未来升温情景下中国马铃薯产量和水分利用效率变化

唐建昭，柏会子，郑艳东，周海涛，张新军，刘剑锋，郭风华，王仁德，肖登攀，王 靖

未来升温情景下中国马铃薯产量和水分利用效率变化

唐建昭1，柏会子1，郑艳东2，周海涛3，张新军3，刘剑锋1，郭风华1，王仁德1，肖登攀4，王 靖5※

（1. 河北省科学院地理科学研究所/河北省地理信息开发应用技术创新中心，石家庄 050011；2. 河北省国土整治中心，石家庄 050031；3. 张家口市农业科学院，张家口 075000；4. 河北师范大学地理科学学院，石家庄 050024；5. 中国农业大学资源与环境学院，北京 100193）

升温和降水变化对全球马铃薯生产构成巨大挑战。揭示未来升温1.5 和2.0 ℃情景下中国不同种植区马铃薯产量和水分利用的变化，对保障中国粮食安全具有重要意义。该研究基于中国不同地区的气候条件和种植制度，将全国马铃薯种植区划分为北方一作区、中原二作区、南方冬作区和西南混作区。进而，基于未来全球气温与基准期（1986－2005）的差值，推算得出全球升温达到1.5和2.0 ℃的时段分别为2016－2035年和2028－2047年。在全国马铃薯种植区共选择7个马铃薯典型品种。该研究基于气候模式通过降尺度获取的未来气象数据，驱动充分校正的APSIM-Potato模型，模拟分析未来升温1.5 ℃（2016－2035年）和2.0 ℃（2028－2047年）情景下中国不同种植区雨养和灌溉（基于土壤水分亏缺模型启动自动灌溉）马铃薯产量和水分利用的变化。结果表明：基准期（1986－2005年），雨养马铃薯产量、生育期蒸散量（evaportranspiration，ET）和水分利用效率（water use efficiency，WUE）分别为0.05～52.40 t/hm2、7～454 mm和3～193 kg/(mm·hm2)，与基准期相比，升温1.5 ℃情景下，北方一作区和中原二作区马铃薯产量和ET呈增加趋势，产量分别增加1.46%和1.93%，ET分别增加3.14%和2.93%；南方冬作区和西南混作区产量和ET呈下降趋势，产量分别下降4.51%和12.74%，ET分别下降2.23%和8.44%；4个种植区马铃薯WUE均呈下降趋势。升温2.0 ℃情景下，北方一作区、中原二作区和南方冬作区马铃薯产量和ET均呈增加趋势，产量分别增加15.48%、1.54%和3.27%，ET分别增加12.12%、4.63%和4.19%，西南混作区产量和ET分别降低8.82%和8.29%；北方一作区马铃薯WUE呈增加趋势，其他3个区下降0.57%～3.25%。基准期（1986－2005年），灌溉马铃薯产量、ET和WUE分别为6.80～59.60 t/hm2、151～631 mm和7.90～163.60 kg/(mm·hm2)，与基准期相比，升温1.5℃情景下，北方一作区和中原二作区产量呈增加趋势，分别增加3.60%和3.00%，南方冬作区和西南混作区分别下降1.12%和11.79%；ET在北方一作区、中原二作区和西南混作区呈增加趋势，分别增加4.63%、3.99%和2.14%，在西南混作区下降4.87%；4个种植区马铃薯WUE均呈下降趋势。升温2.0 ℃情景下，北方一作区、中原二作区和南方冬作区产和ET均呈增加趋势，产量分别增加5.63%、6.82%和6.46%，ET分别增加11.94%、8.58%和7.12%，马铃薯西南混作区产量和ET分别下降8.56%和5.31%；4个种植区WUE均呈下降趋势。研究结果表明未来升温使北方一作区和中原二作区雨养和灌溉马铃薯增产，而导致南方冬作区和西南混作区减产。该研究可为中国马铃薯生产适应未来气候变化提供理论指导。

气候变化；产量；蒸散量；马铃薯；APSIM-Potato

0 引 言

1910－2010年全球气温不断上升，1986－2005年平均气温相比工业革命之前（1850－1900年）已上升0.61 ℃[1]。气候变暖已对农业生产和水资源利用等产生重要影响，并且持续升温会产生进一步影响[2-3]。为降低气候变化引起的风险和影响，《联合国气候变化框架公约》（United Nations Framework Convention on Climate Change，UNFCCC）近200个缔约方一致同意通过《巴黎协定》，将全球平均地表温度较工业前水平升高控制在2.0 ℃之内，并为控制在1.5 ℃内努力[4]。中国水资源短缺，人均水资源占有量仅为全球平均水平的四分之一[5]，农业用水的比例更是由1949年的97.10%下降到2011年的61.30%[6]。未来升温将进一步增加农业用水的供需矛盾，因此，揭示未来升温情景下农作物水分利用的变化对保证农业水资源的可持续利用具有重要意义。

马铃薯是全球第四大口粮作物，其总产量仅次于玉米、水稻和小麦[7-8]。中国是马铃薯主产国，中国马铃薯总产和播种面积在全球的占比均超过四分之一[9]。中国马铃薯种包括4个植区，分别为北方一作区、中原二作区、南方冬作区和西南混作区[10]。然而，由于气候和管理措施的差异，不同种植区马铃薯产量变异较高，收获的单产在4～33 t/hm2之间[11]。马铃薯是喜凉作物，并且对水分变化敏感，过去几十年以升温为主的气候变化显著影响马铃薯生产[12]。前人研究指出气候变暖导致马铃薯生育期内气候适宜度、生产潜力和单产水平降低[13-15]。气候变暖伴随降水减少导致马铃薯水分利用效率显著降低，并且气候变化背景下导致马铃薯水分利用效率变化的不确定性因素增加[16]。

未来升温1.5和2.0 ℃对中国农作物生产的影响研究主要集中在小麦[25]、玉米[26]和水稻[27]上，而对中国4个种植区马铃薯的产量、蒸散量和水分利用效率的影响鲜有研究。揭示未来升温对中国不同种植区马铃薯产量和水分利用的影响，对精准制定马铃薯生产适应未来气候变化的策略具有重要意义。因此，本研究基于气候模式通过降尺度获取的未来气象数据，驱动APSIM-Potato模型，模拟分析未来升温1.5和2.0 ℃对中国不同种植区马铃薯产量和水分利用的影响，以期为中国不同种植区马铃薯生产适应未来气候变化提供指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

马铃薯与水稻、小麦和玉米共同成为中国协调发展的四大主要粮食作物。基于不同地区的气候特点、地貌地形和马铃薯种植时间及收获时间，中国马铃薯的主要种植区被划分为北方一作区、中原二作区、南方冬作区和西南混作区[28]。本研究基于国家统计局马铃薯种植数据和未来气候情景数据，在中国四大马铃薯主产区共选取123个站点作为研究区（图1），具体包括北方一作区70个，中原二作区25个，南方冬作区10个，西南混作区18个。

1.2 气候数据

历史（1981－2017年）气候观测资料来自中国地面气候资料数据集，包括日尺度的最高和最低温度、降水量和日照时数。其中，日照时数用于计算辐射，计算方法为Angström方程[7]。

注：西藏马铃薯均为春季播种，且一年种植一季，因此将西藏5个站点划分到北方一作区。

未来气候情景数据包括日尺度辐射、温度和降水数据，来自CMIP6中的BCC-CSM2-MR （BCC）全球气候模式，前人研究表明BCC气候模式可以较好地模拟中国的气候变化[29-31]。全球气候模式数据为月尺度的格点数据，通过空间降尺度和时间降尺度2个步骤将月尺度的格点数据转化为站点尺度的逐日数据，气象数据空间降尺度和时间降尺度的具体步骤和方法详见文献[32]。

全球升温1.5和2.0 ℃出现的时间基于CMIP6驱动全球气候模式的模拟结果确定。本研究选取气温的20 a滑动平均值确定升温幅度[4]：首先，基于气候模式模拟的未来全球气温与基准期（1986－2005）的差值，加上0.61 ℃（基准期相对于工业革命前平均增温0.61 ℃[1]），得到逐年全球升温。然后，对计算出的逐年升温幅度进行20 a滑动平均，找到升温达到1.5和2.0 ℃的年份，前后各推10 a。基于BCC全球气候模式，相对于基准期升温1.5和2.0 ℃的时间段分别为2016－2035年和2028－2047年。

1.3 APSIM-Potato模型介绍及试验数据

APSIM-Potato模型的核心模块包括作物模块、土壤水模块、土壤氮模块、土壤有机质模块和管理模块。模型基于辐射、温度、光周期、土壤水和氮肥，以日为步长，模拟马铃薯的生长发育、干物质积累和产量形成等。基于已发表的文献数据[10]，本研究在不同种植区共选择7个典型品种，北方一作区包括康尼贝科、克新一号和费乌瑞它；中原二作区包括兴佳-2号、大西洋和费乌瑞它；南方冬作区包括兴佳-2号、大西洋和费乌瑞它；西南混作区包括丽薯-6号、青薯-9号和费乌瑞它。

1.4 模型模拟设置

APSIM-Potato模型中的土壤参数来自中国土壤数据库（http://www.soil.csdb.cn/），主要包括土壤容重、凋萎含水率、田间持水量、饱和含水率和土壤养分含量等理化数据。

由表1可见,在治疗前,两组VAS评分比较差异无统计学意义(P>0.05),组间具有可比性,治疗后,两组组内治疗前后VAS评分比较差异具有统计学意义(P<0.01),说明两种方法均能减轻患者的疼痛;两组VAS评分组间比较,差异具有统计学意义(P<0.05),且针刀组治疗后VAS评分减少的更多,说明针刀松解术在改善KOA疼痛方面效果更好。

模型调参和验证所用的方法为“试错法”。北方一作区模型调参和验证均基于武川站试验数据。中原二作区模型调参基于钦州站试验数据，验证基于金华站马铃薯试验数据。南方冬作区模型调参和验证基于九江站试验数据。西南混作区模型调参基于江川站试验数据，验证基于新平站试验数据。经过验证的7个品种的参数见表1[10]。

前期研究表明：APSIM-Potato模型可以较为准确地模拟中国不同马铃薯种植区各品种的生育期和产量（图2）。调参和验证结果显示马铃薯播种-出苗期的模拟值和观测值的相对均方根误差（relative root mean square error，RRMSE）为8.90%（图2a）；出苗-薯块形成期的模拟值和观测值的RRMSE为13.50%（图2b）；薯块形成-成熟期的模拟值和观测值的RRMSE为7.90%（图2c）。马铃薯模拟产量和实测产量的RRMSE为17.1%（图2d）。

表1 7个马铃薯品种在APSIM-Potato模型中的参数设置

注：RRMSE为相对均方根误差。 Note: RRMSE is relative root mean square error.

模型设置中，雨养和灌溉马铃薯播种密度相同，北方一作区、中原二作区、南方冬作区和西南混作区马铃薯种植密度分别为50 000、65 000、70 000和50 000株/hm2，播期选择当地的常规播期。基于土壤水分亏缺量（田间持水量和当前土壤水分的差值）制定灌溉方案，当100 cm土层深度的土壤水分亏缺量大于30 mm时，模型启用自动灌溉。为保证马铃薯生长不受氮肥胁迫，模型启用自动施肥功能。长时间序列模拟中，北方一作区为连续模拟。其他3个种植区考虑到轮作影响，每年模拟起始期重置土壤水分。并且，本研究中考虑了CO2施肥效应，1981－2100年的逐年CO2浓度基于式（1）进行计算[33]：

式中C为年份的CO2浓度，为1981–2100年所对应的年份。

1.5 未来升温1.5和2.0 ℃对马铃薯水分利用的影响评估

升温1.5 ℃和2.0 ℃对马铃薯产量、蒸散量和水分利用效率的影响采用式（2）～（6）进行计算：

ΔY=(Y−0)/0×100% （2）

ΔT=(T−0)/0×100% （3）

ΔE=(E−0)/0×100% （4）

T=E+E（5）

E=Y/T（6）

式中Y、T和E（=0、1.5或2.0）分别代表基准期、升温1.5或2.0 ℃情景下马铃薯产量、蒸散量和水分利用效率。蒸腾量根据模拟的马铃薯生育期内蒸腾量（transpiration，E）与土壤蒸发量（evaporation，E）求和。水分利用效率为马铃薯鲜薯产量和蒸散量的比值。

2 结果与分析

2.1 基准期、升温1.5和2.0 ℃情景下马铃薯生长季内平均温度和降水

基准期（1986－2005年），北方一作区、中原二作区、南方冬作区和西南混作区马铃薯生长季平均温度分别为17.65、16.93、19.24和21.71 ℃，总降水量分别为402、698、513和947 mm；与基准期相比，升温1.5 ℃情景下，生长季平均温度分别升高0.88、1.00、0.87和0.54 ℃，生长季总降水量分别增加22、18、17和36 mm；升温2.0 ℃情景下，生长季平均温度分别升高1.45、1.57、1.44和1.00 ℃，生长季总降水量分别增加43、22、24和55 mm（图3）。

图3 基准期（1986－2005年）、升温1.5和2.0 ℃情景下马铃薯生长季平均温度和降水量

2.2 未来升温1.5和2.0 ℃情景下雨养马铃薯产量、ET和WUE的变化

基准期（1986－2005年），雨养马铃薯产量、ET和WUE分别为0.05～52.40t/hm2（图4a）、7～454 mm（图4b）和3～193 kg/(mm·hm2)（图4c）。中原二作区产量最高（31.00 t/hm2），南方冬作区最低（22.80 t/hm2）。ET和WUE均是中原二作区最高，南方冬作区最低（表2）。与基准期相比，升温1.5 ℃情景下，不同种植区产量、ET和WUE的变化范围分别为−78.80%～165.20%（图4d）、−33.50%～51.30%（图4e）和−50.20%～137.80%（图4f）。北方一作区和中原二作区产量分别增加1.46%和1.93%，南方冬作区和西南混作区分别下降4.51%和12.74%。北方一作区和中原二作区ET分别增加3.14%和2.93%，南方冬作区和西南混作区分别下降2.23%和8.44%（表2）。不同种植区WUE均呈下降趋势，其中西南混作区下降幅度最大（6.64%），中原二作区下降幅度最小（0.10%）（表2）。升温2.0 ℃情景下，不同种植区产量、ET和WUE的变化范围分别为−81.10%～187.90%（图4g）、−34.90%～88.20%（图4h）和−52.10%～155.80%（图4i）。北方一作区、中原二作区和南方冬作区产量分别增加15.48%、1.54%和3.27%，西南混作区降低8.82%。北方一作区、中原二作区和南方冬作区ET分别增加12.12%、4.63%和4.19%，西南混作区降低8.29%。北方一作区WUE增加9.76%，中原二作区、南方冬作区和西南混作区分别下降2.78%、0.57%和3.25%（表2）。

2.3 未来升温1.5和2.0 ℃情景下灌溉马铃薯产量、ET和WUE的变化

基准期（1986－2005年），灌溉马铃薯产量、ET和WUE分别为6.80～59.60 t/hm2（图5a）、151～631 mm（图5b）和7.90～163.60 kg/(mm·hm2)（图5c）。北方一作区产量最高（42 t/hm2），南方冬作区最低（23 t/hm2）。北方一作区ET最高，南方冬作区最低。南方冬作区WUE最高，为122.50 kg/(mm·hm2)，西南混作区最低，为79.10 kg/(mm·hm2)（表3）。升温1.5 ℃情景下，不同种植区产量、ET和WUE的变化范围分别为−77.90%～164.10%（图5d）、−25.10%～35.50%（图5e）和−72.30%～109.20%（图5f）。北方一作区和中原二作区产量分别增加3.60%和3.00%，南方冬作区和西南混作区分别下降1.12%和11.79%。北方一作区、中原二作区和南方冬作区生育期ET分别增加4.63%、3.99%和2.14%，西南混作区下降4.87%。不同种植区WUE均呈下降趋势，北方一作区、中原二作区、南方冬作区和西南混作区分别降低1.16%、0.74%、3.32%和11.44%（表3）。升温2.0 ℃情景下，不同种植区产量、ET和WUE的变化范围分别为−80.40%～198.30%（图5g）、−24.10%～104.30%（图5h）和−78.60%～147.40%（图5i）。北方一作区、中原二作区和南方冬作区产量分别增加5.63%、6.82%和6.46%，西南混作区下降8.56%。北方一作区、中原二作区和南方冬作区生育期ET分别增加11.94%、8.58%和7.12%，西南混作区下降5.31%。不同种植区WUE均呈下降趋势，北方一作区、中原二作区、南方冬作区和西南混作区分别下降2.34%、1.27%、1.12%和6.69%（表3）。

2.4 未来升温1.5和2.0 ℃情景下马铃薯生育期蒸腾量和土壤蒸发量的变化

基准期（1986－2005年），北方一作区、中原二作区、南方冬作区和西南混作区雨养马铃薯生育期蒸腾量（E）分别为137、176、82和108 mm（图6a）；雨养马铃薯生育期土壤蒸发量（E）分别为141、107、62和104 mm（图6b）；灌溉E分别为229、271、93和158 mm（图6c）；灌溉E分别为171、122、110和138 mm（图6d）。升温1.5 ℃情景下，雨养E在北方一作区和中原二作区分别增加16.90%和7.30%，南方冬作区和西南混作区分别下降16.30%和15.90%（图6a）；雨养E在北方一作区增加最多（23.90%），西南混作区增加最少（1.90%）（图6b）；灌溉E在北方一作区、中原二作区和南方冬作区分别增加9.60%、4.40%和4.90%，西南混作区下降13.60%（图6c）；灌溉E在中原二作区增加最多（18.80%），南方冬作区增加最少（7.40%）（图6d）。升温2.0 ℃情景下，雨养E在北方一作区、中原二作区和南方冬作区分别增加14.50%、11.30%和10.40%，西南混作区下降14.30%（图6a）；雨养E在北方一作区增加最多（25.60%），中原二作区增加最少（8.90%）（图6b）；灌溉E在北方一作区、中原二作区和南方冬作区分别增加15.40%、13.60%和10.60%，西南混作区下降18.20%（图6c）；灌溉E在中原二作区增加最多（22.10%），西南混作区增加最少（6.60%）（图6b）。

图4 中国雨养马铃薯基准期产量、生育期蒸散量和水分利用效率及其在升温1.5和2.0 ℃情景下的变化分布

表2 中国不同区域雨养马铃薯基准期平均产量、生育期蒸散量和水分利用效率及其在升温1.5和2.0℃情景下的变化

注：0、0和0分别为基准期产量、ET 和WUE; Δ1.5℃和Δ2.0℃分别为相应指标的变化率。

Note:0,0and0are yield, ET and WUE in the baseline, and Δ1.5℃ and Δ2.0℃ are change of the corresponding index, respectively.

图5 中国灌溉马铃薯基准期产量、生育期蒸散量和水分利用效率及其在升温1.5和2.0 ℃情景下的变化分布

表3 中国不同区域灌溉马铃薯基准期平均产量、生育期蒸散量和水分利用效率及其在升温1.5和2.0 ℃情景下的变化

图6 基准期、升温1.5 ℃和2.0 ℃情景下雨养和灌溉马铃薯生育期内蒸腾量和土壤蒸发量

3 讨 论

全球变暖显著影响作物产量和水分利用[34-35]。本研究表明全球升温1.5 ℃情景下，北方一作区和中原二作区马铃薯产量上升，南方冬作区和西南混作区下降。一方面，气候变暖加速马铃薯生长速率，缩短生育期长度[19,24]。另一方面，当基准期温度低于马铃薯最适温度时，在一定范围内升温对马铃薯产生正面影响，然而，当高于最适温度时，升温将产生负面影响[9]。相关研究表明，马铃薯生长的最适温度为18 ℃[36]。北方一作区和中原二作区基准期生长季平均温度低于马铃薯最适温度，升温使生育期内温度更接近最适温度，并且伴随CO2浓度上升和降水量增加，因此北方一作区和中原二作区马铃薯产量在全球升温1.5 ℃情景下呈上升趋势（图3）。南方冬作区和西南混作区基准期生长季平均温度高于最适温度，未来升温导致这两个地区产量下降。全球升温2.0 ℃情景下，北方一作区、中原二作区和南方冬作区产量呈上升趋势，这主要是因为CO2施肥作用（相比于基准期增加27.10%）和降水增加对增产的正效应高于温度升高产生的负效应（图3）。因此，未来气候变化情景下，南方冬作区和西南混作区应通过优化管理措施降低升温对马铃薯的负效应，如调整播期[9]、选育耐高温品种[18]和合理灌溉[19]等适应措施。

定量揭示全球升温背景下马铃薯水分利用的变化，对制定适宜的灌溉方案具有重要意义[37-38]。本研究表明，全球升温1.5 ℃导致北方一作区和中原二作区雨养ET上升，南方冬作区和西南混作区下降，而灌溉ET仅在西南混作区下降。ET由土壤蒸发和植株蒸腾2部分组成，其中任何一部分变化都会使ET发生变化[39]。全球增温1.5 ℃导致土壤蒸发量增加，并且，雨养条件下升温促进北方一作区和中原二作区马铃薯生长，增加植株蒸腾量，因此北方一作区和中原二作区雨养马铃薯ET增加。升温进一步抑制了南方冬作区和西南混作区马铃薯的生长，减少干物质积累量，导致蒸腾量下降，并且降低的蒸腾量高于增加的土壤蒸发量，因此，南方冬作区和西南混作区雨养马铃薯ET降低。灌溉马铃薯ET在北方一作区、中原二作区和南方冬作区呈上升趋势，在西南混作区呈下降趋势，这主要是因为灌溉进一步增加蒸腾量和土壤无效蒸发量，因此，全球升温1.5 ℃情景下北方一作区、中原二作区和南方冬作区ET增加。西南混作区植株蒸腾的降低量高于土壤蒸发的增加量，因此ET下降（图6）。全球升温2.0 ℃情景下，雨养和灌溉马铃薯ET均在北方一作区、中原二作区和南方冬作区呈上升趋势，在西南混作区呈下降趋势，这主要是因为全球升温2.0 ℃情景下，土壤蒸发量继续升高，并且由于CO2浓度的升高（相比于基准期增加27.10%）和降水量的增加，蒸腾量也增加，因此，北方一作区、中原二作区和南方冬作区ET增加，而西南混作区马铃薯蒸腾下降量高于土壤蒸发增加量，因此该地区ET下降（图6）。综上，全球升温导致马铃薯生育期内土壤无效蒸发增加，未来升温情景下各种植区应进一步应用覆膜、秸秆覆盖和合理密植[11]等方式降低土壤无效蒸发量。

作物产量和生育期耗水量共同决定其水分利用效率[35]。前人研究表明，在不考虑CO2肥力效应的条件下，气候变化显著降低马铃薯WUE[16]。本研究表明，全球升温1.5 ℃情景下，中国4个种植区雨养和灌溉马铃薯WUE均呈下降趋势。这主要是因为，北方一作区和中原二作区雨养马铃薯产量上升幅度低于耗水量上升幅度，而南方冬作区和西南混作区产量下降幅度高于耗水量下降幅度，尤其灌溉条件下南方冬作区马铃薯耗水量呈上升趋势，因此4个种植区马铃薯WUE均呈下降趋势（表3和表4）。全球升温2.0 ℃情景下，雨养马铃薯WUE在北方一作区呈上升趋势，在其他3个种植区呈下降趋势，灌溉马铃薯WUE在4个种植区均呈下降趋势。这主要是因为，雨养条件下，北方一作区马铃薯产量增加幅度高于耗水量增加幅度，因此北方一作区马铃薯WUE呈上升趋势，雨养条件其他种植区和灌溉条件下4个种植区马铃薯WUE下降机理与全球升温1.5 ℃情景相同。基于以上研究结果，未来升温情景下提升不同种植区马铃薯水分利用效率，北方一作区和中原二作区应优化管理措施进一步降低生育期内耗水量（如降低土壤无效蒸发），而南方冬作区和西南混作区应优化管理措施进一步提高马铃薯产量。

本研究基于未来气候情景数据，驱动APSIM-Potato模型，模拟分析了全球升温1.5和2.0 ℃情景下雨养和灌溉马铃薯产量、ET和WUE的变化，研究结果为中国马铃薯生产适应未来气候变化提供重要的理论依据。当前研究仍存在以下不足：1）本研究只选择马铃薯单一种植模式，对轮作和套作等系统考虑较少，下一步应考虑更多种植系统。2）马铃薯生长对氮肥敏感，本研究中未充分考虑不同施氮水平下马铃薯产量和水分利用的变化。3）本研究只模拟分析了全球气候升温对马铃薯生产的影响，未揭示适应措施，下一步应基于不同种植区的特点提出不同的适应措施。4）本研究基于IPCC第五次评估报告提出的升温数值，下一步研究应结合最新的IPCC评估报告开展。

4 结 论

本研究基于土壤数据、田间管理数据和未来气候情景数据驱动充分校正的APSIM-Potato模型，模拟分析了全球升温1.5和2.0 ℃情景下马铃薯产量和水分利用的变化。主要结论如下：

1）升温1.5 ℃情景下，雨养和灌溉马铃薯产量在北方一作区和中原二作区呈增加趋势，在南方冬作区和西南混作区呈下降趋势。升温2.0 ℃情景下，雨养和灌溉马铃薯产量在北方一作区、中原二作区和南方冬作区呈上升趋势，在西南混作区呈下降趋势。

2）升温1.5 ℃情景下，雨养和灌溉马铃薯蒸散量（ET）在北方一作区和中原二作区呈增加趋势，在南方冬作区和西南混作区呈下降趋势。升温2.0 ℃情景下，雨养和灌溉马铃薯ET在北方一作区、中原二作区和南方冬作区呈上升趋势，在西南混作区呈下降趋势。

3）升温1.5 ℃情景下，雨养和灌溉马铃薯WUE在不同种植区均呈下降趋势；升温2.0 ℃情景下，雨养马铃薯WUE仅在北方一作区呈上升趋势，其他种植区呈下降趋势，灌溉马铃薯WUE在不同种植区均呈下降趋势。

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Variations of potato yield and water use efficiency in China under future global warming scenarios

TANG Jianzhao1, BAI Huizi1, ZHENG Yandong2, ZHOU Haitao3, ZHANG Xinjun3, LIU Jianfeng1, GUO Fenghua1, WANG Rende1, XIAO Dengpan4,WANG Jing5※

(1.,,,050011,; 2.,050031; 3.,075000,; 4.,,050024,; 5.,100193)

Rising temperature and varying precipitation have posed huge challenges to the potato production in the world. Revealing changes of potato yield and water use efficiency (WUE) under 1.5 and 2.0 ℃ global warming, has significance for food security in China. In this study, based on the different climate conditions and cropping systems found in China, we divided the entire potato planting area across China into four zones, i.e., the north single cropping system zone, the central double cropping system zone, the south winter cropping system zone and the southwest mixed cropping system zone. Then, the 1.5℃ and 2.0 ℃ warming scenarios were generated based on the baseline period of 1986-2005, and the two warming scenarios were anticipated during 2016-2035 and 2028-2047. 7 typical potato cultivars were selected for whole potato planting area in China. APSIM-Potato model (version 7.6) was used in this study. To assess the impacts of global warming on potato water use, APSIM-Potato was drive by daily climate data under three climate scenarios of baseline, 1.5 ℃ and 2.0 ℃ warming under rainfed and irrigated treatment. Results showed that: Rainfed potato yield, evapotranspiration (ET) and WUE were 0.05-52.40 t/hm2, 7-454 mm and 3-193 kg/(mm·hm2), respectively during the baseline period (1986-2005). Compared with base line period, under 1.5 ℃ global warming scenario, rainfed potato yield increased by 1.46% and 1.93% in north single and central double cropping system, and the ET increased by 3.14% and 2.93% in the two regions, in south winter and southwest mixture cropping systems, the yield decreased by 4.51% and 12.74%, and ET decreased by 2.23% and 8.44% in the two regions. WUE decreased by 0.10%-6.64% in the four potato planting regions across China. Under 2.0 ℃ global warming scenario, potato yield increased by 15.48%, 1.54% and 3.27% in the north single, central double and south winter cropping systems, and the ET increased by 12.12%, 4.63% and 4.19% in the three regions, while the yield and ET decreased by 8.82% and 8.29% in southwest mixture cropping systems. WUE increased by 9.76% in north single cropping system, while decreased by 0.57%-3.25% in other three regions. Irrigated potato yield, ET and WUE were 6.80-59.60 t/hm2, 151-631 mm and 7.90-163.60 kg/(mm·hm2), respectively during the baseline period. Under 1.5 ℃ global warming scenario, potato yield increased by 3.60% and 3.00% in north single and central double cropping systems, while decreased by 1.12% and 11.79% in south winter and southwest mixture cropping systems. ET increased by 4.63%, 3.99% and 2.14% in north single, central double and south winter cropping systems, while decreased by 4.87% in southwest mixture cropping systems. WUE decreased by 0.74%-11.44% in the four potato planting regions across China. Under 2.0℃ global warming scenario, the yield increased by 5.63%, 6.82% and 6.46%, respectively in north single, central double and south winter cropping systems, and the ET increased by 11.94%, 8.58% and 7.12%, respectively in the three regions, potato yield and ET decreased by 8.56% and 5.31% in southwest mixture cropping systems. WUE decreased by 1.12%-6.69% in the four planting regions across China. This study showed that future global warming would have positive impacts on potato yield in north single and central double cropping system, while decrease the yield in south winter and southwest mixture cropping systems. This study can provide a theoretical guidance for potato production to adapt to future climate change in China.

climate change; yield; evapotranspiration; potato; APSIM-Potato

2022-07-29

2022-12-26

河北省自然科学基金项目（C2021302004）

唐建昭，博士，副研究员，研究方向为农业生产系统模拟。Email：tjzcau@163.com

王靖，博士，教授，研究方向为农业生产系统模拟与气候变化影响评估。Email：wangj@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.202207276

S162.3

A

1002-6819(2023)-07-0157-10

唐建昭，柏会子，郑艳东，等. 未来升温情景下中国马铃薯产量和水分利用效率变化[J]. 农业工程学报，2023，39(7)：157-166. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202207276 http://www.tcsae.org

TANG Jianzhao, BAI Huizi, ZHENG Yandong, et al. Variations of potato yield and water use efficiency in China under future global warming scenarios[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(7): 157-166. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202207276 http://www.tcsae.org