气候变化背景下东北三省春玉米产量提升空间及限制因素解析

Northeast China (NEC) is one of the most important regions for maize production in China. In the past few decades, farmers’ yields of maize increased gradually, however they are much smaller than potential yields, which indicates the larger potential ascension of maize production. Therefore, knowledge of the potential ascension and constraints of maize production are quite important to increase the maize production in NEC and make sure the food security in China. On the basis of historical climate data, soil data, and agro-meteorological observations of spring maize in NEC, by using the validated Agricultural Production System Simulator (APSIM-Maize) and mathematical statistics methods, this project aim to (1) identify geospatial and temporal gradients of potential yield of maize under the climate change, and analyze the potential ascension of maize production with actual farmers’ yields; (2) investigate the limitations of constraints to maize yield and their mechanism, using the comprehensive methods, including data analysis, field investigation, mathematical statistics method, and crop modeling technique; (3) investigate the replacement and compensation effects of cultural technologies on the constraints to maize yield; (4) analyze the adaptation of current cultivars and technologies to future climate. We believe these studies will provide a scientific basis for high yield of maize and its adaptation to climate change in NEC.

东北地区是我国玉米主产区，过去几十年，玉米产量不断提高，但与区域玉米潜在产量仍存在产量差，玉米实际产量仍有提升的空间。定量区域玉米产量提升空间，明确产量差限制因素对东北地区玉米增产和我国粮食安全具有重要的作用。本研究以东北三省春玉米为研究对象，基于历史气候、土壤资料以及农业气象观测站玉米资料，利用本土化的农业生产系统模拟模型（APSIM-Maize），结合数理统计方法，明确气候变化背景下东北三省春玉米潜在产量时空分布特征，结合实际产量定量玉米产量提升空间；采用资料分析与实地调查相结合、数理统计分析与作物模型相结合方法，重点解析春玉米生产过程中资源制约因子对产量提升的限制程度及影响机理；探讨技术因素对资源制约因子的替代和补偿效应；分析现有的品种及技术对未来气候的适应性，为东北三省春玉米实现高产和适应气候变化提供科学依据。

近30年来我国玉米产量明显提升，然而玉米实际产量与潜在产量之间仍存在较大的差距，如何利用有限耕地生产更多的粮食已经成为中国农业目前面临的重大问题。东北三省是我国重要的玉米生产区，其春玉米产量占全国总产量的30%，该区玉米产量提升对我国粮食安全具有重要的意义。. 目前产量差的研究方法主要有两种：一种是试验调查及统计分析；另一种是运用作物模拟模型。前者概念简单，可操作性强，但试验费用大，且要求足够的试验数据；后者可利用计算机进行更多处理设置，但不能对实际生产中的所有管理措施进行精确定量化。因此本项目基于1961-2010年气候资料、农业气象观测站作物资料和统计资料，利用农业生产系统模拟模型（APSIM-Maize）和数理统计方法，明确了东北三省春玉米产量潜力及产量提升空间，解析了春玉米生产过程中资源制约因子对产量提升的限制程度及影响机理，分析了技术因素对资源制约因子的替代和补偿效应。主要研究结果为：（1）1961-2010年东北三省春玉米潜在产量与实际产量间的产量差平均为64%，且近50年呈现显著缩小趋势，平均每10年缩小1.55 t·hm-2；（2）不可转化的技术因素、农学因素和社会经济因素对东北三省春玉米产量的限制程度分别为8%、40%和16%；（3）通过改善土壤物理属性、更换高产品种和改进栽培管理措施可使东北三省春玉米产量分别提升9%、23%和34%。