如何運用氣候因素增加小麥產(chǎn)量
來源： http://www.jetlicn.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(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道。多數(shù)研究表明，保護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(chǎn)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(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模塊的基礎上，結合研究區(qū)的定位試驗，對模塊參數(shù)進行修正，建立作物參數(shù)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(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(jù)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(xiàn)區(qū)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(chǎn)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(chǎn)，CO2濃度升高可以提高小麥產(chǎn)量，這個結果與大多數(shù)研究結果是一致的。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)效應與緩減溫度的減產(chǎn)效應，并且溫度和CO2濃度同時升高對小麥產(chǎn)量形成具有較好的協(xié)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(chǎn)效應是由于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，從而促進了小麥生長、發(fā)育和干物質(zhì)積累，提高了產(chǎn)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(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(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(fā)，進而可以緩減小麥減產(chǎn)。溫度和CO2濃度同時升高對小麥生產(chǎn)具有協(xié)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(xié)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(xié)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(xié)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(tài)地模擬作物的生長發(fā)育和產(chǎn)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(chǎn)量。但如果出現(xiàn)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(chǎn)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(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(fā)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(chǎn)量的影響，運用ＡＰＳＩＭ模型對兩因素七水平的小麥產(chǎn)量進行了模擬，并選擇溫度和CO2濃度作為自變量因子對產(chǎn)量進行效應分析。主要結論有：小麥產(chǎn)量隨CO2濃度升高呈二次拋物線上升型變化，但會出現(xiàn)報酬遞減。同時免耕覆蓋CO2濃度對小麥增產(chǎn)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(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(chǎn)量可達到2818.3kg/hm2。溫度和CO2濃度同時升高對小麥產(chǎn)量具有協(xié)同促進作用，并且免耕覆蓋協(xié)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(chǎn)效應可以補償高溫所導致的減產(chǎn)，而傳統(tǒng)耕作和免耕條件CO2濃度升高小麥的增產(chǎn)效應不能補償高溫所導致的減產(chǎn)。免耕覆蓋條件小麥產(chǎn)量隨溫度和CO2濃度變化的敏感強度相對較為穩(wěn)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(chǎn)量的敏感強度可以分成3個區(qū)域范圍：不敏感區(qū)，正敏感區(qū)和負敏感區(qū)。免耕覆蓋對氣候變化的敏感強度要小于免耕和傳統(tǒng)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(chǎn)具有更好的應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模塊的基礎上，結合研究區(qū)的定位試驗，對模塊參數(shù)進行修正，建立作物參數(shù)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(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(jù)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(xiàn)區(qū)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(chǎn)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(chǎn)，CO2濃度升高可以提高小麥產(chǎn)量，這個結果與大多數(shù)研究結果是一致的。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)效應與緩減溫度的減產(chǎn)效應，并且溫度和CO2濃度同時升高對小麥產(chǎn)量形成具有較好的協(xié)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(chǎn)效應是由于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，從而促進了小麥生長、發(fā)育和干物質(zhì)積累，提高了產(chǎn)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(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(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(fā)，進而可以緩減小麥減產(chǎn)。溫度和CO2濃度同時升高對小麥生產(chǎn)具有協(xié)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(xié)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(xié)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(xié)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(tài)地模擬作物的生長發(fā)育和產(chǎn)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(chǎn)量。但如果出現(xiàn)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(chǎn)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(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(fā)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(chǎn)量的影響，運用ＡＰＳＩＭ模型對兩因素七水平的小麥產(chǎn)量進行了模擬，并選擇溫度和CO2濃度作為自變量因子對產(chǎn)量進行效應分析。主要結論有：小麥產(chǎn)量隨CO2濃度升高呈二次拋物線上升型變化，但會出現(xiàn)報酬遞減。同時免耕覆蓋CO2濃度對小麥增產(chǎn)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(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(chǎn)量可達到2818.3kg/hm2。溫度和CO2濃度同時升高對小麥產(chǎn)量具有協(xié)同促進作用，并且免耕覆蓋協(xié)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(chǎn)效應可以補償高溫所導致的減產(chǎn)，而傳統(tǒng)耕作和免耕條件CO2濃度升高小麥的增產(chǎn)效應不能補償高溫所導致的減產(chǎn)。免耕覆蓋條件小麥產(chǎn)量隨溫度和CO2濃度變化的敏感強度相對較為穩(wěn)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(chǎn)量的敏感強度可以分成3個區(qū)域范圍：不敏感區(qū)，正敏感區(qū)和負敏感區(qū)。免耕覆蓋對氣候變化的敏感強度要小于免耕和傳統(tǒng)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(chǎn)具有更好的應對未來氣候變化的能力。
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