过去30年气候变化对华北平原冬小麦产量影响的相对作用及不确定性分析

Accurately quantifying the impacts and the relative contribution of climate change and artificial management measures on crop yields is an important scientific issue in the study of climate change impacts on agricultural production, and is also the precondition and basis to develop climate change adaptation strategies. This study selects the winter wheat in the North China Plain as study objects. Based on the long time series observed data from field comprehensive stations and agro-meteorology stations, combing statistical analysis and process mechanism CERES-Wheat, the variation characteristic of wheat yield and its correlation with key climate elements during the past 30 years will be analyzed. The process mechanism based model CERES-Wheat will be calibrated and validated basing on the field experimental data and agro-meteorological observation data. Then the yield change under 'only climate change' scenario without artificial management will be simulated. Through calculating the residual between actual and simulated yields, the relative contribution of climate change (the key climatic factors such as temperature, precipitation, solar radiation, etc.) and artificial management measures (cultivars, fertilization, tillage, irrigation and other human management) will be obtained. After that, model sensitivity experiments will be carried out to analyze the sensitivity of wheat yields to different driving forces. Finally, Cumulative Distribution Functions will be used to analyze the uncertainty. This study will help enhance the scientific understanding of climate change impacts on agricultural production, and can also provide some scientific basis for climate change adaptation.

准确量化气候变化和人为管理措施对作物产量影响的相对作用是气候变化影响研究中的重要科学问题，也是制定适应气候变化策略的前提和基础。本研究以华北平原冬小麦为研究对象，基于野外定位观测试验和农气站点长时间序列的观测资料，结合统计分析和过程机理模型CERES-Wheat，分析过去30年华北平原冬小麦产量的变化特征及其与关键气候要素的相关性；对作物模型进行校验，模拟仅气候变化影响下的产量变化，通过计算实际产量与模拟产量的残差，量化气候变化和管理措施对华北平原冬小麦产量变化的相对作用；开展模型敏感性实验，揭示冬小麦产量对整个生育期温度、降水、辐射等关键气候要素和CO2浓度变化的敏感性，辨识关键驱动因子及其作用；最后，基于概率分布函数进行不确定性分析。本研究预期可以提升气候变化对农业生产影响的科学认识，也可以为农业适应气候变化策略的制定提供一定科学基础。

气候变化对农业的影响和适应是国内外关注和研究的热点与焦点问题。项目围绕气候变化与管理措施对华北平原冬小麦产量变化影响的相对作用这个关键科学问题，基于野外定位观测试验和农气站点长时间序列的观测资料，结合统计分析和过程机理模型CERES-Wheat，明确了过去30 年华北平原冬小麦产量及其与关键气候要素的相关性；量化了冬小麦产量对整个生育期温度、降水、辐射等关键气候要素和CO2 浓度变化的敏感性，辨识了影响产量变化的主导气候因子。并解析气候变化和管理措施对华北平原冬小麦产量变化的相对作用。结果发现：（1）过去30年，华北平原冬小麦生长季内的日最高温度和日平均温度均呈增加趋势，而降水和日照时数均呈下降趋势。在气候暖干化的变化背景下，华北平原冬小麦的播种期普遍推迟，而开花期和成熟期则普遍提前，导致整个生长季长度缩短。期间，华北平原冬小麦的品种也发生了频繁的变更。（2）在气候变化和人为管理的双重影响下，华北平原冬小麦产量总体上呈上升趋势，不同地区之间的产量差异大于年际变化差异。相关性检验发现华北平原冬小麦产量随着生长季内温度升高而增加，随着降水和日照时数下降而减少。（3）模型模拟结果表明：小麦产量会随着温度升高而下降，随着太阳辐射降低而下降，自动灌溉使得降水对产量的影响幅度要显著小于其他气候因子的影响，CO2浓度升高会对产量产生积极影响。小麦水分利用效率对温度、降水和CO2浓度变化的响应趋势与产量相似，但随太阳辐射下降而升高。（4）CO2浓度升高可以在一定程度上补偿高温引起的产量和水分利用效率的下降。在CO2浓度增加条件下，提高氮肥用量可以促进产量和水分利用效率升高，反之，减少N肥用量则会导致产量和水分利用效率下降。（5）1981-1994年期间的人为管理措施水平低于30年来的平均水平，1995年之后的人为管理措施则高于30年来的平均管理水平。1981-2010年期间，人为管理措施相对基准期管理措施对小麦产量的贡献率发生在[0,20%]的累积概率最高，达到40%。本研究有助于提升区域农业对气候变化的响应和适应机理，为区域农业生产管理提供决策支持。