全球变化下作物物候研究进展

作物物候是农作物重要的植物属性,不仅反映作物的生长发育状况,其变化也影响作物产量,是一种能够指示气候变化的综合响应指标。以气温升高为主要标志的全球气候变化对作物物候产生了重要影响,开展全球气候变化下作物物候变化特征及其影响机制研究对于揭示全球变化对作物生长发育过程影响及其产量形成机制具有重要的理论意义和实践价值。目前,作物物候变化及其影响因素是国内外研究的焦点和热点问题,前人已开展了大量而卓有成效的研究工作。本文侧重介绍全球气候变化下作物物候变化的主要研究进展,包括作物物候变化的驱动因子及其影响机制和作物物候主要研究方法,并探讨未来研究仍亟待解决的关键科学问题,以期为深入认识全球气候变化对农业物候的影响机理以及指导区域农业生产实践提供理论依据。     

2000-2015年三江平原主要作物需水量征及影响因素分析

全生育期内作物需水量的研究是农业水资源有效利用和进行合理灌溉的重要依据。基于三江平原22个气象站点2000—2015年逐日气象观测资料及中国区域地面气象要素数据集，利用国际粮农组织 （FAO）Penman-Monteith模型和分段单值平均作物系数法，分别对三江平原水稻、玉米和大豆的作物需水量进行计算，分析作物需水量年际变化特征，采用通径分析法研究作物需水量的变化成因。结果表明：（1）三江平原16 a来年均参考作物蒸散量为537.4 mm，日均为 3.5 mm，呈波动减少趋势。（2）生长季内，水稻在分蘖期需水量最大，为177.1 mm，玉米在七叶期需水量最大，为99.7 mm，大豆在结荚期需水量最大，为96.1 mm；水稻、玉米和大豆的净灌溉需水量分别为195.4 mm、130.8 mm和72.2 mm，对灌溉的依赖程度水稻>玉米>大豆。（3）由通径分析结果可知，三江平原作物需水量的主要影响因素为净辐射、气温和日照时数。     

气候变化对甘肃定西、安徽合肥小麦生产影响研究

由于大气中温室气体的不断增加, 全球气候发生了巨大变化。据最新气候模式模拟研究表 明未来全球气候将发生更为剧烈的变化, 这必将对很多部门产生显著的影响特别是对气候变化 十分敏感的农业。尤其对于中国这样的人口大国, 农业作为社会最基本也是最重要生产部门之 一, 气候变化将对中国的农业生产带来巨大的影响。小麦是中国的第二大作物, 其中冬小麦占全 国小麦总产量近90%, 因此评价气候变化对中国小麦生产影响是十分必要的。为了分析在未来气 候变化情景下中国小麦生产可能遇到的风险, 以15 年ECMWF 再分析实验数据(1979~1993)作为 边界条件驱动PRECIS 区域气候模式模拟产生作物模型所需要的气候资料并输入CERES-Wheat 模型, 验证CERES-Wheat 模型与区域气候模式PRECIS 结合的模拟能力。在以上验证工作的基 础上, 将区域气候模式PRECIS 的模拟结果与作物模型CERES-Wheat 相连接, 同时考虑到CO2 对小麦的直接施肥作用, 模拟了两个小麦站点(定西和合肥)在IPCC SRES A2 和B2 情景下雨养 和灌溉小麦的变化趋势。得到如下结论: 无论是在A2 情景还是B2 情景, 定西和合肥的小麦产量 都会有所增加, 但增加的幅度相差很大。A2 情景的增产效应一般要大于B2 情景的增产效应, 灌 溉小麦比雨养小麦更加受益于气候变化, 冬小麦(合肥) 产量的增长幅度要大于春小麦(定西) 增 长幅度。CO2 对小麦生长的肥效作用十分明显, 产量增幅很大。以上结果说明未来气候变化可能 会对我国的小麦生产带来益处, 但由于未来气候情景模拟的不确定性以及CO2 肥效作用通常是 在作物过程中的水肥条件完全满足的情况下才充分体现, 这都给研究结果带来了不确定性, 但本 项研究为评价未来气候变化对中国小麦生产影响提供了一种全面的评价方法。     

江苏省丹阳市两种种植制度气候,土壤生产潜力的初步研究

本文借助作物生长计算机模型与模型数学的方法对江苏省丹阳市两种种植制度的气候，土壤生产潜力进行了初步研究。结果表明，模拟的小麦／玉米－晚稻种植制度的气候潜力比小麦－单季稻高３０００ｋｇ／ｈａ左右。玉米的气候产量受降水量的年际变化影响较大。当土壤排水良好时，小麦的气候产量受降水量的影响较小。占丹阳市水稻土类８０％面积的三种水稻土属的自然生产潜力在种植小麦－单季稻两熟时基本上为１３５１０．５ｋｇ／ｈａ…     

水稻发育期模型研究进展

物候是气候变化的重要指示物.随着全球变化研究的开展,已经有越来越多的研究表明,随着气象条件的变化,植物的物候期发生了明显的变化,因此,对物候的精准模拟可以帮助我们准确理解作物对全球变化的响应机制,强大的物候模型已经逐渐成为提高植物对气候变化响应的模拟精度的一个关键工具.同时作物物候的模拟也是作物模型的一个重要组成部分.水稻是最重要的粮食作物之一,水稻发育期模型研究对水稻生长模型有着重要的意义.本文对国内外水稻发育模型的发展进行了综述,并提出了目前水稻发育期模型研究中存在的问题以及发展的方向,以期后续的水稻发育期模型乃至作物模型的研究提供借鉴.     

中国粮食生产的综合影响因素分析

采用模型模拟的方式, 根据中国社会发展规划, 将未来社会经济发展情景与区域气候模型、水资源模型和作物模型相连接, 综合评估和分析未来中国的粮食生产状况, 以期为宏观决策提供科学参考。结果表明, ①气候变化将影响未来三大作物单产, 如果不考虑 CO₂ 肥效作用, 未来雨养作物单产将受到更大冲击; 当灌溉条件保障后, 水稻受到冲击更大, 单产降低最多, 尤其是 A2 情景。如果考虑 CO₂ 肥效作用, 未来玉米平均单产变化不大, 小麦单产明显增加, 尤其是雨养小麦, 水稻单产也有所增加。②未来气候变化、水资源、社会经济发展将影响中国三大作物的需水量和农业供水量, 导致水稻、灌溉玉米和小麦的播种面积下降, 而雨养小麦和玉米的播种面积上升。③未来气候变化、 CO₂ 肥效、水资源和土地利用变化对粮食生产的影响较为复杂, 依情景和时段的不同而不同。农业可用水资源对粮食总产的影响最不利, 致使三大作物粮食总产量明显降低, 成为未来粮食生产的主要限制因素, 尤其是水稻生产; 土地利用对总产的负面影响最小; 气候变化和 CO₂ 的相互作用可使总量少许增加。未来各情景下水稻受到冲击最大, 而小麦和玉米则表现为不同程度的增产。     

气候变化背景下1981-2010年中国玉米物候变化时空分异

基于中国玉米种植区内114个农气站1981-2010年的长序列物候观测数据,量化分析了玉米8个连续物候期的时空分异特征和相应的生长阶段长度变化规律。结果表明：1981-2010年间,玉米生育期内平均温度和有效积温(GDD）呈现增加趋势,降水量和日照时数呈现减少趋势。气候变化背景下,玉米物候期发生了显著变化。春玉米物候期以提前趋势为主,包括西北内陆玉米区春玉米、西南山地丘陵玉米区春玉米;夏玉米和春夏播玉米各物候期在不同区域均呈现推迟的趋势,西北内陆玉米区夏玉米各物候期推迟的幅度大于黄淮平原夏玉米各物候期推迟的幅度。玉米物候期的变化改变了相应生长阶段的长度,中国春/夏/春夏播玉米营养生长期（播种期—抽雄期）呈现不同程度的缩短趋势,而对应的生殖生长期（抽雄期—成熟期）呈现不同程度的延长趋势;春玉米生育期（播种期—成熟期）延长,夏/春夏播玉米生育期缩短。     

作物水分利用效率对温度和CO2浓度升高的响应研究进展

以大气CO2浓度和温度升高为主要标志的全球气候变化对作物水分利用效率产生重要影响,作物水分利用效率对CO2浓度和温度升高的响应特征与机理研究,对揭示气候变化对作物生长的影响及其机制具有重要作用和意义。本文分别介绍了作物水分利用效率对CO2浓度和温度升高的响应研究进展,CO2浓度和温度升高对作物水分利用效率的协同效应,以及CO2浓度与温度升高对作物水分利用效率影响的实验研究方法,并提出了作物水分利用效率对CO2浓度和温度升高响应研究仍需要解决的几个关键问题:①多因子协同效应;②不同品种的响应差异;③不同尺度水平的响应过程;④作物水分利用效率对气候变化的适应性。     

作物生产潜力变化的区域差异——以陕西省为例

作物生产潜力变化具有明显的区域差异性，亟需针对不同地理单元实施有效应对措施和调控策略。选择陕西省三大地理单元（陕北高原、关中盆地和秦巴山区）为研究对象，运用全球生态区模型（GAEZ）分析了陕西省不同地理单元作物生产潜力变化趋势，探讨了不同作物生产潜力变化的区域差异，辨识出影响不同作物生产潜力变化的主要因素，结果显示：（1） 1980—2015年间，陕西省玉米生产潜力总量增加了150.55×10⁴ t，小麦生产潜力总量则下降了402.69×10⁴ t。（2） 关中盆地的玉米和小麦生产潜力皆最大，陕北高原次之，秦巴山区的玉米和小麦生产潜力皆最小；陕北高原和秦巴山区的玉米生产潜力皆表现出先增加后减小再增加的变化趋势，关中盆地的玉米生产潜力则先减小后增加再减小；关中盆地和秦巴山区的小麦生产潜力都呈下降趋势，陕北高原的小麦生产潜力则有所提高。（3） 土地利用变化呈现减产效应，这一效应在关中盆地尤为显著，其次为陕北高原；气候变化导致玉米生产潜力增加，使小麦生产潜力下降；气候变化对不同地理单元的影响也不相同，在陕北高原表现为增产效应，在关中盆地和秦巴山区则为减产效应。（4） 在陕北高原，气候变化的增产效应是玉米和小麦生产潜力提高的主要原因，气候变化对玉米生产潜力的影响大于对小麦的影响，耕地向草地、林地和建设用地的转化是降低作物生产潜力最主要的土地利用变化因素；在关中盆地，作物生产潜力的变化主要是受气候变化的影响，小麦受气候变化的影响较玉米为大，以建设用地占用耕地为特征的土地利用变化对玉米生产潜力的影响大于对小麦的影响；在秦巴山区，土地利用变化是玉米生产潜力变化的主要原因，而小麦生产潜力的变化主要受气候变化影响。     

气候变化和物候变动对东北黑土区农业生产的协同作用及未来粮食生产风险

东北黑土区是中国重要的粮食生产基地,也是中国气候变化最敏感的地区之一。然而,气候变化背景下东北黑土区气候及物候变化对农业生产力的综合影响并不清晰,未来农业生产风险评估的定量化程度不够,风险等级制定缺乏依据。本文借助遥感产品、气候资料和模拟数据等资料,综合运用多元线性回归、相关分析及干旱危险性指数等方法,探究东北黑土区作物物候动态及其气候响应特征,辨识气候与物候变化对农业生产的复合效应及未来可能风险。结果表明：① 2000—2017年东北黑土区29.76%的区域作物生长季开始期呈显著延后趋势,16.71%的区域作物生长季结束期呈提前态势,生长季开始期受气温的影响范围广,且滞后时间长;生长季结束期与前期气候变化关系更加密切,且带状差异性响应格局尤其明显。② 气候变化和物候期改变对作物生产的解释能力较生长季同期气候变化的解释能力增加了70.23%,解释面积扩大了85.04%。③ RCP8.5情景下东北黑土区粮食总产量呈现上升趋势,粮食生产风险表现出“南增北减”的演变特征,风险区面积不断扩大,全球温升2.0 ℃时,松嫩黑土亚区南部粮食减产量可能达到10%。研究有助于深入认识气候—物候—作物生产的关联机理及未来粮食生产风险,对制定气候变化应对策略,保障国家粮食安全具有重要意义。     

Impacts of climate change on winter wheat growth in Panzhuang Irrigation District, Shandong Province

Global climate change has significant impacts on agricultural production. Future climate change will bring important influences to the food security. The CERES-Wheat model was used to simulate the winter wheat growing process and production in Panzhuang Irrigation District (PID) during 2011–2040 under B2 climate scenario based on the Special Report on Emissions Scenarios (SRES) assumptions with the result of RCMs (Regional Climate Models) projections by PRECIS (Providing Regional Climates for Impacts Studies) system introduced to China from the Hadley Centre for Climate Prediction and Research. The CERES-Wheat model was calibrated and validated with independent field-measured growth data in 2002–2003 and 2007–2008 growing season under current climatic conditions at Yucheng Comprehensive Experimental Station (YCES), Chinese Academy of Sciences (CAS). The results show that a significant impact of climate change on crop growth and yield was noted in the PID study area. Average temperature at Yucheng Station rose by 0.86℃ for 1961–2008 in general. Under the B2 climate scenario, average temperature rose by 0.55℃ for 2011–2040 compared with the baseline period (1998–2008), which drastically shortened the growth period of winter-wheat. However, as the temperature keep increasing after 2030, the top-weight and yield of the winter wheat will turn to decrease. The simulated evapotranspiration shows an increasing trend, although it is not very significant, during 2011–2040. Water use efficiency will increase during 2011–2031, but decrease during 2031–2040. The results indicate that climate change enhances agricultural production in the short-term, whereas continuous increase in temperature limits crop production in the long-term.     

黄淮海平原雨养条件下冬小麦水分胁迫分析

雨养条件下的水分胁迫分析能够反映当地气候土壤条件下作物生长的水分环境对农作物生长的影响,可为农业干旱管理及灌溉策略的实施提供依据,减少农业干旱的发生。本文在阐述EPIC(Environmental Policy Integrated Climate Model)作物生长模型水分胁迫计算过程的基础上,模拟黄淮海平原冬小麦在雨养条件下的生长过程,分析水分胁迫现象的时空分异。结果发现,研究区内自然降雨远不能满足冬小麦的正常生长,从水分胁迫现象发生时间上讲,雨养条件下在冬小麦生长期后段(5月中旬以后)水分胁迫现象较为严重,以5月下旬最为严重,重度水分胁迫发生频率高达48.2%;从区域分布上分析,冀鲁豫低洼平原区和山东丘陵农林区水分胁迫现象在整个研究时间段上均较为突出。     

气候变化对山东省潘庄灌区冬小麦生长的影响(英文)

Global climate change has significant impacts on agricultural production.Future climate change will bring important influences to the food security.The CERES-Wheat model was used to simulate the winter wheat growing process and production in Panzhuang Irrigation District(PID) during 2011-2040 under B2 climate scenario based on the Special Report on Emissions Scenarios(SRES) assumptions with the result of RCMs(Regional Climate Models) projections by PRECIS(Providing Regional Climates for Impacts Studies) system introduced to China from the Hadley Centre for Climate Prediction and Research.The CERES-Wheat model was calibrated and validated with independent field-measured growth data in 2002-2003 and 2007-2008 growing season under current climatic conditions at Yucheng Comprehensive Experimental Station(YCES),Chinese Academy of Sciences(CAS).The results show that a significant impact of climate change on crop growth and yield was noted in the PID study area.Average temperature at Yucheng Station rose by 0.86℃ for 1961-2008 in general.Under the B2 climate scenario,average temperature rose by 0.55℃ for 2011-2040 compared with the baseline period(1998-2008),which drastically shortened the growth period of winter-wheat.However,as the temperature keep increasing after 2030,the top-weight and yield of the winter wheat will turn to decrease.The simulated evapotranspiration shows an increasing trend,although it is not very significant,during 2011-2040.Water use efficiency will increase during 2011-2031,but decrease during 2031-2040.The results indicate that climate change enhances agricultural production in the short-term,whereas continuous increase in temperature limits crop production in the long-term.     

The effects of climate change and phenological variation on agricultural production and its risk pattern in the black soil area of northeast China

The black soil region of northeast China is a vital food base and is one of the most sensitive regions to climate change in China. However, the characteristics of the crop phenological response and the integrated impact of climate and phenological changes on agricultural productivity in the region under the background of climate change are not clear. The future agricultural risk assessment has been insufficiently quantified and the existing risk level formulation lacks a sound basis. Based on remote sensing products, climate data, and model simulations, this study integrated a logistic function fitting curvature derivation, multiple linear regression, and scenario simulation to investigate crop phenology dynamics and their climate response characteristics in the black soil region. Additionally, the compound effects of climate and phenology changes on agricultural production and possible future risks were identified. The key results were as follows: (1) From 2000 to 2017, 29.76% of the black soil region of northeast China experienced a significant delay in the start of the growing season (SOS) and 16.71% of the total area displayed a trend for the end of the growing season (EOS) to arrive earlier. The time lagged effects of the SOS in terms of the crop response to climatic factors were site and climatic parameter dependent. The influence of temperature was widespread and its effect had a longer lag time in general; (2) Both climatic and phenological changes have had a significant effect on the inter-annual variability of crop production, and the predictive ability of both increased by 70.23%, while the predictive area expanded by 85.04%, as compared to that of climate change in the same period of the growing season; (3) Under the RCP8.5 scenario, there was a risk that the future crop yield would decrease in the north and increase in the south, and the risk area was constantly expanding. With a 2.0℃ rise in global temperature, the crop yield of the southern Songnen black soil sub-region would reduce by almost 10%. This finding will improve our understanding of the mechanisms underlying climate change and vegetation productivity dynamics, and is also helpful in the promotion of the risk management of agrometeorological disasters.     

清代北疆作物种植结构对气候变化的响应

提取历史文献中有关清代北疆地区的农事记录,分析作物种植结构的变化,并与树轮重建的北疆5~8月温度序列进行对比,发现作物结构对气候有较好的响应,在3个偏冷阶段,即1732~1744、1776~1796、1828~1848年间,奏折记录显示以青稞、糜子、小麦喜凉、温作物为主。在3个偏暖阶段,即1745~1775年,1797~1827年,1849~1860年间,北疆开始试种豌豆、小麦、谷子喜温作物成功并逐年扩大种植面积。     

气候变暖背景下中原腹地冬小麦气候适宜度变化

通过构建冬小麦光照、温度、降水及综合气候适宜度计算模型,探讨气候变化对冬小麦气候适宜性的影响。结果表明:冬小麦全生育期温度、光照、降水及综合气候适宜度均值分别为0.54、0.64、0.37及0.50;冬小麦对光照适宜性较好,降水是限制冬小麦生长发育的主要因子;温度和降水适宜度以0.001·a^-1线性趋势下降,光照适宜度以0.002·a^-1线性趋势下降,气候因子匹配效果变差对冬小麦的生长不利。冬前生长阶段温度、光照和降水适宜性较弱,各气候因子匹配效果较差。出苗-拔节期降水适宜性较强,各气候因子组合效果较差;拔节-抽穗期和抽穗-乳熟期温度与光照适宜性较强,水分胁迫较大,气候因子组合效果趋好。乳熟-成熟期光照和降水适宜性较强,综合气候适宜性变差。光照、温度和降水适宜度在全生育期的中后期与冬小麦产量的相关性比较显著。     

农业物候动态对地表生物物理过程及气候的反馈研究进展

地表过程对全球变化的响应和反馈是地球系统科学研究的核心课题之一,目前的研究多关注全球变化对地表过程的影响,而地表动态过程对地表生物物理过程及气候的反馈研究较少。系统认识地表物候动态对生物物理过程及气候的反馈对深化地球系统科学研究有着重要的意义。本文从农业物候动态的事实、农业物候动态在陆面过程模型中的参数化表达、农业物候动态对地表生物物理过程及气候的反馈等方面进行综述,发现在气候变化和管理措施影响下,以种植期和灌浆期为代表的农业物候期发生了显著的规律性变化;耦合农业物候动态,改善了模型对地表动态过程、生物物理过程和大气过程的数字化表达;农业物候变化对地表净辐射、潜热、感热、反照率和气温、降水、环流等过程产生了影响,并表现出以地表能量分配为主的气候反馈机理。针对农业物候动态对地表生物物理过程及气候效应的时空重要性,需要继续开展以下方面的工作：① 加强全球变化对地表物候动态的影响及其反馈的综合研究;② 不同光谱波段地表反射率与农业物候动态的关系研究;③ 农业物候动态引起的作物生理学特征变化在地表生物物理过程中的贡献;④ 重视不同气候区物候动态对气候反馈效应的差异。