量化辨识气候变化、品种更新和管理方式对水稻水分利用效率的协同影响及适应性调控

Crop Water Use Efficiency (WUE) is regarded as the key factor of high-efficient utilization of water resources, and it is collaboratively affected by climate, varieties and field management. The response of WUE to environment and the change of management condition is concern with production safety and water resources strategy, and is the key scientific problem on research of interaction among climate change, water cycle and human activity. This project aims to quantitative identification the collaboratively affected and adjustment adaptation of rice WUE to climate change, renovation of variety and the improvement of management style in rice planting area of the middle and lower reaches of Yangtze River. Detailed contents are as follows: ① The change of rice WUE to climate change, renovation of variety and the improvement of management style and other factors will be analyzed. Meanwhile, the mechanism of multi-factors on rice WUE will be revealed. ② Regional crop growth simulation will be realized based on the assimilation of multi-source observations and GIS grid technology. Meanwhile, the devotion of climate change, renovation of variety and management style on the change of rice WUE will be quantitatively assessed. ③ The uncertainty of the simulation on rice WUE caused by different crop models will be quantitatively evaluated. And comprehensive adjustment adaptation technology and strategies will be proposed by comprehensive considering of multi-factors on changes in environmental and management conditions. This study will be of great significance towards reducing negative effects of environment change on rice production and thus ensuring production safety and water resources high-efficiency utilization.

作物水分利用效率（WUE）是农业高效用水的核心要素，受气候条件、品种和田间管理方式多要素协同影响，其对环境和管理条件变化的响应关系到粮食安全和水资源战略，也是气候、水循环和人类活动交互作用研究中的关键科学问题。本项目以长江中下游水稻种植区为研究区域，开展量化辨识气候变化、品种更新和管理方式对水稻WUE的协同影响及适应性调控研究，内容包括：① 分析气候变化、品种更新和灌溉施肥管理条件等多因子变化引起的水稻WUE变化，揭示多因子对水稻WUE的协同影响规律；② 基于多源观测数据同化方法和GIS栅格化技术，实现作物模型的升尺度模拟，量化气候变化、品种更新和管理方式对水稻WUE变化的贡献；③ 定量评估不同作物模型选择引起的水稻WUE模拟不确定性，提出考虑多因素影响应对环境和管理条件变化的综合适应性调控技术和策略。成果对减少环境变化对水稻生产的负面影响，保障粮食安全和水资源可持续利用具有重要意义。

以水稻为研究对象，利用13个第六代（CMIP6）大气环流模式（GCM）评估了水稻主要种植区内包括极端气候事件在内的农业气候演变特征；以不同年代试验观测数据结合充分率定的作物模型，模拟分析了种植管理措施和品种更新对水稻生育周期及灌溉需水量的影响；基于去趋势的历史气象数据，揭示了降水年内分布特征变化对水稻灌溉需水量变化的贡献量；以试验站点率定的水稻遗传参数为基础，结合农气站点物候观测数据和产量数据对水稻关键参数进行校正，构建了能够反应不同地区水稻生态类型的地区性参数集；基于区域尺度作物模型，结合贝叶斯加权平均加权平均方法和未来气候预估数据集，评估了气候变化对水稻灌溉需水量和水分利用效率的影响；设定不同的组合情景，揭示了适应性调控措施的适应性机制，构建了应对气候变化的水稻种植管理调控方案。主要研究结论如下：.（1）过去50年（1961-2010），水稻主要种植区内温度上升明显，其中最低温度升高最为突出，上升幅度为0.29℃/10a。RCP8.5情景下，最高温度在2011-2040、2041-2070和2071-2100年相对于1981-2010年将分别升高约1.2℃、3.0℃和4.8℃，而降水则分别增加40、145和247mm。.（2）历史时期水稻品种的更新和播种日期的调整有效地适应了气候变暖所带来热量资源的增加，抵消了气温升高带来的不利影响。在不考虑其他因素的影响下，降水年内分布特征的变化主导了灌溉需水量的变化趋势，其中早稻和晚稻种植区降水年内分布特征的变化更是解释了灌溉需水量变化趋势的75%。.（3）在不考虑CO2浓度增加效应下，站点加权平均水稻产量在未来三个时期将分别下降7.4%、12.1%和20.8%。尽管CO2浓度可以一定程度上提高产量，但在大多数站点仍无法抵消气候变化的负面影响。与此同时，灌溉需水量明显增加，且年际间波动幅度进一步扩大。.（4）合理播种日期和灌溉方案组合，将能有效抵消气候变化带来的高温热害的影响和灌溉需水量的增加，同时减少稻田排水量和灌溉频次。