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气候变化对广西甘蔗生产潜力影响的模拟研究

阮红燕  
【摘要】:广西是我国最大的甘蔗产区,其产量增减和品质优劣严重影响着国民生计。大量研究表明,气候变化在未来将继续存在,并将对甘蔗生产产生重大影响。因此,明确广西气候变化规律,研究其对广西甘蔗生产的影响具有重要的科学意义。本文选用广西多个试验站点的田间试验观测数据和试验站气象资料、甘蔗作物参数和土壤参数,对甘蔗生长模型APSIM-sugarcane进行参数本地化调整和验证,将其与全球气候模型(GCM)相结合,模拟未来气候变化条件下广西甘蔗生长发育,分析甘蔗地上部干重、蔗茎产量和蔗糖产量在未来三个研究阶段(2030s:2021-2040年、2060s:2051-2070年和2090s:2081-2100年)相对于基准年(1961-2010年)的变化趋势。此外,分析广西未来三个研究阶段(2030s:2021-2040年、2060s:2051-2070年和2090s:2081-2100年)的阶段的温度、降雨和辐射等相对基准年(1961-2010年)的变化特征,进一步探讨甘蔗产量变化与气候变化的相关关系,明确温度、降雨和辐射等气候要素对甘蔗生产的影响。主要结论如下:(1)APSIM-sugarcane模型的参数本地化和有效性验证研究中选用南宁站2015年2月15日种植的甘蔗大田试验数据进行参数调整,选用南宁站2015年3月和2015年4月种植的甘蔗大田试验数据,以及6个研究站点(来宾、砂糖、崇左、平果、贵港和河池等)从2009到2014年的田间产量数据进行有效性验证。通过对模型参数的调试和验证,APSIM-sugarcane模型对广西甘蔗的生育期和产量均有较好的模拟效果,生育期模拟验证结果显示模型对出苗期天数的模拟效果较拔节期天数模拟效果好(出苗期和拔节期天数模拟的R2分别为0.95和0.89,RMSE分别为11d和23d)。南宁试验站的产量的模拟验证表明调参后的APSIM-sugarcane对甘蔗蔗糖产量的模拟精度最好(R2为0.93,RMSE为0.88 t·ha-1),其次是对蔗茎产量的模拟(R2为0.82,RMSE为18.89t.ha-1);但是对甘蔗叶面积的模拟精度相对其他指标较弱(R2为0.70,RMSE为1.07 m2·m-2)。其余6个研究站点的蔗茎产量验证结果表明APSIM-sugarcane模型对广西其他站点甘蔗的产量模拟效果较好(R2为0.78,RMSE为7.87 t·ha-1)。所有模拟指标均在有效范围内,即参数调整后的APSIM-sugarcane模型能够有效的运用于广西甘蔗生产的模拟。(2)GCMs模拟气候数据的评价及差异性分析选用两个不同的温室气体排放情景(RCP4.5和RCP8.5)下28个GCMs的模拟气候数据进行评价,表明全球气候模型对广西的温度模拟效果较降雨和辐射好。28个GCMs的温度模拟值离散性较小,而降雨和辐射离散性较大。全球气候模型的广西气候数据差异性分析结果表明,RCP4.5情景下的温度、降雨和辐射的变异系数较同阶段RCP8.5情景下小;相同排放模式下从2030s,2060s到2090s阶段温度模拟值的变异系数相差很小,而降雨和辐射的变异系数随着时间增大。(3)未来气候和甘蔗产量的时空变化特征通过对28个GCMs气候数据统计分析,发现未来温度变化、降雨变化和辐射变化在不同的温室气体排放情景下均表现为逐阶段增加的趋势,广西22个研究站点的日平均温度在RCP4.5情景下增温幅度小于RCP8.5情景下;降雨变化和辐射变化在RCP4.5和RCP8.5情境下均表现出2060s和2090s阶段较2030s阶段升高的特点,而从2060s阶段到2090s阶段则表现为各个站点间变化不一致,多数站点为逐渐升高,部分站点在两个阶段的变化保持一致。甘蔗地上部干重、蔗茎产量和蔗糖产量变化在未来阶段不同温室气体排放情景下表现为逐年增加趋势,地上部干重和蔗茎产量的变化规律相似,多数站点表现为RCP4.5情景下增产幅度较同阶段RCP8.5情景下大,所有站点均是从2030s到2060s增产幅度上升,而2060s和2090s阶段多数站点增产幅度相近,少数站点为2090s增产下降。(4)量化气候变化对甘蔗产量变化的影响通过气候变化和产量变化的回归分析,发现甘蔗地上部干重和蔗茎产量与温度变化和降雨变化呈显著相关性,与辐射变化无显著相关关系,与CO2浓度变化相关性较小;甘蔗蔗糖产量则与温度、降雨和辐射均呈显著正相关关系,同样的与CO2浓度变化相关性较小。通过对温度、降雨与生物量(地上部干重和蔗茎产量)的热力图分析,发现降雨对地上部干重和蔗茎产量的影响规律相似。当降雨不变时,若温度升高则地上部干重和蔗茎产量均增加较小;当温度不变时,若降雨增加则较大程度提高地上部干重和蔗茎产量;当降雨和温度同时增加时,能最大程度的提高当降雨和温度同时增加能较大程度的提高甘蔗生物量。但是降雨对地上部干重和蔗茎产量的增产作用有一定的限制,当降雨增加达到一定限度时,继续增加降雨量则会使地上部干重和蔗茎产量下降,该限制作用在年均辐射总量较小的站点或年均总辐射增加较小站点表现较为突出。温度、降雨和辐射对蔗糖产量的相关关系分析结果表明温度和降雨的协同作用对蔗糖产量影响与对地上部干重和蔗茎产量的影响相似。温度和辐射协同作用对蔗糖产量的正相关关系需要建立在土壤水分较多的条件下,即在降雨较多的条件下,辐射增加有利于蔗糖产量增加,但是超过一定限度辐射继续增加则会使产量下降;若降雨和辐射同时增加则蔗糖产量增加较大。(5)灌溉产量差分析研究基于APSIM-sugarcane设置灌溉模拟试验,发现土壤水分含量对甘蔗生产有重要的作用。在未来各研究阶段温度逐渐增加且22个研究站点温度增加幅度相近的背景下,在降雨量较少且未来阶段降雨增加也较少的站点,设置自动灌溉可增加土壤含水量,对甘蔗产量(地上部干重、蔗茎产量和蔗糖产量)增产效果显著。特别是对蔗糖产量,在未来阶段年均总辐射增加较多的站点,灌溉后土壤含水量始终充足条件下蔗糖产量增产较大;而在降雨量较多的地区,由于其土壤含水量基数较大,灌溉对甘蔗产量增加效果不显著。研究表明,经过本地化参数调整和验证后的APSIM-sugarcane生长模型能够有效的模拟广西甘蔗生长状况。将全球气候模型的气候数据与APSIM-sugarcane模型相结合模拟未来广西甘蔗产量,明确了在未来气候条件下广西甘蔗产量的变化趋势,探清了未来温度、降雨和辐射的变化对广西甘蔗产量的影响趋势,有利于适当的调整未来阶段甘蔗种植管理措施。


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