华北平原水分胁迫对作物需水和生产力的影响机理与模拟

华北平原是我国重要粮仓，水分胁迫是粮食生产最重要的限制性因子。科学配置区域水资源是农业抵御干旱、稳产高产的关键，其核心科学问题是揭示水分胁迫对作物生产力的影响机制，发展区域作物需水和生产力的动态监测模拟系统，准确预报作物的缺水状况，指导灌溉。因此，本项目拟通过作物对水分胁迫的生理生态响应试验，寻找作物产量形成对水分胁迫机理和响应的定量表达，改进VIP生态水文模型，提高作物需水、生产力预测的可靠性；通过中高分辨率遥感信息与VIP模型集成，反演模型关键参数，模拟华北平原作物需水和生产力的时空格局，定量分析水分胁迫对作物生产力影响的区域分异规律；评估不同程度干旱事件下华北农业生产的风险，并提出减灾和防灾的措施。研究成果将为缺水地区农业水资源合理配置、高效利用提供科学依据，并为区域作物需水和生产力的动态模拟监测提供软件平台。

华北地区水资源短缺是限制该地区农业可持续发展的关键因子，动态监测和优化配置水资源，是提高水资源利用效率，实现华北农业高产和稳产的关键。本项目通过实验观测数据和遥感信息的综合分析，构建多重要素集成的干旱指标，揭示了华北平原近六十年来干旱强度和频率的演变特征，发现北部地区严重干旱事件增多，而南部地区中轻度干旱增多。采用六个GCM模式三种温室气体排放路径(RCP2.6,RCP4.5和RCP8.5)的气候变化预测情景，计算分析了华北和全国PDSI和SPEI两个干旱指数的时空变化，发现未来虽然降水有所增加，但因升温导致的大气蒸发需求增加，未来气候情景下干旱强度、范围和频率因蒸发力的上升而逐步增大。基于VIP生态水文模型，构建遥感观测信息与VIP模型EnKF同化系统，提出了遥感信息(植被指数和FPAR)与机理模型同化反演作物光合参数(最大羧化率Vcmax和光量子效率)的新方法，获取参数空间分布格局和标准偏差，发展了机理模型尺度扩展的理论方法，有效提高区域作物生产力和需水的模拟精度。通过PLSR归因分析，分离出降水、干燥度变化和人类活动对区域作物产量和蒸散耗水量变化的贡献。根据华北各省县级农业统计产量与集合干旱指标关联性的统计分析，筛选出统计关系显著的地区，构建了作物产量损失与干旱指标间的定量关系，为干旱对作物产量损失的定量评估提供科学依据。通过模拟分析历史条件下干旱事件与作物产量的响应，划分干旱损失高风险区和水资源保障脆弱区，提出未来气候变化情景下农业可持续发展的适应性对策建议。