未来气候变化情景下我国主要粮食作物产量变化模拟_张建平

第25卷第5期2007年9月干旱地区农业研究

Agricultural R esearch in the Arid Areas Vol.25No.5Sept.2007

收稿日期:2006212210

基金项目:国家科技支撑计划课题(2006BAD04B09)

作者简介:张建平(1975—

),男,内蒙古乌兰察布市人,硕士,工程师,主要从事气候变化及其影响评价和对策研究。E 2mail :jeepjohn @ 。

未来气候变化情景下

我国主要粮食作物产量变化模拟

张建平1,赵艳霞2,王春乙2,何　勇3

(1.重庆市气象科学研究所,重庆401147;2.中国气象科学研究院,北京100081;3.国家气候中心,北京100081)

摘　要:采用气候模式BCC -T63与作物模式WOFOST 相结合的研究方法,在多年试验数据和模型适宜性验证的基础上,模拟分析了未来100a (2000～2100年)气候变化情景下我国主要粮食作物发育和产量变化趋势。主要的粮食作物选取东北区域的玉米、华北区域的冬小麦和南方区域的双季稻。东北区域为东经120°～135°,北纬

40°～50°,主要以黑龙江、吉林和辽宁三省区为研究对象;华北区域为东经111°～123°,北纬35°～41°,主要包括京、

晋、冀和鲁等地;南方区域为东经109°～120°,北纬25°～30°,主要包括湖南、湖北以及江西等地。结果表明:东北地区玉米生育期会缩短,其中,中熟玉米平均缩短3.8d ,晚熟玉米平均缩短1.4d ,产量也会相应地下降,中熟玉米平均减产3.3%,晚熟玉米平均减产2.7%;华北地区冬小麦的生育期平均缩短8.4d ;产量平均减产10.1%;南方早稻生育期平均缩短4.9d ,晚稻生育期平均缩短4.4d ,早稻的产量变化范围为1.9%～-9.5%,平均减产3.6%,晚稻的产量变化范围为2.2%～-7.3%,平均减产2.8%。

关键词:气候变化;作物模型;产量;模拟

中图分类号:S162.5+3 文献标识码:A 文章编号:100027601(2007)0520208206

气候变化的影响是多方位、多层次和多尺度的,不仅影响整个自然生态系统,而且也影响着我国的社会经济系统[1]。虽然气候变化的影响也有正面效应,但更多的是由于它给人类带来了许多负面影响,因此引起了世界各方面的关注。包括许多国际

机构和组织如联合国环境署(UN EP ),世界气象组织(WMO ),联合国粮农组织(FAO ),世界自然基金会(WWF )等,以及许多国家的科研机构、大学以及民间团体、非政府组织(N G Os )等。十多年来,在政府间气候变化委员会(IPCC )的领导和推动下,气候变化及其影响评估研究取得了重大进展。IPCC 先后于1990年、1995年和2001年发表了三次全球气候变化的综合评估报告,对全球的气候变化及其影响研究做了科学评估,并预测了全球未来50～100a 可能出现的气候变化范围及对各大生态系统的可能影响[2]。我国虽然从20世纪90年代初才开始气候变化影响与适应性的评估研究,但中国政府却给予了极大的重视和支持。从“八五”到“十五”国家设立多个科技攻关项目进行与国民经济密切相关的水资源、农业、陆地生态系统、海岸带和近海生态系统四个领域的气候变化影响研究,取得了许多令人振奋的科研成果[3～7]。

本文从气候变化与我国的粮食安全为主要研究

对象,针对我国的主要粮食作物(小麦、玉米和水稻),有代表性地选择了三大作物的典型生长区域,借助国外作物模式的框架体系[8,9],在我国进行适应性调整的基础上,结合气候模式输入的未来100a (2000～2100年)气候情景资料,定量化地估算了未来气候变化情景下我国主要粮食作物产量变化趋势,对未来农业生产及其影响进行了合理评估,以求为有关部门制定相关的决策提供理论依据。

1　研究区域

主要的粮食作物选取东北区域的玉米、华北区域的冬小麦和南方区域的双季稻。东北区域为东经120°～135°,北纬40°～50°,主要以黑龙江、吉林和

辽宁三省区为研究对象;华北区域为东经111°～123°,北纬35°～41°,主要包括京、晋、冀和鲁等地;

南方区域为东经109°～120°,北纬25°～30°,主要包括湖南、湖北以及江西等地。

2　研究方法

2.1　作物模式

WOFOST 模型用于模拟1年生作物的生态生

理过程,主要包括光合作用、呼吸作用等,并描述这些过程如何受环境的影响。模型主要包括三大模块,分别是作物模块、气候模块和土壤模块。根据三大模块的计算可以得到潜在生产力(没有限制水平)和有限制水平的生产力(图1)

。

图1　模型的基本框架

Fig.1　Structure diagram of the modeling

2.2　气候模式

气候模式是气候中心T63海气耦合模式BC 2

CT63,是由气候中心发展的大气模式与中科院大气物理研究所发展的海洋模式耦合而成。

其中,它的大气部分的水平分辨率为1.875×1.875,垂直分辨率为16层(模式层顶:约25hPa ,模式层底:约996hPa ),参考气压为1013.25hPa ,积分时间步长是22.5min 。在时间积分方案选择上,散度、温度和地面气压方程采取半隐式时间格式,为防止计算波的虚假增长而引起了时间滤波;涡度与水汽方程的纬向平流项采用了半隐式格式。并在模式中对某些选择性短波加以阻尼。模式垂直方向离散化为16层。

根据模式输出的结果来看,未来100a 内,全国平均气温可能增高0.5℃左右,其中尤以东北地区增温最高,达1.0℃以上;华北居中,增温幅度在0.7℃～0.9℃。

模式输出的全国未来气候的年平均温度变化趋势如图2所示。

3　模型参数调整及检验分析

作物模型参数中对作物品种参数的调整至关重要,对于该模型在区域范围内的运行起关键作用。这些参数包括作物品种本身的遗传参数以及与外界

环境相关的水文和温度参数,所有这些参数的调整都需要建立在大量的试验基础上并经多次运行模型方可获得,由于篇幅有限,本文不再累述,详见文后参考文献[10,11]

。

图2　未来气候情景的年平均温度变化趋势图

Fig.2　Changing trend chart of the simulated year mean

temperature of future climate scenario

4　结果与分析

4.1　气候变化对农作物发育期的影响

综合来看,东北春玉米生长期都有所缩短。中

熟玉米生育期变化范围在2.7～-10.6d 之间(正号表示生育期延长,负号表示生育期缩短),平均缩短3.8d ;晚熟玉米生育期变化范围在5.3～6.0d 之间,平均缩短1.4d 。华北地区冬小麦生长期会有所缩短。冬小麦生育期变化范围在 6.3%～-27.0%之间,平均缩短8.4d 。南方早稻生育期变化范围在1.0～-13.3d 之间,平均缩短4.9d ;南方晚稻生育期变化范围在1.7～-12.3d 之间,平均缩短4.4d (见图3a ～3e )。4.2　气候变化对农作物产量的影响

从模拟结果可以看出,东北地区玉米的产量总体变化呈下降趋势,但下降趋势不是很大。中熟玉米产量变化范围在4.7%～-7.4%,平均减产3.3%;晚熟玉米产量变化范围在4.4%～-9.1%,

平均减产2.7%。华北地区冬小麦的产量总体变化呈下降趋势,冬小麦产量变化范围在17.7%～-32.6%,平均减产10.1%。南方双季早稻的产量变化范围在1.9%～-9.5%,平均减产3.6%;南方双季晚稻的产量变化范围是2.2%～-7.3%,平均减产2.8%(图4a ～4e )。

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