气候变化对冬小麦产量潜力的影响

气候变化对冬小麦产量潜力的影响

0气候变化对小麦产量的影响小麦是最重要的粮食之一。华北平原是中国小麦的主要产区。由于小麦生长发育周期较长,从秋季播种到夏季收获的全生育期可达8个月,生育期间的气象条件对其产量影响非常显著。中国冬小麦主产区从1961年起日照时数和太阳辐射显著减少,1980年以后气温有明显上升趋势,北部降雨有减少趋势、南部呈增加趋势,对冬小麦生长及产量形成产生了很大影响。近年来,科学家开展了关于气候变化对小麦生产影响的众多研究,包括运用模拟模型结合气候模式方法,以及设置未来气候情景预测气候变化条件下冬小麦产量影响及其应对技术。但针对冬小麦各生育时期的气候要素变化对不同品种生产潜力的影响研究较少,本文以地处华北山前平原的石家庄为典型区域,选择20世纪50年代以来的几个代表性小麦品种,通过模拟模型方法探讨近50多年小麦生育时期气候要素变化及其对不同品种的产量影响,以期为小麦通过育种和栽培管理技术适应气候变化提供参考。1材料和方法1.1dssat模型在北方冬麦区的应用选择DSSAT模型作为研究工具。该模型是世界上应用最广的作物模型之一,被国内外许多科学家广泛验证,研究结果表明DSSAT模型在中国北方冬麦区比较适用。1.2品种初步分析和参数确定从小麦品种的年种植面积来看,1950年至2000年期间超过66.7万hm2的品种数约占种植面积较大的品种总数的3%,结合同期黄淮海区域经历的7次大规模品种更换,本研究选择华北地区20世纪50年代以来种植面积较大的5个品种(见表1)进行初步分析。运用DSSAT模型对上述5个品种进行参数调试之前,要求先建立相应的作物管理文件、土壤文件和气象数据文件。本研究依据文献资料建立5个品种的作物管理文件,土壤基础数据来源中国科学院“中国土壤数据库”,逐日气象数据来源于国家气象局。1.3模拟值与实测值的吻合度在建立作物管理文件、土壤文件和气象数据文件的基础上,采用“试错法”对作物品种参数进行调试,直至模型模拟输出结果与实测值吻合。本研究用归一化均方根差RMSE(normalizedrootmeansquareerror)来度量模拟值与实测值的相对差异程度,并用一致性指数d(indexofagreement)检验模拟值和实测值的吻合度,计算方法见公式(1)和(2)。式中,Si为模拟值,Ri为实测值,为实测值平均值,n为模拟值的样本数。一般认为,RMSE<10%,为极好;10%<RMSE<20%,为好;20%<RMSE<30%,为中等;RMSE>30%,为差。d值越接近1,说明模拟值和实测值一致性越好,否则相反。1.4建立气象文件以石家庄地区为例研究5个品种的生产潜力。采用国家气象局发布的石家庄1955-2008年气象数据建立气象文件。DSSAT模型中雨养产量的模拟受土壤状况影响,本研究采用冬小麦科研试验地的土壤实测数据建立土壤文件。作物管理文件中各品种的播种日期和密度固定。文件建立完毕之后运用DSSAT模型进行生产潜力的模拟。1.5冬小麦各生育期气象指标的回归分析虽然由于气候变化,冬小麦的生育期有缩短趋势、营养生长阶段缩短4d/10a,返青、拔节、抽穗期均有提前趋势,但总体来看提前天数较短。因此本研究中播种期、各生育时期按照一致的日期输入,播种、返青、拔节、抽穗、成熟分别为每年的10月9日、3月1日、4月5日、5月5日、6月10日,计算1955-2008每年冬小麦各生育阶段的积温T(≥0℃)、太阳辐射量S和降雨量P。用线性回归方程的斜率反映53a来冬小麦各生育阶段气候要素、及不同冬小麦品种光温生产潜力和雨养产量的变化趋势,并用t检验对变化趋势进行显著性检验。用逐步多元回归法分析各生育阶段气候要素变化对冬小麦光温生产潜力和雨养产量的影响,统计结果>95%的变量进入方程,为便于各品种间比较要求拟合线过原点。2结果与分析2.1产量结果对比分析运用DSSAT模型对5个品种进行产量模拟。通过模拟值与实测值对比分析(见图1),结果表明RMSE均小于10%,d值除石家庄8号品种外均接近于1,产量模拟结果和实测值一致性较好,品种参数能够较为准确地反映作物品种的主要遗传特征,可用于作物生产潜力模拟研究。2.2播种-返青-拔节增长量1955-2008年冬小麦不同生育阶段气象因子的变化见表2。近50年来冬小麦各生育阶段的积温除抽穗-成熟外,其他阶段都呈现极显著增加趋势,增幅分别为播种-返青3.459℃/a、返青-拔节1.951℃/a、拔节-抽穗1.089℃/a。同期各生育阶段的太阳辐射量除拔节-抽穗外,都呈显著减少趋势,其中播种-返青、抽穗-成熟阶段太阳辐射量呈极显著减少趋势,减少幅度分别为7.178MJ·m-2/a、2.558MJ·m-2/a。而降雨量年际间变化较大,在播种-拔节阶段呈不显著增加趋势,而拔节-成熟阶段呈不显著下降趋势。2.3光温生产潜力与碳源利用的关系运用模型模拟1955-2008年冬小麦品种光温生产潜力的动态变化,各品种光温生产潜力均随年份的推移呈现下降趋势(见图2),其中泰山1号、济南13和冀麦30品种呈显著下降(图2b、c、d),石家庄8号品种呈极显著下降(图2e),表明积温和太阳辐射量变化的减产效应。由于品种参数不同,积温和太阳辐射量对各品种光温生产潜力的影响存在一定差异(见表3)。各品种的光温生产潜力与播种-返青期间积温(T1)和太阳辐射量(S1)呈显著正相关关系,由表2可知该阶段积温显著增加,对冬小麦有增产作用,而太阳辐射量却呈现显著减少趋势,对冬小麦有减产效应,综合影响有待进一步研究。碧玛1号、泰山1号、济南13品种的光温生产潜力与拔节-抽穗期间积温(T3)呈显著负相关关系,与同期太阳辐射量(S3)呈显著正相关关系。由表2可知该阶段积温呈极显著增加趋势,太阳辐射量呈不显著下降趋势,对冬小麦均为减产效应。该阶段积温变化是影响90年代以前品种碧玛1号、泰山1号、济南13的重要因素。这是由于这些品种的产量构成因素中穗粒数对产量的影响最大,而拔节-抽穗期间积温极显著增加、空气干燥是影响穗粒数的不利因素。冀麦30和石家庄8号品种的光温生产潜力与抽穗-成熟期间积温(T4)呈显著负相关关系,与同期太阳辐射量(S4)显著正相关关系。由表2可知该阶段的积温呈不显著上升趋势,太阳辐射量呈极显著减少趋势,对冬小麦均为减产效应。该阶段太阳辐射量变化是影响90年代以后品种冀麦30和石家庄8号光温生产潜力的重要因素。这是由于与以前品种相比,90年代后小麦品种抽穗开花后有效光合叶面积持续期延长,叶片平均光合速率提高,高值持续期延长,干物质积累速度较快,而且主要用于籽粒的形成和灌浆,千粒质量在产量构成因素中成为第一因素,该时期太阳辐射量的显著减少将对叶片光合作用产生不利影响,进而影响作物的产量潜力。2.4不同生育期雨养产量与年龄的关系不同年代冬小麦品种的雨养产量远低于光温潜力(见图3),平均只达到光温潜力的58%左右,表明水分条件仍是华北冬小麦产量的主要限制因子。与光温生产潜力不同,雨养产量均随年份的推移呈现出不显著增加趋势(见图2)。进一步分析不同生育阶段气候因子与雨养产量关系发现,各品种雨养产量与返青-成熟期间降雨量(P2、P3、P4)的呈显著正相关关系(见表4),因此返青-拔节期间降雨量的增加趋势(见表2:P2)对冬小麦有显著增产效应,并弥补了生育后期降雨量减少趋势(见表2:P3、P4)引起的减产。另外,各品种雨养产量受抽穗-成熟期间积温变化的显著影响。3不同时期发酵温度及光温生产潜力比较1)在对作物品种参数调试和校正基础上,运用DSSAT模型进行5个冬小麦品种的产量模拟结果和实测值一致性较好,表明本研究调试的品种参数较为可靠,能够用于作物生产潜力的模拟研究。2)近50a来华北平原积温和太阳辐射量的变化引起冬小麦各品种光温生产潜力的降低,虽然播种-返青期间的积温增加对各品种的光温生产潜力有增产意义,但是难以弥补其他时期温度上升及全生育期太阳辐射量减少的不利影响。3)积温和太阳辐射量对各品种光温生产潜力的影响有所不同。90年代以前品种碧玛1号、泰山1号、济南13的产量受穗粒数影响最大,拔节-抽穗期间积温的极显著增加不利于穗粒数的形成,是影响这些品种产量潜力的重要因素。90年代以后品种冀麦30和石家庄8号与之前品种相比较,抽穗开