中国农业科学 ›› 2023, Vol. 56 ›› Issue (19): 3772-3787.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2023.19.006
史鑫蕊(), 韩百书, 王紫芊, 张媛铃, 李萍, 宗毓铮, 张东升, 高志强, 郝兴宇()
收稿日期:
2023-01-16
接受日期:
2023-05-11
出版日期:
2023-10-01
发布日期:
2023-10-08
通信作者:
联系方式:
史鑫蕊,E-mail:shixinrui1992@163.com。
基金资助:
SHI XinRui(), HAN BaiShu, WANG ZiQian, ZHANG YuanLing, LI Ping, ZONG YuZheng, ZHANG DongSheng, GAO ZhiQiang, HAO XingYu()
Received:
2023-01-16
Accepted:
2023-05-11
Published:
2023-10-01
Online:
2023-10-08
摘要:
【目的】开展气候变化对冬小麦生长发育和产量影响研究,为未来气候变化下小麦可持续生产提供依据。【方法】利用2017—2020年度控制气室中不同温度和[CO2]处理下的良星99(晚熟品种)和中科2011(早熟品种)冬小麦生长发育、土壤及气象数据,对APSIM(agricultural production systems simulator)模型进行校验,然后,以1986—2005年为基准年份,利用校验好的APSIM模型对未来不同气候条件下(RCP 4.5和RCP 8.5)的冬小麦产量、产量构成和生育期进行模拟,分析气候变化和极端高温对不同熟性冬小麦品种生产潜力的影响。【结果】APSIM模型能较好地模拟不同温度和[CO2]处理下2个品种冬小麦的生育期、产量和生物量,模拟值与实测值的R2均高于0.614,nRMSE均低于10.6%,叶面积指数(LAI)的模拟效果相对较差。从长期模拟结果来看,不同气候条件下,2个品种小麦的播种-拔节天数均较基准年份缩短,且早熟品种小麦播种-拔节缩短的天数小于晚熟品种,2个品种拔节-成熟天数均无明显变化。相较基准年份,未来RCP条件下,2个品种小麦的实际产量和潜在产量均增加,且2100s时段RCP 8.5条件下的产量和潜在产量最高,早熟品种的产量和潜在产量相较晚熟品种增产更明显。与基准年份相比,未来RCP条件下,生育前期2个品种小麦的LAI均升高,但早熟品种LAI变化更明显,生育后期晚熟品种的LAI明显降低,而早熟品种的LAI无明显差异;未来RCP条件下,2个品种的地上部生物量均增加,早熟品种生物量增长更明显。不同RCP条件下,极端高温对2个品种冬小麦产量和千粒重均有一定的负面影响,且开花期极端高温对千粒重的影响最大。与正常年份相比,极端高温年份晚熟品种2100s时段RCP 8.5条件下的千粒重和产量明显降低,籽粒数也略有降低。与正常年份相比,未来RCP条件下,极端高温均明显降低了早熟品种的千粒重,但籽粒数略有升高,因此,极端高温年份早熟品种产量降低不明显。【结论】冬小麦早熟品种更能适应未来气候变化,而选育适宜的小麦品种是应对未来气候变化的有效措施之一。
史鑫蕊, 韩百书, 王紫芊, 张媛铃, 李萍, 宗毓铮, 张东升, 高志强, 郝兴宇. 基于APSIM模型模拟分析气候变化对不同熟性北方冬小麦生长和产量的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(19): 3772-3787.
SHI XinRui, HAN BaiShu, WANG ZiQian, ZHANG YuanLing, LI Ping, ZONG YuZheng, ZHANG DongSheng, GAO ZhiQiang, HAO XingYu. Investigation on the Effects of Climate Change on the Growth and Yield of Different Maturity Winter Wheat Varieties in Northern China Based on the APSIM Model[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2023, 56(19): 3772-3787.
表1
冬小麦品种良星99和中科2011的APSIM-Wheat模型遗传参数"
参数Parameters | 良星99 Liangxing 99 | 中科2011 Zhongke 2011 |
---|---|---|
春化敏感性Vernalization sensitivity | 3.1 | 2.5 |
光周期敏感性Photoperiod sensitivity | 3.5 | 3.5 |
出苗期到幼苗期积温Accumulated temperature from emergence to seedling stage (℃) | 400 | 300 |
幼苗期到拔节期积温Accumulated temperature from seedling to jointing stage (℃) | 600 | 500 |
拔节期到开花期积温Accumulated temperature from jointing to flowering stage (℃) | 150 | 150 |
开花期到灌浆期积温Accumulated temperature from flowering to filling stage (℃) | 650 | 500 |
最大比叶面积Maximum specific leaf area (mm2·g-1) | 22000-38000 | 18000-29000 |
表3
不同RCP气候条件的高温年型划分"
气候条件Weather conditions | 高温年型 High temperature year types | 年份Years | |
---|---|---|---|
基准 Baseline | CK | 极端高温年份Extreme high temperature years | 1988, 1993, 2000, 2001, 2002 |
高温年份High temperature years | 1987, 1992, 1994, 1996, 1999, 2005 | ||
正常年份Normal years | 1989, 1990, 1991, 1995, 1997, 1998, 2003, 2004 | ||
2050s | RCP4.5 | 极端高温年份Extreme high temperature years | 2047, 2052, 2054, 2055, 2060, 2061 |
高温年份High temperature years | 2049, 2050, 2053, 2059, 2065 | ||
正常年份Normal years | 2048, 2051, 2056, 2057, 2058, 2062, 2063, 2064 | ||
RCP8.5 | 极端高温年份Extreme high temperature years | 2050, 2054, 2055, 2060, 2061 | |
高温年份High temperature years | 2047, 2049, 2052, 2063, 2065 | ||
正常年份Normal years | 2048, 2051, 2053, 2056, 2057, 2058, 2059, 2062, 2064 | ||
2100s | RCP4.5 | 极端高温年份Extreme high temperature years | 2085, 2089, 2090, 2095, 2096, 2100 |
高温年份High temperature years | 2084, 2086, 2087, 2098 | ||
正常年份Normal years | 2082, 2083, 2088, 2091, 2092, 2093, 2094, 2097, 2099 | ||
RCP8.5 | 极端高温年份Extreme high temperature years | 2089, 2090, 2093, 2095, 2100 | |
高温年份High temperature years | 2082, 2083, 2086, 2099 | ||
正常年份Normal years | 2084, 2085, 2087, 2088, 2091, 2092, 2094, 2096, 2097, 2098 |
表4
不同RCP气候条件下小麦籽粒数和千粒重与不同阶段极端高温指数EDD的相关分析"
品种 Variety | 阶段 Stage | 指标 Indicator | CK | 2050s | 2100s | ||
---|---|---|---|---|---|---|---|
RCP4.5 | RCP8.5 | RCP4.5 | RCP8.5 | ||||
良星99 Liangxing 99 | 生育期 Growing stage | 籽粒数 Grain numbers | -0.317 | 0.063 | 0.065 | 0.089 | 0.012 |
千粒重 1000-grain weight | -0.212 | -0.365 | -0.318 | -0.371 | -0.571* | ||
中科2011 Zhongke2011 | 生育期 Growing stage | 籽粒数 Grain numbers | 0.159 | 0.026 | 0.092 | 0.070 | -0.082 |
千粒重 1000-grain weight | -0.283 | -0.712* | -0.821* | -0.838* | -0.516* | ||
良星99 Liangxing 99 | 灌浆期Filling stage | 千粒重 1000-grain weight | -0.470* | -0.222 | -0.035 | -0.035 | -0.636* |
开花期Flowering stage | -0.410 | -0.608* | -0.727* | -0.702* | -0.665* | ||
中科2011 Zhongke2011 | 灌浆期Filling stage | 千粒重 1000-grain weight | -0.150 | 0.068 | -0.536* | -0.456* | -0.470* |
开花期Flowering stage | -0.643* | -0.965* | -0.588* | -0.822* | -0.540* |
[1] |
IPCC. Summary for Policymakers//Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Masson-Delmotte, V., P. Zhai, A. Pirani, S.L. Connors, C. Péan, S. Berger, N. Caud, Y. Chen, L. Goldfarb, M.I. Gomis, M. Huang, K. Leitzell, E. Lonnoy, J.B.R. Matthews, T.K. Maycock, T. Waterfield, O. Yelekçi, R. Yu, and B. Zhou (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 2021.
|
[2] |
|
[3] |
doi: 10.1021/acs.jafc.0c02975 |
[4] |
doi: 10.1080/1343943X.2019.1626254 |
[5] |
doi: 10.3390/agronomy9050243 |
[6] |
doi: 10.1016/j.fcr.2016.06.024 |
[7] |
doi: 10.1007/s13351-014-4124-1 |
[8] |
doi: 10.1007/s13351-020-0061-3 |
[9] |
doi: 10.1016/j.agsy.2020.102826 |
[10] |
|
[11] |
doi: 10.1111/gcb.2018.24.issue-5 |
[12] |
doi: 10.1093/jxb/erz069 pmid: 30918963 |
[13] |
doi: 10.1007/s00704-020-03450-7 |
[14] |
doi: 10.1016/j.agwat.2020.106238 |
[15] |
doi: 10.1017/S0021859612000883 |
[16] |
doi: 10.1038/s41598-018-23101-2 pmid: 29559704 |
[17] |
张玲玲. 黄土高原冬小麦产量差及其水氮利用效率分析[D]. 北京: 中国科学院大学, 2019.
|
|
|
[18] |
IPCC. Summary for Policymakers//Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Stocker,T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 2013.
|
[19] |
|
[20] |
doi: 10.1038/nclimate1832 |
[21] |
罗荣鑫, 聂志刚, 孔好珍, 胡勇, 王雪娜, 陈凯阳. 基于APSIM模型分析不同降水年型下日最高温度变化对旱地春小麦产量的影响. 南方农业, 2021, 15(14): 1-4.
|
|
|
[22] |
doi: 10.1016/j.agwat.2021.106945 |
[23] |
doi: 10.1016/j.agsy.2014.01.008 |
[24] |
doi: 10.1016/j.compag.2022.106888 |
[25] |
doi: 10.1016/j.fcr.2015.11.010 |
[26] |
宗毓铮, 张函青, 李萍, 张东升, 林文, 薛建福, 高志强, 郝兴宇. 大气CO2与温度升高对北方冬小麦旗叶光合特性、碳氮代谢及产量的影响. 中国农业科学, 2021, 54(23): 4984-4995.
doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2021.23.005 |
|
|
[27] |
刘玉洁, 陶福禄. 气候变化对小麦生物量影响的概率预测和不确定性分析. 地理学报, 2012, 67(3): 337-345.
doi: 10.11821/xb201203005 |
doi: 10.11821/xb201203005 |
|
[28] |
陈新国. 气象和农业干旱对冬小麦生长和产量的影响[D]. 杨凌: 西北农林科技大学, 2021.
|
|
|
[29] |
孙昊蔚, 马靖涵, 王力. 未来气候变化情景下基于APSIM模型的黄土高原冬小麦适宜种植区域模拟. 麦类作物学报, 2021, 41(6): 771-782.
|
|
|
[30] |
doi: 10.1007/s11069-020-04435-5 |
[31] |
doi: 10.1088/1748-9326/abc71a |
[32] |
王安宁. 开花灌浆期双期高温胁迫对小麦生长发育和产量形成的影响研究[D]. 南京: 南京农业大学, 2018.
|
|
|
[33] |
孙倩, 黄耀, 姬兴杰, 成林. 气候变化背景下河南省冬小麦品种更新特征. 气候变化研究进展, 2014, 10(4): 282-288.
|
|
|
[34] |
曹彩云, 党红凯, 郑春莲, 李科江, 马俊永. 阶段高温对不同小麦品种产量的影响及其耐热性差异研究. 麦类作物学报, 2020, 40(3): 351-364.
|
|
|
[35] |
doi: 10.1002/joc.v41.4 |
[36] |
doi: 10.1016/j.eja.2017.07.004 |
[1] | 尉亚囡, 薄其飞, 唐安, 高嘉瑞, 马田, 尉熊熊, 张方方, 周祥利, 岳善超, 李世清. 长期覆膜和施用有机肥对黄土高原春玉米产量和品质的效应[J]. 中国农业科学, 2023, 56(9): 1708-1717. |
[2] | 韩紫璇, 房静静, 武雪萍, 姜宇, 宋霄君, 刘晓彤. 长期秸秆配施化肥下土壤团聚体碳氮分布、微生物量与小麦产量的协同效应[J]. 中国农业科学, 2023, 56(8): 1503-1514. |
[3] | 刘梦洁, 梁飞, 李全胜, 田宇欣, 王国栋, 贾宏涛. 膜下滴灌与细流沟灌对玉米生长及产量的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(8): 1515-1530. |
[4] | 王宁, 冯克云, 南宏宇, 丛安琪, 张铜会. 水分亏缺下有机无机肥配施比例对棉花水氮利用效率的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(8): 1531-1546. |
[5] | 王鹏飞, 于爱忠, 王玉珑, 苏向向, 李悦, 吕汉强, 柴健, 杨宏伟. 绿肥还田结合减量施氮对玉米干物质积累分配及产量的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(7): 1283-1294. |
[6] | 南瑞, 杨玉存, 石芳慧, 张礼宁, 米彤茜, 张立强, 李春艳, 孙风丽, 奚亚军, 张超. 小麦源库优异种质的鉴定与源库类型的划分[J]. 中国农业科学, 2023, 56(6): 1019-1034. |
[7] | 李小勇, 黄威, 刘红菊, 李银水, 顾炽明, 代晶, 胡文诗, 杨璐, 廖星, 秦璐. 不同轮作模式下氮肥施用对油菜产量形成及养分利用的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(6): 1074-1085. |
[8] | 贾晓昀, 王士杰, 朱继杰, 赵红霞, 李妙, 王国印. 陆地棉高密度遗传图谱的构建及产量相关性状的QTL定位[J]. 中国农业科学, 2023, 56(4): 587-598. |
[9] | 刘娜, 谢畅, 黄海云, 姚瑞, 徐爽, 宋海玲, 于海秋, 赵新华, 王婧, 蒋春姬, 王晓光. 施钾量对花生根系和根瘤特性、养分吸收及产量的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(4): 635-648. |
[10] | 刘丹, 安雨丽, 陶笑笑, 王孝忠, 吕典秋, 郭彦军, 陈新平, 张务帅. 西北地区制种玉米产量及氮素吸收对供氮水平的响应[J]. 中国农业科学, 2023, 56(3): 441-452. |
[11] | 赵建涛, 杨开鑫, 王旭哲, 马春晖, 张前兵. 施磷对苜蓿叶片生理参数及抗氧化能力的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(3): 453-465. |
[12] | 刘明慧, 田虹雨, 刘之广, 巩彪. 减磷条件下含褪黑素的尿素缓释功能肥对番茄生长、产量、品质和磷素利用效率的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(3): 519-528. |
[13] | 张晓丽, 陶伟, 高国庆, 陈雷, 郭辉, 张华, 唐茂艳, 梁天锋. 直播栽培对双季早稻生育期、抗倒伏能力及产量效益的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(2): 249-263. |
[14] | 严艳鸽, 张水勤, 李燕婷, 赵秉强, 袁亮. 葡聚糖改性尿素对冬小麦产量和肥料氮去向的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(2): 287-299. |
[15] | 徐久凯, 袁亮, 温延臣, 张水勤, 李燕婷, 李海燕, 赵秉强. 畜禽有机肥氮在冬小麦季对化肥氮的相对替代当量[J]. 中国农业科学, 2023, 56(2): 300-313. |
|