华北平原麦玉轮作系统对气候变化响应和适应过程机理及适应模式定量优化研究

In the field of climate change impacts and adaptations in relation to agriculture, the problems and research priorities include 1) most of studies focus on single cropping system instead of rotation cropping system; 2) climate change impacts and adaptations studies are not well integrated. Adaptations such as crop cultivar renewal and agronomic management improvement are not enough taken into account in climate change impact studies; 3) the theory and modeling tools for climate change adaptations are scare, the studies on quantitative optimizing of adaptation options are lack. This study will focus on the dominant wheat-maize rotation system in the North China Plain. Based on the long-term experimental data at the national agricultural meteorological stations and national agricultural comprehensive experiment stations, we will investigate the changes in cropping system, cultivars and agronomic management since 1980 in response and adaptation to climate change and climate extremes; improve crop models in simulating the response and adaptation of wheat-maize rotation system to climate change and climate extremes; assess the risk of future climate change on growth and productivity of wheat-maize rotation system; finally optimize the adaptation options of wheat-maize rotation system under climate change conditions through optimizing the interactions between climate, cultivars and agronomic management, proposing highly productive and highly efficient sustainable development options to make full use of the benefits and prevent the risk from future climate change. The project can be expected to deepen our understanding on the mechanisms of climate impacts and adaptations in relation to agriculture; improve climate change impacts and adaptations modeling tools, and propose optimal options for wheat-maize rotation system in the North China Plain to adapt climate change.

目前气候变化对农业影响及其适应研究存在的问题包括1）多以单一作物而不是以轮作系统为研究对象；2）影响和适应研究脱离现象严重，影响研究常对适应过程措施考虑不足，适应研究常缺乏针对性和定量化；3）适应气候变化理论和模型工具缺乏，适应模式定量优化研究薄弱。本研究拟以华北平原典型的冬小麦-夏玉米轮作系统为研究对象，基于国家农气站和农业综合试验站长期实验观测资料，研究1980年以来轮作系统通过改变种植制度、品种和农业管理措施适应气候变化和气候极端的过程机理；改进农业系统模型对轮作系统响应和适应气候变化过程的模拟；更客观地评估气候变化的影响风险；最后基于气候、品种和农业管理间相互作用优化开展适应模式定量优化研究，提出未来气候变化条件下趋利避害、高产高效的可持续发展模式。项目在理论上深化农业系统对气候变化的响应和适应机理，在方法上改进影响和适应模型工具,在实践上提出农业系统适应气候变化最优模式，意义明显

该项目的主要研究内容是以华北平原典型的冬小麦-夏玉米轮作系统为研究对象，基于国家农气站和农业综合试验站长期实验观测资料，研究1980年以来轮作系统通过改变种植制度、品种和农业管理措施适应气候变化和气候极端的过程机理；改进农业系统模型对轮作系统响应和适应气候变化过程的模拟；更客观地评估气候变化的影响风险；最后基于气候、品种和农业管理间相互作用优化开展适应模式定量优化研究，提出未来气候变化条件下趋利避害、高产高效的可持续发展模式。项目取得了重要研究结果。1）基于1980年以来农业气象试验站长期实验观测数据，揭示了1980年以来轮作系统通过改变种植制度、品种和农业管理措施适应气候变化和气候极端的过程机理。发现了华北平原小麦和玉米轮作系统通过采用“双晚”措施（即小麦晚播种、玉米晚收获）适应气候变化的机理。研究还发展了基于长期观测资料和作物过程机理模型相结合开展历史作物产量变化检测和归因的新方法。定量分离了气候变化、品种更替和农业管理措施变化，以及温度、降雨和太阳辐射等气候变量，对小麦和玉米产量变化的贡献。2）改进了农业系统模型对华北平原麦玉轮作系统响应和适应气候变化过程的模拟。研究通过改进作物模型中作物生长发育、生理过程和产量形成过程对温度的响应函数、对CO2和O3的响应机理和响应函数、对蒸散发（ET）的模拟方法、融合遥感叶面积产品以及对氮淋洗过程参数的优化等方法，改进了农业系统模型对华北平原麦玉轮作系统响应和适应气候变化过程的模拟。3）更客观地评估了未来气候变化对小麦和玉米的影响风险采用校正和验证后的MCWLA-Wheat、MCWLA-Maize和APSIM等农业系统模型，采用超集合概率预测方法，更客观地评估了未来气候变化和气候极端对小麦、玉米生产的影响风险。4）提出未来气候变化条件下趋利避害、高产高效的可持续发展模式。基于气候、品种和农业管理间相互作用优化，并通过多目标优化研究，提出了华北平原麦玉轮作系统在未来气候变化条件下趋利避害、高产高效的可持续发展模式。研究成果在国内外知名期刊发表论文25篇，总引153次。研究成果还被国家信息通报采用，报送联合国气候变化框架公约。也被政府间气候变化专门委员会（IPCC）《IPCC全球升温1.5℃ 特别报告》报告采用。