WOFOST模型在评估气候变化对粮食生产影响方面的研究进展.pdf

第 卷 第 期 年 月海 洋 气 象 学 报 .王萌萌董智强李楠等.模型在评估气候变化对粮食生产影响方面的研究进展.海洋气象学报():.():.:./.()模型在评估气候变化对粮食生产影响方面的研究进展王萌萌董智强李楠李曼华陈辰(.山东省气象防灾减灾重点实验室山东 济南.德州市气象局山东 德州.山东省气候中心山东 济南.中国气象局中国农业大学农业应对气候变化联合实验室北京)摘要:近年来国内外学者采用不同的方法评估气候变化对粮食生产的影响其中机理模型评价方法是运用较多的方法之一()模型由于其机理性强、源代码开放、参数调整较为简便等优势已经在相关研究中得到广泛应用 该模型以不同作物生长发育的机理过程为依据经过适用性验证后可用于粮食作物气候生产潜力评估和气象灾害影响评价结合历史气候资料与未来气候情景数据可定量评价过去及未来气候变化对粮食生产的影响 通过介绍 模型的基本原理、运行机制、参数设定与参数本地化等相关方法系统总结该模型在评估气候变化对粮食生产影响方面的研究进展并指出现有研究存在的不足以期为未来开展相关研究工作提供参考关键词:气候变化 模型粮食生产影响解析适应决策中图分类号:文献标志码:文章编号:():./.收稿日期:修回日期:基金项目:山东省自然科学基金项目()山东省气象局气象科学技术研究项目()“十三五”山东重大气象工程项目(鲁发改农经 号)第一作者简介:王萌萌女硕士助理工程师主要从事农业应对气候变化影响相关科研与业务 .通信作者简介:董智强男博士高级工程师主要从事气候变化对农业生产的影响评估等研究 .李楠女硕士正高级工程师主要从事农业适应气候变化影响等研究 .(.):.().海 洋 气 象 学报第 卷 .:引言人类活动致使气候以前所未有的速度变暖伴随气温升高、降水格局改变、极端天气气候事件的频发与增强人类生产生活正受到显著影响粮食生产作为对气候变化响应最为敏感的产业正承受着日益增长的负面影响伴随农业气候资源、作物生长发育与产量形成等的变化农业可持续发展与粮食生产安全正面临前所未有的威胁农业气候资源主要包括光、热和水等是作物生长的物质基础和能量源泉 气候变化使光、热、水的分配发生变化进而影响种植制度、品种布局、作物发育进程及其产量、品质形成等 气候变暖直接改变了区域的热量资源但同时积温的增加会使得作物生长发育加快生育期缩短减少短生育期作物的干物质累积时间最终造成产量下降 非洲、亚洲、欧洲、拉丁美洲等地的大多数国家都出现粮食产量显著下降的情况粮食生产正面临前所未有的威胁并随着气候变化的严峻形势而日益加剧 在气候变化背景下干旱、洪涝、高温热害、低温冷害与病虫害等发生的频率与强度呈明显增大的趋势影响粮食生产安全 为此如何科学定量地评估气候变化对粮食生产的影响并探讨有效的适应对策不仅是一个重要的科学问题也是政府部门亟需解决的现实问题对于提升防灾减灾能力、保障粮食安全、确保农业资源高效利用等均具有重要意义目前最直接揭示气候变化对粮食生产影响的研究方法便是构建气候因子与作物生育期、产量及品质等的关系方程 并以之为依据进行影响评估 但是由于很多地区缺乏长时间尺度的粮食生产数据资料或是因为在不同的气候背景下不同气候因子与粮食生产之间的相互关系不明确导致气候变化影响评估的不确定性增大 针对这两个问题 常 用 的 方 法 包 括 观 测 试 验 和 模 型 模 拟等 观测试验是一种重要的研究方法可获取大量重要数据用以检验假设或评价因果关系 但试验过程耗时、耗力需要多种处理的长期观测实施起来具有一定的难度在使用中存在较大的局限性作物机理模型以不同作物生长发育的机理过程为依据通过结合不同的气候模式能够较为准确地对作物生长发育和产量形成进行模拟进而生成长时间尺度的粮食生产数据从而较为有效地解决上述两个问题 加之作物模型模拟定量水平高且更为高效特别是能够大大扩展影响评估的时间与空间尺度目前已经在很多国家和地区得到广泛应用成为定量评估气候变化对作物生长发育、产量形成影响的主 要 研 究 方 法 而 这 其 中()作物模型由于机理性强、源代码开放、参数调整相对简便等优势已经在气候变化对粮食生产的影响评估方面得到了广泛应用为此本文将在介绍 模型基本原理、参数本地化方法及其发展应用的基础上系统总结该模型在评估气候变化对粮食生产影响中的研究进展分析目前研究中存在的相关问题与未来展望以期为更加客观、定量的气候变化影响评估工作提供参考 模型简介 模型是荷兰瓦赫宁根大学和世界粮食研究中心共同开发研制模拟一定土壤和气候条件下作物生长发育的动态解释性模型 以日为时间步长该模型能够动态、定量模拟潜在条件、水第 期王萌萌等:模型在评估气候变化对粮食生产影响方面的研究进展分限制和养分限制 种水平下的作物生长其中潜在生长条件下作物生长仅由辐射、温度和作物特性决定养分、水分等条件都处于最适状态水分限制条件下假设养分供给仍处于最佳状态模拟水分条件对作物生长的影响养分限制条件需综合考虑氮()、磷()、钾()种元素对作物生长的影响 模型根据土壤和气象条件对作物根、茎、叶、穗生物量以及土壤水分动态进行模拟模拟的基础为同化作用、呼吸作用、蒸腾作用以及干物质分配等生理生态过程 根据作物品种特性和环境条件解释作物从出苗到开花、开花到成熟的生长发育过程模拟在辐射、温度、降水、作物自身特性等综合情况下日尺度的干物质积累(图)干物质生产的基础是冠层总 的同化通过吸收的太阳辐射和单叶光合特性计算作物的日同化量再通过高斯积分法计算冠层总同化量(图)部分同化物被用于维持呼吸而消耗余下的同化物被转化成干物质在转化过程中又有部分干物质被用于生长呼吸而消耗产生的干物质在根、茎、叶和储存器官中进行分配分配系数随发育阶段的不同而变化发育阶段的计算由积温或日长进行控制(图)D5 5 5 U*+U8U*+UU*+UU*+UTa/Tp8$+FK+F*JUBU*J*BF4*L/实际蒸腾速率潜在蒸腾速率图 模型作物生长流程.模型自问世以来得到了极大的发展随着版本的不断更新其应用范围不断扩大相关研究 在 世 界 各 地 不 同 领 域 广 泛 开 展 目 前 模型主要被用于产量预测、风险分析、生产潜力评价、灾害影响评估、气候变化影响评估及预估、关键发育期预报、长势模拟、生长关键因子确定、灌溉和施肥的产量效益估算等方面 模型的首次应用是在加纳、布基纳法索和肯尼亚等 个非洲国家研究施肥量对粮食作物产量的影响结果表明在这 个国家粮食产量随施肥量的增加而增加额外的田间灌溉对 产 量 影 响 较 小 在 布 基 纳 法 索 的 工程中 模型被用于产量风险研究通过了解土壤类型、作物品种、播种日期、降水及播种地位置与干旱风险之间的关系更好地指导农业生产实践 此外 模型在欧洲被用于对主要大田作物的潜在产量评估在安第斯山脉被用于灌溉和水分保持评价为指导当地的农业生产提供有效依据 在农业遥感检测()工程中欧洲联合研究中心利用 模型将当年和往年的作物生长动态进行比较同时对整个地区和国家进行产量预测 之后 模型被耦合入作物生长监测系统()中并可以在计算机的 操作系统中运行 另有学者将模型进行扩展修改使之运用于森林和草地的模拟海 洋 气 象 学报第 卷 应用评估研究进展 模型具有一定的普适性可根据作物品种、土壤特性、气候条件等对参数进行调整进而使模型适用于不同地区的不同作物 在对 模型进行适用性研究时需要对作物参数和土壤参数进行标定结合研究区域的气候特征、土壤特性和研究作物的品种遗传特性调试出模拟效果最好的一套参数即参数本地化 其中土壤参数可通过农业气象常规观测资料和土壤含水量动态观测数据进行调整而作物参数数量相对较多并且复杂因此目前关于参数本地化的研究多集中于作物参数的确定与验证.参数本地化应用.参数敏感性分析 模型的参数量很多对全部参数一一进行校正和优化的工作量巨大而且有些参数的校准和优化并未明显提高模型的模拟精度因此需要通过敏感性分析有效地界定参数的敏感性和重要性从而确定需要优化的参数 敏感性分析可有效提高模型应用中的工作效率也可以减少优化算法的计算量和计算时间因此在实际研究中得到了广泛应用 通过敏感性分析筛选出对模型模拟结果影响较大的参数再对敏感参数进行优化对于不敏感的参数可采用模型默认值或查阅相关文献获取参数值 比如相关学者通过敏感性分析选定华北冬小麦出苗期和返青期生物量为待优化参数并通过同化观测数据有效减小了 模型对于开花期、成熟期、储存器官干重以及地上部分总干重的模拟误差 在研究 模型对东北春小麦生长发育和产量的模拟效果时有学者对主要参数进行敏感性分析选取并调整对模拟结果影响较大的积温、储存器官同化物转化效率等参数最终验证了 模型在东北春麦区的适用性敏感性分析分为局部敏感性分析和全局敏感性分析 局部敏感性分析只能反映单个参数对模拟结果的影响分析结果具有一定的片面性而全局敏感性分析可以同时检测多个参数变化对模拟结果的影响并且可以反映参数之间相互作用的综合影响因此作物模型参数的敏感性分析越来越倾向于采用全局敏感性分析方法 目前全局敏感性分析方法主要包括 参数筛选法、基于方差的 法、傅里叶幅度检验法()、扩展傅里叶幅度检验法()等 其中 法计算高效要求的样本数较低目前应用较为广泛该方法充分采取 法和 法的优势进而探索出一种新的全局敏感性分析方法 该方法基本原理是分解参数对模型结果的方差把参数敏感性分为单个参数及参数之间耦合作用对模型结果的影响两种类型 相关研究采用 方法对 模型 个作物参数进行了全局敏感性分析确定了、和 等 个对产量敏感的参数证明了该方法在模型参数本地化研究中应用前景较大(表).参数本地化在完成参数敏感性分析的基础上就要对敏感参数进行本地化验证 现阶段较为常用的参数本地化方法主要有 种即控制试验法、试错法和对比优化法在模型建立之初作物生长参数主要通过控制试验或大田试验获取根据大量的试验观测数据对作物参数进行本地化标定 该方法工作量大不利于 模型的广泛使用和推广试错法是在默认参数范围或现有研究的基础上逐个调整模型参数并运行通过比较模拟值与实测值的拟合程度来确定参数值 试错法可操作性强且实用效果良好因此在相关研究中应用相对广泛如运用 模型评估玉米干旱损失的研究中采用试错法进行参数调整验证了模型在北京地区春玉米和夏玉米产量模拟与灾害评估方面的适用性 在内蒙古河套灌区对玉米生长全过程的模拟适用性研究中采用试错法对 模型部分参数进行校准研究结果表明模型对叶面积指数、各器官生物量以及产量的模拟结果与实际较为符合能够适用于河套地区玉米生理、生态过程的诊断、评估等基于过程模型的非线性参数优化方法主要包括 遗 传 算 法、普 适 似 然 不 确 定 估 计()法、马尔科夫蒙特卡洛()方法、优化程序等 其中 法是基于贝叶第 期王萌萌等:模型在评估气候变化对粮食生产影响方面的研究进展斯统计理论的一种参数估计方法在基于过程的生物模型参数调整方面应用广泛其参数优化效率较 法更高 已有学者结合参数全局敏感性分析方法以及 法以冬小麦实际观测数据为参照对 模型的 个品种参数进行了敏感性分析、筛选和优化为冬小麦参数本地化研究夯实了基础 除此之外目前应用较多的 优化程序 是根据 算法和 方法利用()语言开发的一种模型参数优化程序 该程序以模型模拟结果与实测数据的拟合优度为标准进行参数优化并最终获得参数值的最佳组合相关学者采用 优化程序对敏感参数进行调整有效减小了 模型的模拟误差表 模型中冬小麦部分作物参数及其取值范围 参数含义取值范围出苗到开花的有效积温/()开花到成熟的有效积温/()初始总干物重/()出苗时的叶面积指数/().生育期为 时的比叶面积/().生育期为.时的比叶面积/().生育期为 时的比叶面积/().环境下叶生存周期/下单叶光能有效利用率/().下单叶光能有效利用率/().下单叶光能有效利用率/().下单叶光能有效利用率/().下单叶光能有效利用率/().生育期为 时的最大 同化率/()生育期为.时的最大 同化率/()生育期为.时的最大 同化率/()生育期为.时的最大 同化率/()最大 同化率在 的校正因子.最大 同化率在 的校正