如何運用氣候因素增加小麥產量
來源： http://www.lengpinhui.com/ 類別：實用技術 更新時間：2013-01-23 閱讀次
【本資訊由中國糧油儀器網提供】 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，但隨著區域氣候情景研究的深入及作物模擬技術的提高，使氣候變化對作物生產的影響研究得到了深化和發展。在作物模型預測方面，國內外在系統水平模擬作物生產優化決策的模型很多，模擬對象分別為作物、土壤、作物—土壤綜合等三類，在研究和應用方面取得了大量的成果。近年來由澳大利亞農業生產系統研究組，包括聯邦科工組織和昆士蘭初級產業部等單位開發的農業生產系統模型在國外氣候變化對作物的響應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量。保護性耕作對土壤環境和作物產量影響的研究已有大量報道。多數研究表明，保護性耕作能增加降雨入滲、減少水分蒸發，提高土壤水分含量及作物水分利用效率，能提高土壤養分含量，培肥土壤，從而提高作物產量但不同耕作措施對氣候變化響應的研究相對較少。為此，本研究以黃土丘陵區旱地小麥為對象，運用ＡＰＳＩＭ模型定量評估不同耕作措施的小麥－氣候條件的互作效應，對不同耕作措施下小麥生產對氣候變化的敏感性進行研究，為如何利用氣候因素進行小麥產量的增加，提供理論支持。
根據研究區的氣候、土壤和小麥屬性資料，對比人工氣候培養箱，建立基礎數據庫（氣候屬性模塊、土壤屬性模塊和小麥屬性模塊），然后在APSIM-Wheat模塊的基礎上，結合研究區的定位試驗，對模塊參數進行修正，建立作物參數模塊，并連接到平臺中進行模擬。為模擬的參考年份，年降水量為452.5ｍｍ，生育期降水量為279.3ｍｍ，季節分布與近40年平均季節分配相近，為此以2005年氣象條件和CO2濃度為370μｍOｌ／ｍOｌ作為計算起點，設為基準值。因為溫度與CO2濃度量綱和量級都不相同，為此引入編碼因子進行編碼。對變量進行編碼處理，然后對7個溫度和CO2濃度水平組合設計。根據ＩＰＣＣ第三次報告模式的預估結果，溫度和CO2濃度將升高，而降水變化（增加或減少）可能會出現區域性差異。為此本研究在假設溫度和CO2濃度升高的情景下，運用ＡＰＳＩＭ模型模擬3種耕作措施小麥產量對溫度和CO2濃度變化的響應。表明同一耕作措施下溫度的升高導致小麥減產，CO2濃度升高可以提高小麥產量，這個結果與大多數研究結果是一致的。而不同耕作措施中，免耕覆蓋相比傳統耕作和免耕具有較好的CO2濃度增產效應與緩減溫度的減產效應，并且溫度和CO2濃度同時升高對小麥產量形成具有較好的協同促進作用，表明免耕覆蓋具有較好的應對氣候變化的風險能力。CO2濃度增產效應是由于CO2濃度增加，加大了葉片內外CO2濃度梯度和向葉片內部擴散速度，提高了同化速率，加速了光合產物的形成和輸送，從而促進了小麥生長、發育和干物質積累，提高了產量；同時，CO2濃度上升，減小了氣孔導度，抑制了小麥蒸騰，提高了水分利用率，有利增產。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環境，進而提高作物水分利用效率和作物產量。溫度的減產效應主要是由于溫度的升高縮短了小麥的生育期，同時由于高溫使麥田的蒸發量增大，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，在土壤溫度較低時具有保溫作用，在土壤溫度較高時具有降溫作用，同時由于免耕覆蓋地表的覆蓋物可以減少土壤蒸發，進而可以緩減小麥減產。溫度和CO2濃度同時升高對小麥生產具有協同促進作用，有不同的研究結論：一些研究表明，高溫和高CO2濃度具有協同促進作用。但也有一些研究認為高溫和高CO2濃度之間沒有協同作用。可以看出溫度和CO2濃度對作物生長的交互效應是一個復雜的過程，特別是不同耕作措施之間交互的差異及二者之間的協同機理還需要進一步研究。作物模型通常是基于作物生理過程建立的機理模型，能夠動態地模擬作物的生長發育和產量形成過程，較準確地表達作物生長與氣候因子變化之間的關系，可以用來預測氣候條件下的作物產量。但如果出現了極端氣候條件，需要對模型進行改進。
本研究在模型模擬過程中，只模擬小麥產量對溫度和CO2濃度的響應，并未考慮其他極端條件等因素對小麥產量的影響，例如智能光照培養箱中光照對小麥產量的影響，可能會造成模型模擬結果的不確定性。因此在今后的模擬中，還需把極端天氣等設置為邊界條件，作為輸入變量，在滿足極端條件發生的氣象條件下進行模擬，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估，減少模擬結果的不確定性。為了分析氣候變化對不同耕作措施小麥產量的影響，運用ＡＰＳＩＭ模型對兩因素七水平的小麥產量進行了模擬，并選擇溫度和CO2濃度作為自變量因子對產量進行效應分析。主要結論有：小麥產量隨CO2濃度升高呈二次拋物線上升型變化，但會出現報酬遞減。同時免耕覆蓋CO2濃度對小麥增產效應大于其他2種耕作措施，且免耕覆蓋的邊際報酬遞減率小于其他2種耕作措施。傳統耕作和免耕小麥產量隨溫度升高呈二次拋物線遞減型，并呈疊加遞減。同時免耕覆蓋隨溫度升高呈二次拋物線拐點型，可以分成2個時期：一是遞增期，二是遞減期，溫度升高閾值點為0.94℃，小麥產量可達到2818.3kg/hm2。溫度和CO2濃度同時升高對小麥產量具有協同促進作用，并且免耕覆蓋協同促進效應大于其他2種耕作措施。免耕覆蓋條件下CO2濃度升高小麥的增產效應可以補償高溫所導致的減產，而傳統耕作和免耕條件CO2濃度升高小麥的增產效應不能補償高溫所導致的減產。免耕覆蓋條件小麥產量隨溫度和CO2濃度變化的敏感強度相對較為穩定，具有一定的應對溫度和CO2濃度變化的能力。3種耕作措施溫度和CO2濃度對小麥產量的敏感強度可以分成3個區域范圍：不敏感區，正敏感區和負敏感區。免耕覆蓋對氣候變化的敏感強度要小于免耕和傳統耕作，整個氣候變化過程都是正效應或零效應大于負效應，因此免耕覆蓋小麥生產具有更好的應對未來氣候變化的能力。
根據研究區的氣候、土壤和小麥屬性資料，對比人工氣候培養箱，建立基礎數據庫（氣候屬性模塊、土壤屬性模塊和小麥屬性模塊），然后在APSIM-Wheat模塊的基礎上，結合研究區的定位試驗，對模塊參數進行修正，建立作物參數模塊，并連接到平臺中進行模擬。為模擬的參考年份，年降水量為452.5ｍｍ，生育期降水量為279.3ｍｍ，季節分布與近40年平均季節分配相近，為此以2005年氣象條件和CO2濃度為370μｍOｌ／ｍOｌ作為計算起點，設為基準值。因為溫度與CO2濃度量綱和量級都不相同，為此引入編碼因子進行編碼。對變量進行編碼處理，然后對7個溫度和CO2濃度水平組合設計。根據ＩＰＣＣ第三次報告模式的預估結果，溫度和CO2濃度將升高，而降水變化（增加或減少）可能會出現區域性差異。為此本研究在假設溫度和CO2濃度升高的情景下，運用ＡＰＳＩＭ模型模擬3種耕作措施小麥產量對溫度和CO2濃度變化的響應。表明同一耕作措施下溫度的升高導致小麥減產，CO2濃度升高可以提高小麥產量，這個結果與大多數研究結果是一致的。而不同耕作措施中，免耕覆蓋相比傳統耕作和免耕具有較好的CO2濃度增產效應與緩減溫度的減產效應，并且溫度和CO2濃度同時升高對小麥產量形成具有較好的協同促進作用，表明免耕覆蓋具有較好的應對氣候變化的風險能力。CO2濃度增產效應是由于CO2濃度增加，加大了葉片內外CO2濃度梯度和向葉片內部擴散速度，提高了同化速率，加速了光合產物的形成和輸送，從而促進了小麥生長、發育和干物質積累，提高了產量；同時，CO2濃度上升，減小了氣孔導度，抑制了小麥蒸騰，提高了水分利用率，有利增產。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環境，進而提高作物水分利用效率和作物產量。溫度的減產效應主要是由于溫度的升高縮短了小麥的生育期，同時由于高溫使麥田的蒸發量增大，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，在土壤溫度較低時具有保溫作用，在土壤溫度較高時具有降溫作用，同時由于免耕覆蓋地表的覆蓋物可以減少土壤蒸發，進而可以緩減小麥減產。溫度和CO2濃度同時升高對小麥生產具有協同促進作用，有不同的研究結論：一些研究表明，高溫和高CO2濃度具有協同促進作用。但也有一些研究認為高溫和高CO2濃度之間沒有協同作用。可以看出溫度和CO2濃度對作物生長的交互效應是一個復雜的過程，特別是不同耕作措施之間交互的差異及二者之間的協同機理還需要進一步研究。作物模型通常是基于作物生理過程建立的機理模型，能夠動態地模擬作物的生長發育和產量形成過程，較準確地表達作物生長與氣候因子變化之間的關系，可以用來預測氣候條件下的作物產量。但如果出現了極端氣候條件，需要對模型進行改進。
本研究在模型模擬過程中，只模擬小麥產量對溫度和CO2濃度的響應，并未考慮其他極端條件等因素對小麥產量的影響，例如智能光照培養箱中光照對小麥產量的影響，可能會造成模型模擬結果的不確定性。因此在今后的模擬中，還需把極端天氣等設置為邊界條件，作為輸入變量，在滿足極端條件發生的氣象條件下進行模擬，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估，減少模擬結果的不確定性。為了分析氣候變化對不同耕作措施小麥產量的影響，運用ＡＰＳＩＭ模型對兩因素七水平的小麥產量進行了模擬，并選擇溫度和CO2濃度作為自變量因子對產量進行效應分析。主要結論有：小麥產量隨CO2濃度升高呈二次拋物線上升型變化，但會出現報酬遞減。同時免耕覆蓋CO2濃度對小麥增產效應大于其他2種耕作措施，且免耕覆蓋的邊際報酬遞減率小于其他2種耕作措施。傳統耕作和免耕小麥產量隨溫度升高呈二次拋物線遞減型，并呈疊加遞減。同時免耕覆蓋隨溫度升高呈二次拋物線拐點型，可以分成2個時期：一是遞增期，二是遞減期，溫度升高閾值點為0.94℃，小麥產量可達到2818.3kg/hm2。溫度和CO2濃度同時升高對小麥產量具有協同促進作用，并且免耕覆蓋協同促進效應大于其他2種耕作措施。免耕覆蓋條件下CO2濃度升高小麥的增產效應可以補償高溫所導致的減產，而傳統耕作和免耕條件CO2濃度升高小麥的增產效應不能補償高溫所導致的減產。免耕覆蓋條件小麥產量隨溫度和CO2濃度變化的敏感強度相對較為穩定，具有一定的應對溫度和CO2濃度變化的能力。3種耕作措施溫度和CO2濃度對小麥產量的敏感強度可以分成3個區域范圍：不敏感區，正敏感區和負敏感區。免耕覆蓋對氣候變化的敏感強度要小于免耕和傳統耕作，整個氣候變化過程都是正效應或零效應大于負效應，因此免耕覆蓋小麥生產具有更好的應對未來氣候變化的能力。
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