东北地区水稻对气候变化的适应性与脆弱性评估

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1、密级：中阉斜孥j i I 宪硒窥生赡硕士学位论文作者姓名：塞鹏程指导教师：熟屡鲞型熬蘧生国科堂院班窒生院地基型堂堂医学位类别：垄堂亟学科专业：氢鏊堂培养单位：虫围登堂睦塑窒生睦丝蔓型堂堂院2 0 1 2 年0 5 月B yQ i nP e n g c h e n gAD i s s e r t a t i o nS u b m i t t e dt oG r a d u a t eU n i v e r s i t yo fC h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e sI np a r t i a lf u l f i l l m e n to f t

2、 h er e q u i r e m e n tF o rt h ed e g r e eo fM a s t e ro fS c i e n c eC o l l e g eo fE a r t hS c i e n c e ，G r a d u a t eU n i v e r s i t yo fC h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e sM a y , 2 0 1 2中国科学院研究生院直属院系研究生学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不

3、包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明或致谢。中国科学院研究生院直属院系学位论文授权使用声明本人完全了解并同意遵守中国科学院有关保存和使用学位论文的规定，即中国科学院有权保留送交学位论文的副本，允许该论文被查阅，可以公布该论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编本学位论文。涉密的学位论文在解密后适用本声明。作者签名曰期：砍渺呜锄fny露名期签普作日缨2孙期签弧”伦吻办1ry，胛雾矽摘要摘要东北地区是我国气候变化最为显著的区域之一，东北农业生产受气候变化的影响也最为明显。本文以水稻为例，在

4、分析了过去5 0 年我国东北地区各气候要素变化趋势的基础上，基于东北地区典型农业气象试验站1 9 8 1 2 0 1 0 年的水稻发育期观测资料，评价了东北地区水稻对气候变化的适应性，并利用作物生长模拟模型( C E R E S - R i c e ) 耦合低温冷害评估模型，重建了过去5 0 年东北地区各站点水稻产量序列，进一步分析了东北地区水稻对气候变化的脆弱性格局及其成因。主要研究结论如下：( 1 ) 东北地区近5 0 年具有显著变暖趋势，平均气温升高趋势为O 3 6 5 “ C l O a ( P x j ，I = 1 ，否则，= 0( 户1 ，2 ，f ) 。定义统计量： 眦) 2 渊

5、其中，E ( 墨) = 掣惭( s ) = k ( k - 0 广( 2 k + S )( 3 )( 4 )式( 3 ) 和( 4 ) 为均值和方差。 将样本序列反向排序，重新计算出统计量记为U ( B O 。在原序列随机平稳假设下，F k 及B k 的分布渐进正态，U ( F v 3 及U ( B k ) 则为标准正态分布。将U ( F k ) 及U ( B 0 沿时间轴绘成曲线，若 两条曲线交叉点位于置信区间内，且随后u ( F k ) 值超过置信线时，交点被认为是突变点。这里显著性水平取0 0 5 ，对应置信区间为 一1 9 6 ，1 9 6 。2 4 水稻产量序列的构建2 4 1 作物

6、生长模拟模型基于美国农业技术转移决策支持系统( D S S A T ) i t0 4 J 中的C E R E S R i c e 模型模拟正常年份水稻产量，并通过调整作物品种参数将实际观测到的水稻对气候变化的适应纳入水稻生长的模拟过程。本文使用的D S S A T 为4 0 版本。C E R E S R i c e 是国际上广泛应用于评估当前及未来气候变化对作物影响的作物生长模型之一【1 0 5 1 0 7 】，相关学者对其在中国的适用性也进行了详细检验，表明C E R E S R i c e 模型可以用于中国不同区域水稻生长的模拟，已有不少研究采用C E R E S R i c e 模型评估

7、气候变化对我国东北水稻生产的影响【1 0 昏引。C E R E S R i c e 模型以逐日气象资料( 最低气温、最高气温、太阳辐射、降水量) 为输入变量，驱动作物生长模型进行水稻生长及发育的模拟，模拟过程考虑了作物的生长发育及同化物在器官中的分配，能动态模拟作物不同品种在各种气候环境和田问管理措施下的东北地区水稻对气候变化的适应性与脆弱性评估生长发育和产量形成。可有选择地模拟水、肥对水稻生长的胁迫作用。C E R E S R i c e 模型与C E R E S 系列其它模型构成基本一致，主要包括土壤水分平衡模块( W A T B A L ) 、氮素平衡子模块( N T m 气N S )

8、、物候发育子模块( P H E N O L ) 、生长子模块( G R O S U B ) 及相关的建模分析和结果表达模块。各主要模块通过调用天气、土壤、管理等输入文件，结合预定义的一些关键参数进行计算，其中水稻品种遗传参数是C E R E S R i c e模型在不同的水稻生长环境和生态特性地区应用的关键，本地化工作即主要针对品种遗传参数。C E R E S R i c e 模型的品种遗传参数及物理意义如表2 一l 【1 0 4 ，儿4 1 。本研究遗传参数的确定结合参数的物理意义及东北水稻品种的特性采用试错法获取，并将在模拟中通过调整品种遗传参数进行适应措施效果的模拟。表2 1 C E R

9、 E S - R i c e 品种遗传参数及其物理意义参数名称物理意义P 1完成基本营养生长所需要的热时量( 以d 表示)P 2 0最适光周期( 小时)日长每大于最适光周期l 小时导致的花芽分化延迟( 以d 表示)完成灌浆期所需要的热时量( 以d 表示)潜在颖花数系数( 以开花时每克主茎干物重产生的颖花数表示)潜在籽粒重( 克)分蘖系数( 相对值，以I R 6 4 品种理想环境下的分蘖能力为1 O )温度胁迫系数( 相对值，以常规环境下生长的品种为1 0 )因本文将对水稻物候发育进行详细分析，下面简要介绍C E R E S R i c e 模型中物候发育子模块【川。C E R E S R i

10、c e 模型采用逐日热时( d a i l yt h e r m a lt i m e ，简称D T T 单位：d ) 表征水稻发育进程。D T T 的计算基于日最高气温( T m a x ) 和日最低气温( T r a i n ) ，模型假定水稻发育的下限温度( T b a s e ) 为9 “ C ，发育最适温度( T o p t ) 为3 3 ，发育上限温度为4 2 。C ，在9 3 3 之间水稻发育速率与平均气温成线性关系。当T m a x 1 0 积温将减少1 0 1 5 d 。因此，如果基于C E R E S R i c e 模型模拟的当年成熟日期晚于初霜日或基于C E R E S

11、 R i c e 模型模拟的当年成熟日期晚于气温稳定通过1 5 的终日l O 天以上，则认为延迟型低温冷害发生，如果该年1 0个播期的模拟有5 个以上发生冷害，则认为该年为低温冷害年。目前，D S S A T 系统下的C E R E S R i c e 模型可以部分地处理低温对光合作用及干物质积累的影响，但是由于干物质积累和发育期模拟相互独立，低温年C E R E S R i c e 模型模拟的生育日数往往偏高，导致干物质积累甚至比正常年份偏高，因此必须对模拟的成熟日期进行订正。根据以上分析，对C E R E S - R I c e 模型模拟的产量进行订正如下：基于开花期与该地区该品种多年平均

12、值的距平进行灌浆至成熟所需三1 0 积温的订正，以订正的成熟日期、初霜日及模型模拟的成熟日期三者中最小的日期对应的产量作为模型模拟的最终产量，若最小日期为初霜日，则对初霜日的模拟产量乘以O 8 6 的订正系数以去除非正常成熟时水稻籽粒过高的含水率【1 2 羽。2 4 2 2 障碍型低温冷害的识别及损失评估水稻障碍型冷害指标采用马树庆等发展的水稻孕穗开花期冷积温指标( H ) ，冷积温是指低于水稻生殖生长临界温度的气温的累积，其计算公式如下【1 2 5 ：n I t = ( T o T i )( T o T i 1 0 r 积温的增加有效提高了水稻生长季可利用的热量资源，保证了更晚熟品种生育需求

13、，是近年来东北水稻不断获得增产的重要原因之一。2 6第四章观测到的水稻对气候变化的适应第四章观测到的水稻对气候变化的适应近几十年来，在全球气候变暖背景下，东北地区水稻种植界限明显北移，种植面积不断扩大，早熟品种逐渐被中、晚熟品种取代峪1 5 ，1 t5 7 , 5 s , 1 3 5 1 。有关研究表明，气候变暖使黑龙江省水稻单产2 0 世纪8 0 年代相对于7 0 年代增加3 9 4 9 ，9 0 年代相对于8 0 年代增产9 9 1 2 3 【1 3 6 】。当前气候变化对东北水稻的影响整体呈正面效应。随着气候的进一步变暖，未来这种正面效应是否能够持续，东北水稻对气候变化是否存在脆弱性?

14、要回答这一问题，需要加强对己发生的水稻对气候变化的适应的研究，与此同时，对过去的水稻对气候变化的适应研究是制订未来气候变化下适应策略的重要依据。本章利用东北地区农业气象观测站点有观测记录以来的水稻发育期观测资料，通过对佳木斯、五常、通化、东沟四个典型站点水稻对气候变化的适应的认识，评估东北地区水稻对气候变化的适应性及潜在适应能力。其中五常、东沟农业气象站缺少同步气象观测记录，分别用邻近的哈尔滨、丹东气象站观测数据替代。4 1 研究站点概况研究站点地理信息、水稻关键发育期时间及生长季平均气候状况如表4 1 ；1 9 8 1 2 0 1 0年各月平均气温状况见图4 一l 。表4 1 研究站点地理信

15、息、水稻关键发育期时间及生长季( 4 9 月) 平均气候状况东北地区水稻对气候变化的适应性与脆弱性评估月份4 2 研究站点近3 0 年水稻生长季气温变化趋势东北地区水稻通常于4 月中旬播种，收获日期自北向南由九月上旬至十月上旬不等( 表4 。1 ) ，因此，本文取4 - 9 月作为水稻生长季，进行生长季气候要素变化的分析。图4 2 显示了佳木斯、五常、通化、东沟四站点近三十年水稻生长季气温变化趋势。由图中可以看出，各站点生长季最高气温、最低气温及平均气温均呈升高趋势，除东沟最高气温升高趋势不显著外，其余站点及气温要素变化趋势均达到O 0 5 显著性水平。除佳木斯站点外，其余三个站点最低气温升高

16、趋势均明显高于最高气温升高趋势。平均气温的升高幅度自北向南依次为佳木斯0 4 9 l O a ，五常0 6 3 l O a ，通化0 3 0 l O a ，东沟0 2 9 l O a 。对生长季内各月气温变化趋势统计显示( 表4 2 ) ，4 月份各站点最高气温趋势均为负值( 未通过显著性检验) ，表明最高气温呈下降趋势，但4 月份最低气温仍呈微弱的升高趋势( 其中五常站点达到0 0 5 显著性水平) ，最高气温升高趋势最明显的是9 月，且均达到极显著水平( P O 0 5 ) ，通化地区播种日期呈推迟趋势，每l O a 推迟2 6 天( P 0 0 5 ) ，低于播种日期推迟速率。( 2 ) 开花日期在多数站点均呈推迟趋势，其中佳木斯开花日期线性倾向率为3 7 天l O a ( P 0 0 5 ) ，东沟为2 7 天l O a ( P O 0 5