壤水分的驗證結果(表1)可看出，各項的模擬值和觀測值基本吻合。決定系數r2均大于0.75，ɑ接近1.0，由此可見模擬數據和實測數據基本落在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值的誤差較小，具有較好的一致性。各生育期間的RMSE均表現隨著生育進程的增加誤差增大，這主要是由于模型模擬的生育進程主要取決于之前生育進程的累積，而生育進程的模擬誤差也會影響產量的模擬誤差。此外，考慮到觀測過程中的可能誤差，如土壤參數的不精確導致的測量誤差的增加、取樣的不均勻等，整體上認為APSIM模型對該站點的小麥生長和土壤水分動態具有較好的模擬能力。

表1　APSIM模型模擬開花期、成熟期、產量和土壤水分檢驗效果

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

表2氣候變化下雨養小麥產量相對基準時段、平均產量、標準偏差及累積概率分布5%、50%、95%產量變化

2.3氣候變化下拔節期灌溉對小麥產量的影響模擬試驗一表明，未來氣候變化下雨養小麥產量呈現降低趨勢。鑒于此，筆者分析了氣候變化下增加拔節期灌溉對小麥產量的影響表現，結果顯示，2011～2030年拔節期灌溉的小麥產量相對基準時段旱地小麥產量變化的概率密度中心位置向右偏移(圖2)，正面積較大，表明未來拔節期灌溉使得小麥產量增加的可能性大于減產的可能性；小麥產量增加的累積概率高于70%，平均產量增加約12%(表3)。然而，隨著溫度的不斷增加，2031～2050年灌溉帶來的增產基本被溫度的負面作用抵消，產量基本沒有變化(表3)。2031～2050年小麥增產可能性明顯小于2011～2030年，產量增加的累積概率僅為51%。整體上，拔節期的灌溉能夠有效減緩或補償氣候變暖對當前雨養小麥造成的減產。但2031～2050年隨著溫度的繼續增加，灌溉僅能維持當前雨養小麥的生產水平。

3 結論與討論

應用ECHAM/MPI-OM和HadCM3氣候模式輸出的A1B情景數據驅動機理模型APSIM，通過概率預測的形式，研究了氣候變化和增加拔節期灌溉對旱區雨養小麥產量的影響。結果表明，未來氣候變暖使得雨養小麥產量降低的概率約為63%～75%，平均降低7%～16%。而未來增加拔節期灌溉可以有效增加2011～2030年小麥產量，保持2031～2050年小麥產量穩定在當前的生產水平。

表3氣候變化下灌溉對小麥產量相對基準時段平均產量、標準偏差及累積概率分布5%、50%、95%產量變化

需要注意的是，在此僅應用了有限的單一氣候情景與作物模型結合對產量進行了模擬研究，多氣候情景與不同機理模型結合減少不確定性的研究需要在未來引起關注。

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