中国水稻光温生产潜力时空演变特征模拟分析

摘要

水稻种植面积与总产量分别占我国主要粮食作物的33％和39％，分别列我国粮食作物第二和第一位。在目前全球变暖的背景下，气候变化对作物生产的影响已不容忽视，明确我国水稻光温生产潜力的时空演变特征，对准确评估过去及未来气候变化对我国水稻生产的可能影响，保障我国粮食安全具有重要意义。为此，本研究首先搜集我国主要稻作区中国农业气象站水稻田间观测数据（生育期、产量等），水稻新品种区域试验中对照品种汕优63的生育期和产量资料以及同期逐日气象数据资料（太阳辐射、最低温度、最高温度等），对水稻作物生长模拟模型ORYZA2000的参数进行调试和验证;使用经过调试和验证的ORYZA2000模拟我国主要稻作区内239个标准气象站点1961-2007的水稻光温生产潜力，分析了我国水稻光温生产潜力时空演变特征;并进一步利用ORYZA2000模拟分析光温变化条件下水稻光温生产潜力的变化特征，明确了温度和太阳辐射变化对我国水稻光温生产潜力的可能影响。主要研究结果如下:
　　1.ORYZA2000模型参数调试与检验:分别以桂朝2号、汕优63、D优63和林中5号作为华南双季稻、华中单季稻、西南单季稻和东北单季稻代表品种，以广东高要(1982-1986，1997-2002)、江苏徐州(1987-1995)、四川汉源(1989-1995)和黑龙江五常(1993-1996)农业气象站水稻生长观测数据及同期逐日气象资料对ORYZA2000模型品种生长发育参数进行调试和验证，以2004-2005年江苏盐城、安徽合肥、湖北宜昌和湖南怀化站点中国水稻新品种试验中对照品种汕优63生育期和产量资料，验证不同气候生态条件下光温生产潜力的模拟效果。结果表明，模拟出苗——开花期和出苗——成熟期与观测值之间的决定系数R2分别为0.96和0.98，均方根差RMSE皆为2.3d，相对预测误差rRMSE分别为2.2％和1.6％;模拟光温生产潜力与实际观测产量决定系数R2为0.74。校正后的ORYZA2000可较为准确地模拟不同区域水稻生长发育，能够应用于不同地区水稻生长发育和光温生产潜力模拟研究。
　　2.中国水稻光温生产潜力的时空分布特征:分别以桂朝2号、汕优63、D优63和林中5号作为华南双季稻、华中单季稻、西南单季稻、东北单季稻代表品种，将我国主要稻作区内239个标准气象站点1961-2007年间的逐日气象数据（最低温度、最高温度、太阳总辐射等）输入经过调试和检验的ORYZA2000模型，模拟了我国主要稻作区1961-2007年间水稻光温生产潜力，并分析了其时空演变特征。结果表明，东北单季稻光温生产潜力在14467～18734kg·ha-1之间，平均值为16609kg·ha-1;华中单季稻变化范围在13930～19380kg·ha-1之间，平均值为15545kg·ha-1;西南单季稻变化范围在13535～20982kg·ha-1之间，平均值为16446kg·ha-1;华南早季稻变化范围在11318～14868kg·ha-1之间，平均值为13130kg·ha-1;华南晚季稻变化范围在11561～14316kg·hg-1之间，平均值为12760kg·ha-1。1961-2007年间，东北单季稻光温生产潜力年代际变化率范围在-3.8～-0.2％·10a-1之间，平均值为-1.9％·10a-1(-315kg·ha-1·10a-1);华中单季稻变化范围在-4.1～-0.2％·10a-1之间，平均值为-2.4％·10a-1(-366kg·ha-1·10a-1);西南单季稻变化范围在-6.2～0.3％·10a-1之间，平均值为-1.9％·10a-1(-326kg·ha-1·10a-1);华南旱季稻变化范围在-4.8～0.6％·10a-1之间，平均值为-1.9％·10a-1(-244kg·ha-1·10a-1);华南晚季稻变化范围在-4.2～0.3％·10a-1之间，平均值为-1.9％·10a-1(-238kg·ha-1·10a-1)。
　　3.光温变化对中国水稻光温生产潜力的影响:利用ORYZA2000模型，模拟分析以1961-2007年光温条件为基准，温度增加1℃、太阳总辐射减少10％对我国主要稻作区水稻光温生产潜力的影响。结果表明，1961-2007年间，我国水稻生长季内每日平均太阳总辐射变化范围在-6.5～2.0％·10a-1之间，平均值为-2.3％·10a-1(-0.36MJ·m-2·10a-1)。太阳总辐射下降10％，东北单季稻光温生产潜力变化范围在-5.2～-3.0％之间，平均值为-4.0％(-672kg·ha-1);华中单季稻变化范围在-6.2～-3.3％之间，平均值为4.4％(-675kg·ha-1);西南单季稻变化范围在-6.6～-2.3％，平均值为-5.6％(-915kg·ha-1);华南早季稻变化范围在-6.3～-3.5％之间，平均值为4.9％(-637kg·ha-1);华南晚季稻变化范围在-6.1～-2.2％之间，平均值为-4.3％(-549kg·ha-1)。1961-2007年间，我国水稻生长季平均温度变化范围在-0.14～0.69℃·10a-1之间，平均值为0.13℃·10a-1。温度升高1℃，东北单季稻光温生产潜力变化范围在-6.5～-3.3％之间，平均值为-4.5％(-761kg·ha-1);华中单季稻变化范围在-5.9～-2.9％之间，平均值为-4.3％（-660kg·ha-1）;西南单季稻变化范围在-8.2～-2.8％之间，平均值为-5.8％(-975kg·ha-1);华南早季稻变化范围在-6.5～-3.6％之间，平均值为-4.6％(-606kg·ha-1);华南晚季稻稻变化范围在-6.1～-2.4％之间，平均值为-4.1％（-533kg·ha-1）。1961-2007年间，东北单季稻光温生产潜力变化主要由温度变化引起，温度和太阳辐射变化对水稻光温生产潜力影响的比率大于1的站点占62％;华中单季稻、西南单季稻、华南旱季稻和晚季稻光温生产潜力变化主要由太阳辐射变化引起，温度和太阳辐射变化对水稻光温生产潜力影响的比率小于1的站点分别占91％、62％、70％和89％。
　　本研究明确了1961-2007年间我国主要稻作区水稻光温生产潜力及其时空演变特征，分析了水稻生长季内光热资源变化对我国水稻光温生产潜力的影响，研究结果可为进一步评估未来气候变化对我国水稻生产的可能影响和制定相应的应对策略提供参考依据。

目录

声明

摘要

引言

第一章 文献综述

1 研究背景

2 国内外研究进展

2．1 气候变化对农业影响的研究方法

2．2 气候变化对水稻生产影响的研究进展

2．3 气候变化与作物生产潜力研究

3 本研究目的与意义

参考文献

第二章 模型调试与检验

1 材料与方法

1．1 研究区域概况

1．2 研究数据

1．3 ORYZA2000简介

1．4 模型的参数校正

1．5 模拟结果的检验

1．6 验证结果的评价

2 结果

2．1 生育期模拟的校正

2．1 生育期模拟的验证

2．2 光温生产潜力模拟的验证

3 小结

参考文献

第三章 中国水稻光温生产潜力及其时空演变特征模拟分析

1 材料与方法

1．1 气象数据

1．2 水稻光温生产潜力的估算

1．3 光温生产潜力年代际变化速率的计算

1．4 光温生产潜力及其年代际变化速率的空间表达

2 结果分析

2．1 我国主要稻作区光温生产潜力空间分布特征

2．2我国主要稻作区光温生产潜力时空演变特征

3 小结

参考文献

第四章 光热资源变化对中国水稻光温生产潜力影响的模拟分析

1 数据与方法

1．1 气象数据

1．2 水稻生长季光热资源年代际变化率的计算

1．3 光热资源变化对我国水稻光温生产潜力的影响模拟方法

1．4 历史光热资源变化对我国水稻光温生产潜力的影响比率计算

1．5 光温生产潜力及其变化速率的空间表达

2 结果分析

2．1 我国水稻生长季内光热资源的时空演变特征

2．2 光热资源变化对我国水稻生产潜力的影响

3 小结

参考文献

第五章 讨论与结论

1 讨论

1．1 ORYZA2000的调试与验证

1．2 中国水稻光温生产潜力及其时空演变特征

1．3 水稻生长季光热资源的时空演变特征及对水稻潜在产量的影响

1．4 对未来气候变化应对策略的思考

2 结论

3 本研究的创新之处

4 今后的发展方向

参考文献

致谢