华北平原冬小麦物候变化特征及其影响机制研究

Phenology is one of the reliable indicator of climate change. Accurately quantifying the impacts and the relative contribution of climate change and artificial management measures on crop phenology is an important scientific issue in the study of climate change. This study selects the winter wheat in the North China Plain as study objects. Based on the long time series Site-specific observed data and field experimental data, combing statistical analysis and process mechanism CERES-Wheat, the spatiotemporal variation characteristic of wheat phenology 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. Model sensitivity experiments will be carried out to analyze the sensitivity of wheat phenology to different climate driving forces. The key driving forces and their effects will be identified. Then the phenology 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. 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.

物候是气候变化可靠有力的指示物之一，准确量化气候变化和人为管理措施对作物物候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，基于长序列历史观测数据和野外实验数据等，结合统计分析和过程机理模型 CERES-Wheat，分析过去 30 年华北平原冬小麦物候的时空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，开展模型敏感性实验，揭示冬小麦物候对整个生育期温度、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；模拟仅气候变化影响下的产量变化，通过计算实际物候期与模拟物候期的残差，量化区分气候变化和管理措施对华北平原冬小麦物候变化的相对作用；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植物物候影响的科学认识，也可以为农业适应气候变化策略的制定提供科学依据。

农业物候是作物重要的植物属性，不仅反映作物的生长发育状况，其变化也影响作物产量，是反映植物对气候变化响应的重要指标。项目围绕气候变化和作物管理对冬小麦物候的相对贡献这一科学问题，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，结合地统计学及一阶差分模型，分析了华北平原冬小麦物候变化过程，明晰了华北平原冬小麦对关键气候因子变化的敏感性差异及其时空分异规律，并对气候变化和小麦管理对冬小麦生长发育的影响进行了量化区分和归因分析。结果发现：（1）1981-2010年期间，华北平原呈现温度升高而降水和日照时数减少的“暖干化”趋势，在此背景下，冬小麦物候也发生了显著变化。在华北平原，冬小麦播种期、出苗期、三叶期和乳熟期均呈推迟趋势，而分蘖期、拔节期、孕穗期、抽穗期、开花期和成熟期均呈提前趋势；冬小麦营养生长阶段长度缩短，而生殖生长阶段和全生育期长度延长。（2）冬小麦对气候要素的响应在不同物候期及生长阶段呈现明显的差异。拔节期至成熟期的各物候期均与平均温度和累积降水呈正相关，与累积日照时数呈负相关，而拔节期之前的各物候期普遍与三个关键气候因子呈负相关。冬小麦全生育期长度与平均温度、累积降水和累积日照时数均呈正相关，仅有生殖生长期长度随温度升高而缩短。（3）在大多数站点，无论是在单一气候变化或作物管理措施影响下还是在两者共同影响下发生的物候变化，其变化趋势的方向均相同。对于多数物候期和生长阶段，气候变化对其变化趋势的影响小于作物管理措施，而平均温度是三个气候因子（平均温度、累积降水和累积日照时数）中对物候变化趋势影响最大的因子。（4）未来在进行农业生产管理时应因地制宜，充分考虑小麦物候变化及其对不同气候因子变化响应的空间分异特征。在适应气候变化过程中，引入具有更高热量需求的新品种是比更换更长或更短生长季长度或者调整播期更为有效的适应性策略。本研究有助于为优化管理措施及区域农业适应气候变化提供决策支持。