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未来气候变化对黄淮海平原冬小麦的影响及干旱适应技术补偿能力研究

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摘要

英文缩略表

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 气候变化对农业的影响评估研究进展

1．2．2 基于CERES模型的气候变化评估研究进展

1．2．3 多作物模型的对比研究进展

1．2．4 气象干旱指标研究进展

1．2．5 气象干旱指标差异及适用性研究进展

1．3 研究目标、内容及技术路线

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究内容

1．3．2 技术路线

2．1 研究区概况

2．2 研究资料及来源

2．2．1 田间管理资料

2．2．2 气象与网格化土壤剖面资料

2．2．3 农业旱情记录资料

2．3 研究方法

2．3．1 CERES作物模型

2．3．2 气象干旱指数计算

2．3．3 气候数据空间降尺度方法

2．3．4 气象干旱事件、持续性和强度识别

第三章 未来气候变化对冬小麦产量影响的模拟

3．1 模型遗传参数验证及模拟设计

3．1．1 模型遗传参数验证

3．1．2 模拟设计

3．2 未来气候变化对冬小麦生育期及生长季内气候要素的影响

3．2．1 生长季内气候要素的变化

3．2．2 生育期变化

3．3 未来气候变化对冬小麦产量的影响

3．3．1 气候要素变化的影响

3．3．2 CO2的肥效作用

3．4 小结与讨论

第四章 气候变化背景下气象干旱的变化特征

4．1．2 干旱指标的验证

4．2 近50a气象干旱的变化特征

4．2．1 干旱演变特征

4．2．2 干旱频次、持续性和强度

4．3 未来气象干旱的演变特征

4．3．2 干旱频次、持续性和强度

4．4 小结与讨论

第五章 干旱适应技术补偿能力的模拟

5．1 CERES—Wheat模型区域模拟设计

5．1．1 灌溉措施的设计

5．1．2 减产率、补偿能力和灌溉水产量提升效率计算方法

5．1．3 适宜灌溉期选择调整

5．2 干旱对冬小麦产量的潜在影响

5．3 不同灌溉措施的补偿能力

5．3．1 不同时期单次灌溉

5．3．2 不同时期两水组合灌溉

5．3．3 生育期三水灌溉

5．4 本章小节

6．1 基本结论

6．2 论文创新点

6．3 讨论和展望

参考文献

附录

致谢

作者简历

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摘要

黄淮海平原是我国最大的冬麦区，但由于区域降水时空分布不均，冬小麦生长季降水稀少，因此干旱缺水是该区域冬小麦生产的主要限制因子。同时，黄淮海平原也是气候变化敏感区与脆弱区，气候变暖导致降水变异程度加大，加之地表水时空分布不均、地下水超采严重，农业干旱风险趋向不稳定。本文利用英国Hadley中心在HadGEM2-ES模式驱动下的RCP8.5气候预估情景与CERES-Wheat模型耦合模拟的方法，比较未来不同时段（近期:2010-2039年、中期:2040-2069年、远期:2070-2099年）与基准期（1976-2005年）模拟输出结果的差异，分析了未来气候变化对黄淮海平原冬小麦产量的可能影响，剥离了温度、辐射、降水和CO2浓度变化对冬小麦产量变化的相对贡献;并结合农业干旱灾情数据，对多种气象干旱指标进行适用性比较和验证的基础上，探明了RCP8.5气候预估情景下气象干旱的演变特征;最后，明确了未来干旱对冬小麦的潜在影响，并结合产量提升效率，评价了不同灌溉适应措施对冬小麦的补偿能力，以期为区域农业适应气候变化提供科学参考。本文得出主要结论如下:
　　(1)未来RCP8.5情景下，黄淮海平原冬小麦生育期内各气象要素变化表现为光、热资源增多，降水量增加;气候变暖将导致冬小麦整个生育期缩短，但对粒重形成至关重要的开花-成熟天数无明显影响。
　　相比于基准期（1976-2005年），未来近期（2010-2039年）、中期（2040-2069年）和远期（2070-2099年）冬小麦生育期内最高温度将分别升高0.55℃、2.17℃和3.86℃，最低温度将分别升高0.31℃、1.62℃和3.56℃;生育期内太阳辐射量将分别升高1.69％、4.24％和2.36％，降水量将分别升高16.73％、28.64％和50.09％;冬小麦播种-成熟天数在近期、中期和远期分别缩短了4d、15d和25d，播种-开花天数分别缩短了4d、15d和24d，由此可知气候变暖对开花-成熟天数无明显影响。
　　(2)未来RCP8.5气候情景有利于黄淮海平原冬小麦生产，其中降水量增加和CO2浓度升高(基准期设定为380ppm，近、中、远期分别为423ppm、571ppm和798ppm)带来的肥效作用起主导作用，但干旱缺水仍是该区域冬小麦生产的主要限制性因素。
　　在不考虑CO2肥效作用下，RCP8.5气候预估情景将使区域平均产量在近、中和远期分别增加13.14％、14.88％和29.10％，温度、辐射和降水的贡献比在近、中、远期分别为-0.3∶0.4∶0.9、-0.4∶0.3∶1.1和-0.2∶0.2∶1.0，未来降水量增加对冬小麦产量增加起主导作用。具体来说，未来三个时段降水量的单独变化使冬小麦产量提高11.74％、16.38％和27.78％;增温对冬小麦产量的影响表现为南正北负，但在整体上使区域冬小麦产量分别减产3.64％、5.87％和5.81％。进一步分析表明，由于增温导致潜在蒸散量加大，增温后黄淮海平原特别是北部地区水分亏缺加重，而平原南部自然降水基本满足冬小麦需水，因此增温对区域北部为负效应，南部为正效应。辐射量增加将使冬小麦产量分别增产5.04％、4.37％和7.14％，但辐射量的增加也通过提升蒸散量使区域水分亏缺状况加剧。因此，干旱缺水仍是该区域冬小麦充分利用未来增加的光、热资源的限制性因素。CO2肥效分析表明，RCP8.5情景下CO2浓度升高将使区域冬小麦的产量将分别增产3.68％、17.47％和41.87％，因此综合而言，降水量增加和CO2浓度肥效作用是未来气候变化影响冬小麦产量的主导因素。
　　(3)尽管未来RCP8.5预估情景下降水量有较大幅度提升，但由于温度和辐射量的增加导致潜在蒸散量增加，且速率大于降水增加速率，因此黄淮海平原气象干旱将呈不断加重的演变态势。
　　基于统计的农业干旱受灾面积、成灾面积和绝收面积等指标，对标准化降水指数(SPI)、基于Penman-Monteith蒸散模型的标准化降水蒸散指数(SPEI-PM)和基于Thomthwaite蒸散模型的标准化降水蒸散指数(SPEI-TH)在黄淮海平原的区域适用性分析表明，SPEI-PM较其他两种干旱指标对农业旱情面积具有更好的相关性和适用性，因此本文采用SPEI-PM表征未来黄淮海平原干旱风险变化趋势。在RCP8.5情景下(2010-2099)，尽管自然降水量预估以1.88mm·yr-1增加，但由于温度和辐射量的增加导致潜在蒸散量也以3.58 mm·yr-1不断增加，增加速率大于降水，因此基于SPEI-PM指数的气象干旱分析表明未来黄淮海平原干旱呈加重趋势，具体表现为干旱事件发生频次增加，单次干旱的持续性和严重性亦呈增加趋势。
　　(4)尽管RCP8.5气候预估情景对黄淮海平原冬小麦生产有积极作用，但伴随着未来气象干旱加重，干旱对冬小麦造成的潜在减产率也不断加大，单次灌水以拔节水对干旱影响的补偿能力最为明显，两次灌水以拔节和灌浆水组合最佳。
　　黄淮海平原冬小麦的干旱减产率（雨养产量与潜在产量之差）在基准期、近期、中期和远期分别为41.58％、47.31％、53.54％和50.92％，呈逐年代上升趋势。关于不同灌溉措施适应补偿能力研究表明，拔节水的产量补偿能力最为明显，未来各年代的补偿能力分别为16.30％、18.67％和16.66％;其次是灌浆水，单独浇灌浆水的产量补偿能力为6.11％、5.12％和5.89％，而拔节水和灌浆水二水处理下各年代的补偿能力分别为23.64％、25.17％和23.77％;越冬水的产量补偿能力和产量提升效率最小。
　　因此在黄淮海平原，特别是北部地区水资源日趋紧张的背景下，应首先满足拔节水的需求;在有条件满足两水灌溉区域，拔节水和灌浆水组合产量补偿能力最大。同时，尽管作物模拟表征的越冬水对产量的补偿能力最小，产量提升效率不高，但在实际农业生产中，越冬水是足墒培育壮苗、夺取小麦高产的关键，小麦的安全越冬也与入冬前土壤水分含量和苗情有关，因此在干旱减产率较重的黄淮海北部地区，在保证拔节水和灌浆水的灌溉外，应在冷冬年份注重越冬水的灌溉，确保冬小麦安全越冬。

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