土壤湿度驱动WOFOST模型及其适应性

WOFOST作物生长模型是以日降水量表征降水输入参数,通过推算土壤相对湿度实现作物生长模拟。由于日降水量随机性较大,很难通过控制日降水量实现不同土壤干旱等级情景设置,限制了WOFOST作物生长模型在不同水分胁迫下对作物生长的模拟,也影响了模拟试验的精度。本文提出以土壤相对湿度直接驱动WOFOST作物生长模型,并以Compaq Visual Fortran 6.5为开发平台,采用Fortran语言对WOFOST作物生长模型的源代码进行修改,将驱动模块中的日降水量文件替换为土壤相对湿度驱动文件。以2013年山东省夏津农业气象试验站玉米出苗-拔节期和抽雄-成熟期水分胁迫和整个生育期自然降水处理（对照）的试验数据为例,对修改后的WOFOST作物生长模型进行了模拟试验。结果显示,采用修订后的模型输出的实测鲜叶干重、鲜茎干重、营养器官干重、地上物质总重和叶面积指数等生物量指标均较原模型输出结果,不仅精度明显提高,而且,由于土壤湿度变化较平稳,较容易地实现了不同水分胁迫情景设置,进而实现不同土壤干旱等级条件下玉米生长的模拟,为分析不同程度干旱对玉米生长的影响及确定其生长发育指标提供了便利条件。     

辽宁省生长季气候变化及其对春玉米产量的影响

为了明确气候变化对辽宁省春玉米产量的影响,基于1968—2017年气象站点数据,结合标准化降水蒸散指数(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI),运用M-K趋势分析、相关分析及回归分析等数理统计方法研究了辽宁省春玉米生长季各气候要素、干湿变化特征及其与春玉米产量的关系。结果表明:降水量除丹东呈增加趋势外,其它地区呈现减少趋势; 大部分地区温度呈现升高趋势,风速呈显著减弱趋势,相对湿度变化趋势不显著; 日照时数除辽阳、本溪呈不显著增加外,其他地区呈减少趋势。降水、最高温和平均温是影响辽宁省春玉米产量的重要因子,尤其是朝阳、葫芦岛、锦州、阜新和大连地区,春玉米对这些要素更敏感,与降水量正相关,与最高温、平均温负相关,未来降水量减少、温度升高将不利于这些地区春玉米生长。随着位置东移降水量逐渐以负效应为主,温度逐渐表现为正效应。除阜新、抚顺、本溪等部分地区呈现干旱化外,其他地区表现为不显著的湿润化趋势。朝阳、葫芦岛、阜新等地区春玉米产量对6月、7月的干湿变化较敏感,易受旱减产; 干旱化将使阜新春玉米生产形势变得严峻,朝阳、锦州、大连地区湿润化对春玉米生长有利; 沈阳、鞍山、辽阳和营口地区5—9月的干湿状况均对春玉米产量有影响,抚顺、本溪、铁岭等地区则易受6—8月的干湿状况影响,这些地区当前较适宜春玉米生长; 丹东地区易受涝减产,且湿润化趋势将会对该地区玉米生产造成不利影响。辽宁省不同气候要素及干湿变化对不同地区春玉米产量的影响效应有正有负,程度也各不相同,各地应因地制宜采取合理措施促进玉米丰产。     

基于APSIM模型的2015-2100年气候变化对中国玉米生产力影响

全球气候变化直接影响作物生产。玉米是中国种植面积最大的粮食作物,系统探究未来气候变化对其生产力的影响对保障玉米高产稳产和粮食安全具有重要意义。为探究未来气候变化对中国玉米生产力影响,该研究基于SSP1-2.6和SSP5-8.5 共2种气候情景（shared socioeconomic pathways,SSP）1981-2100年逐日气象资料以及中国气象局农业气象观测站玉米生育期数据和土壤数据,使用调参验证后的农业生产系统模拟模型（agricultural production systems simulator,APSIM-Maize）解析了气候变化对中国玉米主产区高产性和稳产性的影响。结果表明：1）未来气候情景下,中国玉米主产区生育期内气温和≥10 ℃有效积温总体呈增加趋势,SSP5-8.5气候情景下升温幅度高于SSP1-2.6气候情景;降水量年际波动大,变化趋势不显著;太阳总辐射呈先增加后减少趋势。2）若不采取适应措施,未来气候变化使玉米全生育期、营养生长期和生殖生长期总体呈缩短趋势,且SSP5-8.5情景下缩短幅度大于SSP1-2.6情景,2080 s缩短幅度大于2030 s和2050 s。3）无适应措施条件下,未来气候变化下研究区域玉米光温潜在产量和雨养潜在产量总体呈下降趋势,SSP5-8.5情景下较SSP1-2.6情景下减产效应更大,2个情景光温潜在产量减产率平均值分别为13.8%和11.9%,雨养潜在产量减产率平均值分别为17.5%和14.0%。玉米潜在产量的稳定性略有提高,但区域间存在差异。因此,未来气候变化使中国玉米生产力总体下降,稳定性略有提高。研究为未来玉米高产稳产和中国玉米种植区划提供理论依据。     

气候变化情景下东北地区玉米产量变化模拟

WOFOST作物模型在东北地区玉米适应性验证的基础上,结合气候模型BCC-T63输出的未来60年(2011～2070年)气候情景资料,模拟分析了未来气候变化情景下我国东北地区玉米生育期和产量变化情况。模拟结果显示:未来气候变化情景下,玉米生育期将缩短,其中,中熟玉米平均缩短3.4 d,晚熟玉米平均缩短1.1 d;玉米产量将相应下降,中熟玉米平均减产3.5%,晚熟玉米平均减产2.1%。     

SRES A1B情景下未来宁夏玉米生育期气候资源变化分析

玉米是宁夏的三大粮食作物之一,其种植分布广泛,中部干旱带和南部山区基本属于雨养玉米区,气候条件对当地的玉米生产影响很大。观测到的气候变化已经对当地农业造成不利影响,未来SRES A2和B2情景下宁夏地区的气候变化研究也有一定成果。由于气候变化引发宁夏的气温和降水出现异常,为分析未来中等排放情景下气候变化可能对当地玉米生产造成的影响,本文利用订正后的英国Hadley气候中心区域气候模式PRECIS模拟的情景数据,分析了SRES A1B情景下宁夏未来2020s、2050s和2080s时段相对于气候基准时段(1961—1990年)的玉米生育期(4—9月)平均气温、最高气温、最低气温、≥10℃有效积温和降水的变化,具体方法为先分析气候基准时段宁夏的气候要素分布并与实际状况进行比较,再将未来3个时段的气象要素与气候基准时段求差值(其中降水用距平百分率表示),分析未来玉米生育期的气候变化。结果表明:平均、最高和最低气温以及≥10℃有效积温的模拟值普遍低于实际值,且具有相似的北高南低的空间分布状态,而降水的模拟值在大范围区域内高于实测值,亦呈现出相似的南高北低分布状态,总体来讲模拟值可以较合理地反映出宁夏的实际状况。相对于气候基准时段,未来各气象要素总体表现为增加,且增幅随时间推移而加大;未来最高气温在宁夏南部增加剧烈,平均气温、最低气温和≥10℃有效积温在宁夏北部增加较多,降水则呈现北增南减的分布。在未来3个时段,最高气温和降水分别为增量最大和波动最大的气象要素,出现极端高温天气和发生干旱或洪涝等异常气候事件的可能性增大。总体上看,未来气温升高对宁夏北部灌区的玉米生产有一定促进作用,尤其是≥10℃有效积温的增加可以提供更充足的热量;而南部山区气温增加虽然对玉米生产有利,但是未来降水的减少将会给雨养玉米造成不利影响,应当采取合理的应对措施。     

CMIP6气候变化情景下中国区域柑橘木虱潜在影响范围预估

从柑橘木虱适宜分布的生理机制、气候特性出发,基于1970−2000年气候环境数据和柑橘木虱分布资料,利用最大熵模型（MaxEnt）筛选得到影响柑橘木虱分布的七个关键气候环境因子,包括温度季节性变化标准差、最干月降水量、最冷季降水量、1月平均最高气温、9月平均最高气温、10月平均最高气温和8月平均最低气温。基于关键气候环境因子重构MaxEnt模型,结合CMIP6多模式气候变化情景数据,预估气候变化对柑橘木虱在中国的潜在分布影响。结果表明：CMIP6不同气候预测模式数据对预测柑橘木虱分布结果具有明显影响,其中CanESM5模式下柑橘木虱适生区面积整体最大,BCC-CSM2-MR模式下整体最小,表明单一模式具有较大的不确定性。多模式集合预测显示,2081−2100年柑橘木虱潜在适生区面积将较1970−2000年呈显著增加趋势,增幅从18.8%（SSP126情景）到55.7%（SSP585情景）,与辐射强迫等级呈明显正相关;尤其是潜在高适生区增幅最大,从78.3%（SSP126情景）到177%（SSP585情景）。柑橘木虱适宜分布北界将不断北移,至2081−2100年,北界将到达32°N（SSP126情景下）−37°N（SSP585情景下）,较目前实际发生北界（30°N）向北偏移2°～7°。研究结果表明气候变暖将对柑橘木虱在中国的扩散十分有利,严重威胁中国柑橘产区生态安全,各地特别是目前尚未发现柑橘木虱的地区需提高警惕,加强柑橘黄龙病检疫和防控。     

1961—2010年气候变化对西南冬小麦潜在和 雨养产量影响的模拟分析

利用农业气象试验站作物资料及土壤资料,评价 APSIM-Wheat 模型在西南地区的适应性,应用该模型分析该地区1961—2010年冬小麦潜在和雨养产量的时空变化特征,通过逐步回归分析揭示小麦生长季主要气象因子对潜在产量和雨养产量的影响及相对贡献率。研究结果表明： APSIM 模型对该区5个常用小麦品种的模拟效果较好,模拟与实测生育期的均方根误差(RMSE)在7.0 d 以内,地上部分生物量和产量模拟值与实测值的归一化均方根误差(NRMSE)均低于25%,模型在西南地区具有较好的适应性。1961—2010年研究区域36%的站点冬小麦生长季总辐射显著降低,其中北部、东南部和南部中区最显著;68%的站点生长季≥0℃有效积温显著增加,西部增温显著;30%的站点生长季平均气温日较差显著减小,南部中区最显著;全区生长季总降水大面积减少但不显著,减少区主要位于最南端和东南部。模拟的冬小麦潜在产量在65%的站点呈显著减产趋势,南部中区和北部变化最明显;雨养产量在25%的站点显著降低,北部地区较明显,全区减产趋势较弱。减产显著的站点中,生长季辐射降低、温度升高、气温日较差减小对潜在产量降低的贡献率分别为45%、36%和2%,对雨养产量降低的贡献率分别为36%、39%和－8%,而降水减少对雨养产量降低的贡献率为7%。西南冬小麦生长季辐射降低、温度升高及降水减少共同导致了冬小麦潜在和雨养产量的显著下降,而气温日较差的降低对冬小麦潜在和雨养产量的影响分别表现为负作用和正作用,整体上辐射和温度的影响程度最大。     

陇东地区几种旱作作物产量对降水与气温变化的响应

研究作物产量对气候变化的响应,对于指导区域农业生产,保障粮食安全和生态安全具有一定的理论指导意义。结合大田试验与农业生产系统模拟模型(Agricultural Production Systems Simulator,APSIM),在验证模拟研究区冬小麦、玉米和紫花苜蓿产量可靠性的基础上,分析5个降水变化梯度(降水量不变、降低10%和20%、升高10%和20%)和5个气温变化梯度(不变、降低1.5和1℃、升高1.5和1℃)组合情景下3种作物的产量变化趋势。结果表明:APSIM模型在试验点对3种作物籽粒产量和生物量的模拟精度较高,决定系数R2在0.80~0.93之间,归一化均方根误差在11.35%~22.48%之间,模型有效系数在0.53~0.91之间。冬小麦、玉米和紫花苜蓿在气温升高、降水量减少的情景下减产,减产的最大幅度分别为38.7%、40.3%和41.8%;冬小麦、紫花苜蓿的在气温降低、降水量增加时增产,增产的最大幅度分别为29.8%和51.7%;玉米在降水量增加、温度不变的情景下增产幅度最大,为22.0%。总之,在研究范围内,3种作物的产量随降水的增加而增高;玉米的产量随气温升高先增高后降低,另2种作物的产量随气温的升高而降低;紫花苜蓿适应气候变化的能力最强。结果对明确黄土高原地区主要作物的生产走势,制订农业布局、管理措施等具有一定意义。     

基于WOFOST模型的玉米干旱损失评估:以北京为例

以北京市山区春玉米和平原区夏玉米产量作为研究对象,利用气候资料和统计资料驱动,就WOFOST模型对北京地区玉米产量模拟的适用性进行评估,并基于模型开展北京地区玉米干旱灾害损失评估研究。结果表明:(1)山区春玉米和平原区夏玉米的产量模拟值与统计年鉴统计值的符合度指数均达0.9以上,模拟结果平均误差小于10%,说明WOFOST模型在北京地区春玉米和夏玉米的产量模拟方面具备较强的适用性;(2)在本文定义的干旱指数体系下,初夏旱对春玉米的产量影响较大,其中初夏轻旱导致春玉米减产率达15.91%,初夏重旱使春玉米减产率达22.99%;春旱和伏旱对春玉米、初夏旱和伏旱对夏玉米产量影响均较小,减产率均在10%以下。研究结果可为北京地区玉米生产和抗旱减灾提供科学依据。     

基于统计降尺度和CMIP5模式的泾河流域气候要素模拟与预估

为了明确变化环境下流域未来气候要素时空变化趋势及特征,该文以泾河流域为研究对象,利用流域1960-2010的逐月降水、气温和NCEP再分析等资料,建立了流域气候要素月序列降尺度模型;然后,将模型应用于CMIP5中CNRM-CM5模式下的RCP4.5和RCP8.5情景,得到了流域未来气候要素的变化趋势。主要成果如下:1)该方法对气温的模拟效果较好,降水次之;2)RCP8.5情景下泾河流域未来年均降水量是356.41 mm,小于RCP4.5情景下的374.19 mm;除冬季外,流域未来春、夏及初秋的降水将有所减少,空间分布在南北方向呈现递减趋势;3)RCP8.5情景下泾河流域未来年均温度是9.32℃,高于RCP4.5情景下的8.96℃;流域未来气温除了深冬初春降低外,其余时期尤其是夏季将显著上升,空间分布为南高北低、西高东低。对泾河流域气候要素模拟与预估表明,泾河流域未来气候演变中存在着降水减少以及极端天气事件发生的风险,这在流域未来水资源管理运行等方面应当引起重视。     

The impacts of potential climate change and climate variability on simulated maize production in China

This study assessed the impacts of potential climate change on maize yields in China, using the CERES-Maize model under rainfed and irrigated conditions, based on 35 maize modeling sites in eastern China that characterize the main maize regions. The Chinese Weather Generator was developed to generate a long time series of daily climate data as baseline climate for 51 sites in China. Climate change scenarios were created from three equilibrium general circulation models: the Geophysical Fluid Dynamics Laboratory model, the high-resolution United Kingdom Meteorological Office model, and the Max Planck Institute model. At most sites, simulated yields of both rainfed and irrigated maize decreased under climate change scenarios, primarily because of increases in temperature, which shorten maize growth duration, particularly the grain-filling period. Decreases of simulated yields varied across the general circulation model scenarios. Simulated yields increased at only a few northern sites, probably because maize growth is currently temperature-limited at these relatively high latitudes. To analyze the possible impacts of climate variability on maize yield, we specified incremental changes to variabilities of temperature and precipitation and applied these changes to the general circulation model scenarios to create sensitivity scenarios. Arbitrary climate variability sensitivity tests were conducted at three sites in the North China Plain to test maize model responses to a range of changes (0%, +10%, and +20%) inthe monthly standard deviations of temperature and monthly variation coefficients of precipitation. The results from the three sites showed that incremental climate variability caused simulated yield decreases, and the decreases in rainfed yield were greater than those of irrigated yield.     

玉米产量与生态气候因子的关系

采用多元积分回归的方法,对山西省1971-2000年玉米产量与生态气候因子的关系进行分析研究。结果表明：气温和降水对玉米产量的影响大,日照影响小,北部影响大,中南部影响小。春玉米播种期和苗期降水影响大多为正效应,拔节-抽雄期气温和降水影响为显著正效应,日照时数在全生育期普遍偏多,影响多为负效应,光能资源丰富,光能利用潜力大。夏玉米拔节-开花期气温影响为显著负效应,运城地区降水在拔节-成熟期为负效应,尤其成熟期阴雨天气对产量影响较大。研究结果揭示了山西生态气候因子对玉米不同生长阶段的正负效应及影响程度,为山西玉米生产充分利用生态气候资源,趋利避害、优产高产提供一定的理论依据和决策参考。     

黄土高原旱塬区高产玉米田土壤干燥化与产量波动趋势模拟研究

为研究黄土高原旱作高产玉米田土壤干燥化与产量波动趋势,利用EPIC模型对黄土高原南部旱塬区玉米水分生产潜力和土壤水分动态进行中期(12a)和长期(30a)定量模拟研究。结果表明,在12a实时气象条件下的模拟时段内,旱塬地玉米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;在30a模拟气象条件下的模拟时段内,旱塬地玉米水分生产潜力呈现明显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剧烈,从长时段看土壤有效含水量呈现略微上升趋势;在降水量减少幅度不显著的情况下,旱塬玉米地土壤干燥化现象只是一种短期过程,通常不会导致长期性土壤强烈干燥化现象发生,但玉米产量随降水量变化的波动性不可避免。     

气候变化背景下播期对东北三省春玉米产量的影响

为探究气候变化背景下东北三省(黑龙江省、吉林省和辽宁省)春玉米适宜播期的变化程度,本文以东北三省春玉米潜在种植区为研究区域,基于1981—2015年气象资料,1981—2012年农业气象观测站玉米生育期、产量资料以及土壤资料,分气侯区对农业生产系统模型(APSIM)进行调参和验证,建立适用于东北三省10个不同气候区的模型相关参数,在各气候区利用调参验证后的APSIM-Maize模型设置不同播期,模拟各年代不同播期下春玉米潜在产量和气候生产潜力,综合高产和稳产性指标,明确了不同区域各年代不同条件下适宜播期范围。研究结果表明,APSIM模型对于东北三省7个春玉米品种开花和成熟两个关键生育期以及产量模拟结果与实测结果具有较好的一致性,表明APSIM模型能够较好地模拟研究区域春玉米生育期和产量。充分灌溉条件下,研究区域内适宜播期范围从4月16日至5月19日,空间上呈纬向分布南早北迟的特征; 20世纪90年代和21世纪00年代玉米适宜播期较20世纪80年代有提前趋势,其中20世纪90年代提前趋势更明显;第1、第3、第5、第7和第9气候区雨养条件下较充分灌溉条件下适宜播期有推迟趋势,推迟天数为3～6 d。雨养条件下各年代不同气候区理论上的适宜播期较目前生产中实际播期下的产量提高2.84%～9.96%。以上结果为进行未来气候变化对东北三省春玉米影响及其适宜播期等研究提供了技术支撑。     

Climate variability and crop production in Tanzania

Improved understanding of the influence of climate on agricultural production is needed to cope with expected changes in temperature and precipitation, and an increasing number of undernourished people in food insecure regions. Many studies have shown the importance of seasonal climatic means in explaining crop yields. However, climate variability is expected to increase in some regions and have significant consequences on food production beyond the impacts of changes in climatic means. Here, we examined the relationship between seasonal climate and crop yields in Tanzania, focusing on maize, sorghum and rice. The impacts of both seasonal means and variability on yields were measured at the subnational scale using various statistical methods and climate data. The results indicate that both intra- and interseasonal changes in temperature and precipitation influence cereal yields in Tanzania. Seasonal temperature increases have the most important impact on yields. This study shows that in Tanzania, by 2050, projected seasonal temperature increases by 2 °C reduce average maize, sorghum, and rice yields by 13%, 8.8%, and 7.6% respectively. Potential changes in seasonal total precipitation as well as intra-seasonal temperature and precipitation variability may also impact crop yields by 2050, albeit to a lesser extent. A 20% increase in intra-seasonal precipitation variability reduces agricultural yields by 4.2%, 7.2%, and 7.6% respectively for maize, sorghum, and rice. Using our preferred model, we show that we underestimate the climatic impacts by 2050 on crop yields in Tanzania by 3.6%, 8.9%, and 28.6% for maize, sorghum and rice respectively if we focus only on climatic means and ignore climate variability. This study highlights that, in addition to shifts in growing season means, changes in intra-seasonal variability of weather may be important for future yields in Tanzania. Additionally, we argue for a need to invest in improving the climate records in these regions to enhance our understanding of these relationships.     

气候变化背景下中国玉米单产增速减缓的原因分析

采用集合经验模态分解方法,分析1981—2008年中国玉米单产的变化趋势,发现全国和15个省(自治区、直辖市)均出现了玉米单产增速变缓的现象。该研究选取10个出现玉米单产增速变缓的主产省(自治区、直辖市),基于Cobb-Douglas生产函数,构建了肥料、灌溉、其他物质投入和气候要素4类驱动因子与玉米单产之间的多元回归模型,分析各驱动因子对玉米单产的影响和贡献。结果表明:1)肥料、灌溉、其他物质投入和气候要素4类驱动因子与1981—2008年玉米单产均存在着显著的相关关系,其中肥料、其他物质投入和灌溉显著地促进了玉米单产的增长,当这些因子每增加1%时,将分别促进玉米单产增长0.39%、0.06%和0.04%。气候要素中,降水对玉米单产也表现为促进作用,当降水每增加1%,玉米产量会增长0.21%;而气温和太阳辐射(云覆盖率)则对玉米单产产生负面影响,当温度每增加1%和太阳辐射每减少1%,将导致玉米单产下降0.99%和1.04%。2)1981—2008年,肥料对玉米单产增加的贡献最大(使玉米增产70.24%),其次是灌溉(9.44%),其他物质投入的贡献为5.43%。气候变化要素中,温度升高导致玉米产量降低了1.98%,而降水和辐射的减少则使玉米产量分别降低了1.08%和4.72%。3)肥料对2个玉米主产区(北方春玉米区和黄淮海夏玉米区)的产量增加均呈现显著的促进作用,灌溉对北方春玉米单产有显著的正面影响,其他物质投入对黄淮海夏玉米单产有显著的正面影响。气候因子中,气温上升能显著的促进北方春玉米单产增长;太阳辐射的减少对2个主产区玉米单产均有显著的负面影响。