小麦物候对气候变化的动态响应及可塑性研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 张婕 |
| 答辩日期 | 2023-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 刘玉洁 |
| 关键词 | 物候 积温 动态响应 可塑性 作物模型 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 物候是农作物重要的植物属性，不仅反映作物的生长发育状况，其变化也影响产量。然而，作物物候对气候变化的动态响应与适应机制尚未得到深入研究。此外，基于过程机理的作物生长模型缺乏对动态适应过程的充分表达，这导致产量的模拟预测存在较大不确定性。因此，基于积温动态变化规律，从物候学角度揭示作物的环境适应性，有助于深化气候变化对农业生产影响的科学认识，为规避气候风险、保障粮食安全提供决策支持。 本文利用长时间序列、多品种的小麦物候观测数据，结合历史气候数据、田间管理数据，以动态响应-适应机制-模型优化为主线，识别了1981-2018年中国小麦物候及其积温需求动态变化规律，从人为管理导致的作物“被动适应”和小麦物候可塑性的“主动适应”两方面揭示了小麦动态响应与适应气候变化的机理。构建了耦合物候可塑性的发育模式，提升了模型的模拟能力。采用CMIP6新一代情景（SSP-RCP）气候预估数据开展了2030年、2050年小麦物候集合概率预测，并识别了各种植区品种适应风险。研究主要成果与结论如下： （1）阐明了气候变化下1981-2018年中国小麦物候及其积温需求动态变化规律。1981-2018年小麦物候期普遍提前，小麦生育期缩短主要表现在营养生长期，春、冬小麦营养生长期分别呈现1.57和5.43 d/10年的显著缩短趋势。然而，作物品种积温需求增加和物候提前引起的相应生长阶段平均温度降低，使得春、冬小麦生殖生长期分别延长1.32和1.28 d/10年。空间上，冬小麦生殖生长期内温度迁移速度快于积温，表明气候变化的速度过快，即使品种更替也无法实现与气候变化的同步调整。对品种而言，即使是同一品种、同一阶段的积温需求在不同环境下也存在差异，积温的动态性表明以往基于积温恒定假设的模型难以应用于变化环境。 （2）明晰了小麦物候适应气候变化的规律和内在机制。敏感性的变化为小麦对气候变化的动态响应提供了直接证据。冬小麦越冬前（出苗期至分蘖期）的各物候期随温度升高而提前，而越冬后（拔节期至成熟期）的各物候期随温度升高而推迟。1981-2018年，升温对春小麦物候的影响趋于弱化，较之于上世纪80-90年代，2000年以后春小麦营养生长期和全生育期对温度的敏感程度分别减弱了35.16%和2.43%。气温升高缩短了冬小麦生殖生长期，并且这一影响在研究期内趋于增强。人为管理对小麦物候的影响大于气候变化，对春、冬小麦生殖生长期延长的贡献分别为70.42%、3.10%，从机理上解释了在全球增暖背景下小麦产量不减反增的原因。昼夜温的节律性能够减缓由于变暖导致的营养生长期发育加速。小麦品种朝着弱冬性方向转变，减弱的春化作用导致物候发生所需的积温增加。对于生殖生长期，开花期会影响小麦生殖生长期发育速率，且成熟期对温度的响应存在迟滞性，开花期温度对物候的影响会在开花后的8~15 d持续，开花期温度超过26°C时，对成熟期产生的影响持续时间超过20天。 （3）构建了耦合物候可塑性的新型发育模式，系统检验评估了模型对开花期、成熟期的模拟能力。结合小麦不同生长期积温需求适应气候变化的分析结果，改进基于固定积温需求的传统模型，搭建耦合物候可塑性的新型发育模式。利用遗传算法进一步完善模型结构和参数化方案，从而遴选优化模型。对于春小麦开花期，考虑光周期和温周期对积温影响的模型效果最佳，而对于冬小麦开花期，考虑光周期和春化作用对积温影响的模型效果最佳。非线性可塑性模型为模拟春、冬小麦成熟期的最优模型。采用优化模型模拟小麦开花期、成熟期比传统模型模拟误差平均降低了22.71%、22.19%。 （4）揭示了未来气候情景下小麦物候时空分异并识别了品种适应风险。2030年、2050年不同情景下春小麦开花期分别为195~197 d、191~195 d，成熟期分别为229~232 d、223~229 d。2030年、2050年不同情景下冬小麦开花期分别为477~481 d、472~474 d，成熟期分别为512~518 d、508~512 d。对比不同情景，SSP5-8.5情景下，不仅物候期变化幅度增大，区域内部的空间异质性也扩大。对比不同时段，2050年各排放情景下的小麦成熟期提前幅度均比2030年大，但空间异质性减弱。SSP5-8.5情景下，品种适应的高风险、重度风险的比例增加，而低风险区域减少。SSP1-2.6情景下，2050年中国有38.30%的站点品种适应高于一般风险，而在SSP5-8.5情景下，这一比例增加至42.55%。冬小麦的新品种适应需求高于春小麦，尤其是北方冬麦区，即使在SSP1-2.6的低排放情景下，分别有36.36%和40.91%的站点呈现品种适应的高风险和重度风险。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 153 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/199798]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 张婕. 小麦物候对气候变化的动态响应及可塑性研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2023. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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