气候变化、品种更新和管理措施对我国水稻生育期及产量影响的研究

摘要

农业生产系统是一个复杂的多因子动态系统，受气象、土壤、品种和栽培管理措施等多种因素的影响，从而使农业生产者难以综合考虑多因子互作、预测农业生产趋势并量化各因子对农作物生产的影响。作物生长模拟模型为定量描述作物生长发育过程及其与环境和技术的动态关系提供了新的方法和手段。本研究以我国4个典型的单季稻区和3个典型的双季稻区为对象，分析了1981-2009年水稻生育期内各气候要素的变化趋势，并利用水稻生长模拟模型(RiceGrow)，探讨了气候变化对我国水稻生育期及产量的影响;进一步基于各典型站点1981-2009年的实测水稻田间数据，分析了气候变化条件下温度升高、品种更新及管理措施改变对水稻生育期及产量的影响;最后基于太湖稻区1980-1989年及2000-2009年的逐日气象数据和80年代及00年代的土壤养分数据，并结合水稻生长模型(APSIM-Oryza)及GIS空间分析技术，分析了太湖稻区气候条件和土壤属性的时空分布特征，定量了气候要素、土壤改良、品种更新及管理措施改变对太湖稻区水稻产量的影响。
　　 基于中国水稻种植区划并结合水稻种植面积、单产、总产及水稻实测数据观测站点和气象站点的位置，在全国选取了7个典型的水稻种植站点（单季稻区:黑龙江的五常、河南的信阳、江苏的镇江、四川的汉源;双季稻区:江西的南昌、湖南的衡阳、广东的高要）作为研究对象，分析了水稻生育期内气候要素随时间的变化趋势;运用水稻生长模拟模型RiceGrow量化了气候变化对水稻生育期及产量的影响;采用统计学方法定量了气候变化条件下品种更新及栽培管理措施改变对水稻生育期及产量的影响。研究结果表明:单季稻区与双季稻区水稻生育期内气候要素的变化趋势不一致。其中单季稻区以温度升高、降雨量和日照时数降低为主，而双季稻区则以温度和降雨量升高，日照时数降低为主，且单季稻区气候要素的变化幅度大于双季稻区。从1981-2009年，五常、信阳、镇江和汉源（单季稻区）水稻生长季内，平均最高温度的年增长量分别为0.039，0.029，0.058和0.029℃/年;平均最低温度的年增长量分别为0.087，0.029，0.068和-0.001℃/年;温度日较差的年增长量分别为-0.048，-0.005，-0.010和0.039℃/年;总日照时数的年增长量分别为-4.80，-8.29，-1.56和-2.37小时/年;总降雨量的年增长量分别为-4.89，-1.26，1.00和-0.46毫米/年。南昌、衡阳和高要（双季稻区)早稻生长季内，平均最高温度的年增长量分别为0.029，0.045和0.019℃/年;平均最低温度的年增长量分别为0.012，0.039和-0.001℃/年;温度日较差的年增长量分别为0.013，0.008和0.016℃/年;南昌和衡阳的总日照时数变化幅度较小，而高要的总日照时数变化趋势明显，其年增长量为-6.86小时/年;三个站点总降雨量的变化趋势均不显著。南昌、衡阳和高要晚稻生长季内，平均最高温度的年增长量分别为0.068，0.029和0.003℃/年;平均最低温度的年增长量分别为0.077，0.039和-0.001℃/年;温度日较差的年增长量分别为-0.003，-0.010和0.016℃/年;与早稻相同，南昌和衡阳的总日照时数变化幅度较小，而高要的总日照时数变化趋势明显，其年增长量为-6.03小时/年;三个站点总降雨量的变化趋势均不显著。
　　 通过分析模型(RiceGrow)模拟的结果发现，在品种、土壤及栽培管理措施均保持不变的情况下，温度的升高缩短了水稻的生育期天数，降低了水稻的产量。从1981-2009年，五常、信阳、镇江和汉源的水稻总生育期分别缩短了10.4、12.3、15.7和8.4天;南昌、衡阳和高要早稻及晚稻的总生育期分别缩短了8.4和10.6天，8.1和2.8天，2.8和1.7天。1981-2009年，五常、信阳、镇江和汉源的光温潜在产量和雨养产量分别降低了1038和1029 kg·ha-1，1827和2024 kg·ha-1，945和1012 kg·ha-1，96和841 kg·ha-1;南昌、衡阳和高要早稻的光温潜在产量和雨养产量分别下降了609和50 kg·ha-1，661和284 kg·ha-1，476和357 kg·ha-1;晚稻的光温潜在产量和雨养产量则分别下降了684和319 kg·ha-1，122和73 kg·ha-1，1299和1070 kg·ha-1。
　　 进一步分析模型中各站点与水稻生育期有关的品种参数发现，品种的更新主要表现为播种至拔节阶段品种基本早熟性的降低及抽穗至成熟阶段基本灌浆因子的降低。另外，通过比较实测水稻生育期数据与模型模拟的结果发现，品种的更新能够抵消温度升高对单季稻生育期产生的负面影响，延长水稻的生育期长度，提高水稻的产量;然而品种更新未能抵消温度升高对双季稻生育期产生的负面影响，但仍可以提高水稻的产量。随着品种的更新，从1981-2009年，五常、信阳、镇江和汉源水稻的总生育期分别延长了3.9、14.8、9.8和-5.9天，产量分别增加了5600、2520、3080和-1680 kg·ha-1;南昌、衡阳和高要早稻的总生育期分别缩短了1.7，1.1和8.7天，产量分别增加了840、280和1960 kg·ha-1;晚稻的总生育期分别缩短了12.3，+5.0和11.8天，产量分别提高了840、1400和2240 kg·ha-1。
　　 通过对水稻的产量与品种及管理措施进行逐步多元回归发现，1981-2009年，我国水稻产量的提高主要是收获指数和每穗粒数增加的结果。另外，收获指数的提高与每穗粒数的相关性极为显著。30年间，五常、信阳、镇江和汉源水稻的收获指数分别提高0.12，0.09，0.29和-0.03;南昌、衡阳和高要早稻的收获指数分别提高0.12，0.06和0.20;晚稻的收获指数分别提高0.15，0.06和0.23。
　　 应用GIS的空间分析技术，分析了太湖稻区气候要素和土壤养分的时空分布特征，并结合APSIM-Oryza模型情景模拟的结果，定量了气候要素、土壤改良、品种更新和管理措施改变对太湖区域水稻生产力的贡献。结果表明:与80年代相比，00年代太湖稻区水稻生育期内的平均最高、最低温度和温度日较差上升，总降雨量（除东北部地区）及日照时数下降，总降雨量的减少主要是由拔节至抽穗及抽穗至成熟阶段降雨量的减少造成的，而总日照时数的降低，则是拔节至抽穗阶段日照时数显著下降的结果;00年代土壤有机质、全氮、速效磷和速效钾的含量较80年代分别上升了15.85％、79.55％、124.55％和10.37％;太湖稻区00年代水稻的平均产量较80年代提高了46.3％;土壤、气候、品种及管理措施对太湖稻区水稻生产力的影响程度不同，与80年代相比，气候要素变化导致太湖稻区水稻减产19.5％，品种更新使太湖稻区水稻增产21.7％，管理措施改变使太湖稻区水稻增产34.6％，而在排除肥料影响的情况下（假设80年代和00年代的施肥量均为0），土壤改良使太湖区域水稻产量提高了12.7％。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述与研究目的

1 我国水稻生产的发展历程

2 气候变化、品种更新及管理措施对作物生产的影响

3 作物生长模拟模型研究及其应用

3．1 作物生长模拟模型的发展历程

3．2 作物生长模拟模型的应用

4 气候变化、土壤改良、品种更新和管理措施对作物生产力影响的模拟研究进展

4．1 气候变化对作物生产力影响的模拟研究进展

4．2 土壤改良对作物生产力影响的模拟研究进展

4．3 品种更新对作物生产力影响的模拟研究进展

4．4 管理措施对作物生产力影响的模拟研究进展

5 研究目的与意义

参考文献

第二章 研究思路与材料方法

1 研究思路与技术路线

1．1 研究思路

1．2 技术路线

2 研究地点的选取

2．1 单、双季稻站点的选取

2．2 稻作区的选取

3 数据来源

3．1 田间试验数据

3．2 气象数据

3．3 土壤数据

3．4 各站点的水稻种植信息

4 数据分析方法

5 水稻生长模拟模型简介

5．1 RiceGrow水稻生长模型

5．2 APSIM-Oryza水稻生长模型

参考文献

第三章 水稻生长模拟模型校正与检验

1 水稻生育期的模拟与检验

2 水稻叶面积指数的模拟与检验

3 水稻地上部干物质量的模拟与检验

4 水稻产量的模拟与检验

5 讨论与小结

第四章 气候变化对我国单季稻区水稻生育期和产量影响的模拟

1 材料与方法

1．1 研究区概况

1．2 数据获取

1．3 数据分析

2 结果与分析

2．1 水稻生长季气候要素的变化特征(1981-2009年)

2．2 水稻各生育阶段气候要素的变化特征(1981-2009年)

2．3 气候变化对水稻生育期影响的模拟(1981-2009年)

2．4 气候变化对水稻产量影响的模拟(1981-2009年)

3 讨论与小结

参考文献

第五章 气候变化条件下品种和管理措施对我国单季稻区水稻生育期和产量的影响

1 材料和方法

1．1 研究区概况

1．2 数据获取

1．3 数据分析

2 结果与分析

2．1 品种参数变化特征(1981-2009年)

2．2 管理措施的变化特征(1981-2009年)

2．3 实测水稻生育期的变化特征(1981-2009年)

2．4 实测水稻产量的变化特征(1981-2009年)

2．5 气候变化条件下品种更新对水稻生育期的影响

2．6 气候变化条件下品种更新和管理措施改变对水稻产量的影响

3 讨论与小结

参考文献

第六章 气候变化对我国双季稻区水稻生育期和产量影响的模拟

1 材料与方法

1．1 研究区概况

1．2 数据获取

1．3 数据分析

2 结果与分析

2．1 早稻和晚稻生长季气候要素的变化特征(1981-2009年)

2．2 早稻和晚稻各生育期内气候要素的变化特征(1981-2009年)

2．3 气候变化对早稻和晚稻生育期影响的模拟(1981-2009年)

2．4 气候变化对早稻和晚稻产量影响的模拟(1981-2009年)

3 讨论与小结

参考文献

第七章 气候变化条件下品种和管理措施对我国双季稻区水稻生育期和产量的影响

1 材料和方法

1．1 研究区概况

1．2 数据获取

1．3 数据分析

2 结果与分析

2．1 早稻和晚稻品种参数变化特征(1981-2009年)

2．2 管理措施的变化特征(1981-2009年)

2．3 实测早稻和晚稻生育期变化特征(1981-2009年)

2．4 实测早稻和晚稻产量的变化特征(1981-2009年)

2．5 气候变化条件下品种更新对早稻和晚稻生育期的影响

2．6 气候变化条件下品种更新和管理措施改变对早稻和晚稻产量的影响

3 讨论与小结

参考文献

第八章 太湖区域气候、土壤、品种和管理措施的时空分布特征及其对水稻产量影响的模拟

1 材料和方法

1．1 研究区概况

1．2 数据获取

1．3 数据分析

2 结果与分析

2．1 太湖稻区水稻生长季气候要素的时空分布特征

2．2 太湖稻区水稻各生育期内气候要素的时空分布特征

2．3 太湖稻区土壤养分的时空分布特征

2．4 太湖稻区80年代和00年代水稻模拟产量的空间分布特征

2．5 气候、土壤、品种和管理措施对太湖稻区水稻产量影响的模拟

3 讨论与小结

参考文献

第九章 讨论与结论

1 讨论

1．1 水稻各生育期气候要素的变化特征(1981-2009年)

1．2 土壤养分的时空分布特征

1．3 气候变化对水稻生育期及产量的影响(1981-2009年)

1．4 气候变化、品种更新、土壤改良及管理措施对水稻生育期和产量的影响

1．5 本研究的创新与特色

1．6 今后的研究设想

2 结论

参考文献

在学期间发表的论文

致谢