新阶段农业气象学发展面临的形势与研究展望

当前,中国进入了建设农业强国的新阶段,农业气象面临前所未有的挑战与发展机遇。针对农业生产智慧化、粮食安全、气候变化、绿色可持续发展等新形势,农业气象迫切需要建立气候要素与农业生产的定量关系,科学合理利用和提高气候资源利用率。农业气象学的重要任务包括深化研究内容、拓展研究视野、创新理论方法;重要研究方向在农业气象基础、气候变化适应、温室气体减排、农业气候资源高效利用、农业气象灾害与风险应对、农业小气候调控、气候智慧型农业等方面。作为一门农业基础学科,农业气象学需要加快发展,走在其他农业科学的前面。

1961—2020年中国小麦生长季干湿时空变化分析

基于1961—2020年全国524个气象台站逐日数据,以有效降水量、作物需水量和水分盈缺量(有效降水量与作物需水量的差值)为干湿指标,从年际和年代际尺度(P1:1961—1990年;P2:1991—2020年)分析了全国小麦主产区(春麦区:东北、蒙北、西北、北疆;冬麦区:北部、华北、西南、长江中下游、华南、新疆)生长季内气候干湿状况时空分布和演变趋势,并利用SPEI指数评估了小麦种植区的干旱风险。结果表明:1)1961—2020年华南、长江中下游、西南冬麦区小麦生长季降水量大于作物需水量,其他麦区生长季内水分亏缺,新疆冬麦区(443 mm)和北疆春麦区(495 mm)为缺水量高值区。2)近60年全国小麦生长季干旱频率为35.2%~59.6%,四大春麦区、长江中下游冬麦区干旱发生频率较高,均大于50.0%。3)1961—2020年全国小麦生长季有效降水量波动增加,作物需水量呈先降后升趋势,华北、北部冬麦区表现为气候暖干化,其他麦区均呈气候暖湿化趋势。小麦种植区暖湿化的气候机制存在地域间差异,春麦区(东北、蒙北、北疆)和新疆冬麦区为有效降水量增加且作物需水量减少;而长江中下游冬麦区生长季内有效降水量和作物需水量均为增加趋势,但降水量增加幅度大于作物需水量。本文在全国尺度上探究了全国小麦生长季干湿状况时空变化,对农业正确应对气候变化具有重要参考意义。

WOFOST模型在评估气候变化对粮食生产影响方面的研究进展

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。WOFOST(WOrld FOod STudies)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WOFOST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。

1961-2020年中国北方向日葵种植区干湿变化特征及其成因分析

中国北方向日葵种植区域主要位于干旱区和半干旱区,产量受干湿条件制约,气候变化背景下水热资源变率大,对产量形成带来一定影响。利用中国北方向日葵种植区域296个气象台站逐日观测数据,基于降水量和作物蒸散量计算的湿润指数、标准化降水蒸散指数(SPEI),分析1961—2020年向日葵生长季干湿状况时空变化特征,并利用敏感性和贡献率法分析气候变化背景下主要气象因子对作物蒸散量的影响,探讨干湿状况变化成因。结果表明:中国北方向日葵生长季干旱频率总体表现为由西向东递减的空间分布特征,其中北疆、宁夏北部及内蒙古西部干旱频率较高。近60 a向日葵种植区生长季降水量和蒸散量均呈下降趋势,SPEI在1980年前后发生突变,较突变前(1961—1980年)相比,1981—2020年轻、中、重旱频率分别下降5.63%、4.41%、2.49%。不同区域干湿状况变化存在明显差异,其中内蒙古赤峰、辽宁南部和华北平原等地区气候呈暖干化趋势,内蒙古西部和新疆等地气候变湿。近60 a向日葵生长季温度和相对湿度变化增加了作物蒸散量,但日照时数和风速变化减少了作物蒸散量,55.39%的站点风速和日照时数对作物蒸散量的贡献率大于温度的贡献率,导致作物蒸散量减少。

生态保育型农业内涵、实施途径与研究趋势

高强度的农业生产导致农田土壤变瘦、变薄、变酸、变干,引起了一系列生态环境问题,对农业可持续发展产生了重大影响。切实转变农业发展方式、加快发展生态保育型农业是我国农业可持续发展面临的紧迫任务。文章论述了生态保育型农业产生的背景,综述了农田生态保育的研究进展,明确了生态保育型农业的内涵及实施的技术途径,并提出了当前生态保育型农业亟需研究的关键科学问题。文章认为,生态保育型农业就是通过实施一系列措施,促进资源增进、环境改善、生产力提高、农业可持续发展的农业生产制度与技术体系;以维护农田生态平衡为根本特征,重点关注环境资源要素之间的平衡、适度投入与合理利用、生产能力与资源高效利用及生态平衡与生态改善等4个方面的关系。实施生态保育型农业的途径包括水分保育、养分保育、固沙保育、适度投入、综合保育等,具体技术体系包括:合理选择作物及品种,合理布局;实施轮作、休耕、免耕、少耕等耕作措施,蓄水保墒,保土保肥;科学施肥,增加地表覆盖等等。农业生产与生态系统的互馈机制、农业生产能力与区域资源环境承载力的协同提升、生态保育机制及其区域化途径等是当前生态保育型农业亟需研究的关键科学问题。

基于节气时间尺度的华北冬小麦物候期时空分布变化研究及启示

二十四节气是中国先民依据气候、物候创立的指导农业生产的时间知识体系,气候变化对华北冬小麦的物候节律影响显著,节气与物候、农事活动的原有对应关系可能会发生偏移。本研究基于华北平原52个农业气象站点1991-2020年实测地面气象数据和冬小麦物候数据,结合物候期模型模拟数据,分析了基于节气时间尺度的冬小麦物候期时空分布变化。结果表明:(1)华北平原冬小麦播种期在白露二候至霜降一候之间,出苗期在秋分一候至霜降三候之间,拔节期在惊蛰三候至谷雨一候之间,抽穗期在清明一候至立夏一候之间,成熟期在立夏三候至芒种三候之间。(2)与P1时段(1991-2005年)相比,P2时段(2006-2021年)冬小麦的冬前物候期(播种和出苗期)整体呈推迟趋势;冬后物候期(拔节、抽穗和成熟期)呈提前趋势。(3)研究区小麦实际播种期、出苗期和成熟期变化幅度在0-1候之间,基于节气时间尺度的冬小麦播种、出苗、收获等传统农事节气生产经验依然具有较好适用性,而有关拔节期和抽穗期的传统农事活动在相关区域则需适当提前安排。研究结果对于解析气候变化背景下冬小麦物候与节气之间的对应关系变化、重新赋值二十四节气农谚科学内涵、有效指导当代农业生产具有重要价值意义。

科学应对长期气候风险

今年夏季我国气候总体温高雨少,中东部出现自1961年有完整气象观测记录以来综合强度最强的高温过程。气候变暖、极端天气气候事件增多增强引发社会关注。当前,粮食生产面临新形势与新挑战,其中最关键的是气候变化带来的新风险。联合国政府间气候变化专门委员会最新报告显示,2011年至2020年比1850年至1900年全球地表平均增温1.09摄氏度。1961年至2020年,我国地表年平均气温的升温速率为0.26摄氏度每10年,升温速率高于同期全球平均水平,是全球气候变化的敏感区。

马铃薯发育期模型精度及其对升温的敏感性比较

马铃薯是世界第四大主粮作物,马铃薯发育期的准确模拟是评估气候变化对马铃薯生长发育影响的基础。通过研究筛选在全国马铃薯种植区发育期模拟效果最优的模型,并基于模型探究历史气候变化对马铃薯生育期的影响差异以及模型对升温(1~5℃)的敏感性,可为模型改进提供方向。针对当前对覆盖不同气候和品种类型的发育期模型综合对比研究较少,本研究选取3种温度响应函数与2种日长响应函数,组合形成3种温度模型和6种光温模型,运用模拟退火算法对模型进行调参,对比其在全国8个站点模拟马铃薯全生育期的精度,结果表明:1)线性温度函数+负指数日长函数光温模型(M3)、Logistic温度函数+负指数日长函数光温模型(M6)和Beta温度函数+负指数日长函数光温模型(M9)的模拟效果最优, 3个模型模拟和观测的全生育期长度RMSE分别为7.7 d、6.8 d和7.1 d, R~2均大于0.90。2)基于最优模型在4个代表性站点的模拟结果显示,历史气候变化导致马铃薯生育期总体呈缩短趋势,但在不同站点模型间存在差异。3)升温1~5℃,模型M3和M6模拟的马铃薯全生育期日数呈线性缩短,每升温1℃, 4个站点的生育期缩短3.0~8.2 d;而模型M9模拟的全生育期日数呈非线性变化,随温度升高生育期缩短趋势先增加后减小。筛选出的3种光温模型均可有效模拟马铃薯发育期;基于3种模型模拟的历史气候变化总体均使马铃薯生育期缩短,但变化率不同;温度响应函数的不同,使得3种模型对升温的敏感性不同,且模型间差异随着升温而增加。研究结果为马铃薯发育期模型选择和改进提供了重要参考。

基于光周期和温度的物候模型对华北平原刺槐始花期的模拟

光周期和温度是影响木本植物开花的两大关键气象因素。基于我国华北平原1963—2018年57个站点的刺槐始花期实测数据,构建了6种基于气温或光周期驱动的春季物候过程模型(积温模型、光周期模型、光周期-温度顺序模型、温度-光周期顺序模型、光周期-温度平行模型、光周期-温度乘法模型),并进行了参数率定和模型比较优选,以期明确刺槐开花的主导驱动因子以及潜在的光温作用机制。根据内部模拟的赤池信息准则(AIC)判定光周期-温度顺序模型的表现最佳,模拟值与观测值的相关系数(r)为0.86,均方根误差(RMSE)为4.81d,纳什效率系数(NSE)达到0.74,说明刺槐始花期的发生同时受到光周期和温度的作用。同时,在华北平原14个代表性站点上,光周期-温度顺序模型的表现普遍优于均值模型。基于光周期-温度顺序模型的参数率定结果,以下限温度6.5℃和下限日长4.5h来统计刺槐开花的实际有效积温量和实际有效日长累积量的年际变化情况,结果表明56年来刺槐开花的实际有效积温量呈现显著递增趋势,平均每10年增加4.5℃·d(P<0.05),而实际有效日长累积量却呈现极显著递减趋势,平均每10年减少23.9h·d(P<0.01),这说明在气候变暖背景下,刺槐开花的热量需求会更快速完成,引起刺槐开花日期的提前,但自然光周期的年内变化只与地理位置有关,日长累积需求则需要更长的时间完成,因此会在一定程度上抑制春季升温引起的开花日期提前。

北方冬小麦冬季冻害及播期延迟应对

全球变暖背景下,我国北方冬麦区冬季冻害是否仍是主要气象灾害,冬小麦播期延迟是否能作为应对气候变化的措施,成为当前亟待解决的科学问题。研究表明:1981—2000年北方冬麦区偏北地区冬季冻害指数与冬小麦减产率相关系数为0.62(达到0.001显著性水平),即2000年前冬季冻害是冬小麦减产的主要气象灾害之一;2000年后冻害与冬小麦减产率相关不显著,即冬季冻害已不再是冬小麦减产的主要影响因子。2018—2021年的冬小麦分期播种试验分析表明:山东泰安和陕西咸阳主栽的冬小麦品种播期推迟,冬前积温和生长季积温明显减少,导致冬小麦植株高度、地上总干重和叶面积指数减小;播期推迟对产量结构造成不利影响,有效穗数、穗粒数和千粒重均分别减少,导致减产,播期推迟10 d平均减产22%,推迟20 d平均减产40%。因此,冬小麦推迟播期并未产生积极效应,可能原因是当前冬小麦播期和主栽的冬小麦品种已适应当地气候变化。

中国北方地区四种熟型藜属杂草始花期的模拟

藜属(Chenopodium)草本植物是我国常见杂草,其花粉量大,持续时间长,致敏性强,对大气环境质量和人类健康都有一定危害,尤其在气候变化和退耕还林还草背景下,致敏风险增加。为精准预报藜属杂草始花期,本文基于中国北方地区1981—2018年52个站点的藜属杂草始花期实测数据,构建了5种基于逐日气温、降水、光周期序列驱动的物候过程模型,并进行了参数率定和优选。结果表明,温度是主导始花期的环境因子,光周期也起着重要的调控作用,而冷激对4种熟型藜属杂草始花期的影响并不显著。此外在干旱区考虑降水因子进行藜属杂草始花期预报是有必要的,干旱会延迟藜属杂草始花期,而降水则能起到一定的促进作用。本研究可作为我国北方地区藜属杂草花粉花期预报的辅助手段,为防治藜属杂草花粉过敏提供帮助。

苗前补灌对内蒙古黄土高原旱作区谷子生长及光合特性的影响

【目的】筛选适宜内蒙古黄土高原旱作区种植的优良谷子品种。【方法】以8个谷子品种为研究对象,采用裂区试验设计,设置苗前补灌与水分亏缺2个处理,采用主成分分析法对比分析谷子品种生长特征及光合特性变化规律。【结果】苗前补灌可显著影响谷子品种的生长和光合特性。与水分亏缺处理相比,金苗K1的出苗率提高最高(6.56%),其次为张杂谷13号(提高4.44%);金苗K1和张杂谷13号的株高表现较好,分别为30.5、30.3 cm,提高了15.21%、6.27%,均与其他品种相比差异显著(P<0.05);张杂谷13号的茎粗和干物质积累量表现较好,分别为5.45 mm、0.598 g,提高了12.60%、5.65%,与其他品种相比差异显著(P<0.05),其次为金苗K1,分别提高了16.56%、4.98%。水分亏缺处理下,张杂谷13号和金苗K1的叶面积指数受干旱影响较小,分别为0.94、0.83;张杂谷13号的相对叶绿素含量最高,为51.18。张杂谷13号和金苗K1的气孔导度在2个处理下均表现较好,显著高于其他品种(P<0.05),苗前补灌处理较水分亏缺处理分别提高了4.45%和4.36%;冀谷168和金苗K1的净光合速率显著高于其他品种(P<0.05),张杂谷13号在水分亏缺处理下表现最好,为33.18μmol/(m^(2)·s),较苗前补灌仅降低了1.99%;张杂谷13号和金苗K1的蒸腾速率均表现较好,显著高于其他品种(P<0.05),苗前补灌处理较水分亏缺处理分别提高了4.39%和3.79%。张杂谷13号和金苗K1的水分利用效率在2个处理下均表现较好,水分亏缺导致叶片光合水分利用效率有所提高,分别提高了11%、7%。【结论】张杂谷13号、金苗K1可作为内蒙古黄土高原旱作区谷子抗旱保苗优势品种推广种植。

内蒙古克氏针茅草原净生态系统碳交换的物候特征及遥感监测

为准确遥感监测草原净生态系统碳交换(NEE)物候,利用内蒙古锡林浩特国家气候观象台2018—2021年的涡度相关系统和气象梯度观测系统观测数据,结合2018年1月1日至2021年12月31日的Senti-nel-2卫星数据,分析克氏针茅草原NEE及其物候的变化规律,并探讨了NEE物候的遥感植被指数及阈值。结果表明:2018—2021年,研究区NEE呈季节性变化,4—10月为碳汇,其他月份为碳源,总体呈碳汇。碳吸收开始日期(SCUP)和结束日期(ECUP)的平均儒略日分别为第95天和第259天,碳吸收持续时间平均为165 d。光合有效辐射与日NEE呈极显著负相关,有助于草原生态系统吸收大气中CO_(2)。最佳阈值10%的红边叶绿素指数能够较好地捕捉SCUP,而最佳阈值75%的归一化植被指数则能较好地反映ECUP。研究结果可为草原生态系统碳源汇的遥感监测提供依据。

华北平原夏玉米不同施氮措施的综合增温潜势研究

为探究和利用高固碳、低排放的农业管理措施,以华北平原夏玉米生产为研究对象,采用大田试验和生命周期评价方法,设置对照(CK)、低氮肥(LF)、适宜氮肥(SU)、减排(适宜氮肥+抑制剂,ER)以及高氮肥(HF)5种施氮处理,定量评估夏玉米生产全过程中的土壤排放温室气体增温潜势(GWP_(Soil))、农业投入增温潜势(GWP_(Indirect))、净初级生产力增温潜势(GWP_(NPP))、净综合增温潜势(Net GWP)和农田经济效益。结果表明:不同处理总排放增温潜势(GWP_(Soil)+GWP_(Indirect))为10831.3~14301.9 kg/hm^(2)(以CO_(2)当量计),由高到低依次为HF>SU>LF>ER>CK;HF的GWP_(Soil)及GWP_(Indirect)均为最高,较CK处理分别高10.9%和153.3%;GWP_(Soil)对总排放量的贡献较大(>70%),农业投入中肥料对GWP_(Indirect)的贡献最大,为54.1%~69.7%(CK除外),灌溉次之;华北平原夏玉米农田Net GWP为负值,是大气的碳汇,SU和ER处理Net GWP最大,绝对值分别较CK处理高18.1%和17.9%。综上,ER和SU处理净利润最高,属于高收益-高固碳种植管理模式,但ER与SU处理相比,ER的GWP_(Soil)降低了8.7%,更有利于温室气体减排,适合作为绿色农业发展模式在华北平原推广。

我国不同参考作物蒸散经验模型适用性分析及参数修正

为提高不同参考作物蒸散经验模型在全国范围内的精度和适用性,并简化计算方法,依据1961—2020年全国585个气象站点的逐日地面观测资料(统计数据未包含港、澳、台地区,下同),选用平均相对百分误差、标准差等量化指标,采用最大似然和最短距离法,从月尺度和年尺度上对以Penman-Monteith模型为标准的Hargreaves-Samani(HS)模型、Makkink(MK)法、Priestley-Taylor(PT)模型、Hargreaves(Har)模型、Mc Cloud(MC)模型进行比较分析和系数修正。结果表明:1)修正前除MC模型外月尺度平均相对百分误差平均值均低于20%,PT模型和MC模型年尺度平均相对百分误差平均值均高于25%,精度最低;2)修正后5种模型的月尺度和年尺度平均相对百分误差平均值均低于8%,计算精度明显提升,其中PT模型的修正效果最好,月尺度和年尺度的平均相对百分误差平均值均低于3.7%,与修正前相比均降低了80%以上;3)利用最短距离法进行聚类分析后发现,区域修正后Har模型和MK模型的修正效果最好,年蒸散量相对百分误差平均值分别为8%和5.1%。修正后的不同参考作物蒸散经验模型在全国范围内具有更高的适用性。