中国黄淮海夏玉米区玉米光温生产潜力时空演变特征模拟分析

【摘要】在中国玉米的播种面积与总产量分别占我国粮食作物播种面积与总产的30.3%和33.7%,位列我国粮食作物第一和第二位。在全球变暖的气候大背景下,气候变化对作物生产已经产生了明显的制约。因此明确我国玉米光温生产潜力的时空演变特征,对准确评估过去气候变化对我国玉米已经产生的影响以及预测未来气候变化对我国玉米生产可能产生的影响,保障我国粮食安全具有重要意义。我国夏玉米种植区域（集中分布在黄淮海夏播玉米区）的播种面积和总产量分别占了全国玉米生产比例的34.7%和36.8%。本研究以我国夏玉米为研究对象,首先通过搜集我国黄淮海夏玉米区玉米田间观测数据（生育期、产量等）与同期逐日气象数据资料（太阳总辐射、最低温度、最高温度等）,对通用作物生长模型GECROS进行参数调试和模型验证。以我国黄淮海夏玉米区63个标准气象站点1961-2007的逐日气象数据资料作为模型输入,利用经过调试和验证的GECROS模型模拟了我国黄淮海夏玉米区1961-2007的夏玉米光温生产潜力,并结合GIS分析了我国黄淮海夏玉米区玉米潜在产量及生长季内的光热资源和生育期时空演变特征；在此基础上,进一步利用GECROS模型模拟分析了光温变化条件下我国夏玉米潜在产量的变化特征,明确了温度和光照变化对我国夏玉米潜在产量影响的程度与贡献。主要研究结果如下：1.GECROS模型参数调试与检验：本研究通过对黄淮海夏玉米区的主栽品种郑单958、农大108以及烟单14的生长观测数据及同期逐日气象资料来调试和验证模型的品种参数。首先使用各站点观测的发育期数据（包括出苗日期、吐丝日期、成熟日期）确定夏玉米发育速率参数值：基本营养生长期最小热时间（MTDV）和生殖生长期最小热时间（MTDR）;通过使用调试之后的生长发育参数,验证不同站点夏玉米光温生产潜力的模拟效果。结果表明,出苗—吐丝期和出苗—成熟期的模拟值与实测值之间的决定系数R2（CoefficientofDetermination）分别为0.91和0.9,均方根差RMSE（RootMeanSquareError）分别为1.22d和1.26d；模拟光温生产潜力与实际观测产量呈正相关,R2为0.76。通过校正的GECROS模型能够准确模拟我国夏玉米区玉米生长发育和产量形成,获得的模型参数能够用于夏玉米生长发育和产量形成的模拟研究。2.我国夏玉米光温生产潜力及其时空演变特征：分别以郑单958、农大108、烟单14作为本区代表品种,将我国黄淮海夏玉米区的63个标准气象站点1961-2007年的逐日气象数据（最低温度、最高温度、太阳总辐射等）输入经过调试和检验的GECROS模型,模拟了我国黄淮海夏玉米区1961-2007年夏玉米光温生产潜力,并分析了其时空演变特征。结果表明,我国黄淮海夏玉米区不同品种间光温生产潜力的变化趋势均呈由西南向东北方向增加。品种之间郑单958光温生产潜力最高,其次是农大108,而烟单14最小。夏玉米郑单958的光温生产潜力变化范围在11630～18857kg·hm-2之间,平均值为14301kg·hm-2；农大108的光温生产潜力变化范围在10951～16056kg·hm-2之间,平均值为13874kg·hm-2；烟单14的光温生产潜力变化范围在9242～12730kg·hm-2。之间,平均值为11163kg.hm-2。在1961-2007年47年间,郑单958的光温生产潜力年代际变化率变化范围在-5.7%-0.9%·10a1之间,平均值为-3.1%·10a-1；农大108的光温生产潜力年代际变化率变化范围在-8.6%-0.6%-10a-1之间,平均值为-3.8%·10a-1；烟单14的光温生产潜力年代际变化率变化范围在-6.3%-1.6%·10a-1之间,平均值为-2.6%-10a-1。在时间上不同夏玉米品种47年问下降趋势皆呈现出前期下降较快、中期平缓、后期下降又变快的趋势。3.夏玉米生长季内光热资源的时空演变特征以及光热资源变化对夏玉米光温生产潜力的影响：以夏玉米品种郑单958为例进行分析研究,首先分别计算1961-2007年47年间夏玉米生长期内的光温年代际时空变化特征,然后利用GECROS模型模拟分析以1961-2007年每日光温条件为基准条件,仅改变每日太阳总辐射（减少10%）或者温度（增加1℃）对我国夏玉米光温生产潜力的影响。结果表明：1961-2007年间,我国黄淮海夏玉米区夏玉米生长季内太阳总辐射变化范围在-6.7%～-0.4%·10a-1之间,平均值为-3.3%·10a-1。河南东南及安徽西北地区太阳辐射降幅显著,而胶东半岛、关中平原及河北北部地区太阳辐射降幅相对较小。太阳辐射减少10%,夏玉米光温生产潜力变化范围在-16.9%～-9.4%之间,平均值为-12.7%；1961-2007年间,我国黄淮海夏玉米生长季内温度变化范围在-0.08℃伍0.37℃·10a-1之间,平均值为0.13℃·10a-1。显著升温地区在河北北部及京津地区,而河南南部地区温度呈下降趋势。温度升高1℃,夏玉米光温生产潜力变化范围在-10.3%～-1.3%之间,平均值为-6.1%。为了量化分析光温资源变化对我国夏玉米生产潜力的影响程度,引用公式Y=（Tr×Ts）/（Pr×Ps）来计算1961-2007年间温度和太阳辐射变化对夏玉米光温生产潜力影响的比率。通过分析得出我国黄淮海夏玉米区97%的站点玉米光温生产潜力变化是由太阳辐射变化引起的。本研究明确了1961-2007年间我国黄淮海夏玉米区夏玉米光温生产潜力的时空演变特征,为由本区的西南向东北逐渐增加,分析了夏玉米生长季内光热资源及其对我国夏玉米光温生产潜力的影响,其影响为本区夏玉米光温生产潜力47年来呈现下降趋势,原因主要是太阳辐射下降所导致。研究结果可为进一步评估未来气候变化对我国夏玉米生产的可能影响和制定相应的应对策略提供参考依据。
【作者】张岩；
【导师】罗卫红；
【作者基本信息】南京农业大学，作物栽培学与耕作学，2013，硕士
【关键词】夏玉米；作物模型；光温生产潜力；时空演变特征；

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