气候变化下灌溉对旱地小麦产量的影响

气候变化下灌溉对旱地小麦产量的影响

曹 峰1，张 祎2

(1.中国地质环境监测院,北京 100081；2.中国气象科学研究院,北京 100081)

摘要[目的]探讨气候变化下灌溉措施对旱地小麦产量增加的可能性。[方法]应用ECHAM和HadCM3气候模式输出的A1B情景数据驱动机理模型APSIM，通过概率预测的形式，研究了气候变化和增加拔节期灌溉对旱区雨养小麦产量的影响。[结果]未来气候变暖使得雨养小麦产量降低7%～16%，而增加拔节期灌溉可以有效减缓温度增加引起的负面作用，使得2011～2030年小麦产量显著增加，2031～2050年小麦产量可以保持当前的生产水平。[结论]该研究为制定气候变化下有效的农业应对措施提供了理论基础。

关键词气候变化；灌溉；旱地小麦；产量；影响

中图分类号S162.5+3

作者简介曹峰(1984-)，男，陕西彬县人，工程师，硕士，从事水土地质环境与区域环境地质综合研究。

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

全球气候变暖已成为一个不争的事实[1]。农业作为受气候变化影响最为敏感和脆弱的产业之一，大量研究已经表明未来气候变化对我国农业的影响以不利影响为主[2-4]。小麦作为我国的主要粮食作物，它的稳定发展对于我国粮食安全有重大意义。因此，在全球变暖的背景下，小麦生产受到了广泛的关注。多数研究表明未来气候变暖使得灌溉小麦和雨养小麦的产量均有所降低[5-7]，通过调整播种期、品种等栽培措施可以有效减缓或补偿气候变暖的负面作用[8-10]。基于水资源短缺的现状，“亏缺灌溉”和“限量灌溉”等节水灌溉措施发展起来。大量的田间试验研究表明播前灌溉、播前和拔节期灌溉是当前适合的小麦灌溉方式[11-13]。但分析灌溉与气候变化因素对旱地雨养小麦影响的研究鲜有报道。对于旱地小麦而言，当前很多旱地地区不具备灌溉条件，但随着科技的不断进步、南水北调工程等的开展，使得将来旱地地区具有一定的灌溉条件成为可能。在全球增温的负面影响下，增加灌溉是否可以保证旱地小麦稳产增产。此外，气候情景变化存在较大不确定性，会导致模拟结果产生更大的不确定性，最终影响结果的可靠性。针对上述问题，该研究采用ECHAM/MPI-OM和HadCM3 2个气候模式输出的A1B情景结合APSIM作物生长模型，采用概率预测的方法，模拟研究未来气候变化对旱地小麦产量的影响，探讨增加拔节期灌溉对小麦产量的贡献。

1 材料与方法

1.1 数据来源气候情景数据来源于德国汉堡马普气象研究所提供的ECHAM/MPI-OM和英国哈德来中心HadCM3 2个不同的全球模式，在IPCC SRES A1B温室气体排放情景下模拟生成的未来气候时段(2011～2030、2031～2050年)以及基准气候时段(1981～2000年)逐日格点数据(分辨率0. 5°×0.5°)。用于验证APSIM模型适用性的作物和土壤数据来自山西省土壤墒情监测芮城县雨养冬小麦监测点，监测周期为2012～2014年度，作物数据包括小麦开花期和成熟期、产量和栽培管理资料。土壤数据包括理化性质容重、田间持水量、凋萎含水量和饱和含水量，及小麦主要生育过程测定的0～20、20～40 cm土壤含水量。气象数据来源于中国气象局，包括日最高温度、最低温度、日照时数和降雨量。

1.2数据处理

1.2.1作物模型校验。澳大利亚的农业生产系统模拟模型APSIM广泛应用于评价农作物生长受气候波动和环境变化的影响等方面[14-15]。该研究应用的主要模块包括小麦模块、土壤水模块、土壤氮模块、地表留茬模块、灌溉模块和施肥模块。应用2012年数据，采用“试错法”，使模型模拟的开花期、成熟期、产量等能够最大程度地接近观测值，从而确定品种的遗传参数，包括春化作用系数(3.4)、光周期系数(3.0)、灌浆到成熟积温(500 ℃·d)、灌浆期单位单茎干重籽粒数[25粒/(g·茎)]、潜在灌浆速率[0.002 5 g/(粒·d)]、每叶片发育所需热时(85 ℃·d)。应用芮城两年试验数据对参数化的模型进行验证。选择以下统计指标对模型的模拟能力进行评价，包括模拟值与实测值拟合方程y=ɑx的决定系数r2，反映了模型模拟值相对于实测值的真正偏差；斜率ɑ，反映了模型整体高估或低估实测值的程度；均方根误差RMSE，反应了模型模拟值相对实测值的绝对误差。

1.2.2模拟试验设置。采用验证后的APSIM模型与气候变化情景数据相结合，模拟分析不同灌溉水平对小麦产量的影响。模型模拟，在保证小麦出苗设置播种期土壤含水量为田间持水量75%前提下，保持了现阶段的播种日期、施肥水平的处理方式。在此基础上，建立2个模拟试验。试验一设计方案为无灌溉处理，仅考虑未来气候因素带来的产量差异；试验二设计方案为拔节期灌溉处理，模拟分析气候变化下限量灌溉对小麦产量的影响。净灌溉量为50 mm。

1.2.3 不确定性分析。考虑到气候变化中应用不同气候模式的可能影响，研究使用未来模式下玉米产量相对于基准情景变化的概率密度(PDFs)和累积概率分布函数(CDFs)进行不确定性分析。

2 结果与分析

2.1APSIM模型的适应性从APSIM模型生育期、产量和土壤水分的验证结果(表1)可看出，各项的模拟值和观测值基本吻合。决定系数r2均大于0.75，ɑ接近1.0，由此可见模拟数据和实测数据基本落在1∶1线附近。各主要生育期的模拟误差RMSE约为1 d，产量的RMSE<200 kg/hm2，0～40 cm的土壤水分RMSE<10 mm，说明模型模拟值偏离观测值的误差较小，具有较好的一致性。各生育期间的RMSE均表现随着生育进程的增加误差增大，这主要是由于模型模拟的生育进程主要取决于之前生育进程的累积，而生育进程的模拟误差也会影响产量的模拟误差。此外，考虑到观测过程中的可能误差，如土壤参数的不精确导致的测量误差的增加、取样的不均匀等，整体上认为APSIM模型对该站点的小麦生长和土壤水分动态具有较好的模拟能力。

表1　APSIM模型模拟开花期、成熟期、产量和土壤水分检验效果

2.2 气候变化对雨养小麦产量的影响从气候变化下雨养小麦产量相对基准时段变化的概率密度和累积概率(图1)可看出，产量变化概率密度符合一般正态分布，但中心位置向左偏移，负面积较大。未来2011～2030年雨养小麦产量降低的累积概率约为63%，2031～2050年产量降低的概率增加至75%。未来产量降低的可能性大于增产的可能性，且2031～2050年减产可能性大于2011～2030年(表2)。 与基准时段(5 296 kg/hm2)相比，未来2011～2030年产量平均降低7%，而2031～2050年产量降低增加至16%。整体上，未来气候条件下，降水的增加不足以弥补温度增加对雨养小麦产量的负面影响，且降雨存在较大不确定性。

表2气候变化下雨养小麦产量相对基准时段、平均产量、标准偏差及累积概率分布5%、50%、95%产量变化

2.3气候变化下拔节期灌溉对小麦产量的影响模拟试验一表明，未来气候变化下雨养小麦产量呈现降低趋势。鉴于此，笔者分析了气候变化下增加拔节期灌溉对小麦产量的影响表现，结果显示，2011～2030年拔节期灌溉的小麦产量相对基准时段旱地小麦产量变化的概率密度中心位置向右偏移(图2)，正面积较大，表明未来拔节期灌溉使得小麦产量增加的可能性大于减产的可能性；小麦产量增加的累积概率高于70%，平均产量增加约12%(表3)。然而，随着温度的不断增加，2031～2050年灌溉带来的增产基本被温度的负面作用抵消，产量基本没有变化(表3)。2031～2050年小麦增产可能性明显小于2011～2030年，产量增加的累积概率仅为51%。整体上，拔节期的灌溉能够有效减缓或补偿气候变暖对当前雨养小麦造成的减产。但2031～2050年随着温度的继续增加，灌溉仅能维持当前雨养小麦的生产水平。

3 结论与讨论

应用ECHAM/MPI-OM和HadCM3气候模式输出的A1B情景数据驱动机理模型APSIM，通过概率预测的形式，研究了气候变化和增加拔节期灌溉对旱区雨养小麦产量的影响。结果表明，未来气候变暖使得雨养小麦产量降低的概率约为63%～75%，平均降低7%～16%。而未来增加拔节期灌溉可以有效增加2011～2030年小麦产量，保持2031～2050年小麦产量稳定在当前的生产水平。

表3气候变化下灌溉对小麦产量相对基准时段平均产量、标准偏差及累积概率分布5%、50%、95%产量变化

需要注意的是，在此仅应用了有限的单一气候情景与作物模型结合对产量进行了模拟研究，多气候情景与不同机理模型结合减少不确定性的研究需要在未来引起关注。

参考文献

[1] IPCC.Climate change 2013:The physical science basis[C]//STOCKER T F，QIN D，PLATTNER G K,et al.Contribution of working group I to the fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change.Cambridge University Press，Cambridge，United Kingdom and New York，NY，USA,2013.

[2] 王馥棠，赵宗慈，王石立，等.气候变化对中国农业生态的影响[M].北京:气象出版社，2003.

[3] 林而达,许吟隆,蒋金荷,等.气候变化国家评估报告(II):气候变化的影响与适应[J].气候变化研究进展,2006,2(2):51-56.

[4] 王志强,方伟华,何飞.中国北方气候变化对小麦产量的影响[J].自然灾害学报，2008,17(1):109-114.

[5] 熊伟,居辉,许吟隆，等.气候变化下我国小麦产量变化区域模拟研究[J].中国生态农业学报，2006,14(2)：164-167.

[6] 田展,刘纪远,曹明奎.气候变化对中国黄淮海农业区小麦生产影响模拟研究[J].自然资源学报,2006,21(4):598-607.

[7] 张建平,赵艳霞,王春乙,等.不同气候情景下中国东北与华北作物产量变化趋势模拟[J].干旱地区农业研究,2012,30(3):262-266.

[8] 李茂松,王道龙,钟秀丽,等.冬小麦霜冻害研究现状与展望[J].自然灾害学报，2005，14(4):72-78.

[9] LIU Y，WANG E L，YANG X G，et al.Contributions of climatic and crop varietal changes to crop production in the North China Plain，since 1980s[J].Global Change Biology,2010,16:2287-2299.

[10] WANG J，WANG E L，YANG X G.Increased yield potential of wheat-maize cropping system in the North China Plain by climate change adaptation[J].Climatic Change,2012,113:825-840.

[11] 郑成岩，于振文,马兴华,等.高产小麦耗水特性及干物质的积累分配[J].作物学报,2008,34(8):1450-1458.

[12] 张柏治，殷格侠，张学.关中灌区小麦、玉米高产节水灌溉的几个指标确定[J].水土保持通报，2009，29(5)：142-145.

[13] 谭念童，林琪，姜雯，等.限量灌溉对旱地小麦旗叶光合特性日变化和产量的影响[J].中国生态农业学报，2011，19(4)：805-811.

[14] CHEN C，WANG E L，YU Q.Modeling the effects of climate variability and water management on crop water productivity and water balance in the North China Plain[J].Agricultural Water Management,2010,97:1175-1184.

[15] 王琳，郑有飞，于强，等.APSIM模型对华北平原小麦-玉米连作系统的适用性[J].应用生态学报，2007,18(11):2480-2486.