未来气候变化情景下我国主要粮食作物产量变化模拟_张建平

第25卷第5期2007年9月干旱地区农业研究

Agricultural R esearch in the Arid Areas Vol.25No.5Sept.2007

　

收稿日期:2006212210

基金项目:国家科技支撑计划课题(2006BAD04B09)

作者简介:张建平(1975—

),男,内蒙古乌兰察布市人,硕士,工程师,主要从事气候变化及其影响评价和对策研究。E 2mail :jeepjohn @https://www.360docs.net/doc/fa18034672.html, 。

未来气候变化情景下

我国主要粮食作物产量变化模拟

张建平1,赵艳霞2,王春乙2,何　勇3

(1.重庆市气象科学研究所,重庆401147;2.中国气象科学研究院,北京100081;3.国家气候中心,北京100081)

摘　要:采用气候模式BCC -T63与作物模式WOFOST 相结合的研究方法,在多年试验数据和模型适宜性验证的基础上,模拟分析了未来100a (2000～2100年)气候变化情景下我国主要粮食作物发育和产量变化趋势。主要的粮食作物选取东北区域的玉米、华北区域的冬小麦和南方区域的双季稻。东北区域为东经120°～135°,北纬

40°～50°,主要以黑龙江、吉林和辽宁三省区为研究对象;华北区域为东经111°～123°,北纬35°～41°,主要包括京、

晋、冀和鲁等地;南方区域为东经109°～120°,北纬25°～30°,主要包括湖南、湖北以及江西等地。结果表明:东北地区玉米生育期会缩短,其中,中熟玉米平均缩短3.8d ,晚熟玉米平均缩短1.4d ,产量也会相应地下降,中熟玉米平均减产3.3%,晚熟玉米平均减产2.7%;华北地区冬小麦的生育期平均缩短8.4d ;产量平均减产10.1%;南方早稻生育期平均缩短4.9d ,晚稻生育期平均缩短4.4d ,早稻的产量变化范围为1.9%～-9.5%,平均减产3.6%,晚稻的产量变化范围为2.2%～-7.3%,平均减产2.8%。

关键词:气候变化;作物模型;产量;模拟

中图分类号:S162.5+3 文献标识码:A 文章编号:100027601(2007)0520208206

气候变化的影响是多方位、多层次和多尺度的,不仅影响整个自然生态系统,而且也影响着我国的社会经济系统[1]。虽然气候变化的影响也有正面效应,但更多的是由于它给人类带来了许多负面影响,因此引起了世界各方面的关注。包括许多国际

机构和组织如联合国环境署(UN EP ),世界气象组织(WMO ),联合国粮农组织(FAO ),世界自然基金会(WWF )等,以及许多国家的科研机构、大学以及民间团体、非政府组织(N G Os )等。十多年来,在政府间气候变化委员会(IPCC )的领导和推动下,气候变化及其影响评估研究取得了重大进展。IPCC 先后于1990年、1995年和2001年发表了三次全球气候变化的综合评估报告,对全球的气候变化及其影响研究做了科学评估,并预测了全球未来50～100a 可能出现的气候变化范围及对各大生态系统的可能影响[2]。我国虽然从20世纪90年代初才开始气候变化影响与适应性的评估研究,但中国政府却给予了极大的重视和支持。从“八五”到“十五”国家设立多个科技攻关项目进行与国民经济密切相关的水资源、农业、陆地生态系统、海岸带和近海生态系统四个领域的气候变化影响研究,取得了许多令人振奋的科研成果[3～7]。

本文从气候变化与我国的粮食安全为主要研究

对象,针对我国的主要粮食作物(小麦、玉米和水稻),有代表性地选择了三大作物的典型生长区域,借助国外作物模式的框架体系[8,9],在我国进行适应性调整的基础上,结合气候模式输入的未来100a (2000～2100年)气候情景资料,定量化地估算了未来气候变化情景下我国主要粮食作物产量变化趋势,对未来农业生产及其影响进行了合理评估,以求为有关部门制定相关的决策提供理论依据。

1　研究区域

主要的粮食作物选取东北区域的玉米、华北区域的冬小麦和南方区域的双季稻。东北区域为东经120°～135°,北纬40°～50°,主要以黑龙江、吉林和

辽宁三省区为研究对象;华北区域为东经111°～123°,北纬35°～41°,主要包括京、晋、冀和鲁等地;

南方区域为东经109°～120°,北纬25°～30°,主要包括湖南、湖北以及江西等地。

2　研究方法

2.1　作物模式

WOFOST 模型用于模拟1年生作物的生态生

理过程,主要包括光合作用、呼吸作用等,并描述这些过程如何受环境的影响。模型主要包括三大模块,分别是作物模块、气候模块和土壤模块。根据三大模块的计算可以得到潜在生产力(没有限制水平)和有限制水平的生产力(图1)

。

图1　模型的基本框架

Fig.1　Structure diagram of the modeling

2.2　气候模式

气候模式是气候中心T63海气耦合模式BC 2

CT63,是由气候中心发展的大气模式与中科院大气物理研究所发展的海洋模式耦合而成。

其中,它的大气部分的水平分辨率为1.875×1.875,垂直分辨率为16层(模式层顶:约25hPa ,模式层底:约996hPa ),参考气压为1013.25hPa ,积分时间步长是22.5min 。在时间积分方案选择上,散度、温度和地面气压方程采取半隐式时间格式,为防止计算波的虚假增长而引起了时间滤波;涡度与水汽方程的纬向平流项采用了半隐式格式。并在模式中对某些选择性短波加以阻尼。模式垂直方向离散化为16层。

根据模式输出的结果来看,未来100a 内,全国平均气温可能增高0.5℃左右,其中尤以东北地区增温最高,达1.0℃以上;华北居中,增温幅度在0.7℃～0.9℃。

模式输出的全国未来气候的年平均温度变化趋势如图2所示。

3　模型参数调整及检验分析

作物模型参数中对作物品种参数的调整至关重要,对于该模型在区域范围内的运行起关键作用。这些参数包括作物品种本身的遗传参数以及与外界

环境相关的水文和温度参数,所有这些参数的调整都需要建立在大量的试验基础上并经多次运行模型方可获得,由于篇幅有限,本文不再累述,详见文后参考文献[10,11]

。

图2　未来气候情景的年平均温度变化趋势图

Fig.2　Changing trend chart of the simulated year mean

temperature of future climate scenario

4　结果与分析

4.1　气候变化对农作物发育期的影响

综合来看,东北春玉米生长期都有所缩短。中

熟玉米生育期变化范围在2.7～-10.6d 之间(正号表示生育期延长,负号表示生育期缩短),平均缩短3.8d ;晚熟玉米生育期变化范围在5.3～6.0d 之间,平均缩短1.4d 。华北地区冬小麦生长期会有所缩短。冬小麦生育期变化范围在 6.3%～-27.0%之间,平均缩短8.4d 。南方早稻生育期变化范围在1.0～-13.3d 之间,平均缩短4.9d ;南方晚稻生育期变化范围在1.7～-12.3d 之间,平均缩短4.4d (见图3a ～3e )。4.2　气候变化对农作物产量的影响

从模拟结果可以看出,东北地区玉米的产量总体变化呈下降趋势,但下降趋势不是很大。中熟玉米产量变化范围在4.7%～-7.4%,平均减产3.3%;晚熟玉米产量变化范围在4.4%～-9.1%,

平均减产2.7%。华北地区冬小麦的产量总体变化呈下降趋势,冬小麦产量变化范围在17.7%～-32.6%,平均减产10.1%。南方双季早稻的产量变化范围在1.9%～-9.5%,平均减产3.6%;南方双季晚稻的产量变化范围是2.2%～-7.3%,平均减产2.8%(图4a ～4e )。

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02第5期 张建平等:未来气候变化情景下我国主要粮食作物产量变化模拟

干旱地区农业研究 第25卷012

5　未来农业生产应对措施初探

气候变暖已经成为一个不争的事实[4],而气候条件与农业生产息息相关。这种情况下,我们未来的农业生产该如何应对变化后的气候条件呢?本文借助作物模型自身的条件,重新运行模型,着重分析了通过调整作物播种期、引进新品种和改变管理措施来探讨应对气候变化的可行性。

5.1　调整播种期

其它条件(作物品种类型、生产水平以及作物、气候和土壤参数)不变的情况下,适当调整农作物的播种期(在原有基础上把播种期提前10d),对三大作物进行了未来50a的模拟分析。结果发现,减产幅度均有不同程度地回升,中熟玉米减产可回升2.2%,晚熟玉米减产回升不到1%(均为10a产量的平均值);冬小麦平均可回升6.8%(均为50a产量的平均值);早稻平均可回升1.8%,晚稻平均可回升1.2%(均为10a产量的平均值)。

5.2　改变作物品种类型

据有关研究[6]指出,未来气候变暖后,华北平原的热量资源将由原来的3500～5000(℃?d)增至4500～5500(℃?d)。因此,可以考虑引进一些耐高温和生育期相对比较长的作物品种类型。在模型中,我们在现有生产管理水平和播种期不变的情况下,单纯地通过改变作物的品种类型(耐高温、生育期相对比较长)来重新运行模型,结果发现:改变品种后,不但能大大减缓产量减少的趋势,而且还有很好的增产效果,增产幅度可达0～7.1%。

5.3　调整管理措施

改变水分条件,即把雨养条件改变为水分适宜,

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其它条件都不变,结果表明:中熟玉米减产可回升3.3%,晚熟玉米减产可回升2.6%(均为20a产量的平均值);冬小麦平均可回升5.2%(均为50a产量的平均值);早稻平均可回升1.1%,晚稻平均可回升0.7%(均为10a产量的平均值)。说明改变灌溉条件能适当降低冬小麦产量的减少趋势。

需要说明的是,本文的研究结果仅是考虑现有的生产条件,未来气温的上升,也会对我国的农业生产带来一些有利条件。比如,将有助于多熟种植北移、南扩,有利于我国复种指数增加,部分区域耕地生产力可能有所提高。再加上农业生产技术的不断向前发展,相信我国的农业生产还会再创新高。

6　结论与讨论

本文在引用国外作物生长模型的基础上,通过对模型的进一步修改和完善,结合气候模式输出的气候结果,分析研究了未来100a中国华北地区冬小麦的产量变化趋势,得出如下主要结论:

在气候变化大背景下,东北地区的玉米、华北地区的冬小麦以及南方的双季稻的发育期和产量都会受到不同程度地影响。其中,中熟玉米平均缩短3.8 d,晚熟玉米平均缩短1.4d。产量也会相应地下降,中熟玉米平均减产3.3%,晚熟玉米平均减产2.7%;华北地区冬小麦的生育期平均缩短8.4d,产量平均减产10.1%;南方早稻生育期平均缩短4.9 d,晚稻生育期平均缩短4.4d,早稻平均减产3. 6%,晚稻平均减产2.8%。

适当采取应对措施,如调整播种期,改变作物品种类型,调整管理措施等,可以缓和或减少产量的下降幅度。

由于各地的生产种植情况、自然地理条件以及气候要素不同,因此受气候变化的影响也不尽相同,说明产量变化有一定的地域分布规律性,同时也体现出了气候变化影响的复杂性。

值得指出的是,由于条件所限,模拟过程中作了许多简化处理,如水分限制、养分含量大小、病虫害以及异常天气等等。此外,由于资料的限制,本文主要模拟研究了气候变化对冬小麦发育期和产量变化趋势的影响,气候变化对农业生态系统的影响是一个复杂而系统的研究课题,相关研究工作尚有待不断加以补充和完善。

参考文献:

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mate change and thresholds:An application of the CL IMPACTS integrated assessment model for New Zealand agriculture[J].Cli2 matic Change,2000,46:91—113.

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duction in China[J].Japan Agric Meteorol,1993,48(5):803—806.

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[6]　唐国平,李秀彬.气候变化对中国农业生产的影响[J].地理学

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[7]　邓慧平,吴正方,周道玮.全球气候变化对小兴安岭阔叶红松

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[11]　张建平,赵艳霞,王春乙.气候变化对我国华北地区冬小麦发

育和产量影响[J].应用生态学报,2006,17(7):1179—1184.

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干旱地区农业研究 第25卷

Simulation of the yields change of China ’main crops

under climate change scenario

ZHAN G Jian 2ping 1,ZHAO Yan 2xia 2,WAN G Chun 2yi 2,HE Y ong 3

(1.Chongqing Institute of Meteorological Sciences ,Chongqing 401147,China ;

2.Chinese Academy of Meteorological Sciences ,Beijing 100081,China ;

3.N ational Clim ate Center ,Beijing 100081,China )

Abstract :Using the method of climate model BCC -T63jointly with crop model WOFOST ,and based on the experiment data of many years and suitability test ,simulation and analysis were carried out about the change of the growth and yield of the main crops in China under climate change.The main crops included maize in Northeast China ,winter wheat in North China ,and double 2season rice in South China.The Northeast region lies from 120to 135degrees east longitude from 40to 50degrees north latitude ,mainly including three provinces :Helongjiang ,Jilin and Liaoning ;The North China is situated from 111to 123degrees east longitude and from 35to 41degrees north latitude ,mainly including Jing ,Jin ,Ji and Lu area ;The South China is located from 109to 120degrees east longitude and from 25to 30degrees north latitude ,mainly including the provinces of Hunan ,Hubei and Jiangxi.The results showed :the life time of maize in Northeast China will be shortened ,the lifetime of medium maize will be shortened by 3.8days ,that of the late maize will be shortened by 1.4days ,the yields of maize also will be decreased to a different extent ,medium maize will be reduced by 3.3per 2cent ,late maize reduced by 2.7percent ;The life time of winter wheat in North China will be shortened by 8.4days ,and the yields of winter wheat also will be decreased by 10.1%to a different extent ;The lifetime of early rice in South China will be shortened by 4.9days ,that of late rice will be shortened 4.4days ,the change range of early rice from 1.9to 9.5percent ,meanly reduced by 3.6percent ,and the change range of late rice from 2.2to -7.3percent ,meanly reduced by 2.8percent.

K eyw ords :climate change ;crop model ;yield ;simulation

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