气候变化和管理措施对澳大利亚和中国油菜生产的影响

【摘要】油菜是世界的主要油料作物之一。近年来，作为农业景观观赏作物也备受关注。澳大利亚油菜的种植历史较短，但发展势头迅猛，种植面积至2012年已经达到300万公顷。中国作为世界油菜种植大国之一，油菜的种植面积位列世界第一，其中，中国的长江流域和黄淮流域为冬油菜主生产区，而北方高纬度和高海拔地区则以种植春油菜为主。随着气候变化和耕作措施的演进，世界上有关油菜的生长发育及产量变化的相关研究也日益深入。而油菜的生产系统是受气象、土壤、品种和栽培管理措施等众多因素影响的多因子动态系统，致使生产者难以综合考虑多因子互作、预测油菜生产趋势并量化各因子对油菜生产的影响。而作物生长模拟模型提供了新的方法和手段，定量地描述了作物生长发育过程及其与环境和耕作技术之间的互作关系，在作物产量预报中已取得了较好的效果。本文首先在澳大利亚堪培拉黑山试验站进行了CO2浓度及温度升高和不同水分条件下对印度芥菜型油菜和澳大利亚杂交油菜品种的影响研究，其次研究了双用途农业（Dual-purposeagriculture）在澳大利亚新南威尔士州WaggaWagga和Young地区油菜种植模式的应用。同时，以中国油菜生产地区为研究对象，基于1951-2009年的逐日气象数据结合油菜生长模型(APSIM-canola)和GIS地理信息系统的空间分析技术，在对APSIM油菜参数进行较全面的灵敏度分析和校正验证的基础上，明确中国油菜产区（冬油菜产区和春油菜产区）的气候因素变化和分布特征，量化肥水管理措施及未来气候变化对中国油菜主产区产量的影响以及探索了在中国石门地区实施双用途农业种植模式的可行性。研究结果如下：（1）进行了APSIM-canola在中国冬油菜品种参数的校正和验证，本研究在油菜生育期、地上部干物质量及产量等指标上对APSIM-canola模型的模拟效果进行了分析与评价。结果表明APSIM-canola模型对生育期、干物质量和产量的模拟均较好，模型具有较强的准确性与适用性。APSIM-canola生育期和干物质量及产量的模拟值与实测值之间的RMSE分别为1.67d、783.5kg.ha-1和520.3kg.ha-1，R2分别为0.98，0.71和0.70。同时模拟北方地区春油菜的营养生长期，整个生育期和产量的模拟值与实测值之间的RMSE分别为3.05d，2.29d和318.61kg.ha-1，R2分别为0.91，0.98和0.85。分析结果表明APSIM-canola模型能较好的模拟中国油菜的生育期、干物质量和产量，因此本研究中选用APSIM-canola模型来模拟中国地区气候要素和管理措施改变对区域油菜产量的影响是可行的。（2）澳大利亚甘蓝型油菜(Brassicanapus)Hyola42和印度芥菜型油菜(Brassicajuncea)JL1两个油菜品种在气室环境下生长。试验设四个处理，即（处理1）的CO2浓度为370μmol.mol1，油菜生长环境温度为试验地当地的实时温度。另外三个处理的CO2浓度为700μmol.mol1，温度比处理1分别高2℃（处理2）、4℃（处理3）、6℃（处理4），同时从油菜开花期开始分田块实施干旱胁迫处理（油菜开花期土壤初始含水量为11.8和11.3g/cm3）。在CO2浓度上升到700μmol.mol1、温度升高2℃时，印度芥菜型油菜处理2的产量比处理1有较高增长，约为47.2%，但随着温度的增加（4℃、6℃）油菜的产量出现降低趋势。两个油菜品种的净光合速率均随着生长发育时间的延长而下降。叶片的蒸腾速率的变化趋势和净光合速率的趋势相同，试验进一步证明了在CO2浓度升高的情况下，温度的升高，增加了干旱的胁迫，最终导致了油菜产量的下降。在以上试验的基础上，运用APSIM-canola模型模拟在中国武汉、南京和石门3个站点不同程度温度和CO2升高以及降雨量减少对油菜产量的影响。通过分析可以发现，不同CO2排放方案下，3个站点油菜的生育期长度缩短，产量出现不同程度的上升趋势，其中以石门地区在A1B排放方案中的产量增长最为显著。当CO2浓度升高到700μmol.mol1的同时，温度上升2℃时，各站点油菜光温潜在产量和雨养产量同样都出现上升趋势，而但当温度继续上升4和6℃时，三地的潜在产量和雨养产量均出现不同程度下降，且随着降雨量的逐步减少三个地区的雨养产量均呈下降趋势。（3）在不考虑CO2肥效作用下，以湖北武汉，江苏南京，湖南石门为研究地点，分析了冬油菜生育期内气候要素随时间的变化趋势；在对APSIM参数进行校正验证的基础上，运用油菜生长模拟模型APSIM-canola量化了气候变化对冬油菜生育期及产量的影响。从历史气候数据分析来看，武汉地区和南京地区的冬油菜从播种到成熟期内气候的变化主要是温度的升高，日照辐射量的降低和降雨量的升高，其中最低温度的升温幅度大于最高温度；而石门地区的降雨量呈下降趋势；日照辐射量却呈现上升趋势。同时研究发现晚播油菜产量与油菜越冬期温度有着负相关关系，相应的苗期和开花期的缩短也是最终导致产量下降的直接因素。在分析长期气候变化对冬油菜生长发育的影响下，发现苗期的长短对冬油菜产量有着直接的影响。因此，在我国冬油菜主产区的油菜栽植中，可以尽量利用早播来适当延长冬油菜的生长期，从而达到增加产量的目的。（4）在澳大利亚新南威尔士州的两个试验地点Young和Waggawagga开展双用途农业（Dual-purposeagriculture）种植模式研究。研究结果发现不同气候环境条件下，双用途农业模式的应用效果各有差异。首先分析了双用途农业模式实施期间，澳大利亚试验地区和中国模拟地区的不同气温和降雨以及日辐射量等气象条件。在油菜田放牧过后的恢复期间，石门地区的平均降雨量较为充沛，温度日较差较小且春季气温回升速度较快。虽然澳大利亚的两个试验地点Young和Waggawagga具有更好的日辐射条件，但是在油菜恢复期间的低温期较长且平均降雨量较小。尤其是位于Waggawagga干旱地区并不具备灌溉条件的试验地，两种模式下的油菜种植都获得较低的产量和收获指数。与此同时，尝试应用APSIM-grazing模拟在中国石门地区的冬油菜种植中实施双用途农业模式，最终实施双用途农业模式种植油菜可获得的经济效益为21765元/ha，比单纯收获冬油菜籽的常规农业模式多收入9285元/ha。因此在中国石门地区的冬油菜种植中尝试实施双用途农业模式是可行的。（5）运用APSIM-canola模拟分析了无灌溉情况下，三个试验点中国武汉、南京和湖南石门地区在1951-2009年之间不同的年降水量下，不同的施氮量对长江流域冬油菜产量的增减影响。从数据分析来看，在不施氮肥的情况下，长江流域冬油菜产量的波动最大。三个地区的冬油菜产量的变异系数都随着氮肥的施用而稳定。在9种不同的灌溉施肥方案的基础上量化地优选出能够达到经济效益最大化的灌溉施氮方案。研究结果表明在长江流域的冬油菜的种植中，当灌溉效率达到30%及施纯氮量为270kg/ha时即可获得最大经济效益。（6）根据1961-2010年北方三省春油菜主产区的134个气象站点的气象信息，利用GIS软件对春油菜产区的各项气候要素进行时空分布研究发现，近50年气候变化对春油菜的影响综合趋势总体表现在春油菜发育期内产区平均温度、最高温度和最低温度普遍升高，降雨量和日照时数不同地区变化趋势差异性较大，严重低温冷害频率减少和干燥度指数升高。未来干旱胁迫成为春油菜生产主要限制因子。品种抗旱性的提高将成为未来北方春油菜培育新品种的重点研究方向。同时，本文还采用APSIM-canola模型模拟了春油菜产区不同年代气候、相同的土壤、品种和管理措施组合下的春油菜产量。通过分析20世纪80-00年代气候情景下春油菜的产量差值，定量分析了春油菜产区气候要素对春油菜产量的影响。与20世纪80年代相比，气候要素的变化导致春油菜产区春油菜减产约19.5%。其中最高温度与产量呈负相关关系；而最低温度与产量呈现正相关关系；在大范围地区内的日照时数与春油菜产量的变化关系表现为负相关关系；降雨量与产量的关系尚存在不确定性。因此，农业耕作方式的改变和品种更新将成为未来春油菜生产应对气候变化的主要方法。
【作者】王莎；
【导师】王飞；
【作者基本信息】西北农林科技大学，园林植物与观赏园艺，2014，博士
【关键词】油菜；气候变化；APSIM-canola生长模型；生育期；产量；

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