黄淮海地区冬小麦生产力时空变化及其驱动机制分析

黄淮海地区是我国重要的粮食生产基地,分析该区域粮食产量的时空变化特征及其变化机制,对我国粮食安全的评估有重要的现实意义。论文以AVH RR NDVI数据和逐日气象要素驱动土壤-植被-大气系统物质传输和作物生长的耦合模型,模拟分析1981-2000年黄淮海地区冬小麦产量的时空分布及其驱动机制。分析发现,从1981-1997年生物产量基本呈增加趋势,之后有所下降。但由于作物经济系数不断增加,整个时段冬小麦经济产量增加趋势明显,单位面积产量提高了一倍。化肥施用量的增加和优良品种的推广是增产的主要原因,而气候波动导致区域年际产量变化幅度为8.5%。黄淮海地区冬小麦产量的空间分布及其演变呈现显著的地域特性,与当地灌溉条件、土壤条件密切相关。     

黄土高原冬小麦田土壤水分与小麦产量对降水和气温变化响应的模拟研究

明确黄土高原地区降水和气温变化对冬小麦田土壤水分和产量的影响,对探索适应气候变化的冬小麦田间管理措施具有重要的现实意义。论文在验证EPIC模型对冬小麦田土壤水分模拟精度的基础上,以历史气象数据为基础,设置TR1、TR2和TR3三个气候情景,采用作物模型模拟的方法,研究黄土高原冬小麦田土壤水分和冬小麦产量对降水和气温变化的响应。结果显示：1）1961—2010年黄土高原降水呈降低趋势,其年际间变化幅度和频率均有所增加。与1961—1970年相比,洛川、长武、运城和延安的年均降水量在2001—2010年间分别降低了18.1%、13.6%、18.8%和24.9%,其变差系数分别增加了0.029、0.087、0.02和0.057。1961—2010年黄土高原气温呈波动性增加趋势,其中日最低气温增加幅度大于日最高气温增加幅度。与1961—1970年相比,日最高气温在2001—2010年间增加了0.30~0.84 ℃,而日最低气温增加了1.00~1.55 ℃。2）EPIC模型能够较好地模拟黄土高原冬小麦田土壤水分动态变化规律,0~2.0 m土层土壤湿度观测值与模拟值间的相对均方根误差RRMSE值为6.0%~14.0%,R²和模型效率ME值分别为0.824和0.815。3）黄土高原地区降水的减少和最高气温的增加均不利于冬小麦生产,而最低气温的提高对冬小麦生产较为有利。洛川、长武、运城和延安冬小麦产量因年降水量的降低而分别减产了8.5%、7.6%、11.7%和12.3%;因日最高气温的升高分别减产了6.4%、6.8%、7.2%和-3.0%;因日最低气温的提高而分别增加了8.8%、10.2%、1.5%和12.0%。因此,为适应降水减少和日最低气温升高的趋势,黄土高原冬小麦生产区应适当调整冬小麦播期,研究并推广保水节水技术措施,充分利用气候变化对冬小麦生产的有利因素,克服不利因素,确保冬小麦的可持续生产。     

麦田O3浓度的长期变化及其对冬小麦干物质和产量损失的估算

近地层臭氧污染及其对作物产量和粮食安全的负面效应已成为国内外广泛关注的焦点之一.利用2014~2016年冬小麦主要生长季期间臭氧浓度和气象因子观测资料,分析了麦田臭氧浓度、AOT40的变化特征.根据Pleijel等2007年修正的气孔导度模型,模拟了冬小麦气孔导度的变化,并与实测值进行对比验证,同时结合通量模型,计算了冬小麦气孔臭氧通量.此外,利用前期课题组建立的模型,估算了臭氧对冬小麦干物质累积和产量的影响.结果表明:臭氧浓度在冬小麦生长季期间从前期到后期逐渐增加,并呈现明显的单峰型日变化特征.从2014~2016年的每年3月1日~5月31日,平均臭氧浓度分别为36.2、37.7和33.6 n L·L~(-1),AOT40值分别为17.08、17.90和11.84μL·(L·h)~(-1).Javis气孔导度模型可以用来模拟本地区冬小麦的气孔导度,模型解释了实测气孔导度81%的变异性.2014~2016年冬小麦气孔臭氧吸收通量分别为9.36、9.32和8.65 mmol·m~(-2).在近3年臭氧浓度平均水平下,近地层臭氧会使冬小麦产量减少18.03%,干物质累积减少19.31%.     

华北平原冬小麦生长期典型农田热、碳通量特征与过程模拟

以位山试验站典型农田为对象,利用位山站2005-10-10～2006-06-10日的实验观测数据,探讨了冬小麦整个生长期农田的热、碳通量特征,并运用SiB2(simple biosphere model Version2)模型对热、碳通量进行了模拟分析,结果表明,农田的热、碳通量在冬小麦生长过程中表现出明显的日变化,这些通量的最大值基本出现在正午前后;热、碳通量的日际变化也较明显,其中净辐射与潜热通量在冬小麦不同生长期表现为:越冬期拔节抽穗期灌浆成熟期;感热通量表现为:拔节抽穗期灌浆成熟期越冬期;而CO2通量为:越冬期灌浆成熟期拔节抽穗期.对以上通量及地表温度的模拟表明,SiB2模型能较好地模拟冬小麦生长期中农田热、碳通量及地表温度,净辐射、潜热通量、感热通量、CO2通量与地表温度的模拟值与观测值的一致性较好,线性相关系数R2分别达0.985、0.637、0.481、0.725、0.499与0.877,其中感热通量与CO2通量模拟偏差较大.另外,按冬小麦生长期分阶段对农田以上分量模拟结果表明,SiB2模型在冬小麦拔节抽穗期模拟效果最好,并发现模型对叶面积指数敏感.     

CO_2浓度增加对东北玉米生长影响的数值模拟

以东北玉米模拟模型为基础,对其中的生长子模型进行改进,将CO2浓度作为整个模型的输入变量,综合考虑气候变化和CO2肥效作用对东北玉米生长发育和产量的影响。通过对原模型适用性的调整和验证,得出模型模拟的叶面积指数及其他器官干重均有较好的结果,模拟值与实测值基本符合,说明模型适用于东北地区;利用改进的模型分别模拟了仅考虑CO2对光合作用直接影响、仅考虑CO2对蒸腾作用直接影响及综合考虑CO2对光合和蒸腾作用直接影响3种方案下玉米产量形成状况。通过对比分析发现,随着CO2浓度的上升,3种情况下模拟出的玉米产量都呈上升趋势。但玉米蒸腾作用对CO2浓度升高的响应更为显著,产量提高明显多于仅考虑CO2对光合作用影响的情况。     

臭氧和模拟酸雨对冬小麦气体交换、生长和产量的复合影响

为探明酸雨和臭氧(O3)对作物是否存在复合影响,运用田间原位开顶气室研究了pH4.0模拟酸雨(SAR)和O3对冬小麦气体交换、生长和产量的影响.该实验包括3种处理:CF处理采用经活性炭过滤后的空气,作为对照;CF100处理采用经活性炭过滤后的空气加人恒定浓度为100 nL·L-1的O3;CF100 SAR处理为在CF100的基础上对冬小麦喷施pH 4.0模拟酸雨,喷施量为150 mL·m-2,每10d一次.结果表明:①CF100和CF100 SAR组冬小麦叶片细胞膜系统受到破坏,光合色素含量和气体交换参数降低,抑制了作物生长,导致生物量和产量下降.与CF相比,CF100和CF100 SAR处理下冬小麦产量分别降低了68.2%和63.6%;②与CF100组相比,CF100 SAR组对冬小麦细胞膜系统和叶绿素a含量产生显著的复合影响(p＜0.05),而对叶绿素b和类胡萝卜素含量、气体交换、小麦生长、生物量和产量的复合影响不显著.     

浓度增加对东北玉米生长影响的数值模拟

以东北玉米模拟模型为基础,对其中的生长子模型进行改进,将CO₂浓度作为整个模型的输入变量,综合考虑气候变化和CO₂肥效作用对东北玉米生长发育和产量的影响。通过对原模型适用性的调整和验证,得出模型模拟的叶面积指数及其他器官干重均有较好的结果,模拟值与实测值基本符合,说明模型适用于东北地区;利用改进的模型分别模拟了仅考虑CO₂对光合作用直接影响、仅考虑CO₂对蒸腾作用直接影响及综合考虑CO₂对光合和蒸腾作用直接影响3种方案下玉米产量形成状况。通过对比分析发现,随着CO₂浓度的上升,3种情况下模拟出的玉米产量都呈上升趋势。但玉米蒸腾作用对CO₂浓度升高的响应更为显著,产量提高明显多于仅考虑CO₂对光合作用影响的情况。     

气候变暖背景下安徽省冬小麦产量对气候要素变化的响应

论文在分析安徽省近47 a(1961-2007年)来气候要素及冬小麦产量变化特征,确定产量突变点的基础上,采用相关分析,提取影响产量形成的气候因子,构建安徽省冬小麦气候产量模型,并利用该模型定量地估算了近47 a来气候要素变化对冬小麦产量的贡献率。结果表明:安徽省冬小麦生长季内的平均气温增暖趋势明显,降水量无明显变化趋势,但年际波动大,日照时数呈显著下降趋势。越冬期最高气温、返青期最低气温和灌浆期日照时数与产量呈显著正相关,灌浆期降水量与产量呈显著负相关。近47 a来,气候要素变化对冬小麦产量存在微弱的负贡献,贡献率为-5.89％。冬小麦生长季内一定程度的暖干化条件有利于产量的增加。     

基于遥感信息和净初级生产力的天然橡胶估产模型

建立基于MODIS数据的天然橡胶净初级生产力遥感估算模型,利用2009年生长季(4—12月)250 m分辨率的MODIS数据和气象数据估算海南阳江农场天然橡胶的生长季净初级生产力, 通过天然橡胶的干物质分配率估算阳江农场天然橡胶的产胶潜力。用以树位为单元的地面实际干胶产量与已得到的天然橡胶林产胶潜力进行回归分析,建立天然橡胶干胶产量的估测模型。利用估产模型对阳江农场2010年7月的干胶产量进行模拟,用同期实际干胶产量对估产模型进行精度验证与实用性评价,结果显示7月估产模型均方根误差RMSE为1.78 g·m^-2,相对均方根误差RMSE_r为18.25%。研究表明,基于遥感信息和净初级生产力的天然橡胶估产模型具有较好的产量估测效果。     

不同覆土厚度的煤矸石充填复垦区土壤生产力评价

以淮南矿区新庄孜煤矿采煤塌陷区土地复垦区为研究对象,调查了不同覆土厚度的煤矸石充填复垦区土壤生产力状况,发现在以煤矸石充填为基底,上覆不同表土厚度的区域土壤生产能力差异较大,其中覆土较厚的地块小麦产量达到5 770 kg/hm2,覆土较薄的地块只有4 736 kg/hm2。运用了复垦土壤生产力指数的修正模型（MPI）对不同覆土厚度的复垦地块生产力进行评价。结果表明,覆土75 cm和90 cm的地块的水解性氮和速效钾的适应性接近于对照地块,速效磷和有机质的适应性稍微偏低,生产力水平接近于对照地块;覆土40 cm和60 cm的地块土壤的养分普遍偏低,限制了农作物的生长;通过对评价结果的误差分析显示,本次评价的最小误差为1.65%,最大误差为4.33%,运用MPI模型对煤矸石复垦土壤生产力的评价具有较高的精确度。     

气候变化对鲁西北平原冬小麦产量的影响及对策

气候变化会导致气候资源发生改变,从而引发粮食安全问题.耦合区域气候模式和作物生长模型,可定量分析气候变化导致的作物产量变动,探讨适宜的田间管理应对措施.研究以冬小麦作为研究对象,以我国粮食主产区之一的鲁西北平原作为研究区域,耦合MIROC-RegCM3区域气候模式和CERES-Wheat作物生长模型,开展A1B温室气体排放情景下,气候变化对冬小麦产量的影响及适应措施研究.结果表明,A1B气候情景下,该区域冬小麦潜在产量会有所下降;在现有管理措施的基础上,可通过培育对春化作用依赖较小的品种、 适当提早播期、 增加越冬水灌溉量等方式保证产量,减少年际间变异.该文研究结果可为应对未来气候变暖、 确保粮食安全提供参考.     

基于WOFOST模型的京津冀地区冬小麦生产潜力评价

研究利用近40年的逐日气候数据,借助WOFOST作物模型模拟分析了京津冀地区冬小麦的生产潜力,通过与实际产量的比较,探讨了提高冬小麦产量的潜力与措施。研究表明：①京津冀地区(除张家口和承德地区)冬小麦光温潜力介于6934~9143kg/hm²之间,从冀中南部向京津地区和冀东北地区逐渐增大,区域平均生产潜力为8037kg/hm²;②冬小麦雨养潜力介于4515~6639kg/hm²之间,由东部和南部随降水量降低依次向西北递减,到冀西北区降至最低,区域平均产量为5771kg/hm²;③影响冬小麦产量的自然因子中,水分是关键限制要素,北部地区也受低温霜冻的影响;④京津冀中部和南部地区的冬小麦生产潜力年际变化波动相对较小,东北部变化波动相对较大;⑤2005-2007年研究区冬小麦的实际单产在2721~7300kg/hm²之间,区域平均5247kg/hm²,相当于潜在产量的50%~80%,其中石家庄地区附近实际产量达到潜在产量的80%以上,天津和沧州地区以及邯郸地区,实际产量与潜在产量的差距较大。     

黄土高原旱塬地冬小麦水分生产潜力与土壤水分动态的模拟研究

在EPIC模型介绍和模拟精度验证的基础上,利用EPIC模型对黄土高原旱塬地冬小麦水分生产潜力和土壤水分动态进行了中期(12a)和长期(30a)评价定量模拟研究。结果表明:(1)在12a实时气象条件下的模拟时段内,旱塬地小麦水分生产潜力随降水量变化呈现波动性降低趋势,3m土层土壤有效含水量也表现为剧烈波动性和逐渐下降趋势,土壤干燥化趋势明显;(2)在30a模拟气象条件下的模拟时段内,旱塬地小麦水分生产潜力呈现波动性轻微降低趋势,3m土层土壤有效含水量季节性和年际间波动性显著,但土壤干燥化趋势并不明显;(3)综合分析认为,在降水量减少幅度不显著的情况下,旱塬地麦田土壤干燥化只是一种短期现象,不会导致长期性土壤强烈干燥化现象发生,但产量随降水量变化的波动性不可避免。     

黄土高原地区小麦生产潜力模拟研究

分析了作物生产潜力常规研究方法的不足,探讨了作物生长模型模拟方法的优势,在模型验证和气象、土壤和作物数据库组建的基础上,应用DSSAT3中的CERES小麦模型模拟研究了黄土高原地区28个代表点冬小麦和春小麦的光温生产潜力和气候生产潜力,统计计算了各点小麦产量潜力多年平均值、标准差、最高值和最低值,分析了潜力值年际变异与地区分布差异,并计算了小麦的水分满足率。黄土高原冬小麦光温生产潜力、气候生产潜力和水分满足率分别为7970～8647kg/hm²、2219～7545kg/hm²和0.278～0.872,春小麦分别为7436～9127kg/hm²、0～7598kg/hm²和0.192～0.961。     

Studies on crop growth modelling and simulation models in China

There is a close relationship between agricultural production and environmental meteorological conditions. In the study of the correlation between them, the simulation models are paid more attention to the crop growth. In this paper the development of the studies on the crop growth dynamic simulation model in China is briefly reviewed. The relationships between meteorological conditions and each process of crop growth (such as photosynthesis, respiration, accumulation and distribution of assimilation products and growth of leaf area) are studied and simulated basing on the results from field experiments. Preliminary models for rice, wheat, maize and soybean have been developed, and some investigations about modelling methods, procedures and parameters in simulation models are made.     

气候变化对中国黄淮海农业区小麦生产影响模拟研究

研究首先利用1980-2000年黄淮海农业区10个站点的农业数据对CER ES-W heat动态机理作物模型进行详细的验证,然后将CERESW-heat模型与两个全球气候模式(G ISS和H adley)结合,同时考虑到CO2对小麦的直接施肥作用,模拟了黄淮海农业区10个站点在IPCC SR ES A 2和B2两个气候情景下雨养和灌溉小麦产量和水分利用的变化趋势。得到如下结论:在不考虑CO2直接肥效的情况下,黄淮海农业区雨养小麦全面减产,空间分布特点是西部减产幅度大,东部减产幅度小;在充分灌溉的情况下,灌溉小麦产量维持了现有水平,但灌溉水量增加。因此,在未来该地区水资源短缺的情况下,如何合理利用有限的水资源将成为黄淮海农业区主要面临的问题。在考虑CO2直接肥效的情况下,雨养和灌溉小麦产量都全面增产,雨养小麦的增产幅度明显偏高,灌溉小麦约增产10%～30%,但CO 2的肥效能否充分实现还需要进一步研究证明。     

大气臭氧浓度升高对农作物产量的影响

大气O₃浓度升高对农作物产量的影响是评估大气O₃造成农作物减产及经济损失的基础. 分别在北京和广东东莞建立OTC(田间开顶式气室)系统,开展大气O₃对大田冬小麦和水稻的影响研究,在整个生长期对作物进行O₃熏蒸,计算O₃暴露量,获得冬小麦和水稻产量与O₃暴露量之间的响应关系. 结果表明:东莞水稻临界水平(以AOT40计,AOT40为大于40nL/L的小时平均φ(O₃)与40nL/L差值的累计值)为4.95μL/(L·h),而北京冬小麦为2.44μL/(L·h). 根据我国已有农作物O₃暴露量-产量响应关系计算可知,我国水稻和冬小麦的AOT40分别为4.950~9.506和2.280~3.858μL/(L·h),水稻对O₃的敏感性从我国北方到南方呈逐渐增加态势,但冬小麦对O₃敏感性并无明显的地域变化规律. 在大田环境大气φ(O₃)条件下,东莞水稻相对产量损失为2.70%〔AOT40=2.68μL/(L·h)〕,北京冬小麦的相对产量损失为12.85%〔AOT40=6.72μL/(L·h)〕. 我国农作物生长环境多样,作物种类繁多,需要继续开展试验研究来建立本地化O₃暴露量-产量响应关系,用于合理评估区域农作物产量损失.      

黄淮海平原冬小麦种植的气候变化适应评估

水资源短缺影响黄淮海平原农业稳定和可持续发展。气候变化情景下,农业用水紧张的问题可能进一步加剧,种植制度和作物品种区域布局将面临调整。论文利用IPCC 5三种代表性温室气体浓度排放路径（RCP 2.6、RCP 4.5和RCP 8.5）的多模式集成数据,基于VIP（soil-Vegetation-atmosphere Interface Processes）生态水文模型,模拟了2011—2059年黄淮海平原二级子流域的水资源盈亏变化。在此基础上,针对水分亏缺最严重的子流域,设计无外来调水和维持2000—2010年调水总量水平的两种流域地下水采补均衡情景,对冬小麦种植区域的合理布局及其对产量的影响进行评估。结果表明,2050年代黄淮海平原农作物蒸散量增幅大于降雨量增幅,北部地区水分亏缺量将增加,南部地区水分盈余量则减少。在低到高的排放情景下,全区域水分盈余量下降0.1%~14.1%。两种地下水采补均衡情景下,2050年代黄淮海平原冬小麦种植面积应分别减少9.8%~11.3%和7.0%~8.8%,相应产量分别增加0~11.9%和3.0%~15.9%。适当减少冬小麦种植面积,可有效减缓黄淮海地区农业水资源的不足,保护生态环境,促进农业可持续发展。     

华北平原1981～2001年作物蒸散量的时空分异特征

利用土壤-植被-大气传输机理模型(VIP模型),以GIS背景数据库(土地利用图、土壤质地图和数字高程图)为支撑,在NOAA-AVHRRNDVI数据和气象信息的驱动下,连续模拟了1981～2001年华北平原冬小麦和夏玉米生育期的蒸散过程。结果表明:模拟的作物蒸散量与Lysimeter观测值和其他学者的田间试验研究结果具有较好的一致性。华北平原冬小麦多年平均蒸散量空间上呈现南高北低的趋势,其中黄河以北地区和山东半岛的蒸散量在200～400mm之间,南部地区在400～466mm之间。对玉米而言,北部的海河低地平原以及津、冀、鲁的沿海地区多年平均蒸散量变化在230～380mm,其余大部分地区蒸散量在380～470mm。除本区最南端的极少部分地区外,华北平原大部分地区冬小麦生育期内的自然降水都小于蒸散量,水分亏缺量大于200mm,而夏玉米生育期内大部分地区的降水大于蒸散量。