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1、 *“十 五” 国家 重点科 技攻 关项目 (2001-BA611B-02-02)资 助收稿 日期: 2004-12-27 改 回日 期: 2005-01-29气候变化下我国小麦产量变化区域模拟研究*熊 伟 居 辉 许吟隆 林而达(中国农业科学院农业环境和可持续发展研究所 北京 100081)摘 要 利用最新温室气体和 SO2排放方案 , 即政府间气候变化委员会(IPCC)排放情景特别报告(SRES)的 A2 和B2 方案 ,通过区域气候模式和区域作物模型模拟未来 2080s(20712100)我国小麦产量变化结果表明 , 2 种温室气体排放方案 2080s 我国雨养小麦均表现显著减产趋势 ,
2、灌溉可缓解小麦减产趋势 , 但不能阻止产量下降;若考虑CO2的直接肥效作用 ,雨养和灌溉小麦均表现明显增产趋势。关键词 气候变化 小麦 模拟Regional simulation of wheat yield in China under the climatic change conditions .XIONG Wei, JU Hui,XU Yin-Long,LIN Er-Da ( Institute of Agro-Environment and Sustainable Development, Chinese Academy of Agricultural Science,Beijing
3、 100081 , China) , CJEA ,2006 ,14(2) :164167Abstract In this research , we applied the newest emission scenarios of the sulfur and greenhouse gases, i .e .Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) Special Report on Emission Scenarios (SRES) A2 and B2 scenarios,combined with the RCM (Regional
4、Climate Model) model and CERES-Wheat model to investigate the change of wheatyield in 2080s . The results show that under the two emission scenarios, in 2080s, the yield of rainfed wheat decreasesdramatically; irrigation can offset the decrease, but can not stop it; the yield increases for both irri
5、gated wheat and rainfedwheat if the direct effect of CO2is considered in the simulation .Key words Climate change, Wheat , Simulation(Received Dec . 27 , 2004; revised Jan . 29 , 2005)小麦是我国重要的粮食作物之一, 在我国农业生产中占有相当比重, 冬麦产量约占我国小麦生产的90% 1 , 未来全球气候变暖趋势对我国小麦生产会产生重要影响。本研究利用最新温室气体和 SO2排放方案,即政府间气候变 化委员会 ( IP
6、CC)排 放情景特 别报告 (SRES) 的 A2 和 B2 方案, 运 用区 域气候 模式(PRECIS)和作物模式(CERES-Wheat)相连接, 模拟 2080s 2 种排放情景特别报告温室气体排放方案下我国雨养和灌溉小麦的产量变化趋势。1 研究方法1.1 区域气候模式简介与排放方案由于高分辨率网格点的区域气候模式(RCM)可很好地反映影响局地气候的地面特征量, 反映气候本身未来的变动规律,被认为是获取高分辨率局地气候变化信息的最好降尺度分析方法。本研究选用由英国Hadley中心最新开发的区域气候模型(PRECIS)进行不同 CO2排放方案的模拟。与以往研究所采用的全球气候模式(GCM
7、)相比 1 3 ,区域气候模式在模式验证、 时空分辨率、 对地形的表述以及模式的不确定性方面有显著的改善,比以往大气环流模式和随机天气发生器相嵌套方法更合理, 且模式在不同 CO2浓度趋动下,能模拟全球 5050km 网格的逐日最高气温、 最低气温、 降水量、 辐射等 20 余项气象指标, 模拟中考虑不同温室气体排放情景、 CO2对作物的直接肥效作用以及雨养和灌溉等,模拟结果相对客观。政府间气候变化委员会排放情景特别报告提出 A1、 A2、 B1 和 B2 4 个新的排放方案以更新 IS92 版本。4 个方案中考虑了与人口统计学、 未来经济发展状况以及引用技术有关的温室气体和 SO2的排放机制
8、。A1假定全球性合作,迅速使用高新技术, 全球人口趋于稳定;A2 反映区域性合作,对新技术适应较慢, 人口继续第 1 4卷 第 2 期中 国 生 态 农 业 学 报Vol .14 No .22 0 0 6 年 4 月Chinese Journal of Eco-AgricultureApril, 2006增长;B1 生态环境得到改善, 全球人口趋于稳定;B2 假定生态环境的改善具有区域性。本研究从 4 个方案中选取了更能真实反映温室气体与 SO2未来排放状况的 A2 和 B2 方案以探讨中国小麦产量的未来变化状况。1.2 CERES-Wheat 模式CERES-Wheat 模式是由美国密西根州
9、立大学和乔侄亚大学研制的被广泛运用的作物机理模型, 该模型以天为模拟步长,以植物生理学为基础, 可模拟作物品种特征、 耕作措施、 土壤水分及养分状况对作物生长发育和产量形成过程的影响。模型考虑了 CO2对光合作用、 水分利用率、 水分胁迫和 N 循环的影响。为验证模型在我国的适用性,本研究采用 19811998 年 11 个农业气象实验站点的实验资料对模型进行验证,观测项目包括作物发育期、 主要器官生物量、 产量及籽粒产量等。验证结果表明, 模型在产量和发育期上模拟值与观测值接近。对成熟时籽粒重量及其构成(千粒重、 每穗粒数)、 地上部和地下部生物量的模拟误差在15%内。在该模型基础上,本研究
10、编制了基于 Delphi 可视化界面、 可完成区域作物整合计算的区域作物模型。1.3 资料收集与数据库建立华北冬麦区、 黄淮冬麦区、 长江下游冬麦区、 西南冬麦区、 华南冬麦区、 东北春麦区、 北部春麦区、 西北春麦区、 青藏春麦区和新疆冬春麦区是我国小麦种植的 10 大区划区 4 。由于模拟工作量原因, 本研究在各区选择代表性品种和种植制度,以 5050km 网格为单元对各区小麦生产进行模拟。模型模拟所需资料有田间试验资料、 土壤资料和气象资料。田间试验资料包括田间管理措施(播种日期、 施肥、 灌水、 播种密度、 行距、 浓度)、 物候期观测(开花期、 成熟期、 收获期等)和产量构成要素,
11、这些测量资料主要用来确定品种遗传参数。土壤资料包括土壤整体性质(土壤质地、 分类、 坡度、 土壤剖面层数、 土壤渗漏性等)和土壤各层的理化性质(各层厚度、 土壤结构、 有机碳含量、 铝饱和度、 盐基交换率、 容重和 pH 值等)。由于进行区域模型, 在土壤数字化地图基础上,对土壤各定量属性值按面积进行加权平均, 最终形成全国 5050km 土壤理化属性数据库。气候资料 采用区 域气候 模式 模拟的 结果, 据模式 预测, 未 来 2080s A2 (2080s CO2浓 度为 721mg/ kg)和 B2 (2080s CO2浓度为 561mg/ kg) 两种温室气体排放方案下, 全国年均气温
12、将分别比目前上升3.9和 2.0, 主要增温地域集中在东北、 新疆北部、 青藏高原和我国中部地区, 冬季增温较夏季明显; 全国年降水量将分别比目前增加 12.6%和 10.23% , 华北和东北南部、 华南北部、 西北东北部降水有所增加,而长江一带、 东南和华南大部分地区降水将减少。区域气候模式模拟的 19611990 年的逐日最高气温、 最低气温、 降水量和辐射代表目前气候,2 种排放情景特别报告温室气体排放方案(A2 和 B2)下 20712100 年逐日最高气温、 最低气温、 降水量和辐射代表 2080s 未来气候输入作物模式。1.4 模拟过程小麦品种遗传参数通过实测田间试验资料和当地实
13、测逐日天气数据, 通过 DSSAT 模式中的遗传参数计算模块 GENCAL, 利用 “试错法” 来确定。由于研究手段和认识能力的限制, 尚不能考虑未来品种的发展趋势, 故研究中假定未来品种保护不变。将各网格(共 2622 个网格)当前、 未来两种气候变化情景(A2 和B2)逐日天气资料(目前情景 30 个样本年,两种温室气体排放方案下各 30 个样本年)输入 CERES-Wheat 模式,模拟出考虑和未考虑 CO2肥效作用、 雨养和灌溉条件 3 种气候情景下(目前情景和 A2、 B2 情景)各 30 个样本年的产量,考虑到天气的自然变异, 将各气候情景下 30 年样本的小麦产量排序, 计算出
14、90% 累积频率下的最高产量 Yi , j(即 90%的年份产量低于 Yi , j) , i 取 0、 1 和 2 分别代表目前、 A2 气候变化情景和 B2 气候变化情景, j 取 0、 1、 2 和 3 分别代表未考虑 CO2肥效作用、 考虑 CO2肥效作用、 雨养(不施加人工灌溉)和灌溉(当 020cm 表层土壤有效含水量 80%时自动灌溉)情景。然后计算出产量的相对变化(Yi , j) ,即:Y =Yi , j-Y0 , j Y0 , j100% ( i = 1,2,3; j = 0,1,2,3)(1)2 结果与分析模拟各网格未来 2 种温室气体排放方案下未考虑 CO2直接肥效作用时
15、2080s 我国雨养与灌溉小麦产量与目前气候情景对应产量的相对变化见图 1。2.1 气候变化对雨养小麦产量的影响总体而言, 在 PRECIS 输 出的 A2 和 B2 气候情 景下, 2080s 我国雨 养小麦 大约 平均减 产 21.7% 和12.9% ,且区域间产量变化趋势不同。雨养小麦在华北和长江中下游地区有部分增产趋势, 增幅主要集中在 0%30%之间。华北地区是我国主要冬小麦产区,实际种植面积和产量均占全国 50%以上,当前该地区第 2 期熊 伟等:气候变化下我国小麦产量变化区域模拟研究165 小麦生产的主要限制因素之一是水分匮乏, 一般小麦生长的灌溉用水要占农业用水量的 80%。研
16、究认为,华北地区雨养小麦未来气候变化情景下呈增产趋势, 可能原因是未来这一地区降水量将增加。根据研究中采用的未来气候变化情景预估,在 A2 和 B2 气候变化情景下,未来 2080s 我国降水量平均约增加 10%左右,该区雨养小麦增产趋势说明温度的增加可能还不足以成为该区小麦生长的决定性限制因素, 降水增加带来的有利影响一定程度可抵消温度增加的负面作用。长江中下游地区通常雨量和热量充沛, 该区在未来气候变化条件下温度虽然升高,但仍可保证当前该区小麦品种的春化温度要求, 也表现一定增产趋势。我国东北、 西北春麦区和西南冬麦区小麦明显减产, 减幅大多集中在 30%60%之间。目前西北和东北小麦生产主要以春小麦为主,由于温度的升高, 如果依然维持当前种植管理方式, 小麦产量会明显下降。已有研究建议,未来温度升高条件下, 冬小麦的种植北界可以北移,如在东北适宜地区改种冬小麦品种或适当提前播种时期,均可降低气候变化对该区春小麦生产的不利影响。西南冬麦区减产是由于该区种植的小麦多为春性较强的
