人为适应对中国小麦产量影响的定量评估与模拟
文献类型：学位论文
| 作者 | 谭清华 |
| 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 | 宋献方 ; 李小雁 ; 刘玉洁 |
| 关键词 | 人为适应 小麦产量 多机器学习模型集合 区域异质性 中国 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 保障国家粮食安全，推进粮食稳产增产是我国重要战略目标。气候变化增加粮食生产不稳定性，威胁世界粮食安全，但我国粮食产量实现连年增收，人为适应的贡献显著。然而，人为适应对作物产量的影响过程尚不明晰，大范围尺度多适应措施的贡献及有效性定量评估有限。未来持续增温将加剧对粮食生产的影响，揭示人为适应对作物产量的影响机制，量化不同适应措施的实质贡献，评估适应措施的有效性及区域差异，可为政府部门制定气候变化应对策略，提高农业生产适应能力提供科学依据。 本研究基于长时间序列县级尺度农业调查数据及同期气候观测数据，定量评估与模拟人为适应对中国小麦产量的影响。采用重心模型和趋势分析，明晰小麦生产（播种面积和总产量）、单产稳定性和增长停滞以及适应措施时空变化特征；利用多个机器学习模型和贝叶斯模型平均方法，建立多模型集合，揭示小麦产量对不同适应措施的响应过程；结合结构方程模型，明确适应措施的影响途径；基于SHAP框架，定量不同适应措施对小麦单产的相对贡献及其时间变化特征，识别区域小麦单产变化的主导适应措施；采用多模式-多情景-多时段气候预估数据，模拟并解析未来小麦单产变化特征，设置不同适应水平调整情景，评估适应措施调整策略的可行性与成效。主要结论如下： （1）刻画了1980-2011年国家、种植分区和县级等多尺度的小麦生产格局与时空差异，小麦单产变异性与增长停滞分布特征，以及同时期小麦生长季内关键气候要素的变化规律。1980-2011年，我国小麦播种面积整体先增加后下降，近70%的县呈下降趋势，春麦区的下降幅度大于冬麦区；全国小麦总产量波动增加，但增长速率呈下降趋势且空间变异性增大。全国小麦生产呈向黄淮冬麦区和北部冬麦区集聚趋势，总产重心经历了北上再南移的过程，纬度跨度在0.5°范围内。全国小麦单产整体波动增加，稳定性增强，但近1/2的县出现单产增长停滞现象。小麦生长季内有效积温和饱和水汽压差显著增加，降水量总体下降，下降幅度由南向北递减，累积太阳辐射年际波动性较大。 （2）明晰了不同时空尺度适应措施的演变特征，分区构建了适应措施影响小麦单产的定量评估模型集合，综合比较了传统线性回归、机器学习模型和集合模型的模拟效果。1980-2011年时段内全国超过90%的县单位面积施肥量和农机动力增加，灌溉面积比例整体增加，近52%的县粮食作物多样性指数下降。多数种植区呈现灌溉面积和单位面积施肥量的增长趋势减弱，农机动力增加趋势增强，粮食多样性波动增加后下降的非线性时间变化特征。单位面积施肥量增长趋势呈现由北向南递减的纬度地带性规律。机器学习模型的单产模拟效果整体优于多元统计模型，模型模拟准确度空间上呈现冬麦区高于春麦区的分布特征，不同区域的最佳模型不尽相同，其中梯度增强器、极端梯度提升和随机森林排序前三。基于贝叶斯模型平均方法的集合模型提升了单一模型的模拟效果，优于简单算术平均方法，在华南冬麦区和东北春麦区尤为明显。 （3）阐明了小麦单产响应适应措施的区域异质性，揭示了不同适应措施对小麦单产的影响途径，定量评估了不同适应措施对小麦单产变化的贡献及其时空变化特征。小麦单产对适应措施的响应呈明显的非线性特征，沿灌溉面积比例、单位面积施肥量和单位面积农机动力增加梯度先波动增长，后趋于稳定或稍有下降，对粮食作物多样性指数的响应相对较弱。除显著的直接影响外，不同适应措施通过与气候和/或土壤要素的相互作用间接影响小麦单产，但其影响途径、程度和方向因类型和区域而异。小麦单产变化与四种适应措施存在非线性关系，其中与单位面积施肥量呈倒U型曲线关系，但不同区域适应措施的影响差异较大。适应措施对小麦单产变化的相对贡献为26.15~54.73%，高于气候变化。不同区域小麦单产变化的主导适应措施不一致，以年效应表征的品种、灌溉和施肥是多数种植区的主要贡献因子，农机动力和粮食作物多样性对特定区域小麦单产的变化具有明显贡献。适应措施对小麦单产变化的相对贡献随时间推移发生改变，其中，施肥的相对贡献率总体呈下降趋势，灌溉和粮食作物多样性在主产区黄淮冬麦区和北部冬麦区的相对贡献率波动增加。 （4）模拟预估了未来情景下气候变化规律和小麦单产变化特征，评估了不同调整水平情景下适应措施的有效性。未来3个SSP-RCP情景下小麦生长季内有效积温和饱和水汽压差随辐射强迫增加不断增大，降水量总体增加，而全国累积太阳辐射变化趋势存在情景差异。考虑CO2施肥效应和固定适应措施在2010年水平条件下，相比基准时期全国小麦单产总体增加0.42~1.07%，但时间上呈下降趋势，且下降幅度随辐射强迫增加而扩大。其中，华南冬麦区、西南冬麦区、西北春麦区和北部春麦区为小麦减产风险区。未来情景下增加灌溉、施肥和农机有助于全国小麦增产，但不同区域适应水平调整的有效性差异明显。其中，灌溉水平的提升对北方部分种植区的小麦增产具有明显作用，增加施肥的增产效果不明显，农机动力的增加对多数区域的小麦增产具有正面影响。小麦生产适应气候变化的策略需要立足区域资源禀赋条件和适应能力，因时因地实施具有针对性的适应对策。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 180 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/199799]  |
| 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 | 谭清华. 人为适应对中国小麦产量影响的定量评估与模拟[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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