论文部分内容阅读
粮食生产是关系到国计民生的大事，气候变化与波动对粮食生产有重大影响。黄土高原位于我国干旱与半干旱地区，农业大多以雨养为主，加上严重的水土流失等环境问题，因而是气候变化影响下的最为脆弱的地区之一。开展脆弱性地区的作物对气候变化的响应研究，对适应气候变化、减缓气候灾害的影响有重要理论和实践价值。本研究基于黄土高原气象数据、1981-2009年黄土高原冬小麦农业气象试验站观测数据、中科院生态系统研究网络的长武、盐亭、乌兰乌苏和栾城站的冬小麦产量、水分管理等数据开展了以下四项研究工作。 从作物模型的理论和方法上，以APSIM-Wheat为研究对象，开展了不同气候区，不同产量水平（潜在，雨养和以当地管理措施的实际产量）下APSIM-Wheat的品种参数、土壤参数和其它生化参数对模拟结果的敏感性和不确定性分析。其次，应用马尔科夫蒙特卡洛(MCMC)方法，构建了一套优化APSIM-Wheat模型品种参数的程序，实现了6个品种参数的自动优化。主要发现是:(1)影响开花期和成熟期的较为敏感的参数为依次是:始花期积温，出苗到拔节积温，春化指数，光周期因子，灌浆期积温;(2)影响产量和ET的较敏感性的参数依次为:每茎谷粒重，潜在灌浆速率，最大谷粒重，辐射利用效率，春化指数，出苗到拔节积温;(3)不同产量水平下，参数敏感性差异不大。各个气候区对开花期、成熟期、产量和生育期的ET的参数敏感性结果表现基本一致;(4)不同气候区下，模型参数对开花期和成熟期的参数敏感性差异很小，但是对产量和生育期的参数敏感性有差异;(5)自动优化的APSIM-Wheat品种参数程序，可以很好地模拟黄土高原16个冬小麦站的开花期和成熟期。这为APSIM-Wheat模型在区域应用、模型校准等提供了理论指导与创新方法; 从实践上，定量分析了近30年来，气候变暖，品种改变和管理对黄土高原16个站的冬小麦物候的交互影响。主要发现是:(1)近30年来，黄土高原区域的冬小麦播种、出苗、越冬开始分别平均推迟了1.2、1.3、1.2天/十年。返青，开花和成熟期平均分别提前了2.0、3.7，3.1天/十年;生育期、越冬期（越冬开始到返青开始）和出苗到开花（营养生长）平均分别缩短了4.3，3.1和5.0天/十年，而开花到成熟（生殖生长）延长了0.7天/十年;(2)站点的物候期与气象因子的相关分析表明，温度是控制物候的关键因子之一;(3)在品种不变情况下，模拟了16个站点30年来的冬小麦物候，模拟的物候期排除了品种因素的影响，模拟物候期的趋势同观测物候期一致:生育期缩短、开花和成熟日期提前。且模拟物候期缩短或提前趋势比观测趋势更大，据此计算，品种因素削弱升温对物候的影响作用大致占33％。 其次，利用APSIM-Wheat模型，定量评价了1961-2010年黄土高原冬小麦产量和水分利用对气候变化的响应。结论为:(1) APSIM模拟黄土高原18个气象站点的1961-2010冬小麦产量和水分利用，由于从东南到西北，生长季的降水变异性逐渐增大，模拟产量变异系数也从16％逐渐增大到66％;50年来显著增温使得模拟冬小麦生育期下降幅度为1-5天/十年，模拟产量在12个站点下降趋势为120-720 kg ha-1 decade-1，蒸散在大部分站点显著下降1-26 mmdecade-1，而水分利用效率没有显著变化。(2)通过聚类分析诊断出三种农业气候类型:高温-高降水-低辐射，中温-中降水-中辐射，低温-低降水-高辐射。高温-高降水-低辐射类型中的产量下降趋势最小，因为在此类型中降水下降趋势最小;中温-中降水-中辐射、低温-低降水-高辐射类型的产量和蒸散下降趋势比高温-高降水-低辐射类型大，因为在此两种类型降水下降趋势较大。根据以上的结论，黄土高原地区在气候变暖的情景下，采取长生育期，耐旱的品种是积极应对气候变化给作物带来负效应的重要措施之一。