未來升溫情景下中國馬鈴薯產量和水分利用效率變化

唐建昭，柏會子，鄭艷東，周海濤，張新軍，劉劍鋒，郭風華，王仁德，肖登攀，王 靖

未來升溫情景下中國馬鈴薯產量和水分利用效率變化

唐建昭1，柏會子1，鄭艷東2，周海濤3，張新軍3，劉劍鋒1，郭風華1，王仁德1，肖登攀4，王 靖5※

（1. 河北省科學院地理科學研究所/河北省地理信息開發應用技術創新中心，石家莊 050011；2. 河北省國土整治中心，石家莊 050031；3. 張家口市農業科學院，張家口 075000；4. 河北師范大學地理科學學院，石家莊 050024；5. 中國農業大學資源與環境學院，北京 100193）

升溫和降水變化對全球馬鈴薯生產構成巨大挑戰。揭示未來升溫1.5 和2.0 ℃情景下中國不同種植區馬鈴薯產量和水分利用的變化，對保障中國糧食安全具有重要意義。該研究基于中國不同地區的氣候條件和種植制度，將全國馬鈴薯種植區劃分為北方一作區、中原二作區、南方冬作區和西南混作區。進而，基于未來全球氣溫與基準期（1986－2005）的差值，推算得出全球升溫達到1.5和2.0 ℃的時段分別為2016－2035年和2028－2047年。在全國馬鈴薯種植區共選擇7個馬鈴薯典型品種。該研究基于氣候模式通過降尺度獲取的未來氣象數據，驅動充分校正的APSIM-Potato模型，模擬分析未來升溫1.5 ℃（2016－2035年）和2.0 ℃（2028－2047年）情景下中國不同種植區雨養和灌溉（基于土壤水分虧缺模型啟動自動灌溉）馬鈴薯產量和水分利用的變化。結果表明：基準期（1986－2005年），雨養馬鈴薯產量、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)，與基準期相比，升溫1.5 ℃情景下，北方一作區和中原二作區馬鈴薯產量和ET呈增加趨勢，產量分別增加1.46%和1.93%，ET分別增加3.14%和2.93%；南方冬作區和西南混作區產量和ET呈下降趨勢，產量分別下降4.51%和12.74%，ET分別下降2.23%和8.44%；4個種植區馬鈴薯WUE均呈下降趨勢。升溫2.0 ℃情景下，北方一作區、中原二作區和南方冬作區馬鈴薯產量和ET均呈增加趨勢，產量分別增加15.48%、1.54%和3.27%，ET分別增加12.12%、4.63%和4.19%，西南混作區產量和ET分別降低8.82%和8.29%；北方一作區馬鈴薯WUE呈增加趨勢，其他3個區下降0.57%～3.25%?；鶞势冢?986－2005年），灌溉馬鈴薯產量、ET和WUE分別為6.80～59.60 t/hm2、151～631 mm和7.90～163.60 kg/(mm·hm2)，與基準期相比，升溫1.5℃情景下，北方一作區和中原二作區產量呈增加趨勢，分別增加3.60%和3.00%，南方冬作區和西南混作區分別下降1.12%和11.79%；ET在北方一作區、中原二作區和西南混作區呈增加趨勢，分別增加4.63%、3.99%和2.14%，在西南混作區下降4.87%；4個種植區馬鈴薯WUE均呈下降趨勢。升溫2.0 ℃情景下，北方一作區、中原二作區和南方冬作區產和ET均呈增加趨勢，產量分別增加5.63%、6.82%和6.46%，ET分別增加11.94%、8.58%和7.12%，馬鈴薯西南混作區產量和ET分別下降8.56%和5.31%；4個種植區WUE均呈下降趨勢。研究結果表明未來升溫使北方一作區和中原二作區雨養和灌溉馬鈴薯增產，而導致南方冬作區和西南混作區減產。該研究可為中國馬鈴薯生產適應未來氣候變化提供理論指導。

氣候變化；產量；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革命之前（1850－1900年）已上升0.61 ℃[1]。氣候變暖已對農業生產和水資源利用等產生重要影響，并且持續升溫會產生進一步影響[2-3]。為降低氣候變化引起的風險和影響，《聯合國氣候變化框架公約》（United Nations Framework Convention on Climate Change，UNFCCC）近200個締約方一致同意通過《巴黎協定》，將全球平均地表溫度較工業前水平升高控制在2.0 ℃之內，并為控制在1.5 ℃內努力[4]。中國水資源短缺，人均水資源占有量僅為全球平均水平的四分之一[5]，農業用水的比例更是由1949年的97.10%下降到2011年的61.30%[6]。未來升溫將進一步增加農業用水的供需矛盾，因此，揭示未來升溫情景下農作物水分利用的變化對保證農業水資源的可持續利用具有重要意義。

馬鈴薯是全球第四大口糧作物，其總產量僅次于玉米、水稻和小麥[7-8]。中國是馬鈴薯主產國，中國馬鈴薯總產和播種面積在全球的占比均超過四分之一[9]。中國馬鈴薯種包括4個植區，分別為北方一作區、中原二作區、南方冬作區和西南混作區[10]。然而，由于氣候和管理措施的差異，不同種植區馬鈴薯產量變異較高，收獲的單產在4～33 t/hm2之間[11]。馬鈴薯是喜涼作物，并且對水分變化敏感，過去幾十年以升溫為主的氣候變化顯著影響馬鈴薯生產[12]。前人研究指出氣候變暖導致馬鈴薯生育期內氣候適宜度、生產潛力和單產水平降低[13-15]。氣候變暖伴隨降水減少導致馬鈴薯水分利用效率顯著降低，并且氣候變化背景下導致馬鈴薯水分利用效率變化的不確定性因素增加[16]。

未來升溫1.5和2.0 ℃對中國農作物生產的影響研究主要集中在小麥[25]、玉米[26]和水稻[27]上，而對中國4個種植區馬鈴薯的產量、蒸散量和水分利用效率的影響鮮有研究。揭示未來升溫對中國不同種植區馬鈴薯產量和水分利用的影響，對精準制定馬鈴薯生產適應未來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降尺度獲取的未來氣象數據，驅動APSIM-Potato模型，模擬分析未來升溫1.5和2.0 ℃對中國不同種植區馬鈴薯產量和水分利用的影響，以期為中國不同種植區馬鈴薯生產適應未來氣候變化提供指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

馬鈴薯與水稻、小麥和玉米共同成為中國協調發展的四大主要糧食作物。基于不同地區的氣候特點、地貌地形和馬鈴薯種植時間及收獲時間，中國馬鈴薯的主要種植區被劃分為北方一作區、中原二作區、南方冬作區和西南混作區[28]。本研究基于國家統計局馬鈴薯種植數據和未來氣候情景數據，在中國四大馬鈴薯主產區共選取123個站點作為研究區（圖1），具體包括北方一作區70個，中原二作區25個，南方冬作區10個，西南混作區18個。

1.2 氣候數據

歷史（1981－2017年）氣候觀測資料來自中國地面氣候資料數據集，包括日尺度的最高和最低溫度、降水量和日照時數。其中，日照時數用于計算輻射，計算方法為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個站點劃分到北方一作區。

未來氣候情景數據包括日尺度輻射、溫度和降水數據，來自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的氣候變化[29-31]。全球氣候模式數據為月尺度的格點數據，通過空間降尺度和時間降尺度2個步驟將月尺度的格點數據轉化為站點尺度的逐日數據，氣象數據空間降尺度和時間降尺度的具體步驟和方法詳見文獻[32]。

全球升溫1.5和2.0 ℃出現的時間基于CMIP6驅動全球氣候模式的模擬結果確定。本研究選取氣溫的20 a滑動平均值確定升溫幅度[4]：首先，基于氣候模式模擬的未來全球氣溫與基準期（1986－2005）的差值，加上0.61 ℃（基準期相對于工業革命前平均增溫0.61 ℃[1]），得到逐年全球升溫。然后，對計算出的逐年升溫幅度進行20 a滑動平均，找到升溫達到1.5和2.0 ℃的年份，前后各推10 a。基于BCC全球氣候模式，相對于基準期升溫1.5和2.0 ℃的時間段分別為2016－2035年和2028－2047年。

1.3 APSIM-Potato模型介紹及試驗數據

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、土壤有機質模塊和管理模塊。模型基于輻射、溫度、光周期、土壤水和氮肥，以日為步長，模擬馬鈴薯的生長發育、干物質積累和產量形成等。基于已發表的文獻數據[10]，本研究在不同種植區共選擇7個典型品種，北方一作區包括康尼貝科、克新一號和費烏瑞它；中原二作區包括興佳-2號、大西洋和費烏瑞它；南方冬作區包括興佳-2號、大西洋和費烏瑞它；西南混作區包括麗薯-6號、青薯-9號和費烏瑞它。

1.4 模型模擬設置

APSIM-Potato模型中的土壤參數來自中國土壤數據庫（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分含量等理化數據。

由表1可見,在治療前,兩組VAS評分比較差異無統計學意義(P>0.05),組間具有可比性,治療后,兩組組內治療前后VAS評分比較差異具有統計學意義(P<0.01),說明兩種方法均能減輕患者的疼痛;兩組VAS評分組間比較,差異具有統計學意義(P<0.05),且針刀組治療后VAS評分減少的更多,說明針刀松解術在改善KOA疼痛方面效果更好。

模型調參和驗證所用的方法為“試錯法”。北方一作區模型調參和驗證均基于武川站試驗數據。中原二作區模型調參基于欽州站試驗數據，驗證基于金華站馬鈴薯試驗數據。南方冬作區模型調參和驗證基于九江站試驗數據。西南混作區模型調參基于江川站試驗數據，驗證基于新平站試驗數據。經過驗證的7個品種的參數見表1[10]。

前期研究表明：APSIM-Potato模型可以較為準確地模擬中國不同馬鈴薯種植區各品種的生育期和產量（圖2）。調參和驗證結果顯示馬鈴薯播種-出苗期的模擬值和觀測值的相對均方根誤差（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值的RRMSE為13.50%（圖2b）；薯塊形成-成熟期的模擬值和觀測值的RRMSE為7.90%（圖2c）。馬鈴薯模擬產量和實測產量的RRMSE為17.1%（圖2d）。

表1 7個馬鈴薯品種在APSIM-Potato模型中的參數設置

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

模型設置中，雨養和灌溉馬鈴薯播種密度相同，北方一作區、中原二作區、南方冬作區和西南混作區馬鈴薯種植密度分別為50 000、65 000、70 000和50 000株/hm2，播期選擇當地的常規播期?；谕寥浪痔澣绷浚ㄌ镩g持水量和當前土壤水分的差值）制定灌溉方案，當100 cm土層深度的土壤水分虧缺量大于30 mm時，模型啟用自動灌溉。為保證馬鈴薯生長不受氮肥脅迫，模型啟用自動施肥功能。長時間序列模擬中，北方一作區為連續模擬。其他3個種植區考慮到輪作影響，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，1981－2100年的逐年CO2濃度基于式（1）進行計算[33]：

式中C為年份的CO2濃度，為1981–2100年所對應的年份。

1.5 未來升溫1.5和2.0 ℃對馬鈴薯水分利用的影響評估

升溫1.5 ℃和2.0 ℃對馬鈴薯產量、蒸散量和水分利用效率的影響采用式（2）～（6）進行計算：

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）分別代表基準期、升溫1.5或2.0 ℃情景下馬鈴薯產量、蒸散量和水分利用效率。蒸騰量根據模擬的馬鈴薯生育期內蒸騰量（transpiration，E）與土壤蒸發量（evaporation，E）求和。水分利用效率為馬鈴薯鮮薯產量和蒸散量的比值。

2 結果與分析

2.1 基準期、升溫1.5和2.0 ℃情景下馬鈴薯生長季內平均溫度和降水

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

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

2.2 未來升溫1.5和2.0 ℃情景下雨養馬鈴薯產量、ET和WUE的變化

基準期（1986－2005年），雨養馬鈴薯產量、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）。中原二作區產量最高（31.00 t/hm2），南方冬作區最低（22.80 t/hm2）。ET和WUE均是中原二作區最高，南方冬作區最低（表2）。與基準期相比，升溫1.5 ℃情景下，不同種植區產量、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）。北方一作區和中原二作區產量分別增加1.46%和1.93%，南方冬作區和西南混作區分別下降4.51%和12.74%。北方一作區和中原二作區ET分別增加3.14%和2.93%，南方冬作區和西南混作區分別下降2.23%和8.44%（表2）。不同種植區WUE均呈下降趨勢，其中西南混作區下降幅度最大（6.64%），中原二作區下降幅度最小（0.10%）（表2）。升溫2.0 ℃情景下，不同種植區產量、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、中原二作區和南方冬作區產量分別增加15.48%、1.54%和3.27%，西南混作區降低8.82%。北方一作區、中原二作區和南方冬作區ET分別增加12.12%、4.63%和4.19%，西南混作區降低8.29%。北方一作區WUE增加9.76%，中原二作區、南方冬作區和西南混作區分別下降2.78%、0.57%和3.25%（表2）。

2.3 未來升溫1.5和2.0 ℃情景下灌溉馬鈴薯產量、ET和WUE的變化

基準期（1986－2005年），灌溉馬鈴薯產量、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）。北方一作區產量最高（42 t/hm2），南方冬作區最低（23 t/hm2）。北方一作區ET最高，南方冬作區最低。南方冬作區WUE最高，為122.50 kg/(mm·hm2)，西南混作區最低，為79.10 kg/(mm·hm2)（表3）。升溫1.5 ℃情景下，不同種植區產量、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）。北方一作區和中原二作區產量分別增加3.60%和3.00%，南方冬作區和西南混作區分別下降1.12%和11.79%。北方一作區、中原二作區和南方冬作區生育期ET分別增加4.63%、3.99%和2.14%，西南混作區下降4.87%。不同種植區WUE均呈下降趨勢，北方一作區、中原二作區、南方冬作區和西南混作區分別降低1.16%、0.74%、3.32%和11.44%（表3）。升溫2.0 ℃情景下，不同種植區產量、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、中原二作區和南方冬作區產量分別增加5.63%、6.82%和6.46%，西南混作區下降8.56%。北方一作區、中原二作區和南方冬作區生育期ET分別增加11.94%、8.58%和7.12%，西南混作區下降5.31%。不同種植區WUE均呈下降趨勢，北方一作區、中原二作區、南方冬作區和西南混作區分別下降2.34%、1.27%、1.12%和6.69%（表3）。

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

基準期（1986－2005年），北方一作區、中原二作區、南方冬作區和西南混作區雨養馬鈴薯生育期蒸騰量（E）分別為137、176、82和108 mm（圖6a）；雨養馬鈴薯生育期土壤蒸發量（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E在北方一作區和中原二作區分別增加16.90%和7.30%，南方冬作區和西南混作區分別下降16.30%和15.90%（圖6a）；雨養E在北方一作區增加最多（23.90%），西南混作區增加最少（1.90%）（圖6b）；灌溉E在北方一作區、中原二作區和南方冬作區分別增加9.60%、4.40%和4.90%，西南混作區下降13.60%（圖6c）；灌溉E在中原二作區增加最多（18.80%），南方冬作區增加最少（7.40%）（圖6d）。升溫2.0 ℃情景下，雨養E在北方一作區、中原二作區和南方冬作區分別增加14.50%、11.30%和10.40%，西南混作區下降14.30%（圖6a）；雨養E在北方一作區增加最多（25.60%），中原二作區增加最少（8.90%）（圖6b）；灌溉E在北方一作區、中原二作區和南方冬作區分別增加15.40%、13.60%和10.60%，西南混作區下降18.20%（圖6c）；灌溉E在中原二作區增加最多（22.10%），西南混作區增加最少（6.60%）（圖6b）。

圖4 中國雨養馬鈴薯基準期產量、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 中國不同區域雨養馬鈴薯基準期平均產量、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分別為基準期產量、ET 和WUE; Δ1.5℃和Δ2.0℃分別為相應指標的變化率。

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 中國灌溉馬鈴薯基準期產量、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 中國不同區域灌溉馬鈴薯基準期平均產量、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 基準期、升溫1.5 ℃和2.0 ℃情景下雨養和灌溉馬鈴薯生育期內蒸騰量和土壤蒸發量

3 討 論

全球變暖顯著影響作物產量和水分利用[34-35]。本研究表明全球升溫1.5 ℃情景下，北方一作區和中原二作區馬鈴薯產量上升，南方冬作區和西南混作區下降。一方面，氣候變暖加速馬鈴薯生長速率，縮短生育期長度[19,24]。另一方面，當基準期溫度低于馬鈴薯最適溫度時，在一定范圍內升溫對馬鈴薯產生正面影響，然而，當高于最適溫度時，升溫將產生負面影響[9]。相關研究表明，馬鈴薯生長的最適溫度為18 ℃[36]。北方一作區和中原二作區基準期生長季平均溫度低于馬鈴薯最適溫度，升溫使生育期內溫度更接近最適溫度，并且伴隨CO2濃度上升和降水量增加，因此北方一作區和中原二作區馬鈴薯產量在全球升溫1.5 ℃情景下呈上升趨勢（圖3）。南方冬作區和西南混作區基準期生長季平均溫度高于最適溫度，未來升溫導致這兩個地區產量下降。全球升溫2.0 ℃情景下，北方一作區、中原二作區和南方冬作區產量呈上升趨勢，這主要是因為CO2施肥作用（相比于基準期增加27.10%）和降水增加對增產的正效應高于溫度升高產生的負效應（圖3）。因此，未來氣候變化情景下，南方冬作區和西南混作區應通過優化管理措施降低升溫對馬鈴薯的負效應，如調整播期[9]、選育耐高溫品種[18]和合理灌溉[19]等適應措施。

定量揭示全球升溫背景下馬鈴薯水分利用的變化，對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 ℃導致北方一作區和中原二作區雨養ET上升，南方冬作區和西南混作區下降，而灌溉ET僅在西南混作區下降。ET由土壤蒸發和植株蒸騰2部分組成，其中任何一部分變化都會使ET發生變化[39]。全球增溫1.5 ℃導致土壤蒸發量增加，并且，雨養條件下升溫促進北方一作區和中原二作區馬鈴薯生長，增加植株蒸騰量，因此北方一作區和中原二作區雨養馬鈴薯ET增加。升溫進一步抑制了南方冬作區和西南混作區馬鈴薯的生長，減少干物質積累量，導致蒸騰量下降，并且降低的蒸騰量高于增加的土壤蒸發量，因此，南方冬作區和西南混作區雨養馬鈴薯ET降低。灌溉馬鈴薯ET在北方一作區、中原二作區和南方冬作區呈上升趨勢，在西南混作區呈下降趨勢，這主要是因為灌溉進一步增加蒸騰量和土壤無效蒸發量，因此，全球升溫1.5 ℃情景下北方一作區、中原二作區和南方冬作區ET增加。西南混作區植株蒸騰的降低量高于土壤蒸發的增加量，因此ET下降（圖6）。全球升溫2.0 ℃情景下，雨養和灌溉馬鈴薯ET均在北方一作區、中原二作區和南方冬作區呈上升趨勢，在西南混作區呈下降趨勢，這主要是因為全球升溫2.0 ℃情景下，土壤蒸發量繼續升高，并且由于CO2濃度的升高（相比于基準期增加27.10%）和降水量的增加，蒸騰量也增加，因此，北方一作區、中原二作區和南方冬作區ET增加，而西南混作區馬鈴薯蒸騰下降量高于土壤蒸發增加量，因此該地區ET下降（圖6）。綜上，全球升溫導致馬鈴薯生育期內土壤無效蒸發增加，未來升溫情景下各種植區應進一步應用覆膜、秸稈覆蓋和合理密植[11]等方式降低土壤無效蒸發量。

作物產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4個種植區雨養和灌溉馬鈴薯WUE均呈下降趨勢。這主要是因為，北方一作區和中原二作區雨養馬鈴薯產量上升幅度低于耗水量上升幅度，而南方冬作區和西南混作區產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馬鈴薯耗水量呈上升趨勢，因此4個種植區馬鈴薯WUE均呈下降趨勢（表3和表4）。全球升溫2.0 ℃情景下，雨養馬鈴薯WUE在北方一作區呈上升趨勢，在其他3個種植區呈下降趨勢，灌溉馬鈴薯WUE在4個種植區均呈下降趨勢。這主要是因為，雨養條件下，北方一作區馬鈴薯產量增加幅度高于耗水量增加幅度，因此北方一作區馬鈴薯WUE呈上升趨勢，雨養條件其他種植區和灌溉條件下4個種植區馬鈴薯WUE下降機理與全球升溫1.5 ℃情景相同?；谝陨涎芯拷Y果，未來升溫情景下提升不同種植區馬鈴薯水分利用效率，北方一作區和中原二作區應優化管理措施進一步降低生育期內耗水量（如降低土壤無效蒸發），而南方冬作區和西南混作區應優化管理措施進一步提高馬鈴薯產量。

本研究基于未來氣候情景數據，驅動APSIM-Potato模型，模擬分析了全球升溫1.5和2.0 ℃情景下雨養和灌溉馬鈴薯產量、ET和WUE的變化，研究結果為中國馬鈴薯生產適應未來氣候變化提供重要的理論依據。當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，對輪作和套作等系統考慮較少，下一步應考慮更多種植系統。2）馬鈴薯生長對氮肥敏感，本研究中未充分考慮不同施氮水平下馬鈴薯產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馬鈴薯生產的影響，未揭示適應措施，下一步應基于不同種植區的特點提出不同的適應措施。4）本研究基于IPCC第五次評估報告提出的升溫數值，下一步研究應結合最新的IPCC評估報告開展。

4 結 論

本研究基于土壤數據、田間管理數據和未來氣候情景數據驅動充分校正的APSIM-Potato模型，模擬分析了全球升溫1.5和2.0 ℃情景下馬鈴薯產量和水分利用的變化。主要結論如下：

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

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

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

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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

河北省自然科學基金項目（C2021302004）

唐建昭，博士，副研究員，研究方向為農業生產系統模擬。Email：tjzcau@163.com

王靖，博士，教授，研究方向為農業生產系統模擬與氣候變化影響評估。Email：wangj@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.202207276

S162.3

A

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

唐建昭，柏會子，鄭艷東，等. 未來升溫情景下中國馬鈴薯產量和水分利用效率變化[J]. 農業工程學報，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