升温对玉米生长发育及潜在生长季影响的模拟研究

发布时间：2020-08-11 08:49

【摘要】：气候变暖背景下高温发生频率不断增加,利用作物生长模型评估气候变化影响、制定气候变化适应措施对指导农业生产具有重要意义。发育期模块和生物量累积(RUE)模块是作物模型的核心模块,准确模拟玉米生长发育对温度的响应有助于提高作物模型对产量的模拟精度,降低模型评估未来气候变化影响的不确定性。选择生育期较长的玉米品种是适应气候变暖最有效的措施之一,但当前玉米品种是否完全利用了玉米潜在生长季以及延长玉米生育期的增产空间等科学问题有待明确。本文以我国东北-西南玉米带为研究对象,利用各玉米种植区内代表性农业气象观测站(以下简称农气站)的玉米生长发育观测资料,选取国际上常用的发育期模型进行比较,探究未来气候情景下发育期模拟结果的不确定性;在此基础上,挖掘文献数据并构建人工气候室高温控制试验,比较当前主要作物模型中玉米生长发育温度响应模块的模拟精度,推导出基于Wang-Engel函数的玉米生长发育温度响应曲线并将其嵌套入APSIM模型中,比较改进前后APSIM模型对未来气候变化情景下模拟玉米发育期和产量的差异;基于农气站玉米发育期的长期观测资料,分析在气候变暖背景下,各玉米种植区的潜在生长季利用率,并基于改进后的APSIM模型探究延长玉米生育期对产量的影响及其限制因素。主要研究结果如下:(1)当前气候条件下,6种常用发育期模型(SIMCOY,MAIS,Beta,WOFOST,CERES和APSIM)经调参后均可以达到可接受的精度(NRMSE均小于8%)。未来气候变化情景下,除Beta模型模拟华北地区玉米吐丝期和成熟期推迟外,其他模型模拟的3个种植区玉米吐丝期和成熟期均呈提前趋势。发育期模型之间的不确定性随温度的升高而增加,特别表现在华北地区夏玉米的发育期。华北地区夏玉米发育期模拟存在的不确定性最大,东北和西南地区的春玉米发育期模拟的不确定性较小。(2)叶片伸长、叶片出现和阶段发育(出苗-穗原基始期、出苗-开花期/吐丝期)过程的温度响应函数一致。Wang-Engel曲线可以最好地描述实测玉米生长发育速率-温度关系,玉米发育过程的三基点温度为5℃(下限温度,Tb)、30℃(最适温度,To)和41℃(上限温度,Tc)。玉米生物量累积(即光能利用率RUE)过程的三基点温度为2℃(Tb)、24℃(To)和38℃(Tc)。叶片生长、阶段发育及RUE的三基点温度均低于APSIM模型中设置的三基点温度。改进前后APSIM模拟的未来变暖情景下玉米开花期和成熟期存在较大差异,但模拟的玉米产量差异相对较小。(3)当前种植制度下,各玉米种植区平均潜在生长季利用率华北地区(88.7%)东北地区(84.6%)西南地区(81.6%)西北地区(63.9%)。2000s以前,玉米品种花前花后积温比例约为1.5～1.7,2000s后,玉米品种花前花后积温比例降低,约为1.0-1.6,反映了新培育的玉米品种灌浆期延长。当前气候条件下,各玉米种植区玉米生长季可继续延长14d左右,玉米潜在产量达到最大;但雨养条件下产量变异增大。
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S513
【图文】：

型光周期响应函数见表１－３。温度和光周期对作物发育期的交互作用可通过相加或相乘函逡逑数表示（Ｙａｎ邋ａｎｄ邋Ｗａｌｌａｃｅ，邋１９９８），也有研究指出光周期会影响作物发育的最适温度，同逡逑样温度也会影响作物的临界光周期（图１－２）邋（ＣｒａｕｆＵｒｄ邋ａｎｄ邋Ｗｈｅｅｌｅｒ，邋２００９）。未来气候变逡逑暖条件下，超过最适温度的日数增加，光周期在一定程度上可调节作物的最适温度以适应逡逑气候变化（Ｅｌｌｉｓ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋１９９２）。因此，温度和光周期对作物发育期的交互作用仍然值得深逡逑入研宄。逡逑５逡逑

图I-4.技术路城圈

本研宄首先选取了东北－西南玉米带１０个代表站点来进行发育期模型的比较研宄（图逡逑２－１）。１０个研宄站点分布在我国主要玉米生产区，包括中国东北地区的海伦，桦甸和朝逡逑阳，华北地区的北京、济宁和驻马店，以及西南地区的丰都、乐山、普定和陆良（图２－逡逑１）。这１０个站点跨越了大尺度气候区，覆盖了我国玉米带的主要气候类型，具有不同的逡逑种植制度。表２－１详细列出了站点信息、代表性玉米品种和连续种植年限。在１０个站点逡逑中选取了东北地区朝阳站点，华北地区北京站点和西南部地区丰都站点研究当前和未来气逡逑候变化情景下玉米生长季的温度分布变化特征。逡逑１３逡逑

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本文编号：2788859