水稻水分利用效率对气候变化的响应模拟及适应性研究

Crop Water Use Efficiency (WUE) is regarded as the key factor of high-efficient utilization of water resources.The response of WUE to global climate change is concern with production safety and water resouces strategy, and is the key scientific problem on research of interaction between climate change and water cycle.This project aims to investigate the response and adaptation of rice WUE to climate change in rice planting area of the middle and lower reaches of Yangtze River. Detailed contents are as follows: ① Crop model will be calibrated and verified based on experimental data of rice growth and irrigation at different stations. The sensitivity of rice WUE to climate factors will be investigated and spatial distribution of rice WUE under different climate model in the future will be forecasted through running the crop model with historical climate data and future climatic information from various global climate models by statistical downscaling methods. Meanwhile, the mechanism of the effect of climate change on rice WUE will be revealed. ② The uncertainties of parameters genotype coefficient and soil parameter will be analyzed. Meanwhile, a forecast combination of different climate models will be conducted based on Bayesian model averaging theory. The phenomenon of "Equifinality for Different Parameters" will be revealed, and the uncertainties from different model parameters and climate models will be quantitatively evaluated. ③ The simulated experiment will be conducted by crop model based on different rice planting and irrigating scenarios to investigate the relative contributions of the adaptation options including irrigation methods and planting date adjustment. The mechanism of the adaptation of rice WUE to climate change will be revealed. The coping strategies of rice planting and irrigating will be proposed. This study will be of great significance towards reducing negative effects of climate 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，其对全球变化的响应关系到粮食安全和水资源战略，也是气候和水循环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，开展水稻WUE对气候变化的响应模拟及适应性研究，内容包括：①基于水稻灌溉生长试验验证作物模型，结合不同气候模式的统计降尺度结果，分析水稻WUE对气候要素的敏感性，预估未来水稻WUE的时空分布特征，揭示水稻WUE对气候变化的响应规律；②开展作物模型中参数的不确定性模拟，基于贝叶斯平均理论开展不同气候模式集合预测，揭示模型参数的"异参同效"性，定量评估不同模型参数和气候模式造成的模拟预估不确定性；③设定水稻种植灌溉情景方案，明确灌溉方式和播期调整等适应措施的相对贡献，揭示水稻WUE对气候变化的适应机制，提出水稻的种植灌溉应对策略。成果对减少气候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。

以水稻水分利用效率（WUE）为研究对象, 在江苏昆山等试验基地开展3年水稻灌溉田间试验，采用Morris全局敏感性分析方法，结合经充分率定的ORYZA2000作物模型，分析了WUE对气候要素的敏感性；借助CMIP5大气环流模式（GCMs）4种气候情景下气候变化信息，驱动多站点作物模型，预估了未来在考虑和不考虑CO2作用下水稻WUE的时空分布特征；基于不同的大气环流模式输出数据和气候数据偏差校正技术获取不同排放情景下研究区多个站点未来气象信息，结合贝叶斯模型平均法（BMA）集合不同GCMs，分析了气候模式的不确定性；采用GLUE区域敏感度分析方法，评估了作物模型参数的“异参同效性”及其对模拟结果造成的不确定性；量化了播种日期调整等适应性种植管理措施对全国主要种植区水稻WUE的影响，针对不同区域提出了不同的种植管理措施；探讨了长江中下游不同类型气象灾害在历史时期的空间分布特征，定量分析了不同气象灾害对水稻WUE的影响。.主要研究结论如下：.（1）在未来多数气候情境下，水稻平均生育周期相对于基准期均有一定程度的缩短，同时水稻产量随着温度的升高而显著下降。虽然生育期缩短，但降水量的减少以及温度的增加导致灌溉需水量呈现增加趋势，从而引起WUE的显著上升。此外，需注意到在最极端的气候情景下（RCP85），水稻生育周期将有一定天数的增加。.（2）BMA加权集合法相对于简单平均法和单一气候模式，能够生成具有较小偏差的多模式集合数据，有效地削弱了气候模式的不确定性。水稻生育期参数存在较强的“异参同效”现象,不同的参数组合将引起模拟结果较大的不确定性。.（3）在现状播种日期、品种选择和田间管理条件下，水稻产量在未来一个世纪中将不可避免的下降6-21%，其中以单季稻下降幅度最大，而灌溉需水量将上升0-32%，其中以晚稻上升幅度最大。在未来最优播种日期下（产量最大），水稻产量可相对提高2-10%，但不足以抵消气候变化带来的负面影响，同时灌溉需水量亦有2-5%的增加。