气候变化背景下我国黄淮海地区冬小麦高产性和稳产性时空分异格局及限制因子解析

The Huang-Huai-Hai Plain is the major winter wheat producing region in China. Under global warming and increasing extreme climate events, the rate of winter wheat yield increase has slowed, and the inter-annual yield variability has increased. Therefore, identifying the constraints of winter wheat yield level and yield stability is quite important to achieve high and stable winter wheat yield and ensure food security in China. Based on the climate data, soil data, agro-meteorological observations of winter wheat and combined with the validated Agricultural Production System Simulator (APSIM-Wheat), the key parameter affecting yield formation in APSIM-Wheat model, radiation use efficiency (RUE), were revised by fusing the multi-source data such as field measurement, meta-analysis and theoretical calculation. Based on the APSIM-Wheat model with empirical RUE and spatial analytical methods, this project aims to (1) clarify the spatial and temporal patterns of winter wheat yield level and yield stability in Huang-Huai-Hai Plain under climate change; (2) analyze the constraints of winter wheat yield level and yield stability through combining field investigation with crop modeling technique; (3) provide the regional optimization scheme of synergistic promotion for winter wheat yield level and yield stability. We believe that these studies will provide a scientific basis for regional winter wheat to achieve high and stable yield and adapt to climate change.

黄淮海地区是我国冬小麦主产区，在全球变暖、极端气候事件增加背景下，冬小麦产量提升缓慢，产量年际间波动性增加。明确冬小麦产量变异性限制因素，定量各限制因素对其高产性及稳定性影响程度，对实现区域冬小麦高产稳产以及保障我国粮食安全具有重要作用。本研究以黄淮海地区冬小麦为研究对象，基于气候资料、土壤资料及农业气象观测站试验资料，结合参数校正后的农业生产系统模型（APSIM-Wheat），融合田间实测、整合分析以及理论计算等多源数据，修正模型中影响产量形成的关键参数—辐射利用效率（RUE）；基于嵌套了实证RUE的APSIM-Wheat模型，结合空间分析方法，明确气候变化背景下黄淮海地区冬小麦高产性和稳产性时空分异格局；利用实证调研与作物模型相结合的方法，解析高产性和稳产性的影响因子及影响程度，综合提出冬小麦高产性和稳产性协同提升的分区优化方案，为区域冬小麦高产稳产和适应气候变化提供科学依据。

全球气候持续变化，极端气候事件频发，对农业产生深远影响。黄淮海地区是我国冬小麦主产区，也是气候变化敏感区，明确不同生产水平下区域冬小麦高产性和稳产性时空分异格局及影响因子，对冬小麦生产管理以及保障粮食安全具有重要作用。项目收集了研究所需的地面气象数据、辐射观测资料、土壤资料以及作物资料，结合农业生产系统模型（APSIM-Wheat），基于Meta分析和理论计算等方法得到的辐射利用效率（RUE）数据，修正模型中RUE模块；利用修正后的模型，针对重点区域，明确了不同生产水平下区域冬小麦高产性和稳产性时空分异格局，解析高产性和稳产性的影响因子及影响程度，综合提出不同情景下区域冬小麦增产稳产高效的灌溉方案。研究发现：（1）Meta分析方法收集到的田间实测RUE数据要显著高于理论计算得到的RUE数据；（2）过去35年太阳总辐射的变化对区域冬小麦高产性影响整体呈负效应，而对稳定性的影响为正效应；日最高气温和日最低气温变化对冬小麦高产性和稳定性的影响均为负效应；降水量变化对冬小麦高产性和稳定性的影响均为正效应；（3）光温产量潜力高产稳产区主要分布在京津冀地区北部和山东省东部；光温水产量潜力高产稳产区主要分布在河南省南部和山东省南部；光温土产量潜力高产稳产区主要分布在京津冀地区和山东省大部分地区；实际产量高产稳产区零星分布在各地区，占研究区域土地面积的46%；（4）对于降水、土壤、农户管理和农业技术水平三个影响因子中，降水是影响区域冬小麦高产性和稳产性的主要因素，其中冬小麦生长发育中后期干旱对产量的影响较为严重；（5）与生长季内不灌溉相比，灌溉使区域冬小麦产量总体提高32.0%～38.3%（35.1%），且产量提升量的变异系数较低，说明灌溉实现了冬小麦高产性和稳产性的协同提升；不同降水年型下均以灌溉2水实现高产稳产高效，最佳灌溉量为120～150mm；壤土条件下灌溉是冬小麦增产稳产高效的最佳土壤质地；施氮量在120～240kg·hm-2时，灌水80～110mm和110～140mm增产稳产高效效果较好。