未来气候变化对关中地区冬小麦耗水和产量的影响模拟

张　延，任小川，赵　英，曹　寒，冯　浩

(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100； 2.陕西省咸阳市乾县农经站， 陕西 乾县 713300；

3.西北农林科技大学资源环境学院， 陕西 杨凌 712100； 4.中国旱区节水农业研究院，陕西 杨凌 712100；

5.国家节水灌溉杨凌工程技术研究中心， 陕西 杨凌 712100)



未来气候变化对关中地区冬小麦耗水和产量的影响模拟

张延1，任小川2，赵英3，曹寒1，冯浩4,5

(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100； 2.陕西省咸阳市乾县农经站， 陕西 乾县 713300；

3.西北农林科技大学资源环境学院， 陕西 杨凌 712100； 4.中国旱区节水农业研究院，陕西 杨凌 712100；

5.国家节水灌溉杨凌工程技术研究中心， 陕西 杨凌 712100)

摘要：采用IPCC第四次评估报告给出的SRA1B、SRA2和SRB1 3种气体排放情景，选用HadCM3、IPCM4、MPEH5、NCCCSM 4种大气环流模式，利用随机天气发生器LARS-WG生成逐日气象资料，结合DSSAT模型，模拟历史(1961—2010年)和未来(2011—2030、2046—2065、2080—2090年)气候变化下灌溉与不灌溉条件下冬小麦生育期、耗水量及产量的变化情况。模拟结果显示：未来气候变化情景下，冬小麦生育期内平均气温上升，降雨量下降，2011—2030、2046—2065、2080—2090年3个时间段内平均气温分别上升0.93℃、1.76℃、2.87℃，降雨量分别下降27.40、39.37、42.50 mm。灌溉和不灌溉条件下冬小麦生育期内耗水量和产量较现状均下降，其中灌溉条件下分别减少5.16%和8.63%，不灌溉条件下减少9.58%和13.76%。无论何种气候变化情景，灌溉和不灌溉方式下冬小麦生育期均缩短且与生育期内的平均气温呈现较好的负相关性，生育期内降水量与耗水量、降水量与产量、耗水量与产量均具有较好的正相关性。

关键词：未来气候变化；冬小麦；耗水量；产量；DSSAT模型

近年来，气候变化已成为全球性话题，引起了世界各国的关注[1-3]。气温升高、CO2浓度增加及降水不均匀等因素的变化对我国农业生产及生态已产生重大影响[4]。气候变化引起了作物生长发育、产量及耗水量的改变。冬季气温升高，热量资源增加，导致北方旱区冬小麦种植区向北扩展，其越冬安全受到气候变化的威胁；同时，降雨量的减少导致水资源严重不足，使得该地区干旱加剧[5-6]。

在探讨气候变化对作物潜在蒸腾量和耗水量的影响时，Penman-Monteith公式和作物单系数法多被用于研究中[7-8]，而将未来气候信息和作物模型相结合的方法则具有可定量、动态地描述作物生长及耗水情况的特征，因此后一种研究方法是一种快速且有广阔前景的方法。模拟作物的生长、耗水及产量的作物模型主要有WOFOST[9]、APSIM[10]、CERES[11]、CropSyst[12]和ORYZA2000[13]等。Wang[14]借助APSIM模型研究了气候变化对小麦生长的影响和极端气候变化下的农田水分平衡状况。利用将气候变化情景与ORYZA模型相结合的方法，王卫光[15]研究了气候变化下水稻耗水量、灌水量及产量的响应规律。

对于气候变化的预估主要以大气环流模式(GCMs，General circulation models)为主，HadCM3大气环流模式、IPCM4大气环流模式等在研究作物耗水量和产量方面得到了较为广泛的应用[15-17]。对于气候变化多采用SERS(Special report on emission scenarios)系列情景加以表达[18]。其中SRA1B情景主要特征为人口增加缓慢，经济增长迅速，新技术得到应用[19]；SRA2情景主要特征为人口持续增加，经济增长和技术更新缓慢[20]；SRB1情景主要特征为人口增加缓慢，可实现经济、社会、环境的持续发展[21]。

本文主要利用IPCC第四次评估报告给出的SRA1B、SRA2和SRB1排放情景下的大气环流模式(HadCM3、IPCM4、MPEH5、NCCCSMS)结果，并选择统计降尺度方法中的天气发生器作降尺度处理生成逐日气象资料，结合经田间试验资料率定过的DSSAT模型，模拟历史及未来气候变化下灌溉与不灌溉条件下冬小麦生育期、需水量与产量的变化情况，为定量评估气候变化对作物水分与产量的影响提供新的技术手段。

1材料与方法

1.1田间试验

本试验地点位于陕西省杨凌区西北农林科技大学教育部旱区农业水土工程重点实验室灌溉试验站(N108°24′，E34°20′)，海拔521 m。该地区年平均气温13℃，降水量660 mm左右。土壤质地为中壤土，平均容重为1.44 g·cm-3，地下水埋藏较深，忽略其向上补给量。

试验于2008年10月到2010年6月进行，小麦品种为小偃22。2008年于10月15日播种，2009年6月7日收获，施尿素(N≥46%)25 kg·667m-2，磷酸二铵(P2O544%、含N 16%)25 kg·667m-2。2009年于10月17日播种，2010年6月14日收获，施尿素(N≥46%)30 kg·667m-2，磷酸二铵(P2O544%、含N 16%)30 kg·667m-2。试验监测的主要指标有：气象资料、土壤水分、土壤有机质与养分含量、作物生长动态状况及产量等。

1.2DSSAT模型及其参数率定

DSSAT(Decision support system for agrotechnology transfer)模型是目前使用最广泛的模型之一，被国内外许多研究人员广泛应用[22-24]。模型通过输入气象资料、土壤数据、田间管理措施及作物品种遗传特性参数，对作物的生长发育过程、作物地上器官和根系生长、土壤水分平衡、土壤碳、氮平衡等进行模拟。

DSSAT模型中冬小麦主要参数包括春化敏感系数、光周期敏感系数、灌浆期特性系数、籽粒数特性系数、标准籽粒重系数、成熟期单株茎穗重系数、出叶间隔特性系数。根据2008—2009年试验实测数据，以冬小麦生育期和产量为目标对DSSAT模型进行参数调试，得到各参数结果为34.73、109.2、591.4、17.79、52.81、1.924、94.6，然后采用经过率定的参数对2009—2010年的试验数据进行验证，结果表明模型对冬小麦生育期及产量的模拟结果与实测值较为接近[25]。由表1可以看出，冬小麦两年开花期和成熟期的模拟值和实测值误差不超过2 d，产量的模拟值和实测值差异不超过5%。

表1　关中地区2008—2010年冬小麦生育期及产量模拟值与实测值对比

1.3未来气象数据的生成

武功站1961—2010年逐日最高气温、最低气温、降水量来自中国气象科学共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn)，太阳辐射利用国际上公认的Angstron(艾斯屈郎)经验公式计算得到。未来气象HadCM3[26]、IPCM4[27]、MPEH5[28]、NCCCSMS[29]4种大气环流模式和SRA1B、SRA2和SRB1 3种排放情景气象数据选择统计降尺度方法LARS-WG(Long ashton research station weather generator)随机天气发生器[30-31]作降尺度处理生成逐日气象资料。LARS-WG天气发生器是由英国洛桑实验室开发的，其可以根据某一地区历史气象资料和地形资料的统计特征生成未来若干年的最高气温、最低气温、降雨量和太阳辐射的日序列气象资料。此外，本研究选用由不同国家开发的大气环流模式可以避免仅使用一种大气环流模式的不确定性。

图1为LARS-WG天气发生器1961—2010年月平均气温及降雨量观测值和模拟值的比较，并采用均方根误差法RMSE来衡量观测值和模拟值的相对差异(一般认为：RMSE<10%，为极好；10%30%,为差)。1961—2010年月平均气温观测值和模拟值的相对差异RMSE=1.4%，降雨量观测值和模拟值的相对差异RMSE=9.9%，两者均小于10%，并且平均气温的模拟结果好于降雨量的模拟结果。总体来说，LARS-WG天气发生器在关中地区可以用来预测该地区未来气象资料以驱动DSSAT模型。

图1基于LARS-WG的1961—2010年月平均气温、降雨量观测值与模拟值的比较

Fig.1Comparison of simulated and observed monthly average temperature, precipitation in the baseline period 1961—2010

1.4模拟方案的设定

本研究考虑灌溉和不灌溉两种方式。灌溉条件通过分析关中地区近30年冬小麦需水量及有效降水量，冬小麦生育期内需灌水248.4 mm[32]，本研究选取灌溉定额120 mm(约为需灌水总量的1/2)，灌水次数2次，每次60 mm，分别在越冬期和拔节期进行灌溉，灌溉日期为12月25日(越冬)和4月15日(拔节)。无灌溉条件下冬小麦的水分来源主要是降雨，这样设定更能反映未来气候情景下降雨的变化对冬小麦耗水量及产量产生的影响。

2结果与分析

2.1气候要素分析

表2给出了未来气候变化HadCM3、IPCM4、MPEH5、NCCCSM 4种大气环流模式下3种排放情景(SRA1B、SRA2、SRB1)不同时段(2011—2030、2046—2065、2080—2090年)关中地区冬小麦生育期内平均温度及降雨量的变化情况。从表中可以看出未来气候变化情景下冬小麦生育期内的平均气温均不同程度上升，并随着时间的推移上升的程度越来越大，2011—2030、2046—2065、2080—2090年3个时间段内分别平均上升0.93℃、1.76℃、2.87℃，最大上升1.74℃、2.23℃、4.46℃。冬小麦生育期内的降雨量呈现下降趋势，在2011—2030、2046—2065、2080—2090年3个时间段内分别平均下降27.40、39.37、42.50 mm，最多下降44.46、68.07、53.82 mm。

表2　冬小麦生育期内平均气温及降雨量变化

2.2冬小麦生育期变化

未来气候4种大气环流模式3种排放情景不同时间段内关中地区灌溉和不灌溉条件下冬小麦生育期缩短，且随着时间的推移在未来3个时期生育期越来越短(见表3)，2011—2030、2046—2065、2080—2090年3个时间段内冬小麦生育期分别为231、225、218 d，较现状分别缩短6、12、19 d，并且最短生育期达到211 d，较现状缩短26 d。未来气候变化情景下冬小麦生育期内的平均气温呈现不同程度的上升会导致其生育期缩短，并且生育期长度和生育期内的平均气温两者相关性较好，气温每升高1℃，生育期就会缩短约6 d(见图2)。

2.3冬小麦耗水量及产量变化

表3为未来气候变化下灌溉条件下冬小麦耗水量及产量DSSAT模型模拟结果，从表中可以看出4种大气环流模式3种排放情景不同时间段内灌溉条件下冬小麦耗水量和产量较现状多数减少。耗水量较现状平均减少5.16%，最多减少11.69%；产量较现状平均减少8.63%，最多减少19.57%。2011—2030、2046—2065、2080—2090年3个时间段内冬小麦生育期内耗水量和产量随时间的推移而减少，耗水量分别减少3.34%、5.21%、6.92%，产量分别减少4.45%、9.83%、11.62%。

图2生育期长度与生育期平均气温

Fig.2The relationship between growth period and

average temperature in growth period

未来气候变化下气温升高导致作物耗水量增加，灌溉条件下，水分供给不足，冬小麦生长受到水分胁迫，即使气温的升高会导致冬小麦耗水量和光合作用的增强，但气温的升高会使土壤水分减少，再加之未来气候变化下冬小麦生育期内降雨量的减少，冬小麦生长受水分胁迫更加严重，从而导致叶面积指数减小，同时气孔开度减小，蒸发蒸腾量减少[33-34]。温度升高使冬小麦生长发育加速，生育期的缩短不利于干物质的积累，从而导致产量下降。受气温升高、生育期缩短、降雨减少的综合作用，未来气候变化下关中地区冬小麦耗水量和产量均下降。

表3　灌溉条件下冬小麦耗水量及产量模型模拟结果

表4为未来气候变化不灌溉条件下冬小麦耗水量及产量DSSAT模型模拟结果，从表中可以看出4种大气环流模式3种排放情景不同时间段内不灌溉条件下耗水量及产量模型模拟结果变化规律与灌溉条件下一致，但不灌溉条件下冬小麦耗水量和产量减少程度均比灌溉条件下大。不灌溉条件下耗水量较现状平均减少9.58%，最多减少18.51%；产量较现状平均减少13.76%，最多减少24.32%。

表4　不灌溉条件下冬小麦耗水量及产量模型模拟结果

2011—2030、2046—2065、2080—2090年3个时间段内冬小麦生育期内耗水量和产量随时间的推移而减少，耗水量分别减少6.61%、9.56%、12.58%，产量分别减少9.93%、14.84%、16.81%。不灌溉条件下，冬小麦水分的供给主要受降雨控制，水分胁迫更加严重，气温的升高、降水的减少、生育期的缩短使得冬小麦耗水量及产量也呈现下降趋势并比灌溉条件下更为明显。

此外，未来不同气候变化情景下3个时期内，不灌溉与灌溉条件下冬小麦生育期内降水量与耗水量、降水量与产量、耗水量与产量均具有较好的正相关性(见图4)。其中不灌溉条件下冬小麦生育期内降水量与耗水量、降水量与产量、耗水量与产量的相关关系分别为0.84、0.88、0.89；灌溉条件下降水量与耗水量、降水量与产量、耗水量与产量的相关关系分别为0.79、0.70、0.84。

图3降水量与耗水量、降水量与产量、耗水量与产量的关系

Fig.3The relationship between precipitation and water consumption, rainfall and yield, water consumption and yield

3结论与讨论

本文利用历史气象资料和不同气候变化情景(SRA1B、SRA2、SRB1)不同大气环流模式(HadCM3、IPCM4、MPEH5、NCCCSM)的输出，结合DSSAT模型，模拟了关中地区历史和未来气候变化下3个时期(2011—2030、2046—2065、2080—2090年)不灌溉和灌溉条件下冬小麦生育期、耗水量及产量的变化规律，结果表明：未来不同气候变化条件下不同时期内，平均气温不同程度上升，降水量不同程度下降；灌溉与不灌溉条件下冬小麦生育期均缩短，并且与生育期内的平均气温存在较好的负相关关系；未来气候变化两种灌溉条件均受到水分胁迫，未来气温升高、降雨减少、生育期缩短导致冬小麦耗水量与产量较现状减少且不灌溉条件下更为明显；灌溉与不灌溉条件下冬小麦生育期内降水量与耗水量、降水量与产量、耗水量与产量均具有较好的正相关性。

居辉、孙芳等[35-36]研究表明未来气候变化条件下我国小麦不管是灌溉方式下还是雨养方式下均面临减产趋势，与本研究的灌溉和不灌溉条件得到的结果相一致。姚玉璧等[5,37]对黄土高原地区历史气象资料分析表明该地区平均气温呈现上升趋势，降水量呈现下降趋势，从而导致作物生育期缩短和作物产量减少。本文分析了未来气候变化气象因素的变化情况，未来气候变化情景下温度继续呈现上升趋势，降水量继续呈现下降趋势，随着温度的上升与降水量降低冬小麦的生育期继续缩短，产量也继续下降。

本文在作物生长模拟过程中未考虑CO2浓度变化，土壤养分(设定土壤养分充足)与病虫害(设定无病虫害)引起的冬小麦蒸发蒸腾和产量的变化，且未来气候变化情景下模型对冬小麦耗水量与产量的模拟没有考虑品种的变化带来的影响，此外，天气发生器统计降尺度的模拟过程与作物模型参数的不确定增加了模拟结果的不确定性。

冬小麦作为我国主要的粮食作物之一，面对未来气候变化带来的风险，应采取一定的措施以适应气候变化对冬小麦生产带来的负面影响。通过调整冬小麦的播期、改变其种植密度、制定合理的灌溉制度等改变生育期长度及生育期内光温水的配置，提高资源的有效利用，增加冬小麦的产量。此外，通过改变冬小麦品种的遗传改良培育适应未来气候的新品种，或引进适应于未来气候变化的新品种来提高冬小麦的产量也是未来农业发展的必然趋势。

参 考 文 献：

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Impact and simulation of climate change on water consumption and

yield of winter-wheat in Guanzhong Region

ZHANG Yan1, REN Xiao-chuan2, ZHAO Ying3, CAO Han1, FENG Hao4,5

(1.CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China；

2.AgriculturalEconomyManagementStationofQianxianCounty,Xianyang,Shaanxi713300,China；

3.CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;

4.InstituteofWaterSavingAgricultureinAridRegionsofChina,Yangling,Shaanxi712100,China;

5.NationalEngineeringResearchCenterforWaterSavingIrrigation,Yangling,Shaanxi712100,China)

Abstract：Study the effects of climate change on water consumption and yield of winter wheat is significant for mitigating the negative impact of climate change, ensuring food security and the sustainable utilization of water resources. This paper applied the LARS-WG weather generator to simulate synthetic weather data under the SRA1B, SRA2, SRB1 emission scenarios from Intergovernmental Panel on Climate Change(IPCC) using the results of General Circulation Model HadCM3、IPCM4、MPEH5 and NCCCSM. Furthermore, DSSAT model was combined to simulate the change of winter wheat growth period、yield and water consumption under irrigation and non-irrigation conditions at the history(1961—2010) and future (2011—2030、2046—2065、2080—2090) climate change scenarios. Simulation results showed that, the average temperature will increase, the precipitation will decrease during the growth season under climate change scenarios in the future. Average temperature will increase by 0.93℃, 1.76℃ and 2.87℃, and rainfall will drop by 27.40 mm, 39.37 mm and 42.50 mm respectively in three periods(2011—2030, 2046—2065, 2080—2090). Water consumption and yield will decrease in both irrigation and non-irrigation conditions under different climate scenarios (irrigation condition will reduce by 5.16% and 8.63%, while non-irrigation condition will reduce by 9.58% and 13.76%). Regardless of climate change scenarios, winter wheat growth period will be shortened under both irrigation and non-irrigation conditions and it correlates negatively with average temperature, whereas positive correlation existed between precipitation and water consumption, rainfall and yield, and water consumption and yield.

Keywords:climate change; winter wheat; water consumption; yield; DSSAT model

中图分类号：S162；S512.1+1

文献标志码：A

通信作者：冯浩(1970—)，男，陕西延安人，研究员，博士生导师，主要从事水土资源高效利用方面的研究。 E-mail：nercwsi@vip.sina.com。

作者简介：张延(1988—)，女，河北保定人，硕士，主要从事雨水资源高效利用及作物模型方面的研究。 E-mail：zhangyan0929@sina.cn。

基金项目：国家863计划项目(2013AA102904)；高等学校学科创新引智计划资助(B12007)

收稿日期：2014-11-25

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.01.34

文章编号：1000-7601(2016)01-0220-09