未来烤烟种植对气候变化的响应与适应模拟

刘华, 张珍平, 刘玉虹, 陈艳英

中国农学通报. 2020, 36(9): 69-74

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中国农学通报 ›› 2020, Vol. 36 ›› Issue (9) : 69-74. DOI: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb18120049
资源 环境 生态 土壤 气象

未来烤烟种植对气候变化的响应与适应模拟

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Simulation of the Response and Adaptation of Flue-cured Tobacco Planting to Climate Change

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摘要

为预测未来气候变化对烤烟产量的影响趋势,借助作物生长模型,结合《排放情景特别报告》(Special Report on Emissions Scenarios,SRES)的2种排放情景A2(强调经济发展)和B2(强调可持续发展)预估的未来气候情景,定量地模拟分析了重庆地区烤烟种植对气候变化的响应与适应。结果表明,种植当前烤烟品种,到2020年,A2情景下,各地烤烟单产波动范围-4.7%~5.7%,增减产幅度不大。巫山、黔江、酉阳、南川等烤烟区仍以轻微增产为主,其余烤烟区为轻度减产区;B2情景下,各地烤烟单产波动范围-35.3%~8.1%,巫山、巫溪、黔江、南川大部等烤烟区以轻微增产为主,其余烤烟区为减产区,其中奉节、武隆烤烟区减产幅度较大,在15%以上。到2040年,A2情景下,各地烤烟区产量波动范围-15.85%~1.93%,除万州烟区轻微增产外,其余烤烟区均为减产区,其中酉阳中部、武隆南部减产幅度较大,在10%以上;B2情景下,各地烤烟区波动范围-14.45%~8.18%,其中,酉阳、彭水与黔江南部为增产区,其余地区烤烟均为减产区。无论是A2情景还是B2情景,重庆大部烤烟区可能会出现不同幅度的减产趋势,且局部减产幅度较大。如果引入适应气候变暖的新品种(模型中只延长烤烟生育后期即开花到顶叶成熟的积温),A2情景下增产105~170 kg/hm2,增幅6.9%~10.6%;B2情景下增产40~78 kg/hm2,增幅2.5%~5.12%。受气候变暖的影响,由于积温的增加,未来10年内重庆大部地区烤烟会出现不同程度的减产,局地减产严重。如果提前移栽期,通过一些适应对策,如引入适应气候变暖的新品种,可达到很好的增产效果。

Abstract

The paper aims to forecast the impact of future climate change on the yields of tobacco. Based on the crop growth model, and combined with the climate change scenario A2 (concentration on the economic development) and B2 (concentration on the sustainable development) of SRES, the response and adaption of flue-cured tobacco planting in Chongqing to climate change are quantitatively simulated. The results show that: the flue-cured tobacco yield will change from -4.7% to 5.7% in 2020 under the A2 scenario with current varieties, with little increase and decrease. There will be a slight increase of flue-cured tobacco yield in Wushan, Qianjiang, Youyang, Nanchuan etc. and a slight decrease in the other regions. Under the B2 scenario, the flue-cured tobacco yield will change from -35.3% to 8.1% in 2020. There will be a slight increase in tobacco growing areas of Wushan, Wuxi, Qianjiang, most parts of Nanchuan and so on, but the other regions will have a diminished output, and Fengjie and Wulong will have a yield decrease above 15%. In 2040, the flue-cured tobacco yield will change from -15.85% to 1.93% under A2 scenario, except for a slight increase in Wanzhou tobacco growing areas, the yield of the rest areas will reduce, and the central part of Youyang and southern Wulong will have a higher reduction rate over 10%. Under the B2 scenario, the flue-cured tobacco yield will change from -14.45% to 8.18%, Youyang, Pengshui and southern Qianjiang will have a yield increase, and the rest areas will have a yield reduction. Either under A2 scenario or B2 scenario, most tobacco growing areas of Chongqing will show different reduction trends, some areas will have a higher reduction rate. If new varieties adapting to climate warming could be introduced in Chongqing (only prolonging the accumulated temperature of the late growth of flue-cured tobacco in the model from flowering to parietal maturity), under the A2 scenario, the flue-cured tobacco yield will increase by 105-170 kg/hm2, with an increase rate of 6.9%-10.6%, under the B2 scenario, the flue-cured tobacco yield will increase by 40-78 kg/hm2, with an increase rate of 2.5%-5.12%.

关键词

气候变化 / 烤烟 / 产量 / 影响 / 适应 / 模拟

Key words

climate change / flue-cured tobacco / yield / impact / adaptation / simulation

引用本文

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刘华 , 张珍平 , 刘玉虹 , 陈艳英. 未来烤烟种植对气候变化的响应与适应模拟. 中国农学通报. 2020, 36(9): 69-74 https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb18120049
Liu Hua , Zhang Zhenping , Liu Yuhong , Chen Yanying. Simulation of the Response and Adaptation of Flue-cured Tobacco Planting to Climate Change. Chinese Agricultural Science Bulletin. 2020, 36(9): 69-74 https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb18120049

0 引言

全球气候变暖已成为一个不争的事实[1,2]。重庆地处四川盆地与长江中下游平原的结合部,是中国受全球气候变化影响较为显著的地区之一[3]。研究表明气温升高将对该地区复种指数提高、种植结构调整和农作物产量产生重要影响。另外,年际降水量及年内降水分布改变使得各地农业旱涝灾害频率发生变化,同时对该地区粮食生产风险有不同程度的改变[4,5]。重庆东部地区烤烟作为一种有特殊经济地位的特色经济作物,也受到气候变暖的冲击[5]。因此有必要开展这方面的研究工作,对促进区域经济与社会科学、协调和持续发展具有重要意义。
目前,气候变化影响评估方法主要是采用气候模式输出的气候情景与作物模型相结合的研究方法,关于预估未来气候变化对各种农作物生产的影响,已经有比较扎实的研究基础[6],已根据不同的气候变化情景,确定了农业主要作物生产能力的变化幅度。虽然国内在气候变化对农业影响研究方面积累了一定的研究成果,但以往的研究对象主要集中在水稻、玉米和冬小麦等作物类型[7,8,9,10,11],借助作物生长模型来预估未来气候变化对烤烟生产的影响还鲜有报道[12,13,14,15],希望本研究能够拓展目前气候变化影响评估的研究领域。本研究拟基于作物生长模型,结合英国Hadley中心开发的区域气候模式PRECIS输出的A2和B2气候情景数据[10],定量预估未来气候变化对重庆地区烤烟种植的影响程度以及引入新品种后对烤烟减产的减缓程度,以便有针对性地为气候变化业务和决策服务提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

重庆位于中国西南部,长江上游,属于亚热带季风气候。全年平均气温17.5℃,年均降水量1125 mm,年均日照时数1152 h,7—8月略高,月均230 h,其余月份均在150 h以下,冬季几乎无日照。地形总体上呈东高西低态势,西部相对较为平坦,而东部多丘陵山地。因此,重庆气候由东向西呈显著垂直分布特点。正是基于这一气候特点,重庆东部地区成为烤烟主要种植区。见图1
图1 重庆地区烤烟种植分布图

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1.2 数据来源与处理

研究中使用的资料有作物资料(主要包括烤烟品种类型和品种熟型、发育期观测资料、田间生物量试验资料和田间管理措施等)、逐日气象资料和土壤参数资料,均来自重庆市气象局气象信息中心档案室(重庆市农业气象观测记录报表)以及前人的田间试验数据。烤烟发育期观测项目包括播种期、苗床期、移栽期、伸根期、旺长期、现蕾期、开花期和成熟期,观测年份为2005—2010年。同期面上产量资料来源于重庆农业统计部门。历史气象资料包括最高气温、最低气温、平均气温、降水量、日照时数等,均为日值,时段为1981—2010年。土壤资料包括土壤质地类型、土壤容重、土壤湿度、土壤含水率、土壤有效水分贮存量、地下水位深度、凋萎湿度、田间持水量、饱和含水量、饱和导水率以及根区最大渗透速率等。
区域气候模式输出的未来气候情景格点数据包括最高气温、最低气温、日照时数、水汽压、风速和降雨量,来源于英国Hadley中心的区域气候模式PRECIS输出的A2和B2情景,情景格点数据大小为0.05º×0.05º[10],气候背景值(bs)选取1981—2000年。

1.3 模型简介及其验证

本研究选择WOFOST作物模型为研究工具。该模型属于Wageningen系列作物模型,主要用于定量评价土地生产潜力、预估区域产量、开展年代际产量波动模拟以及进行风险评价和气候变化影响评价等。模型中主要的模块包括发育期模块、光合生产模块、维持呼吸模块、干物质积累与分配模块、叶的生长与衰老模块、土壤水分平衡模块。其中的发育期模块采用“积温法”模拟作物发育进程,模型将作物整个发育期划分为出苗—开花、开花—成熟2个发育期[16,17,18]
1.3.1 烤烟移栽期的确定 重庆东部地区光热资源丰富,土壤适宜,但地形复杂,以山地丘陵为主,各地烤烟移栽期有很大差异。由于作物模型在区域应用时,需要给定每个格点上的移栽期,而重庆东部烤烟区仅有10余个区县有实际的移栽期观测值,远不能满足模型运行需求。为了解决这一问题,本研究以日平均温度稳定通过13℃的初日作为模型中烤烟的移栽期。
1.3.2 模型模拟精准性的判定 以均方根误差RMSE和归一化均方差误差NRMSE 2个统计指标来判断模型模拟效果[19],数值越小表明模拟效果越好。RMSENRMSE的计算如式(1)~(2)。
RMSE=1ni=1nYi-Xi2
(1)
NRMSE=100i=1nYi-Xi2nX̅
(2)
1.3.3 作物参数调试与确定 作物模型中需要调试和确定的参数主要包括作物参数和土壤参数[20],而作物参数又包括两种参数类型,一种与作物发育密切相关,主要包括不同发育阶段所需的有效积温和光周期影响因子等,这些参数是作物品种固有的属性,确定时主要根据前人研究成果以及实际发育期计算获得;另一种与作物生长密切相关,主要包括光合速率、呼吸速率、光合产物转化系数、干物质分配系数、比叶面积以及叶片衰老指数等,这些参数的确定主要根据田间试验数据,用“试错法”调试和确定[20]。土壤参数主要包括与土壤本身特性相关的物理参数和初始条件,如凋萎湿度、田间持水量、饱和含水量、饱和导水率、下渗速率以及初始土壤水分含量等,这些参数确定时主要根据田间实测数据获得,部分参数依据前人研究成果而定。在调试烤烟作物参数时,以巫溪、丰都2006—2007年种植的2种主要烤烟农业气象观测数据和相应面上产量资料,用“试错法”确定用于模型运行的烤烟生长发育参数。结果见表1
表1 重庆烤烟主要作物参数
作物参数 云烟97 云烟87
移栽—开花有效积温/℃ d 984 976
开花—顶叶成熟有效积温/℃ d 895 811
初始总干物重/(kg/hm2) 60 65
移栽时叶面积指数 1.83 1.85
单叶重/g 11.7 12.8
调参结果显示,巫溪‘云烟97’的开花期模拟值与实测值RMSE为3.2天,成熟期模拟值与实测值RMSE为5天。丰都‘云烟87’的开花期模拟值与实测值RMSE为4.5天,成熟期模拟值与实测值RMSE为6天。2个站点不同品种烤烟的生育期模拟效果均较好,一定程度上验证了调参结果的可靠性与合理性。
图2 产量模拟值与实测值对比图

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1.4 模型模拟能力的检验

1.4.1 生育期 分别以丰都和黔江两地2009—2010年的发育期观测资料和对应年份的气象站点资料,验证了模型对烤烟开花期和顶叶成熟期的模拟能力,结果见表2。从丰都烤烟开花期模拟结果看,2009年模拟值与实测值相差3天,2010年模拟值与实测值相差4天;从黔江烤烟开花期模拟结果看,2009年模拟值与实测值相差3天,2010年模拟值与实测值相差5天。从丰都烤烟顶叶成熟期模拟结果看,2009年模拟值与实测值相差5天,2010年模拟值与实测值相差6天;从黔江烤烟顶叶成熟期模拟结果看,2009年模拟值与实测值相差5天,2010年模拟值与实测值相差5天。模拟误差在合理的范围之内,说明模型可应用于模拟重庆地区烤烟生产。
表2 烤烟生育期日序模拟检验结果 d
项目 丰都 黔江
2009年 2010年 2009年 2010年
开花期 模拟值 201 198 208 215
实测值 198 202 205 210
误差 3 4 3 5
顶叶成熟期 模拟值 265 260 255 268
实测值 260 266 260 263
绝对误差 5 6 5 5
1.4.2 产量 利用巫溪、丰都和黔江2004—2011年(因2005、2006和2007年数据用于调试模型参数,因此不参与验证)面上产量资料对烤烟模型作进一步的检验,结果见图2。产量模拟值与实测值1:1点图中,R2=0.8487,RMSE=3.67,说明模拟值与实测值符合程度较高,进一步证明模型用于影响评估的可行性。

2 结果与分析

2.1 产量趋势模拟

在现有生产管理水平和当前烤烟品种不变的情况下,模拟分析了重庆地区2020年和2040年烤烟的单产变化情况,见图3~4。
图3 A2(左)和B2(右)气候情景下重庆地区2020年烤烟产量变化趋势

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图4 A2(左)和B2(右)气候情景下重庆地区2040年烤烟产量变化趋势

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图3可知,到2020年,如果仍是当前烤烟品种栽培条件,A2情景下,各地烤烟单产波动范围-4.7%~5.7%,增减产幅度不大。巫山、黔江、酉阳、南川等烤烟区仍以轻微增产为主,其余烤烟区为轻度减产区;B2情景下,各地烤烟单产波动范围-35.3%~8.1%,巫山、巫溪、黔江、南川大部等烤烟区以轻微增产为主,其余烤烟区为减产区,其中奉节、武隆烤烟区减产幅度较大,在15%以上。
图4可知,如果当前烤烟品种一直延续栽培到2040年,A2情景下,各地烤烟区产量波动范围-15.85%~1.93%,除万州烟区轻微增产外,其余烤烟区均为减产区,其中酉阳中部、武隆南部减产幅度较大,在10%以上;B2情景下,各地烤烟区波动范围-14.45%~8.18%,其中,酉阳、彭水与黔江南部为增产区,其余地区烤烟均为减产区。可见,随着气候逐渐变暖,当前烤烟品种只能种植10年左右,否则就会出现大幅度减产。

2.2 适应模拟

考虑到气候变暖趋势下,重庆地区在未来烤烟栽培制度上可能需引入适应气候变暖的新品种。因此,以巫溪和彭水为例,模拟分析了引进适应气候变暖趋势的新的烤烟品种类型,把烤烟品种变成耐高温、生育期相对比较长重新运行模型(这里只延长烤烟生育后期即开花到顶叶成熟的积温),模拟结果见表3。从巫溪的模拟结果看,种植当前烤烟品种,则A2情景下减产33 kg/hm2,减产幅度2.06%;B2情景下减产185 kg/hm2,减产幅度11.6%。如果改种新品种,A2情景下增产170 kg/hm2,增幅10.6%;B2情景下增产40 kg/hm2,增幅2.5%。从彭水的模拟结果看,到2025年仍种植当前烤烟品种,A2情景下减产35 kg/hm2,减产幅度2.3%;B2情景下减产70 kg/hm2,减产幅度4.6%。如果改种新品种,A2情景下增产105 kg/hm2,增幅6.9%;B2情景下增产78 kg/hm2,增幅5.12%。
表3 当前烤烟品种与新品种的对比分析结果 kg/hm2
气候情景 巫溪 彭水
当前品种 新品种 当前品种 新品种
A2 1565 1768 1487 1627
B2 1413 1638 1452 1600
bs 1598 -- 1522 --
可见,从不同气候背景下对烤烟单产模拟结果看,未来重庆地区烤烟产量或增或减都有很大的不确定因素,但通过一些适应对策,比如改为种植适应气候变暖的新品种,不但能大大减缓产量减少的趋势,而且还有很好的增产效果。

3 结论

在现有生产管理水平和当前烤烟品种不变的情况下,模拟分析了重庆地区未来2020年和2040年烤烟的单产变化情况。到2020年,A2情景下,各地烤烟单产波动范围-4.7%~5.7%,增减产幅度不大;B2情景下,各地烤烟单产波动范围-35.3%~8.1%。到2040年,A2情景下,各地烤烟区产量波动范围-15.85%~1.93%;B2情景下,各地烤烟区波动范围-14.45%~8.18%。如果引入适应气候变暖的新品种(模型中只延长烤烟生育后期即开花到顶叶成熟的积温),A2情景下增产105~170 kg/hm2,增幅6.9%~10.6%;B2情景下增产40~78 kg/hm2,增幅2.5%~5.12%。

4 讨论

在气候变化条件下,开展相应的农业影响、评估、分析以及技术储备研究,是保证农业可持续发展的必须和必要的内容,对做好气候变化应对方案,开发适应技术都具有实际指导作用。纵观近些年来国内外气候变化对农业的影响评估研究成果,有关气候变化对农业领域的影响评估等研究工作主要集中在三大主要粮食作物(水稻、冬小麦和玉米)[21,22]。由于研究时限和技术能力,对烤烟区的气候变化影响评估还没有开展深入研究。笔者借助目前国内外最为先进的研究工具——作物生长模型,将它应用于烤烟这一在国民经济中占有独特地位的作物中来。从模拟结果看,2种气候情景驱动下重庆地区烤烟产量变化趋势在减产区域和减产数值上各有差别,从一定程度上反映出未来重庆东部地区烤烟作物产量的一个指向性趋势。作物模型方面,虽然WOFOST作物模型已经在许多国家得到广泛的验证,但是该模型包含了大量过程简化和半经验性质的参数,对病虫害、洪涝、极端天气事件等灾害性天气影响的模拟还存在着较大的不确定性[23,24]。同时该作物模型仅考虑了CO2的温室效应对作物生长的影响,没有考虑O3等其他温室气体对作物的影响[25,26]。气候情景数据方面,对气候情景的预估本身就存在着不确定性,例如温室气体排放、物理过程参数化等方面。并且尽管PRECIS相对于GCM能够提供更详细的区域信息,但是50 km×50 km的分辨率相对于站点水平的研究还是一个比较大的区域,因此应该发展更小尺度的RCM,以减小未来评估的不确定性。为了减小气候情景方面的不确定性,今后应考虑运用不同气候模式的气候变化情景进行影响评估。

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脚注

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。

基金

国家重点基础研究发展计划课题“气候变暖背景下我国南方旱涝灾害对水资源与农业的影响”(2013CB430205)

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