氣候變化對冬小麥產(chǎn)量潛力的影響

氣候變化對冬小麥產(chǎn)量潛力的影響

0氣候變化對小麥產(chǎn)量的影響小麥?zhǔn)亲钪匾募Z食之一。華北平原是中國小麥的主要產(chǎn)區(qū)。由于小麥生長發(fā)育周期較長,從秋季播種到夏季收獲的全生育期可達8個月,生育期間的氣象條件對其產(chǎn)量影響非常顯著。中國冬小麥主產(chǎn)區(qū)從1961年起日照時數(shù)和太陽輻射顯著減少,1980年以后氣溫有明顯上升趨勢,北部降雨有減少趨勢、南部呈增加趨勢,對冬小麥生長及產(chǎn)量形成產(chǎn)生了很大影響。近年來,科學(xué)家開展了關(guān)于氣候變化對小麥生產(chǎn)影響的眾多研究,包括運用模擬模型結(jié)合氣候模式方法,以及設(shè)置未來氣候情景預(yù)測氣候變化條件下冬小麥產(chǎn)量影響及其應(yīng)對技術(shù)。但針對冬小麥各生育時期的氣候要素變化對不同品種生產(chǎn)潛力的影響研究較少,本文以地處華北山前平原的石家莊為典型區(qū)域,選擇20世紀(jì)50年代以來的幾個代表性小麥品種,通過模擬模型方法探討近50多年小麥生育時期氣候要素變化及其對不同品種的產(chǎn)量影響,以期為小麥通過育種和栽培管理技術(shù)適應(yīng)氣候變化提供參考。1材料和方法1.1dssat模型在北方冬麥區(qū)的應(yīng)用選擇DSSAT模型作為研究工具。該模型是世界上應(yīng)用最廣的作物模型之一,被國內(nèi)外許多科學(xué)家廣泛驗證,研究結(jié)果表明DSSAT模型在中國北方冬麥區(qū)比較適用。1.2品種初步分析和參數(shù)確定從小麥品種的年種植面積來看,1950年至2000年期間超過66.7萬hm2的品種數(shù)約占種植面積較大的品種總數(shù)的3%,結(jié)合同期黃淮海區(qū)域經(jīng)歷的7次大規(guī)模品種更換,本研究選擇華北地區(qū)20世紀(jì)50年代以來種植面積較大的5個品種(見表1)進行初步分析。運用DSSAT模型對上述5個品種進行參數(shù)調(diào)試之前,要求先建立相應(yīng)的作物管理文件、土壤文件和氣象數(shù)據(jù)文件。本研究依據(jù)文獻資料建立5個品種的作物管理文件,土壤基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源中國科學(xué)院“中國土壤數(shù)據(jù)庫”,逐日氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象局。1.3模擬值與實測值的吻合度在建立作物管理文件、土壤文件和氣象數(shù)據(jù)文件的基礎(chǔ)上,采用“試錯法”對作物品種參數(shù)進行調(diào)試,直至模型模擬輸出結(jié)果與實測值吻合。本研究用歸一化均方根差RMSE(normalizedrootmeansquareerror)來度量模擬值與實測值的相對差異程度,并用一致性指數(shù)d(indexofagreement)檢驗?zāi)M值和實測值的吻合度,計算方法見公式(1)和(2)。式中,Si為模擬值,Ri為實測值,為實測值平均值,n為模擬值的樣本數(shù)。一般認(rèn)為,RMSE<10%,為極好;10%<RMSE<20%,為好;20%<RMSE<30%,為中等;RMSE>30%,為差。d值越接近1,說明模擬值和實測值一致性越好,否則相反。1.4建立氣象文件以石家莊地區(qū)為例研究5個品種的生產(chǎn)潛力。采用國家氣象局發(fā)布的石家莊1955-2008年氣象數(shù)據(jù)建立氣象文件。DSSAT模型中雨養(yǎng)產(chǎn)量的模擬受土壤狀況影響,本研究采用冬小麥科研試驗地的土壤實測數(shù)據(jù)建立土壤文件。作物管理文件中各品種的播種日期和密度固定。文件建立完畢之后運用DSSAT模型進行生產(chǎn)潛力的模擬。1.5冬小麥各生育期氣象指標(biāo)的回歸分析雖然由于氣候變化,冬小麥的生育期有縮短趨勢、營養(yǎng)生長階段縮短4d/10a,返青、拔節(jié)、抽穗期均有提前趨勢,但總體來看提前天數(shù)較短。因此本研究中播種期、各生育時期按照一致的日期輸入,播種、返青、拔節(jié)、抽穗、成熟分別為每年的10月9日、3月1日、4月5日、5月5日、6月10日,計算1955-2008每年冬小麥各生育階段的積溫T(≥0℃)、太陽輻射量S和降雨量P。用線性回歸方程的斜率反映53a來冬小麥各生育階段氣候要素、及不同冬小麥品種光溫生產(chǎn)潛力和雨養(yǎng)產(chǎn)量的變化趨勢,并用t檢驗對變化趨勢進行顯著性檢驗。用逐步多元回歸法分析各生育階段氣候要素變化對冬小麥光溫生產(chǎn)潛力和雨養(yǎng)產(chǎn)量的影響,統(tǒng)計結(jié)果>95%的變量進入方程,為便于各品種間比較要求擬合線過原點。2結(jié)果與分析2.1產(chǎn)量結(jié)果對比分析運用DSSAT模型對5個品種進行產(chǎn)量模擬。通過模擬值與實測值對比分析(見圖1),結(jié)果表明RMSE均小于10%,d值除石家莊8號品種外均接近于1,產(chǎn)量模擬結(jié)果和實測值一致性較好,品種參數(shù)能夠較為準(zhǔn)確地反映作物品種的主要遺傳特征,可用于作物生產(chǎn)潛力模擬研究。2.2播種-返青-拔節(jié)增長量1955-2008年冬小麥不同生育階段氣象因子的變化見表2。近50年來冬小麥各生育階段的積溫除抽穗-成熟外,其他階段都呈現(xiàn)極顯著增加趨勢,增幅分別為播種-返青3.459℃/a、返青-拔節(jié)1.951℃/a、拔節(jié)-抽穗1.089℃/a。同期各生育階段的太陽輻射量除拔節(jié)-抽穗外,都呈顯著減少趨勢,其中播種-返青、抽穗-成熟階段太陽輻射量呈極顯著減少趨勢,減少幅度分別為7.178MJ·m-2/a、2.558MJ·m-2/a。而降雨量年際間變化較大,在播種-拔節(jié)階段呈不顯著增加趨勢,而拔節(jié)-成熟階段呈不顯著下降趨勢。2.3光溫生產(chǎn)潛力與碳源利用的關(guān)系運用模型模擬1955-2008年冬小麥品種光溫生產(chǎn)潛力的動態(tài)變化,各品種光溫生產(chǎn)潛力均隨年份的推移呈現(xiàn)下降趨勢(見圖2),其中泰山1號、濟南13和冀麥30品種呈顯著下降(圖2b、c、d),石家莊8號品種呈極顯著下降(圖2e),表明積溫和太陽輻射量變化的減產(chǎn)效應(yīng)。由于品種參數(shù)不同,積溫和太陽輻射量對各品種光溫生產(chǎn)潛力的影響存在一定差異(見表3)。各品種的光溫生產(chǎn)潛力與播種-返青期間積溫(T1)和太陽輻射量(S1)呈顯著正相關(guān)關(guān)系,由表2可知該階段積溫顯著增加,對冬小麥有增產(chǎn)作用,而太陽輻射量卻呈現(xiàn)顯著減少趨勢,對冬小麥有減產(chǎn)效應(yīng),綜合影響有待進一步研究。碧瑪1號、泰山1號、濟南13品種的光溫生產(chǎn)潛力與拔節(jié)-抽穗期間積溫(T3)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,與同期太陽輻射量(S3)呈顯著正相關(guān)關(guān)系。由表2可知該階段積溫呈極顯著增加趨勢,太陽輻射量呈不顯著下降趨勢,對冬小麥均為減產(chǎn)效應(yīng)。該階段積溫變化是影響90年代以前品種碧瑪1號、泰山1號、濟南13的重要因素。這是由于這些品種的產(chǎn)量構(gòu)成因素中穗粒數(shù)對產(chǎn)量的影響最大,而拔節(jié)-抽穗期間積溫極顯著增加、空氣干燥是影響穗粒數(shù)的不利因素。冀麥30和石家莊8號品種的光溫生產(chǎn)潛力與抽穗-成熟期間積溫(T4)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,與同期太陽輻射量(S4)顯著正相關(guān)關(guān)系。由表2可知該階段的積溫呈不顯著上升趨勢,太陽輻射量呈極顯著減少趨勢,對冬小麥均為減產(chǎn)效應(yīng)。該階段太陽輻射量變化是影響90年代以后品種冀麥30和石家莊8號光溫生產(chǎn)潛力的重要因素。這是由于與以前品種相比,90年代后小麥品種抽穗開花后有效光合葉面積持續(xù)期延長,葉片平均光合速率提高,高值持續(xù)期延長,干物質(zhì)積累速度較快,而且主要用于籽粒的形成和灌漿,千粒質(zhì)量在產(chǎn)量構(gòu)成因素中成為第一因素,該時期太陽輻射量的顯著減少將對葉片光合作用產(chǎn)生不利影響,進而影響作物的產(chǎn)量潛力。2.4不同生育期雨養(yǎng)產(chǎn)量與年齡的關(guān)系不同年代冬小麥品種的雨養(yǎng)產(chǎn)量遠低于光溫潛力(見圖3),平均只達到光溫潛力的58%左右,表明水分條件仍是華北冬小麥產(chǎn)量的主要限制因子。與光溫生產(chǎn)潛力不同,雨養(yǎng)產(chǎn)量均隨年份的推移呈現(xiàn)出不顯著增加趨勢(見圖2)。進一步分析不同生育階段氣候因子與雨養(yǎng)產(chǎn)量關(guān)系發(fā)現(xiàn),各品種雨養(yǎng)產(chǎn)量與返青-成熟期間降雨量(P2、P3、P4)的呈顯著正相關(guān)關(guān)系(見表4),因此返青-拔節(jié)期間降雨量的增加趨勢(見表2:P2)對冬小麥有顯著增產(chǎn)效應(yīng),并彌補了生育后期降雨量減少趨勢(見表2:P3、P4)引起的減產(chǎn)。另外,各品種雨養(yǎng)產(chǎn)量受抽穗-成熟期間積溫變化的顯著影響。3不同時期發(fā)酵溫度及光溫生產(chǎn)潛力比較1)在對作物品種參數(shù)調(diào)試和校正基礎(chǔ)上,運用DSSAT模型進行5個冬小麥品種的產(chǎn)量模擬結(jié)果和實測值一致性較好,表明本研究調(diào)試的品種參數(shù)較為可靠,能夠用于作物生產(chǎn)潛力的模擬研究。2)近50a來華北平原積溫和太陽輻射量的變化引起冬小麥各品種光溫生產(chǎn)潛力的降低,雖然播種-返青期間的積溫增加對各品種的光溫生產(chǎn)潛力有增產(chǎn)意義,但是難以彌補其他時期溫度上升及全生育期太陽輻射量減少的不利影響。3)積溫和太陽輻射量對各品種光溫生產(chǎn)潛力的影響有所不同。90年代以前品種碧瑪1號、泰山1號、濟南13的產(chǎn)量受穗粒數(shù)影響最大,拔節(jié)-抽穗期間積溫的極顯著增加不利于穗粒數(shù)的形成,是影響這些品種產(chǎn)量潛力的重要因素。90年代以后品種冀麥30和石家莊8號與之前品種相比較,抽穗開