未来气候情景下不同灌溉策略对玉米生产水足迹影响评价

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气候变化对全球的经济、能源、环境等方面均会产生影响,而农业对气候变化尤为敏感。气候变化会导致区域气温、降水、太阳辐射等气象要素发生变化,进而影响作物生长和耗水过程。本研究以中国主要粮食和饲料作物——玉米为研究对象,结合水足迹理论探究不同灌溉策略下作物生产水足迹对气候变化的响应特征,以期为农业生产和水资源科学管理提供指导意见。本研究根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次耦合模式比较计划(CMIP5)中两种代表浓度路径(RCP4.5和RCP8.5)的模拟结果,分析未来气候情景下气温、降水、参考作物蒸发蒸腾量(ET0)等因素的变化特征;结合作物生长模型Aqua Crop与未来气象数据,采用蒙特卡罗方法校正Aqua Crop模型作物参数以确保模型在中国区域的应用精度,从而预测2021~2100年的玉米作物需水量(ETc)、玉米产量和生产水足迹(WF);最后分析雨养模式、亏缺灌溉和充分灌溉三种灌溉策略下的玉米产量和玉米生产水足迹的变化特征,探究气候变化和灌溉策略对玉米产量和用水效率的影响。本研究主要结论如下:(1)中国未来气候主要朝暖湿方向发展。中国地区降水量整体上由北向南逐渐增加,降水量相对于基准年(1997-2016年)的变化范围为-71%~180%,随着年代变化大多数区域的降水量呈增加趋势。中国年平均气温总体上从北到南逐渐增加,RCP8.5情景下的气温比RCP4.5情景下更高。随年代变化气温整体都在上升,气温较低区域的气温上升幅度更大。中国地区ET0由西向东减小,在RCP4.5和RCP8.5情景下整体呈增加趋势。(2)未来气候情景下,中国玉米需水量(ETc)总体上北方比南方更高,变化呈现区域差异性,RCP8.5情景下总体上的ETc相对变化率小于RCP4.5情景;总体上北方的玉米单产比南方更高,RCP8.5情景下的玉米单产变化范围和变化幅度较RCP4.5情景更大,玉米单产在未来气候情景下的变化也呈现明显的区域差异性;两种气候情景下玉米生产水足迹的下降幅度大于增加幅度,RCP4.5情景下水足迹年代之间的变化小于RCP8.5情景,RCP8.5情景下玉米生产水足迹的空间差异性在随着时间不断减小。(3)气候变化对玉米单位面积产量的影响呈现区域差异性,西北地区、东北地区南部和东南部的玉米单产呈增加趋势,中国中部的玉米单产主要呈现下降趋势。西北地区增产主要是由于区域降水量增加会缓解干旱对作物生长的影响;东北地区的东北角的在RCP8.5情景下的显著增产可能主要是由于该区域在RCP8.5情景大幅度增温,使该区域气温较低的种植环境得到改善;西北地区的西部和中部、中国中部的减产主要是由于这些区域作物需水量大幅增加造成的。RCP4.5情景下大多数区域水足迹变化趋势不明显,RCP8.5情景下大多数区域的水足迹显著减小,且减小趋势比RCP4.5更显著,这说明RCP8.5情景下气象因素有助于提高农业用水效率。(4)不同灌溉措施对玉米产量和生产水足迹的影响呈现区域差异性。灌溉有助于西北地区和东北地区东北部玉米的增产,但随着年代变化,增产效益逐渐减小。对于西北地区,亏缺灌溉对这些区域有高效增产作用;对中国玉米主产区东北地区,不仅亏缺灌溉有利于高效增产,且充分灌溉也能有效缓解气候变化对作物生产的不利影响;而对于中国中部、南方这些降水比较充足的地区,增加灌溉对其单产影响相比其他区域较小。在用水效率方面,亏缺灌溉模式下水足迹整体上比另外两种灌溉模式低,表明亏缺灌溉具有水分利用效率的比较优势,可作为应对未来气候变化的灌溉策略。
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