Sci. Total Environ丨全球变暖1.5°C和2.0°C情景下中国黄土高原的农作物生产

论文内容

研究背景：

全球变暖可能有利于北方半球中高纬度地区的作物生产。在中国，作物生产中心的“向西移北扩”将继续影响黄土高原(LP)在中国作物生产中的作用。LP是一个生态脆弱地区，土壤侵蚀和农田污染严重。中国政府自1999年起在LP实施“退耕还林还草”计划，该计划阻止该地区大幅增加耕地以弥补作物产量差距。解决这些问题需要对未来气候变化、气候适应战略和作物产量进行模拟。在这项研究中，我们开发了一个作物生产模型，同化遥感信息来分析长期多情景作物生产变化对区域粮食安全的潜在影响。具体研究目标包括：（1）同化作物模型的参数标定、性能评价和优化;（2）利用同化作物模型模拟历史时期的实际作物产量变化（2000-2015年）;（3）利用该模型预测作物产量、潜力和产量差，以评估不同作物因子对气候变化的响应过程。这项研究的结果揭示了适应气候变化的作物生产潜力的途径，以及在LP上进行更有效和可持续的作物管理的可能的监管和政策战略。

研究内容：

本研究将 WOFOST 模型（图 S1）与同化算法相结合，用于模拟雨养/灌溉地区的作物生长（时间步长为天）。 首先，标定对作物产量和LAI敏感的参数（总敏感指数≥0.2）； 然后，使用模型默认值和文献调查确定其余参数。 通过使用扩展傅立叶振幅灵敏度测试（EFAST）分析作物参数来进行校准，并获得每个参数对输出值（一阶灵敏度指数）的直接影响。 然后使用粒子群优化（PSO）算法同化校准的作物模型。  观测数据（MODIS LAI）与模拟数据（crop LAI）尺度不匹配导致同化误差； 因此，两个LAI的源尺度通过归一化（0-1）统一，同时保留LAI趋势信息。 然后，根据Huang等人的方法构建成本函数（式（1）），利用PSO算法将观测信息同化到作物模型中，实现观测模拟数据差异的最小化。

研究区冬小麦平均增产49.32%。玉米产量从2000年到2015年翻了一番（图6）。尽管生态恢复政策减少了LP的耕地面积（从2000年到2015年减少了9907平方公里的耕地），农作物产量持续增加，保障了区域粮食安全。2020年至2060年的平均作物产量由于气候变化而呈现出年际波动，冬小麦平均产量的增加排名如下：RCP 2.6（4.96%）> RCP 8.5（2.57%）> RCP 4.5（2.38%）;最大值出现在2035年（RCP 2.6，1992.87 kg/hm2，图6a）。所有玉米产量都高于历史同期。但2050年以后，产量增幅呈下降趋势，平均增产幅度为RCP 4.5（6.85%）> RCP 8.5（6.09%）>RCP 2.6（5.41%），最大值出现在2050年（RCP 4.5，4928.40 kg/hm2，图6 b）。冬小麦和玉米总产量的分布和变化趋势与2000年相似。

冬小麦实际产量和潜在产量之间的产量差距表现出显著的空间差异（图8）。2030年的产量差主要集中在山西省中南部和山西省中部，30%的种植面积产量差在0-500 kg/hm2之间。产量差距大于1000 kg/hm2的耕地面积依次为RCP 4.5（7.37%）> RCP 2.6（2.23%）> RCP 8.5（0.41%）。2030-2060年情景的产量差距在中部和南部地区显著缩小，RCP 2.6情景的产量差距总体缩小，其他两种情景的产量差距扩大（RCP 8.5最为明显）。RCP 2.6产量差距<500 kg/hm2的种植区缩小6.69%，500-1000 kg/hm2的种植区缩小1.54%。在RCP4.5情景下，东部地区的产量差距有所扩大，500-1000 kg/hm2的产量差距增加了1.66%，>1000kg/hm2的产量差距减少了4.29%。

在三种情景下，作物的开花和成熟都所提前（图9）。例如，2000-2060年冬小麦开花提前2-4天，成熟提前3-4天。历史花期由东南向西北逐渐延长（100-120 d），成熟期与花期的空间分布相似。偏相关分析表明，冬小麦和玉米产量与平均气温和降水量呈正相关，与太阳辐射呈负相关。降水是玉米产量变化的主要驱动力，而冬小麦受温度和辐射的影响最大。未来情景，冬小麦和玉米的产量差与年降水量呈负相关。冬小麦的产量差距与年降水量之间的偏相关系数为-0.271;玉米的偏相关系数为-0.375。冬小麦和玉米的产量差与平均气温和太阳辐射呈正相关，但偏相关性弱于产量差与降水的对应关系，且气温和太阳辐射的升高加剧了产量差与降水的相关性。

研究结论：

本研究利用世界粮食研究模型和遥感产品同化算法，建立了适用于中国黄土高原的空间明确作物同化模型。 该模型用于模拟2016年至2060年三种典型气候情景（代表性浓度路径（RCP）：RCP 2.6、RCP 4.5和RCP 8.5）下冬小麦和玉米实际产量和产量差距的潜在变化。就产量增长率而言，玉米 (RCP 4.5 > RCP 8.5 > RCP 2.6) 比冬小麦 (RCP 2.6 > RCP 8.5 > RCP 4.5) 更能适应气候变暖。RCP2.6 冬小麦的产量增幅和产量差距下降最为显着（-2.28%）。 预计冬小麦和玉米的平均物候期分别提前2-4天和9-16天。 农作物产量与辐射呈负相关，产量差距与降水量呈正相关。 未来的气候变化可能会导致农作物产量出现剧烈的年际波动。 预计 2050 年后冬小麦产量将停滞，而玉米产量潜力将短暂增加，然后出现长期增长下降。 作物生产的多情景模拟评估结果为实施适应气候的作物管理战略和综合旱作灌溉农业以实现这一生态脆弱地区的粮食安全目标提供了科学支持。 我们建议采取综合管理措施，通过作物品种改良、灌溉调节和种植结构优化来确保区域粮食安全。

期刊信息

期刊：Sci. Total Environ

影响因子（2022）：9.8

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转自：“农科学术圈”微信公众号

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