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气象和农业干旱对冬小麦生长和产量的影响

陈新国  
【摘要】:干旱是影响作物生长过程和产量的主要自然灾害之一。为了能够科学合理地应对作物生育期内的干旱灾害,降低干旱对冬小麦生长和产量的影响,探究不同类型干旱对冬小麦生长过程和产量的影响大小具有十分重要的意义。本研究在收集气象、土壤、作物、地理等数据的基础上,基于12个月时间尺度SPEI分析1961~2100年我国各地区干旱时空演变规律及干旱特征;对冬小麦生育期内1到9个月时间尺度气象和农业干旱做进一步研究;基于DSSAT-CERES-Wheat模型模拟历史和未来时期SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5情景下我国108个农业气象站点冬小麦生育期、成熟期地上部分生物量、最大叶面积指数和冬小麦产量;最后分析冬小麦生育期内1到9个月时间尺度SPEI和SMDI与冬小麦成熟期地上部分生物量、最大叶面积指数和冬小麦产量的关系,探究气象和农业干旱对冬小麦生长和产量的影响。主要结论如下:(1)分析了历史和未来时期我国各地区不同等级干旱时空演变规律及特征与历史时期相比,21世纪我国西北荒漠区干旱有增大趋势,而其他地区的干旱化趋势较慢,甚至出现湿润化趋势。随着排放情景的增大,我国青藏高寒区、东北温带区和华北暖温带区湿润化趋势逐渐增大。与1961~2000年相比,2021~2060年和2061~2100年西北荒漠区和青藏高寒区极端干旱发生的频次、干旱历时和干旱强度均有所增加,轻度、中度和严重干旱历时和干旱强度降低。华北湿润半湿润区干旱频次低于其他分区。未来时期SSP1-2.6情景下干旱频次大于其他三个情景;SSP5-8.5情景下极端干旱历时和干旱强度大于其他三个情景。(2)阐述了历史和未来时期我国冬小麦种植区冬小麦生育期内多时间尺度干旱时空演变规律1981~2015年黄淮海平原区冬小麦生育期内气象干旱较新疆地区更为频繁;黄淮海平原区0~10 cm和10~40 cm土层1到9个月时间尺度农业干旱发生频次大于其他两个分区。与0~10 cm土层相比,黄淮海平原区10~40 cm土层农业干旱更为严重;新疆地区10~40 cm土层的干旱程度较0~10 cm土层低。在未来时期,从冬小麦播种期到返青期中短时间尺度气象干旱发生频次较高;从冬小麦拔节期到成熟期(3到6月份)0~10 cm土层农业干旱发生频次较高;从冬小麦返青期到开花期(1到4月份)10~40 cm土层农业干旱发生频次较高。随着排放情景增大,各分区冬小麦生育期内0~10 cm土层和10~40 cm土层农业干旱有增加趋势。SSP3-7.0和SSP5-8.5情景下0~10 cm土层干旱程度比10~40 cm土层大。(3)基于DSSAT-CERES-Wheat模型综合模拟分析历史和未来时期冬小麦生长指标及产量的变化规律DSSAT-CERES-Wheat模型对冬小麦开花期和成熟期以及冬小麦产量的模拟效果较好,能够用于模拟冬小麦生长过程。历史时期黄淮海平原区和其他地区冬小麦生育期内最大叶面积指数、成熟期地上部分生物量及冬小麦产量均大于新疆地区。2021~2060年及2061~2100年不同情景下各分区开花期和成熟期都有不同程度提前,高排放情景下冬小麦开花期和成熟期提前幅度较大;黄淮海平原区和新疆地区冬小麦开花期和成熟期与其他分区相比有所延迟。2021~2060年四个情景下冬小麦最大叶面积指数、成熟期地上部分生物量及冬小麦产量相差不大。与2021~2060年相比,2061~2100年各情景下冬小麦最大叶面积指数、成熟期地上部分生物量及冬小麦产量都有增大趋势。其中,SSP5-8.5情景下黄淮海平原区和新疆地区冬小麦最大叶面积指数、成熟期地上部分生物量及冬小麦产量增加幅度较大。(4)多角度揭示了多时间尺度气象和农业干旱对冬小麦生长和产量的影响历史和未来时期4个月时间尺度SPEI、0~10 cm和10~40 cm土层1个月时间尺度SMDI对冬小麦生育期内最大叶面积指数、成熟期地上部分生物量以及冬小麦产量的影响较大;农业干旱指标SMDI与冬小麦最大叶面积指数、成熟期地上部分生物量及产量的相关系数大于气象干旱指标SPEI与三者的相关系数,说明农业干旱对冬小麦生长和产量的影响较大。0~10 cm土层农业干旱指标SMDI与冬小麦最大叶面积指数、成熟期地上部分生物量及产量的相关系数分别在0.3、0.4和0.5左右。随着排放强度的增大,2021~2060年冬小麦生育期内干旱与冬小麦最大叶面积指数、成熟期地上部分生物量及产量相关性相差不大,而在2061~2100年相关性则有降低趋势。冬小麦生育期内各月份干旱指标与冬小麦最大叶面积指数和成熟期地上部分生物量的相关系数相差不大。拔节期和乳熟期(3到5月份)气象和农业干旱对冬小麦产量影响较大,而在越冬期干旱对冬小麦产量影响较小,说明在冬小麦越冬期适当的“干旱锻炼”对冬小麦产量影响不大。农业干旱与冬小麦产量变异性的决定系数在14%左右,而气象干旱与冬小麦产量变异性的决定系数仅为2%左右。黄淮海平原区3到5月份各干旱指标与冬小麦最大叶面积指数、成熟期地上部分生物量及产量相关性最大,新疆地区次之。历史时期干旱年份黄淮海平原区和其他地区大多数站点冬小麦减产率在5%到25%之间。2021~2060年和2061~2100年不同情景下黄淮海平原区冬小麦减产率在15%到30%之间;新疆地区大多站点冬小麦减产率在5%到15%之间。本研究可为我国冬小麦生育期内抗旱措施的制定提供有益参考。


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