黄淮海冬小麦需水量对气候变化的响应与模拟

Climate warming will surely have significant impacts on the process of agricultural water demand in Huang-Huai-Hai plain, one of the most important food production areas in China. This study firstly uses the time series method, Mann-Kendall（MK）test method and ordinary kriging method to analyze the spatial and temporal variations of water requirement of winter wheat in Huang-Huai-Hai plain. Then the spatial statistics is adopted to quantitatively analyze the change in planting area for winter wheat under the climate change, and the main factors of affecting water requirements of winter wheat in this plain are explored using partial correlation analysis, principal component analysis and grey correlation analysis method. At the same time, the output of the CMIP5 model and statistical downscaling techniques are also used to build the response models of water demand to future climate change under two emission scenarios of RCP4.5 and RCP8.5 (representative concentration pathway) in this region. Appropriate measures will be put forward based on the spatial and temporal variations of water demand for winter wheat in wheat probably planting areas of Huang-Huai-Hai plain. This study will certainly have an important scientific significance and practical value for optimizing the planting pattern in Huang-Huai-Hai plain and improving the use efficiency of limited water resources and addressing scientifically climate change.

以增温为主要特征的气候变化将对黄淮海地区农业需水过程产生重要影响，本项研究采用时间序列法、Mann-Kendall（MK）检验法和普通克里格法分析黄淮海地区冬小麦需水量时空变化特征；利用空间统计学方法定量分析气候变化背景下黄淮海冬小麦可种植面积的变化特征；采用偏相关分析、主成分分析、灰色关联法分析法探索影响黄淮海地区冬小麦需水量的主要因子，利用地球系统模式（CMIP5）的输出和统计降尺度技术，构建未来2种排放情景（RCP4.5、RCP8.5）下黄淮海地区冬小麦需水量对气候变化的响应模型，分析黄淮海地区冬小麦未来可种植区需水量变化特征，并提出适宜的应对措施。本研究对优化黄淮海地区种植模式，提高有限水资源的利用效率，科学应对气候变化具有重要的科学意义和实用价值。

本研究以黄淮海地区52个气象站点的逐日历史数据、冬小麦作物系数为基础，采用FAO推荐的Penman-Menteith公式计算作物需水量，首先分析了黄淮海地区冬小麦需水量时空分布规律及其主要影响因素，发现过去60多年黄淮海地区大部分站点的冬小麦需水量呈下降趋势；空间上，呈条形分布，以黄河为中心向两边扩散，冬小麦需水量逐渐减小；大部分站点冬小麦需水量主要受日照和风速的影响，部分站点以湿度为主，且多位于临海区域。根据冬小麦生理学冻害温度以及生育期所需积温两方面选择最冷月平均气温≥-8℃、极端最低气温≥-24℃、冬前积温≥400℃、越冬期负积温≥-450℃、全生育期积温≥1700℃ 5个气象指标作为黄淮海地区冬小麦种植北界气象参数，分析了黄淮海地区冬小麦种植北界北移趋势，结合RCP4.5和RCP8.5情景模式，预测了未来不同时间段冬小麦种植北界的变化特征：从有记录以来，黄淮海地区冬小麦可种植区在不断变化，与20世纪60年代相比，黄淮海地区北界北移趋势明显，且这种趋势在未来还将继续，RCP8.5情景下其北移距离明显大于RCP4.5情景。利用地球系统模式（CMIP5）的输出和统计降尺度技术，结合作物生长模型和基于叶面积指数的作物系数动态公式，构建了冬小麦需水量对气候变化的响应模型，分析了黄淮海地区冬小麦需水量空间分布特征：RCP4.5、8.5情景下黄淮海地区冬小麦需水量空间分布与历史分布规律相比差异较大，整体从西南向东北方向呈增加趋势，高值区从沿黄河两岸移至山东东部沿海地区，低值区从东南部的江苏高邮、东台一带转移至西南部的驻马店地区；在RCP8.5情景下，河北省各时间段冬小麦需水量空间分布变化较大，饶阳地区形成的低值封闭圈在两种情景下均存在；在RCP4.5情景下，山东省各时间段冬小麦需水量空间分布变化较大，可能是由于其濒临渤海、黄海，而未来气候情景对海洋变化较为重视所致。研究结果对于未来冬小麦种植结构调整、应对气候变化节水策略的制定以及区域水土资源的优化配置均有一定的支撑作用。