如何运用气候因素增加小麦产量
来源： http://www.grainyq.com/ 类别：实用技术 更新时间：2013-01-23 阅读次
【本资讯由中国粮油仪器网提供】 目前，在气候变化对作物的影响研究方面，我国已取得了一些初步成果，但随着区域气候情景研究的深入及作物模拟技术的提高，使气候变化对作物生产的影响研究得到了深化和发展。在作物模型预测方面，国内外在系统水平模拟作物生产优化决策的模型很多，模拟对象分别为作物、土壤、作物—土壤综合等三类，在研究和应用方面取得了大量的成果。近年来由澳大利亚农业生产系统研究组，包括联邦科工组织和昆士兰初级产业部等单位开发的农业生产系统模型在国外气候变化对作物的响应方面取得了大量研究成果，并且ＡＰＳＩＭ模型可以模拟不同耕作措施及各种气候背景组合条件下的作物产量。保护性耕作对土壤环境和作物产量影响的研究已有大量报道。多数研究表明，保护性耕作能增加降雨入渗、减少水分蒸发，提高土壤水分含量及作物水分利用效率，能提高土壤养分含量，培肥土壤，从而提高作物产量但不同耕作措施对气候变化响应的研究相对较少。为此，本研究以黄土丘陵区旱地小麦为对象，运用ＡＰＳＩＭ模型定量评估不同耕作措施的小麦－气候条件的互作效应，对不同耕作措施下小麦生产对气候变化的敏感性进行研究，为如何利用气候因素进行小麦产量的增加，提供理论支持。
根据研究区的气候、土壤和小麦属性资料，对比人工气候培养箱，建立基础数据库（气候属性模块、土壤属性模块和小麦属性模块），然后在APSIM-Wheat模块的基础上，结合研究区的定位试验，对模块参数进行修正，建立作物参数模块，并连接到平台中进行模拟。为模拟的参考年份，年降水量为452.5ｍｍ，生育期降水量为279.3ｍｍ，季节分布与近40年平均季节分配相近，为此以2005年气象条件和CO2浓度为370μｍOｌ／ｍOｌ作为计算起点，设为基准值。因为温度与CO2浓度量纲和量级都不相同，为此引入编码因子进行编码。对变量进行编码处理，然后对7个温度和CO2浓度水平组合设计。根据ＩＰＣＣ第三次报告模式的预估结果，温度和CO2浓度将升高，而降水变化（增加或减少）可能会出现区域性差异。为此本研究在假设温度和CO2浓度升高的情景下，运用ＡＰＳＩＭ模型模拟3种耕作措施小麦产量对温度和CO2浓度变化的响应。表明同一耕作措施下温度的升高导致小麦减产，CO2浓度升高可以提高小麦产量，这个结果与大多数研究结果是一致的。而不同耕作措施中，免耕覆盖相比传统耕作和免耕具有较好的CO2浓度增产效应与缓减温度的减产效应，并且温度和CO2浓度同时升高对小麦产量形成具有较好的协同促进作用，表明免耕覆盖具有较好的应对气候变化的风险能力。CO2浓度增产效应是由于CO2浓度增加，加大了叶片内外CO2浓度梯度和向叶片内部扩散速度，提高了同化速率，加速了光合产物的形成和输送，从而促进了小麦生长、发育和干物质积累，提高了产量；同时，CO2浓度上升，减小了气孔导度，抑制了小麦蒸腾，提高了水分利用率，有利增产。而免耕覆盖可以增加土壤的蓄水和保水能力，提高全生育期平均耕层土壤含水率，为同化作用提供更好的生态环境，进而提高作物水分利用效率和作物产量。温度的减产效应主要是由于温度的升高缩短了小麦的生育期，同时由于高温使麦田的蒸发量增大，造成了作物水分的亏缺等原因。而免耕覆盖可以平衡和改善耕层土壤温度状况，在土壤温度较低时具有保温作用，在土壤温度较高时具有降温作用，同时由于免耕覆盖地表的覆盖物可以减少土壤蒸发，进而可以缓减小麦减产。温度和CO2浓度同时升高对小麦生产具有协同促进作用，有不同的研究结论：一些研究表明，高温和高CO2浓度具有协同促进作用。但也有一些研究认为高温和高CO2浓度之间没有协同作用。可以看出温度和CO2浓度对作物生长的交互效应是一个复杂的过程，特别是不同耕作措施之间交互的差异及二者之间的协同机理还需要进一步研究。作物模型通常是基于作物生理过程建立的机理模型，能够动态地模拟作物的生长发育和产量形成过程，较准确地表达作物生长与气候因子变化之间的关系，可以用来预测气候条件下的作物产量。但如果出现了极端气候条件，需要对模型进行改进。
本研究在模型模拟过程中，只模拟小麦产量对温度和CO2浓度的响应，并未考虑其他极端条件等因素对小麦产量的影响，例如智能光照培养箱中光照对小麦产量的影响，可能会造成模型模拟结果的不确定性。因此在今后的模拟中，还需把极端天气等设置为边界条件，作为输入变量，在满足极端条件发生的气象条件下进行模拟，再考虑温度和CO2浓度因素的影响，才能做出更可靠的影响评估，减少模拟结果的不确定性。为了分析气候变化对不同耕作措施小麦产量的影响，运用ＡＰＳＩＭ模型对两因素七水平的小麦产量进行了模拟，并选择温度和CO2浓度作为自变量因子对产量进行效应分析。主要结论有：小麦产量随CO2浓度升高呈二次抛物线上升型变化，但会出现报酬递减。同时免耕覆盖CO2浓度对小麦增产效应大于其他2种耕作措施，且免耕覆盖的边际报酬递减率小于其他2种耕作措施。传统耕作和免耕小麦产量随温度升高呈二次抛物线递减型，并呈叠加递减。同时免耕覆盖随温度升高呈二次抛物线拐点型，可以分成2个时期：一是递增期，二是递减期，温度升高阈值点为0.94℃，小麦产量可达到2818.3kg/hm2。温度和CO2浓度同时升高对小麦产量具有协同促进作用，并且免耕覆盖协同促进效应大于其他2种耕作措施。免耕覆盖条件下CO2浓度升高小麦的增产效应可以补偿高温所导致的减产，而传统耕作和免耕条件CO2浓度升高小麦的增产效应不能补偿高温所导致的减产。免耕覆盖条件小麦产量随温度和CO2浓度变化的敏感强度相对较为稳定，具有一定的应对温度和CO2浓度变化的能力。3种耕作措施温度和CO2浓度对小麦产量的敏感强度可以分成3个区域范围：不敏感区，正敏感区和负敏感区。免耕覆盖对气候变化的敏感强度要小于免耕和传统耕作，整个气候变化过程都是正效应或零效应大于负效应，因此免耕覆盖小麦生产具有更好的应对未来气候变化的能力。
根据研究区的气候、土壤和小麦属性资料，对比人工气候培养箱，建立基础数据库（气候属性模块、土壤属性模块和小麦属性模块），然后在APSIM-Wheat模块的基础上，结合研究区的定位试验，对模块参数进行修正，建立作物参数模块，并连接到平台中进行模拟。为模拟的参考年份，年降水量为452.5ｍｍ，生育期降水量为279.3ｍｍ，季节分布与近40年平均季节分配相近，为此以2005年气象条件和CO2浓度为370μｍOｌ／ｍOｌ作为计算起点，设为基准值。因为温度与CO2浓度量纲和量级都不相同，为此引入编码因子进行编码。对变量进行编码处理，然后对7个温度和CO2浓度水平组合设计。根据ＩＰＣＣ第三次报告模式的预估结果，温度和CO2浓度将升高，而降水变化（增加或减少）可能会出现区域性差异。为此本研究在假设温度和CO2浓度升高的情景下，运用ＡＰＳＩＭ模型模拟3种耕作措施小麦产量对温度和CO2浓度变化的响应。表明同一耕作措施下温度的升高导致小麦减产，CO2浓度升高可以提高小麦产量，这个结果与大多数研究结果是一致的。而不同耕作措施中，免耕覆盖相比传统耕作和免耕具有较好的CO2浓度增产效应与缓减温度的减产效应，并且温度和CO2浓度同时升高对小麦产量形成具有较好的协同促进作用，表明免耕覆盖具有较好的应对气候变化的风险能力。CO2浓度增产效应是由于CO2浓度增加，加大了叶片内外CO2浓度梯度和向叶片内部扩散速度，提高了同化速率，加速了光合产物的形成和输送，从而促进了小麦生长、发育和干物质积累，提高了产量；同时，CO2浓度上升，减小了气孔导度，抑制了小麦蒸腾，提高了水分利用率，有利增产。而免耕覆盖可以增加土壤的蓄水和保水能力，提高全生育期平均耕层土壤含水率，为同化作用提供更好的生态环境，进而提高作物水分利用效率和作物产量。温度的减产效应主要是由于温度的升高缩短了小麦的生育期，同时由于高温使麦田的蒸发量增大，造成了作物水分的亏缺等原因。而免耕覆盖可以平衡和改善耕层土壤温度状况，在土壤温度较低时具有保温作用，在土壤温度较高时具有降温作用，同时由于免耕覆盖地表的覆盖物可以减少土壤蒸发，进而可以缓减小麦减产。温度和CO2浓度同时升高对小麦生产具有协同促进作用，有不同的研究结论：一些研究表明，高温和高CO2浓度具有协同促进作用。但也有一些研究认为高温和高CO2浓度之间没有协同作用。可以看出温度和CO2浓度对作物生长的交互效应是一个复杂的过程，特别是不同耕作措施之间交互的差异及二者之间的协同机理还需要进一步研究。作物模型通常是基于作物生理过程建立的机理模型，能够动态地模拟作物的生长发育和产量形成过程，较准确地表达作物生长与气候因子变化之间的关系，可以用来预测气候条件下的作物产量。但如果出现了极端气候条件，需要对模型进行改进。
本研究在模型模拟过程中，只模拟小麦产量对温度和CO2浓度的响应，并未考虑其他极端条件等因素对小麦产量的影响，例如智能光照培养箱中光照对小麦产量的影响，可能会造成模型模拟结果的不确定性。因此在今后的模拟中，还需把极端天气等设置为边界条件，作为输入变量，在满足极端条件发生的气象条件下进行模拟，再考虑温度和CO2浓度因素的影响，才能做出更可靠的影响评估，减少模拟结果的不确定性。为了分析气候变化对不同耕作措施小麦产量的影响，运用ＡＰＳＩＭ模型对两因素七水平的小麦产量进行了模拟，并选择温度和CO2浓度作为自变量因子对产量进行效应分析。主要结论有：小麦产量随CO2浓度升高呈二次抛物线上升型变化，但会出现报酬递减。同时免耕覆盖CO2浓度对小麦增产效应大于其他2种耕作措施，且免耕覆盖的边际报酬递减率小于其他2种耕作措施。传统耕作和免耕小麦产量随温度升高呈二次抛物线递减型，并呈叠加递减。同时免耕覆盖随温度升高呈二次抛物线拐点型，可以分成2个时期：一是递增期，二是递减期，温度升高阈值点为0.94℃，小麦产量可达到2818.3kg/hm2。温度和CO2浓度同时升高对小麦产量具有协同促进作用，并且免耕覆盖协同促进效应大于其他2种耕作措施。免耕覆盖条件下CO2浓度升高小麦的增产效应可以补偿高温所导致的减产，而传统耕作和免耕条件CO2浓度升高小麦的增产效应不能补偿高温所导致的减产。免耕覆盖条件小麦产量随温度和CO2浓度变化的敏感强度相对较为稳定，具有一定的应对温度和CO2浓度变化的能力。3种耕作措施温度和CO2浓度对小麦产量的敏感强度可以分成3个区域范围：不敏感区，正敏感区和负敏感区。免耕覆盖对气候变化的敏感强度要小于免耕和传统耕作，整个气候变化过程都是正效应或零效应大于负效应，因此免耕覆盖小麦生产具有更好的应对未来气候变化的能力。
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