Hydrol. Earth Syst. Sci.丨气候变化条件下的全球棉花生产—对产量和水分消耗的影响

论文内容

研究背景：

棉花是地球上重要的经济作物，也是天然纤维的主要来源。虽然棉花能广泛地适应不同的环境，但棉花的生长和灌溉用水需求可能会受到未来气候变化的挑战。此外，炎热的天气条件增加了对棉花植株的蒸发需求，导致了更强烈的水分胁迫。另一方面，由于棉花是一种C3作物，大气中二氧化碳浓度的升高可能会提高棉花产量。大量FACE研究表明，棉花产量和生长对二氧化碳浓度的强烈反应。同样，富集二氧化碳也可以提高水利用效率，因为它可以增加生物量，同时导致部分气孔关闭，从而减少蒸腾作用。为了研究气候变化对世界各地不同地区棉花产量的影响以及与之相关的灌溉用水需求，我们使用了基于过程的、空间详细的生物圈和水文模型LPJmL（Lund–Potsdam–Jena managed land）。

研究内容：

全球动态植被模型LPJmL是一个已建立和全面评估的模型，其独特之处在于将自然植被、水文和管理生态系统（农田、牧场）结合在一个一致的网格大规模应用框架中。模拟未来时期进行四个不同的代表浓度途径（RCPs）-RCP2.6，RCP4.5，RCP6.0和RCP8.5——每个实现五个不同的一般循环模型（通用）：GFDL-ESM2M，HadGEM2-ES，IPSLCM5A-LR，MIROC-ESM，ESM1-M。未来时期的[CO2]数据取自ISIMIP项目提供的相应的RCP数据集。为了评估棉花植物对未来气候变化的反应，运行了1951-2099年的模型。未来产量预测以2070-2099年的平均值表示，而以1980-2009年参考期间的年平均平均值或全职序列表示。棉花专用农田的空间分布取自土地利用数据集MIRCA2000，该数据集为2000年左右的雨养和灌溉收获区提供了空间分辨率为5arcmin.

我们发现，如果考虑到二氧化碳效应，灌溉棉花生产不会受到气候变化的影响。考虑到气候变化和二氧化碳施肥的总体影响，大多数RCP的棉花产量对现有农田的影响稳步增加。从2010年的∼6500万吨开始，RCP4.5和RCP6.0的棉花产量在本世纪末分别为∼8300万吨和∼9200万吨。根据RCP8.5，到2099年，模拟全球棉花产量增长了50 %以上。仅考虑到气候变化，在大多数情况下，预计棉花产量将大幅下降（RCP8.5产量减少三分之一或4300万吨）。在RCP6.0和RCP8.5条件下，单一雨养条件下棉花产地的未来虚拟含水量（VWC）显著降低超过2000 m3·t−1。到2040年，所有情景下全球棉花平均VWC从目前的3300 m3·t−1下降到3000 m3·t−1，在RCP8.5下，2100年继续下降高达30 %。VWC因二氧化碳效应而降低，而温度升高的作用方向相反。不考虑有益的二氧化碳效应，除RCP2.6外，所有RCP的棉花全球VWC均会增加，在RCP8.5下模拟期结束时达到5000 m3·t−1以上。

研究结论：

鉴于棉花生产的经济意义，气候变化造成了额外的压力。一方面是气候对棉花生产的影响，另一方面是棉花生产对水资源的影响，这说明有必要评估未来的气候变化可能如何影响棉花生产及其资源需求。将棉花纳入LPJmL仍允许进行各种大规模研究，以评估气候变化对水文因素的影响，以及对农业生产和碳固存的影响。

转自：“农科学术圈”微信公众号

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