气候变化对华北平原主要农作物生长影响研究——以冬小麦、夏玉米为例

肖薇薇,许晶晶

(1.安康学院,陕西 安康 725000;2.陕西省安康市汉江水资源保护与利用工程技术研究中心,陕西 安康 725000;3.中国科学院 遗传与发育生物学研究所 农业资源研究中心,河北 石家庄 050021;4.江西省农业科学院 农业经济与信息研究所,江西 南昌 330200)



气候变化对华北平原主要农作物生长影响研究
——以冬小麦、夏玉米为例

肖薇薇1,2,3,许晶晶4

(1.安康学院,陕西 安康 725000;2.陕西省安康市汉江水资源保护与利用工程技术研究中心,陕西 安康 725000;3.中国科学院 遗传与发育生物学研究所 农业资源研究中心,河北 石家庄 050021;4.江西省农业科学院 农业经济与信息研究所,江西 南昌 330200)

摘要：为了探讨未来气候变化对华北平原区农业生产的可能影响,收集了中国科学院栾城试验站15年的田间试验资料,下载了HadCM3气候模式A2、B2情景下2050s以及2080s气象资料,将降尺度后的气象资料输入DSSAT模型,模拟了未来冬小麦、夏玉米生育期、耗水量和产量的变化。结果表明:在未来气候情景下,栾城日均温将明显升高,冬小麦、夏玉米的生育期均将缩短,耗水量总体上均减少，冬小麦产量增加，夏玉米产量下降;将现有的中熟玉米品种调整为晚熟品种后,在未来气候情景下,冬小麦的生育期将缩短，耗水量将减少,产量将明显增加，而夏玉米的生育期将延长，耗水量将增加,产量将与现在相差不大。因此，调整作物品种是华北平原未来农业适应气候变化的重要途径。

关键词：气候变化;耗水量;生育期;产量;冬小麦;夏玉米;华北平原

0引言

根据政府间气候变化专门委员会(IPCC)第四次气候变化综合报告和中国第二次气候变化国家评估报告[1-3],未来20～100年中国地表气温将明显升高,其中北方增暖将大于南方,冬、春季增暖将大于夏、秋季;与此同时,中国未来20～100年降水量将呈增加趋势,其中降水日数将在北方显著增加,南方变化不大,从而将对农业用水造成影响。未来气候变化带来的气温升高将使作物生育期缩短、产量下降,在现有的种植品种和生产水平保持不变的前提下,气温每增高1 ℃,冬小麦生育期会平均缩短17 d左右,减产幅度为10%～12%;玉米生育期会缩短7 d左右,产量平均下降5%～6%[4-5]。

华北平原是我国重要的粮食产区,气候变暖使华北平原热量资源更加丰富,但在过去47年华北区域年降水量呈下降趋势[6]。未来天气条件变化可能会对华北主要作物生产带来不利影响,其中冬小麦的生育期可能平均缩短8.4 d,产量平均下降10.1%;夏玉米生育期可能缩短4～7 d,产量下降13.2%～19.1%[7-9]。为了进一步探索农业生产适应气候变化的对策,我们利用农业技术转移决策支持系统(Decision Support System for Agrotechnology Transfer, DASST)模拟了栾城于2050s(2040～2059年)和2080s (2070～2089年)分别在A2(CO2中高排放)、B2(CO2中低排放)情景下冬小麦、夏玉米的生长过程,分析了未来气候变化对冬小麦和夏玉米生育期、耗水量和产量的影响；并通过比较作物品种改变前后的生育期、耗水量和产量,探讨了通过改变作物品种来适应气候变化的可行性,以期为该区未来农业种植结构调整以及农业可持续发展提供科学依据。

1研究区概况、研究数据和方法

1.1研究区概况

中国科学院栾城农业生态系统实验站位于河北省栾城县,地处北纬37°53'、东经114°41',海拔50.1 m,年平均气温12.2 ℃,年均降水量530.0 mm。该区是华北平原北部的太行山山前冲积扇平原,属暖温带半湿润季风气候;土壤类型以潮褐土为主,代表华北平原北部典型潮褐土高产农业生态类型。

1.2研究数据及方法

1.2.1气象数据1961～2010年逐日气象资料来源于栾城实验站地面气象观测站。为了便于与未来进行比较,选取1986～2005年20年数据的平均值作为背景值；2050s数据是2040～2059年的平均值,2080s数据是2070～2089年的平均值。2050s和2080s在A2、B2情景下的逐日气象资料来源于HadCM3模式的模拟结果,这是因为HadCM3对中国地区模拟结果较好[10]。由于HadCM3输出的气象资料的网格分辨率过低,因此使用统计降尺度模型SDSM(Statistical DownScaling Model)[11-13]对HadCM3输出的气象资料进行空间降尺度。应用SDSM方法进行统计降尺度需要3类数据:站点实测日资料、美国环境预报中心(NCEP)的再分析日资料和气候模型模拟的当前和未来气候条件下的日资料。选择站点实测的1961～1990年的资料标定SDSM模型,用站点实测的1991～2000年的资料验证模型。

1.2.2DSSAT模型 DSSAT模型以1 d为步长模拟作物生长,需要的输入数据包括田间管理数据、土壤数据、作物品种遗传特性参数以及逐日气象数据。在华北地区,作为前期工作,已选取栾城生态农业试验站的大量野外观测试验数据及15年间逐日气象数据,对模型(DSSAT-WHEAT、DSSAT-CORN)的适应性、参数、源程序进行了校验。为了进一步预测未来全球气候变化对华北平原冬小麦、夏玉米生长的影响,本文选用DSSAT (Version 3.5)中的CERES-Maize、CERES-Wheat模块模拟栾城冬小麦/夏玉米轮作系统中作物的生长发育过程。玉米品种为“郑单958”,播种日期为6月11日～6月19日,收获日期为9月22日～10月2日;小麦品种为“4185”,播种日期为10月3日～10月10日,收获日期为6月3日～6月11日。

2结果与分析

2.1基于SDSM模型的未来温度变化趋势

从图1可以看出：在1986～2012年期间,年均温有明显的增高趋势,增幅达到1.00 ℃；此27年间的平均温度达到14.08 ℃,期间1986年仅13.00 ℃,为最低,1998年达15.07 ℃,为最高;自1994年年均温超过14.00 ℃后,仅1996、2000、2003三年的年均温低于14.00 ℃;与1986～2005年20年的平均温度(14.00 ℃)相比，2050s、2080s增温明显,在A2情景下分别增温0.6、1.9 ℃，在B2情景下分别增温0.5、1.2 ℃。

在1986～2012年间,≥10 ℃的年积温有明显的增加趋势,增加幅度达到328 ℃·d；此27年间≥10 ℃的年积温平均值为4755 ℃·d,期间1986年仅4393 ℃·d，为最低,2006年达5105 ℃·d，为最高；1998(年均温最高)、2005、2006、2010年的年积温均高于5000 ℃·d；1986～2005年20年的年积温平均值为4671 ℃·d，与此平均值相比，2050s、2080s的年积温增加明显,在A2情景下分别增加738、127 ℃·d，在B2情景下分别增加1167、354 ℃·d(图2)。

图2　栾城1986～2099年在A2、B2情景下≥10 ℃年积温变化趋势

2.2当前冬小麦、夏玉米品种在未来气候下生育期、耗水量和产量变化

将未来A2、B2情景下不同时间段的温度和CO2浓度值带入DSSAT模型,模拟现有的冬小麦和夏玉米品种在未来气候条件下生育期、耗水量、产量的变化。

如表1所示,冬小麦在现有(1986～2005年)气候条件下,平均生育期为243 d,平均耗水量为475 mm,平均产量为6383 kg/hm2。与当前气候条件下的数据相比：在A2情景下,2050s和2080s冬小麦的平均生育期将分别缩短8和16 d，耗水量将分别减少16和36 mm，产量将分别增加1348和100 kg/hm2；在B2情景下,2050s和2080s冬小麦的平均生育期将分别缩短6和12 d，耗水量将分别增加5和0 mm，产量将分别增加1118和640 kg/hm2。总体来说,在保持当前品种不变的情况下,未来冬小麦的生育期将呈缩短趋势,耗水量呈减少趋势，产量呈增加趋势，冬小麦在未来气候变化下受到的影响较小。

表1　当前冬小麦品种在未来气候下生育期、

从表2可以看出：夏玉米在现有气候条件下,平均生育期为106 d,平均耗水量为416 mm,平均产量为7924 kg/hm2；与当前气候条件下的数据相比,在A2情景下,2050s和2080s夏玉米的生育期将分别缩短17和22 d，耗水量将分别减少119和126 mm，产量将分别下降2203和2592 kg/hm2；在B2情景下,2050s和2080s夏玉米的生育期将分别缩短11和15 d，耗水量将分别减少87和115 mm，产量将分别下降1110和2536 kg/hm2。总体来说,在保持当前品种不变的情况下,未来夏玉米的生育期、耗水量和产量均将显著减少,夏玉米在未来气候下受到的负面影响较大。

表2　当前夏玉米品种在未来气候下生育期、

2.3调整夏玉米品种后未来冬小麦、夏玉米生育期、耗水量和产量的变化

未来气候变暖的对策一是合理调整作物区域布局,增加复种指数,将暖温变为可用的有利气候资源;二是调整作物播种期,有效地降低作物生育期缩短的不利影响[9]。在未来气候条件下,冬小麦、夏玉米的生育期均将呈缩短趋势。对冬小麦而言,因受春化温度的影响,在不同气候条件下其生育期比较稳定；但对夏玉米而言,可供选择的品种较多,在保持现有作物年总生育期不变的前提下，可用生育期较长的晚熟品种取代早、中熟品种，以规避未来气候变暖的不利影响。

由图3可见：在调节玉米品种后,在A2情景下,2050s和2080s冬小麦的生育期分别缩短至232和224 d,夏玉米的生育期则分别延长至121和119 d,与当前气候条件下的数据相比,冬小麦的生育期分别减少了11和19 d,夏玉米的生育期分别增加了15和13 d;在B2情景下,2050s和2080s冬小麦的生育期分别调整至238和227 d,夏玉米的生育期则分别增加至118和116 d,与当前气候条件下的数据相比,冬小麦的生育期分别减少了5和16 d,夏玉米的生育期分别增加了12和10 d。

图3　改变夏玉米品种后栾城冬小麦、夏玉米生育期在1986～2089年间的变化

在现有气候条件下,冬小麦/夏玉米轮作的年总耗水量为891 mm。在改变玉米的生育期后,在A2情景下,2050s和2080s冬小麦/夏玉米轮作的年总耗水量分别为874和863 mm,比当前气候条件下分别减少17和28 mm;在B2情景下,2050s和2080s的年总耗水量分别为890和894 mm,与当前气候条件下的基本一致(图4)。由此可见,未来气候变化对华北平原主要农作物耗水量的影响较小。

图4　改变夏玉米品种后栾城冬小麦、夏玉米耗水量在1986～2089年间的变化

改变夏玉米品种前,在现有气候条件下,冬小麦、夏玉米的年均产量分别为6383、7924 kg/hm2。调节夏玉米品种将玉米生育期延长后,在A2情景下,2050s和2080s小麦产量分别为8046和8676 kg/hm2,玉米产量分别为7578和7936 kg/hm2,与当前气候条件下的产量相比,小麦产量明显增加,分别增加了1663和2293 kg/hm2,玉米产量有升有降,2050s减产346 kg/hm2,2080s增产12 kg/hm2;在B2情景下,2050s和2080s小麦产量分别为7670和7955 kg/hm2,玉米产量分别为8103和7904 kg/hm2,与当前气候条件下的产量相比,小麦产量明显增加,分别增加了1287和1572 kg/hm2,玉米产量有升有降,2050s增产179 kg/hm2,2080s减产20 kg/hm2(图5)。总体来说,小麦产量明显增加,玉米产量波动不大。

图5　改变夏玉米品种后栾城冬小麦、夏玉米产量在1986～2089年间的变化

3小结与讨论

本研究结果表明：(1)冬小麦、夏玉米一年两熟制种植方式下,作物生育进程伴随气温升高而不断加快,生育期明显缩短。这与金之庆等[14]的观点一致。从作物品种演变来看,对冬小麦而言,随着温度升高,冬小麦所需的春化积温减少,冬小麦品种将由半冬性品种取代冬性品种[15]；而对夏玉米来说,温度升高后,可适当提前播种,延长整个生长发育历期,因此夏玉米将由晚熟品种取代中、早熟品种。 (2)在当前气候条件下冬小麦的耗水量明显高于夏玉米的；但在未来气候条件下,延长夏玉米的生育期,保持未来作物年总生育期与现有气候条件下的年总生育期一致时,冬小麦的耗水量将减少,夏玉米的耗水量将增加。所以华北平原地区未来农作物的总耗水量将与现在相差不大。(3)在未来气候条件下,升温将给夏玉米的产量带来很大的负效应,其中A2情景对玉米产量的负面影响明显大于B2情景[16]。作为C4作物的玉米，其对CO2肥效的反应不及作为C3作物的小麦强烈,是导致这种差异的主要原因。从这点意义上来讲,小麦可能更容易适应气候变化。在玉米品种不做出适应性调整的条件下,小麦有增产趋势,而玉米则明显减产[17-18],因此为了减少未来气候对农业生产的负面影响,需要对夏玉米进行品种上的调整,即培育、种植晚熟品种。在调整玉米品种后,小麦产量明显增加,玉米产量波动不大；小麦产量增加主要是由于CO2的肥效作用,而玉米产量波动不大主要是由于品种熟性调整。

综上所述，通过选育适合未来气候变化的新品种是未来农业适应气候变化的重要途径,这为制定应对气候变化的农业生产措施提供了重要依据。本研究以调整夏玉米品种为主,未做冬小麦品种调整的尝试；此外，在作物生长模拟中,本文没有考虑水分亏缺条件和土壤养分的影响,这些也是影响作物产量与耗水量的重要因素,这些方面有待于今后进一步研究与探讨。

致谢：感谢杨永辉研究员和周新尧博士对本研究数据采集及结果分析等关键步骤的倾力支持和点拨。

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(责任编辑:黄荣华)

Impact of Climate Change on Growth of Main Crops in North China Plain: A Case Study of Winter Wheat and Summer Maize

XIAO Wei-wei1,2,3, XU Jing-jing4

(1. Ankang University, Ankang 725000, China; 2. Engineering Technology Research Center for Hanjiang River Water Resource Protection and Utilization of Ankang City in Shaanxi Province, Ankang 725000, China; 3. Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050021, China; 4. Institute of Agricultural Economy and Information, Jiangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanchang 330200, China)

Abstract：In order to explore the possible effects of the future climate changes on the agricultural production in north China plain, we collected 15-year field experimental data from Luancheng Experimental Station, Chinese Academy of Sciences, downloaded the meteorological data under HadCM3 A2 or B2 scenarios in 2050s/2080s, used SDSM model to downscale the data from HadCM3, and applied DSSAT model to simulate the changes in the growth period, water consumption, and grain yield of winter wheat and summer maize in future. The results showed that: under the future climate scenarios, the daily mean temperature in Luancheng would increase obviously, the growth duration of both winter wheat and summer maize would shorten, their water consumption would decrease, the yield of wheat winter would increase, and the grain yield of summer maize would decrease. After adjusting maize medium-maturing varieties to late-maturing varieties, under the future climate scenarios, the growth duration of winter wheat would shorten, its water consumption would decrease, and grain yield would significantly increase; but the growth duration of summer maize would extend, its water consumption would increase, and grain yield would change little. Therefore, adjusting crop varieties is an important approach to adapt to the future climate changes in north China plain.

Key words：Climate change; Water consumption; Growth duration; Yield; Winter wheat; Summer maize; North China plain

收稿日期：2015-12-17

基金项目：陕西省教育厅项目(14JK1017);安康学院高层次人才科研专项(2015AYQDZR04)。

作者简介：肖薇薇(1983─),女,陕西安康人,副教授,博士,主要从事气候变化对区域农业影响研究。

中图分类号：S162.5

文献标志码：A

文章编号：1001-8581(2016)06-0065-06