如何運(yùn)用氣候因素增加小麥產(chǎn)量
來源： http://www.jetlicn.com/ 類別：實(shí)用技術(shù) 更新時(shí)間：2013-01-23 閱讀次
【本資訊由中國糧油儀器網(wǎng)提供】 目前，在氣候變化對作物的影響研究方面，我國已取得了一些初步成果，但隨著區(qū)域氣候情景研究的深入及作物模擬技術(shù)的提高，使氣候變化對作物生產(chǎn)的影響研究得到了深化和發(fā)展。在作物模型預(yù)測方面，國內(nèi)外在系統(tǒng)水平模擬作物生產(chǎn)優(yōu)化決策的模型很多，模擬對象分別為作物、土壤、作物—土壤綜合等三類，在研究和應(yīng)用方面取得了大量的成果。近年來由澳大利亞農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)研究組，包括聯(lián)邦科工組織和昆士蘭初級(jí)產(chǎn)業(yè)部等單位開發(fā)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模型在國外氣候變化對作物的響應(yīng)方面取得了大量研究成果，并且ＡＰＳＩＭ模型可以模擬不同耕作措施及各種氣候背景組合條件下的作物產(chǎn)量。保護(hù)性耕作對土壤環(huán)境和作物產(chǎn)量影響的研究已有大量報(bào)道。多數(shù)研究表明，保護(hù)性耕作能增加降雨入滲、減少水分蒸發(fā)，提高土壤水分含量及作物水分利用效率，能提高土壤養(yǎng)分含量，培肥土壤，從而提高作物產(chǎn)量但不同耕作措施對氣候變化響應(yīng)的研究相對較少。為此，本研究以黃土丘陵區(qū)旱地小麥為對象，運(yùn)用ＡＰＳＩＭ模型定量評(píng)估不同耕作措施的小麥－氣候條件的互作效應(yīng)，對不同耕作措施下小麥生產(chǎn)對氣候變化的敏感性進(jìn)行研究，為如何利用氣候因素進(jìn)行小麥產(chǎn)量的增加，提供理論支持。
根據(jù)研究區(qū)的氣候、土壤和小麥屬性資料，對比人工氣候培養(yǎng)箱，建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫（氣候?qū)傩阅K、土壤屬性模塊和小麥屬性模塊），然后在APSIM-Wheat模塊的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)的定位試驗(yàn)，對模塊參數(shù)進(jìn)行修正，建立作物參數(shù)模塊，并連接到平臺(tái)中進(jìn)行模擬。為模擬的參考年份，年降水量為452.5ｍｍ，生育期降水量為279.3ｍｍ，季節(jié)分布與近40年平均季節(jié)分配相近，為此以2005年氣象條件和CO2濃度為370μｍOｌ／ｍOｌ作為計(jì)算起點(diǎn)，設(shè)為基準(zhǔn)值。因?yàn)闇囟扰cCO2濃度量綱和量級(jí)都不相同，為此引入編碼因子進(jìn)行編碼。對變量進(jìn)行編碼處理，然后對7個(gè)溫度和CO2濃度水平組合設(shè)計(jì)。根據(jù)ＩＰＣＣ第三次報(bào)告模式的預(yù)估結(jié)果，溫度和CO2濃度將升高，而降水變化（增加或減少）可能會(huì)出現(xiàn)區(qū)域性差異。為此本研究在假設(shè)溫度和CO2濃度升高的情景下，運(yùn)用ＡＰＳＩＭ模型模擬3種耕作措施小麥產(chǎn)量對溫度和CO2濃度變化的響應(yīng)。表明同一耕作措施下溫度的升高導(dǎo)致小麥減產(chǎn)，CO2濃度升高可以提高小麥產(chǎn)量，這個(gè)結(jié)果與大多數(shù)研究結(jié)果是一致的。而不同耕作措施中，免耕覆蓋相比傳統(tǒng)耕作和免耕具有較好的CO2濃度增產(chǎn)效應(yīng)與緩減溫度的減產(chǎn)效應(yīng)，并且溫度和CO2濃度同時(shí)升高對小麥產(chǎn)量形成具有較好的協(xié)同促進(jìn)作用，表明免耕覆蓋具有較好的應(yīng)對氣候變化的風(fēng)險(xiǎn)能力。CO2濃度增產(chǎn)效應(yīng)是由于CO2濃度增加，加大了葉片內(nèi)外CO2濃度梯度和向葉片內(nèi)部擴(kuò)散速度，提高了同化速率，加速了光合產(chǎn)物的形成和輸送，從而促進(jìn)了小麥生長、發(fā)育和干物質(zhì)積累，提高了產(chǎn)量；同時(shí)，CO2濃度上升，減小了氣孔導(dǎo)度，抑制了小麥蒸騰，提高了水分利用率，有利增產(chǎn)。而免耕覆蓋可以增加土壤的蓄水和保水能力，提高全生育期平均耕層土壤含水率，為同化作用提供更好的生態(tài)環(huán)境，進(jìn)而提高作物水分利用效率和作物產(chǎn)量。溫度的減產(chǎn)效應(yīng)主要是由于溫度的升高縮短了小麥的生育期，同時(shí)由于高溫使麥田的蒸發(fā)量增大，造成了作物水分的虧缺等原因。而免耕覆蓋可以平衡和改善耕層土壤溫度狀況，在土壤溫度較低時(shí)具有保溫作用，在土壤溫度較高時(shí)具有降溫作用，同時(shí)由于免耕覆蓋地表的覆蓋物可以減少土壤蒸發(fā)，進(jìn)而可以緩減小麥減產(chǎn)。溫度和CO2濃度同時(shí)升高對小麥生產(chǎn)具有協(xié)同促進(jìn)作用，有不同的研究結(jié)論：一些研究表明，高溫和高CO2濃度具有協(xié)同促進(jìn)作用。但也有一些研究認(rèn)為高溫和高CO2濃度之間沒有協(xié)同作用。可以看出溫度和CO2濃度對作物生長的交互效應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的過程，特別是不同耕作措施之間交互的差異及二者之間的協(xié)同機(jī)理還需要進(jìn)一步研究。作物模型通常是基于作物生理過程建立的機(jī)理模型，能夠動(dòng)態(tài)地模擬作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量形成過程，較準(zhǔn)確地表達(dá)作物生長與氣候因子變化之間的關(guān)系，可以用來預(yù)測氣候條件下的作物產(chǎn)量。但如果出現(xiàn)了極端氣候條件，需要對模型進(jìn)行改進(jìn)。
本研究在模型模擬過程中，只模擬小麥產(chǎn)量對溫度和CO2濃度的響應(yīng)，并未考慮其他極端條件等因素對小麥產(chǎn)量的影響，例如智能光照培養(yǎng)箱中光照對小麥產(chǎn)量的影響，可能會(huì)造成模型模擬結(jié)果的不確定性。因此在今后的模擬中，還需把極端天氣等設(shè)置為邊界條件，作為輸入變量，在滿足極端條件發(fā)生的氣象條件下進(jìn)行模擬，再考慮溫度和CO2濃度因素的影響，才能做出更可靠的影響評(píng)估，減少模擬結(jié)果的不確定性。為了分析氣候變化對不同耕作措施小麥產(chǎn)量的影響，運(yùn)用ＡＰＳＩＭ模型對兩因素七水平的小麥產(chǎn)量進(jìn)行了模擬，并選擇溫度和CO2濃度作為自變量因子對產(chǎn)量進(jìn)行效應(yīng)分析。主要結(jié)論有：小麥產(chǎn)量隨CO2濃度升高呈二次拋物線上升型變化，但會(huì)出現(xiàn)報(bào)酬遞減。同時(shí)免耕覆蓋CO2濃度對小麥增產(chǎn)效應(yīng)大于其他2種耕作措施，且免耕覆蓋的邊際報(bào)酬遞減率小于其他2種耕作措施。傳統(tǒng)耕作和免耕小麥產(chǎn)量隨溫度升高呈二次拋物線遞減型，并呈疊加遞減。同時(shí)免耕覆蓋隨溫度升高呈二次拋物線拐點(diǎn)型，可以分成2個(gè)時(shí)期：一是遞增期，二是遞減期，溫度升高閾值點(diǎn)為0.94℃，小麥產(chǎn)量可達(dá)到2818.3kg/hm2。溫度和CO2濃度同時(shí)升高對小麥產(chǎn)量具有協(xié)同促進(jìn)作用，并且免耕覆蓋協(xié)同促進(jìn)效應(yīng)大于其他2種耕作措施。免耕覆蓋條件下CO2濃度升高小麥的增產(chǎn)效應(yīng)可以補(bǔ)償高溫所導(dǎo)致的減產(chǎn)，而傳統(tǒng)耕作和免耕條件CO2濃度升高小麥的增產(chǎn)效應(yīng)不能補(bǔ)償高溫所導(dǎo)致的減產(chǎn)。免耕覆蓋條件小麥產(chǎn)量隨溫度和CO2濃度變化的敏感強(qiáng)度相對較為穩(wěn)定，具有一定的應(yīng)對溫度和CO2濃度變化的能力。3種耕作措施溫度和CO2濃度對小麥產(chǎn)量的敏感強(qiáng)度可以分成3個(gè)區(qū)域范圍：不敏感區(qū)，正敏感區(qū)和負(fù)敏感區(qū)。免耕覆蓋對氣候變化的敏感強(qiáng)度要小于免耕和傳統(tǒng)耕作，整個(gè)氣候變化過程都是正效應(yīng)或零效應(yīng)大于負(fù)效應(yīng)，因此免耕覆蓋小麥生產(chǎn)具有更好的應(yīng)對未來氣候變化的能力。
根據(jù)研究區(qū)的氣候、土壤和小麥屬性資料，對比人工氣候培養(yǎng)箱，建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫（氣候?qū)傩阅K、土壤屬性模塊和小麥屬性模塊），然后在APSIM-Wheat模塊的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)的定位試驗(yàn)，對模塊參數(shù)進(jìn)行修正，建立作物參數(shù)模塊，并連接到平臺(tái)中進(jìn)行模擬。為模擬的參考年份，年降水量為452.5ｍｍ，生育期降水量為279.3ｍｍ，季節(jié)分布與近40年平均季節(jié)分配相近，為此以2005年氣象條件和CO2濃度為370μｍOｌ／ｍOｌ作為計(jì)算起點(diǎn)，設(shè)為基準(zhǔn)值。因?yàn)闇囟扰cCO2濃度量綱和量級(jí)都不相同，為此引入編碼因子進(jìn)行編碼。對變量進(jìn)行編碼處理，然后對7個(gè)溫度和CO2濃度水平組合設(shè)計(jì)。根據(jù)ＩＰＣＣ第三次報(bào)告模式的預(yù)估結(jié)果，溫度和CO2濃度將升高，而降水變化（增加或減少）可能會(huì)出現(xiàn)區(qū)域性差異。為此本研究在假設(shè)溫度和CO2濃度升高的情景下，運(yùn)用ＡＰＳＩＭ模型模擬3種耕作措施小麥產(chǎn)量對溫度和CO2濃度變化的響應(yīng)。表明同一耕作措施下溫度的升高導(dǎo)致小麥減產(chǎn)，CO2濃度升高可以提高小麥產(chǎn)量，這個(gè)結(jié)果與大多數(shù)研究結(jié)果是一致的。而不同耕作措施中，免耕覆蓋相比傳統(tǒng)耕作和免耕具有較好的CO2濃度增產(chǎn)效應(yīng)與緩減溫度的減產(chǎn)效應(yīng)，并且溫度和CO2濃度同時(shí)升高對小麥產(chǎn)量形成具有較好的協(xié)同促進(jìn)作用，表明免耕覆蓋具有較好的應(yīng)對氣候變化的風(fēng)險(xiǎn)能力。CO2濃度增產(chǎn)效應(yīng)是由于CO2濃度增加，加大了葉片內(nèi)外CO2濃度梯度和向葉片內(nèi)部擴(kuò)散速度，提高了同化速率，加速了光合產(chǎn)物的形成和輸送，從而促進(jìn)了小麥生長、發(fā)育和干物質(zhì)積累，提高了產(chǎn)量；同時(shí)，CO2濃度上升，減小了氣孔導(dǎo)度，抑制了小麥蒸騰，提高了水分利用率，有利增產(chǎn)。而免耕覆蓋可以增加土壤的蓄水和保水能力，提高全生育期平均耕層土壤含水率，為同化作用提供更好的生態(tài)環(huán)境，進(jìn)而提高作物水分利用效率和作物產(chǎn)量。溫度的減產(chǎn)效應(yīng)主要是由于溫度的升高縮短了小麥的生育期，同時(shí)由于高溫使麥田的蒸發(fā)量增大，造成了作物水分的虧缺等原因。而免耕覆蓋可以平衡和改善耕層土壤溫度狀況，在土壤溫度較低時(shí)具有保溫作用，在土壤溫度較高時(shí)具有降溫作用，同時(shí)由于免耕覆蓋地表的覆蓋物可以減少土壤蒸發(fā)，進(jìn)而可以緩減小麥減產(chǎn)。溫度和CO2濃度同時(shí)升高對小麥生產(chǎn)具有協(xié)同促進(jìn)作用，有不同的研究結(jié)論：一些研究表明，高溫和高CO2濃度具有協(xié)同促進(jìn)作用。但也有一些研究認(rèn)為高溫和高CO2濃度之間沒有協(xié)同作用。可以看出溫度和CO2濃度對作物生長的交互效應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的過程，特別是不同耕作措施之間交互的差異及二者之間的協(xié)同機(jī)理還需要進(jìn)一步研究。作物模型通常是基于作物生理過程建立的機(jī)理模型，能夠動(dòng)態(tài)地模擬作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量形成過程，較準(zhǔn)確地表達(dá)作物生長與氣候因子變化之間的關(guān)系，可以用來預(yù)測氣候條件下的作物產(chǎn)量。但如果出現(xiàn)了極端氣候條件，需要對模型進(jìn)行改進(jìn)。
本研究在模型模擬過程中，只模擬小麥產(chǎn)量對溫度和CO2濃度的響應(yīng)，并未考慮其他極端條件等因素對小麥產(chǎn)量的影響，例如智能光照培養(yǎng)箱中光照對小麥產(chǎn)量的影響，可能會(huì)造成模型模擬結(jié)果的不確定性。因此在今后的模擬中，還需把極端天氣等設(shè)置為邊界條件，作為輸入變量，在滿足極端條件發(fā)生的氣象條件下進(jìn)行模擬，再考慮溫度和CO2濃度因素的影響，才能做出更可靠的影響評(píng)估，減少模擬結(jié)果的不確定性。為了分析氣候變化對不同耕作措施小麥產(chǎn)量的影響，運(yùn)用ＡＰＳＩＭ模型對兩因素七水平的小麥產(chǎn)量進(jìn)行了模擬，并選擇溫度和CO2濃度作為自變量因子對產(chǎn)量進(jìn)行效應(yīng)分析。主要結(jié)論有：小麥產(chǎn)量隨CO2濃度升高呈二次拋物線上升型變化，但會(huì)出現(xiàn)報(bào)酬遞減。同時(shí)免耕覆蓋CO2濃度對小麥增產(chǎn)效應(yīng)大于其他2種耕作措施，且免耕覆蓋的邊際報(bào)酬遞減率小于其他2種耕作措施。傳統(tǒng)耕作和免耕小麥產(chǎn)量隨溫度升高呈二次拋物線遞減型，并呈疊加遞減。同時(shí)免耕覆蓋隨溫度升高呈二次拋物線拐點(diǎn)型，可以分成2個(gè)時(shí)期：一是遞增期，二是遞減期，溫度升高閾值點(diǎn)為0.94℃，小麥產(chǎn)量可達(dá)到2818.3kg/hm2。溫度和CO2濃度同時(shí)升高對小麥產(chǎn)量具有協(xié)同促進(jìn)作用，并且免耕覆蓋協(xié)同促進(jìn)效應(yīng)大于其他2種耕作措施。免耕覆蓋條件下CO2濃度升高小麥的增產(chǎn)效應(yīng)可以補(bǔ)償高溫所導(dǎo)致的減產(chǎn)，而傳統(tǒng)耕作和免耕條件CO2濃度升高小麥的增產(chǎn)效應(yīng)不能補(bǔ)償高溫所導(dǎo)致的減產(chǎn)。免耕覆蓋條件小麥產(chǎn)量隨溫度和CO2濃度變化的敏感強(qiáng)度相對較為穩(wěn)定，具有一定的應(yīng)對溫度和CO2濃度變化的能力。3種耕作措施溫度和CO2濃度對小麥產(chǎn)量的敏感強(qiáng)度可以分成3個(gè)區(qū)域范圍：不敏感區(qū)，正敏感區(qū)和負(fù)敏感區(qū)。免耕覆蓋對氣候變化的敏感強(qiáng)度要小于免耕和傳統(tǒng)耕作，整個(gè)氣候變化過程都是正效應(yīng)或零效應(yīng)大于負(fù)效應(yīng)，因此免耕覆蓋小麥生產(chǎn)具有更好的應(yīng)對未來氣候變化的能力。
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