全 文 ：生态科学2006年2月第25卷第1期 ECOLOGICSC ENCEFeb．，2006，25(1)：34～37
气候变化对我国干旱／半干旱区小麦生产影响的模拟研究
杜瑞英1，2一，杨武德1，许吟隆2，冯强2(1．山西农业大学，太谷03080l；2中国农业科学院气象所，
北京100081；3华南农业大学，广州510642)
【摘要】 利用随机天气模型，将气候模式对大气中C02倍增时预测的气候情景与CERES．小麦模式相连接，研究了气
候变化对我国冬小麦和春小麦生产的可能影响。并对水分、温度、C02综合对小麦的作用进行初步模拟分析。所得结论
为：①气候变化后小麦发育将加快，生育期缩短，春小麦生育期缩短的绝对数和相对数均小于冬小麦。②北方十个站
点小麦生产的最适水分条件在不同站点、不同气候情景下都有所不同。最适水分条件变幅在40％～80％。③在不考虑
CO，对小麦影响的情况下，由于热量充足，只要水分条件适宜，未来我国北方干旱、半干旱地区小麦产量整体都有增产
趋势。如果考虑C02，增产效果更加明显。
关键词：气候变化；小麦发育及产量；作物模式；随机天气模型：气候模式
中图分类号：S512．10l 文献标识码：A 文章编号：1008．8873(2006)01．034．04
SimuIationstudyimpactsofclmatechangeontheproductionofwheat
DuRui-ying‘’厶3，YANGWu—de3，XUYin-lon91，FENGQiaIl91(1AgmmeteomlgyInstitute，ChineseAcademyofAgricultural
Sciences，Beiiing100081；2SoutllofChinaA西culturalUniverSityGuangzhou510642；’ShanxiAgriculturalUniversity，
T射gu030801：。GeographvInstituteChineseAcademvofSciences，Beiiing100081)
AbstractThefI’ectSofclimatechangeonwinterWheatIldsDringwheatofChinawereanalvzedbyusingmestochastic
weamerg neratorwhichombinded廿1eCERES．wheatmodelwimtheclimatechangescenariospredictedbymeclimatemodel
wim廿le锄ountfOO，increased．ThencontrolwaterthewheatunderA2、B2climatechangesc nario，withtheheatandC02
efrect．weresimulatedresDectivelv．Theresultsindicatematllegrowin2seasonofwheatisshortenedbecauseofclimate
chaJlge，．ThestagesofWinterwheatweremoreshortenhanSpringwheat．IntesitesofNomlChina，diff．erentareasnd
climateconditionswillhavedifI．erentop im啪waterconditions．Variationscopeofoptimumwaterconditionsis40％～80％．
WimouttllefrectsofCO，，wheatVieldwillincreaseunderoptimumwaterconditioninthefuture．WitllC02efrects，wheat
yieldhasextensiVeincr ase．
Keywords：CliIIla士ech锄盛e：I)evelo邮entand弧eldofwheat：CmpsiIIlul鲥onmodel：Stochasdcwe抽ergenera击or；ClilTmtemodel
随着工农业的发展，特别是工业革命以来石化燃
料的利用，大气中二氧化碳、甲烷等温室气体浓度不
断增加。它们通过影响地球系统的辐射过程，使全球
气候增暖12J。在全球增温的大背景下，我国北方地区
温度和降水都有明显的上升。但是由于温度升高造成
蒸发、蒸腾量也增加，所以未来降水的增加并不能缓
解我国干旱、半干旱区的缺水局面⋯。
我国小麦种植面积与水稻相近，占粮食产量的
20％～25％。大气中c02浓度上升和气候变化对小麦
生产的可能影响，引起了我国及世界各国的关注，己
进行了很多研究【3~5J。作物生长模式是研究气候变化对
作物可能影响的有效方法。控制试验表明，C02浓度
增加将促进作物光合作用，有利于作物生长和产量形
成【6】。大量资料表明，大气中C02含量在逐年增加，
而相应的农业干旱问题则变得越来越突出。因此，要
求农业生产能更有效地利用有限的水资源去获取较高
的产量和较好的产品质量。
目前国内外研究集中于水分、温度或C02等单一
因子，本项研究的目标是将气候模式对中国未来区域
气候情景预测结果与CERES—Wheat小麦作物生长动
力模型相结合，在利用实际观测资料CERES—wheat
模型进行充分校验的基础上，综合水分、温度和C02
变化对我国北方小麦生产的影响，寻求小麦生产最佳
的水分条件。
1总体研究方法
1．1站点、小麦品种的选择及技术路线
根据目前各地的生产状况和主要种植品种，确定
10个代表站点(见表1)的栽培管理方式。本研究均
采用1999年各站点的品种及遗传参数作为评估气候
变化小麦产量变化的品种及遗传参数，以1999年的各
站点小麦田间试验处理作为未来气候变化的试验文
件。天气资料采用PRECIS模型模拟输出Baseline
(1961～1990年)天气数据和A2(2071～2079年)及
B2(2071～2090年)系列的未来情景数据。将已经调好
收稿日期：2005．0I—14，2005一02—20接受
基金项目：国家科技攻关课题(项目编号2001．BA6llB)
作者简介：杜瑞英(1977一)，女，华南农业大学在读博士，研究方向：
农业生态、恢复生态、污染生态。E—mail：dumiving@163．com
万方数据
1期 杜瑞英，等：气候变化对我国干旱／半干旱区小麦生产影响的模拟研究 35
表I小麦站点及品种一览表
Table1 Wheatstation$andbreeds
站点Station海拔altitude品种breed
甘肃敦煌
177．4 垄麦¨．
GuansuDunhuang
“
Iongmai
黧墨№aⅢ0．4篡怒i。
内蒙古固阳
7，s≈
新春3号料
NeimengguGuyang⋯～xinchunNo．3
青海煌源 1130 8511料
Qinghaiu ngyuan
‘‘～
No．851 1
新疆阿勒泰
】1417
7464+
XinjiangAletai No．7464
浆黧nshui 2636．3 No．3233*2*3’
S蛔hanx临iL汾infen 447．8 然篡
曼要夺‰ ，s∽ 盏耋兰嚣瞄
陕西武功449c 晋麦108+
ShaanxlWugong jinmai108
要藏拉孽 3650．1 墨麦?
、
垒!圣型!苎生竺堡 !竺!坚!璺!
注：+冬麦Winterwheat，”春麦springwheat
的作物遗传参数、随机天气模型产生的逐日天气资料
(Baseline、A2和B2情景)及土壤资料等输入
CERES—Wheat模型，逐日模拟小麦在五种水分胁迫条件
(田间持水量的40％、50％、60％、70％和80％)下的
生长发育过程和产量情况。然后在考虑未来C02浓度
(recc2001)变化情况下，输入逐年的C02浓度，模拟五
种水分胁迫条件下，在A2和B2情景下对小麦产量、生
育期的影响。研究的基本方法和过程如图l所示。
1．2气候情景与随机天气模型
本研究利用“中英气候变化合作研究”项目提供
的区域气候模式PRECIS，基于SRES的分析，以
Hadley中心提供的高分辨率的GCM大尺度背景场，
在对1961～1990年气候基准值进行实测资料验证的
基础上，模拟选择的是A2、B2两种气候情景。PRECIS
是在GCM的基础上考虑了地形等诸多因素建立起来
的区域气候模型。它的分辨率大大提高，模型的水平
网格点是50×50km，这就为更好地模拟未来气候提
供了坚实的基础。本研究的前期工作已经对
CERES．Wheat模型的模拟能力进行了大尺度的空间
和长时间序列上的验证，并对区域气候模式对气象要
素的模拟和区域气候模式(RCM)与作物模型的耦合
能力做了验证pJ，有较高的可信度。
2作物模式与随机天气模型
2．1作物模式的分析验证
本项研究中作物模型选择的是以CERES
(Crop—EnvironmentResourceSynthesis)为核心的
DASSAT(DecisionSupportSystemforAgrotechnology
Transfer)模型，选取CERES．Wheat模型。
CERES．Wheat可模拟天气、土壤和栽培管理等对小麦
物候发育、叶面积扩展、茎蘖消长、穗器官形成、叶
片衰老、生物量生产、运输与分配以及根发育动态等
过程的影响，其中与水分有关的土壤一根系模块还描
述了根发育与土壤水分、温度和蒸腾作用等之间的相
互关系，可模拟水分逆境对光合作用和物质分配的抑
制作用；而且该版本已考虑了C02浓度增加对小麦光
合作用和蒸腾作用的增益效应；模型对小麦品种特性
的描述是通过遗传参数来实现的，而参数的确定可以
禾IJ用当地天气、土壤和作物资料在微机上调试完成。
该模型目前已在许多不同气候与土壤类型的国家得到
验证【8】。该模型的最大特点就是充分考虑气候、土壤、
作物品种、灌溉施肥等作物栽培条件和管理措施对作
物生长过程的影响，从作物生理上对产量以及作物需
水量进行模拟分析。
2．2参数选取
’CERES．Wheat模式需要输入土壤水分、养分、品
种参数等资料，但在气候变化影响分析中，一方面难
以获得各点的详细资料，另一方面，输入资料应有较
我国北方小麦生产的时空分布Thewheat a象E5卜钾heat模型
istributingonthespace-timeinthenorthchina C职E孓一Ⅵleatmodel
●
历史天气资料weatherdata
l
站点选择selectstation 田间试聆咨料exnerimentdata
‘
土壤资料soildata 品种遗传参数geneticoarameter
PRBC腻蹴模拟值(Baseline) ◆
PRB啜求aⅥsimulaten merical CERES--Wheat模型
CERE孓一Wheatmodel
PRFL-aS韵CM模拟值(A2、B2) l
PREaSRaⅥsimulatenumericalvalue I影啊伴估effectvalue11
图1 研究的基本方法和过程
Fig1Therearchofmethodandprocess
万方数据
36 生态科学 25卷
表2不同气候情景下，j、麦的生育期比较
!塾垒!曼兰!垒竺坠竺璺!i望g!!璺g旦!i望堕i!!!!旦望!!!i坐璺!!￡垒璺望g竺!!竺望璺!i竺
萝肃敦望． 15 81 119 15 80 118 15 81 118
tiuansu1) rmuang
墨垄江呼玛一 。11 71 110 11 71 109 10 71 110
l-lellOn目langtiuma
宴琴古固阳一 9 81 109 10 81 97 10 81 97
NelmengguOuyang
煮海磐婆 15 106 169 14 106 170 14 107 172
V1ngnalttuangyuan
新疆阿勒泰XinjiangAletai14 70 109 16 70 109 14 70 109
甘肃天水GansuTianshui22 251 295 20 225 264 21 233 267
山西临汾ShanxiLinfen 7 227 257 7 209 237 7 224 253
山西太谷ShanxiTaigu9 215 245 9 199 226 9 213 242
陕西武功ShaanxiWugong10 208 243 9 192 223 10 204 239
西藏拉萨XizangLasa 25 282 346 20 263 321 18 263 322
好的时空代表性，而不是特定地点、年份和特定品种
的情况。所以在选取参数时采用如下处理方法：根据
中国土种志(土壤质地、颜色等)确定土壤参数。假定
播种期／量、施肥次数／量和作物品种等基本不变，遗
传参数通过试错法确定。
2．3随机天气模型与资料
本文所用的随机天气模型是最新的区域气候模型
(PRECIS)，利用我国10个站点近30年的逐曰气象
资料建立、调试而成。根据历史资料对模型进行大量
的验证，具有较好的普适性，产生的随机天气资料能
基本代表当地的天气状况。对模型调试、验证的同时，
也得到了一组代表当前气候状况的模型参数。根据区
表3小麦产量最高的最适水分条件(％)及增减产情况比较
值(不考虑CO，)
Table3Theoptimumwatercondition(％1a dtheyeildvariety
伍otconsiderC02)
站点Station Baseline％A2％ B2％
甘肃敦煌GuansuDunhuang50 1 40 1．01501．09
黑龙江呼玛HeilongjiangHuma80 1 80 0．93801．01
内蒙古固阳NeimengguGuyang80 1 80 1．08701．04
青海煌源QinghaiHuangyuan69 1 58 1．02601．oo
新疆阿勒泰XinjiangAletai69 l 67 1．1l 701．17
甘肃天水GansuTianshui54 1 56 1．11 591．09
山西临汾ShanxiLinfen70 1 50 1．07701．1l
山西太谷ShanxiTaigu60 l 60 1．03601．09
陕西武功ShaanxiWugong 80 1 80 1．03701．02
西藏拉萨XizangLasa 70 1 80 1．0980l：02
域气候模式对C02倍逐年递增的气候预测结果，修改
相应的模型参数，即可产生C02逐年递增后的随机天
气资料。为了增强资料的代表性和计算结果的可靠性，
对当前和未来气候情景各产生200年逐日天气资料，
输入作物模式进行计算，然后分析作物发育期和产量
的变化。
3结果分析
3．1气候变化对我国北方小麦生育期影响
A2、B2情景对春小麦的出苗期、开花期和收获
期基本没有影响。对冬小麦影响明显，5个站点小麦
的收获期都明显缩短，相应的扬花期也前移，但对出
苗影响除西藏拉萨有变化外，其它站点的基本都没什
么影响。A2情景下冬小麦生长期缩短19～3ld，春
小麦缩短0～12d， B2情景下冬小麦生长期缩短
4～28d，春小麦变化不明显，结果见表2。这可能是
未来北方麦区增温冬季>春秋季>夏季，所以冬小麦生
长期缩短较多。
3．2气候变化对我国北方小麦产量影响(不考虑C02)
不同气候情景下这些地区小麦的生育期和产量
均有变化，而且小麦最高产量的最适水分条件也不
同，结果见表3。不同地区小麦生产的最适土壤水
分含量不同，而且在未来的气候情景小麦产量均有
增产趋势。为了便于比较，均采用A2、B2情景下
最适土壤水分条件对应的产量与Baseline下最适土
壤水分条件对应的产量的比值。如西北地区的甘肃
天水小麦产量随水分变化出现了先升后降的趋势，
但在未来气候情景下最适土壤水分条件有所变化，
都有升高趋势。主要原因：一是未来气候变化以增
温为主，气温升高能增强小麦的光合作用，提高水
分、养分等的利用效率，有利于干物质积累，对于
冬小麦来说，可以安全越冬，增加有效分蘖的数量；
二是因为如果有适宜的水分条件，水分利用效率与
光合速率存在着一定的关系，即当光合作用在一定
范围内增强时，水分利用效率迅速提高，但当光合
万方数据
1期 杜瑞英，等：气候变化对我国干旱／半干旱区小麦生产影响的模拟研究 37
作用增大到一定水平时，光合速率继续增大，反而
使水分利用效率下降，所以最高产量对应的不一定
是最高水分条件，而是温、光、水等因素的最佳组
合点。在未来气候情景(A2、B2)下，小麦产量的
最适土壤水分条件在不同站点也有相应的变化趋
势，与现在(Baseline)的气候情况比，不同气候情
景对不同站点的最适土壤水分影响不同，而且产量
也普遍增加，这都是光热资源与水分条件协调的结
果，所以应扭转供水量与产量成正比的认识。
3．3气候变化对我国北方小麦产量影响(考虑C02)
在考虑C02升高的情况下，A2情景增产幅度在
20～40％，B2情景增产幅度在15～26％。而且最适
土壤水分含量在不同站点、不同气候情景下也有所变
化，结果见表4。如山西太谷地区在考虑C02浓度影
响时，除产量有明显提高外，A2情景下产量随水分
含量增加减少，B2情景与Baseline一致，先升后降。
主要是因为大气C02浓度的直接生理影响：C02是光
合作用的底物，同时C02浓度升高可促使小麦气孔
关闭，气孔阻力增大，当大气C02浓度增加时，叶
片内外C02浓度梯度加大，有利于较多的C02进入
气孔，有利于光合作用；气孔开度减小，有利于提高
植株的水分利用效率。高温对光合速率的削弱作用没
表现出来，相反还有一定的促进作用，这是因为适宜
水分条件下，高温能促进代谢与酶活性的缘故。并且，
水分亏缺条件下，大气C02浓度升高可通过促进光
合、抑制蒸腾以削弱干旱对光合作用的抑制。所以，
在C02浓度升高的情况下，小麦产量都大幅度的
提高。
表4小麦产量最高的最i垂冰分条件(％)9．Tmfi靓t较值(考虑002)
Table4Theoptimumwatercondition(％1a dtheyeildvariety
i!竺坠!i堕旦!gQ22
站点station Baseline％A2％ B2％
甘肃敦煌GuansuDunhuang50 l 501．2950 1．17
黑龙江呼玛HeilongjiangHuma80 l 601．2l 70 I．18
内蒙古固阳NeimengguGuyang80 1 601．3370 1．19
青海煌源QinghaiHuangyuan69 1 601．3560 1．15
新疆阿勒泰XinjiangAlMai69 l 701．4070 1．19
甘肃天水GansuTianshui54 1 801．2540 1．26
山西临汾ShanxiLinfen 70 1 801．3950 125
山西太谷ShanxiTa gu 60 1 401．3460 1．21
陕西武功ShaanxiWugong80 1 801．2870 1．19
西藏拉萨XizangLasa 70 1 701．2 50 1．18
4结论与讨论
(I)根据区域气候模式对大气中C02浓度倍增
后我国气候情景的预测，我国主要小麦生产区温度将
升高，大部分地区降水有所增加。若不考虑品种和播
种期的变化，气候变化将使小麦发育加快，在两种气
候情景下，小麦生育期缩短，冬小麦表现优为明显。
尽管较短的生育期不利于产量形成，但是在适当的水
分条件下，C02浓度的增益作用可在较大程度上补偿
增温带来的减产效应。还可以通过适当的调整播种
期避开高温的负面影响，适当的调整播期，使产量
提高。
(2)在不考虑C02浓度影响时，我国北方十个
站点的小麦在不同的水分胁迫条件下产量不同，不同
站点小麦产量的最适土壤水分条件也不同，除黑龙江
呼玛和内蒙古固阳两个站点外，其余站点产量受水分
条件影响较大。在适宜的水分条件下，不同地区在不
同的未来气候情景下小麦产量十个站点均表现出增产
趋势，而且各站点在不同气候情景下的最适土壤水分
条件也不同。这些表明，根据本地的光热资源特点，
采用合理的灌溉制度，在未来气候变化的形势下产量
有一定的增加潜力。
(3)在考虑C02浓度影响时，十个站点的小麦
产量都明显增加，其中，A2情景比B2情景增幅更大；
小麦产量最高时的土壤最适水分含量也有变化。这表
明，在未来气候情景下，小麦由于受到C02的直接作
用，只要水分条件适宜，就会有增产的潜力。所以，
要根据当地水资源的实际情况，结合经济效益，选择
适当的品种，调整种植制度，把全球气候变化带来的
负面影响转变成正面影响。
参考文献
⋯1 张宇．2000．气候变化对我国小麦发育及产量可能影响
的模拟研究．应用气象学报[J]．3：264．270．
【212 HoughtonJ—CallanderBA，VameySK(ed)．1992．Climate
Change1992[A]：TheSupplementaryReporttothe硬CCScientific
AssessmentCambridge[C1：CambridgeUnivers tyPress．200．
1313 WangFutang，WangShili，LiYuxiang,eta1．1991．Apreliminary
modelingoftheeffectsofclimaticchangeONfoodproductionin
China[A1．In：GengSandCadyCWeds．ClimaticVariationsand
Change：ImplicationsforAgricultureinthePacific砌m[C】．
UniversityofCalifornia,Davis，Califomia．115-126．
【4】4 戴晓苏．1997．气候变化对我国小麦生产影响的模拟研
究[M】．见：丁一汇，石广玉主编．中国的气候变化与气候
影响的研究．北京：气象出版社．513．519．
15l 林而达，张厚宣，王京华，等．1997．全球气候变化对中国
农业影响的模拟研究【M】．北京：中国农业科技出版社．142．
【6】6 KimbalBA．1983．Carbondioxideandagriculturalyield：An
assemblageandanalysisofpriorbservations[J]．J．Agron．75：
779．788．
171 田 展．2003．气候变化对我国．／J、麦生产影响模拟研究．
山西农业大学硕士学位论文．
【818 金之庆．1994．全球气候变化影响我国冬小麦生产之前
瞻[J]．作物学报．20(2)：186．197．
万方数据
气候变化对我国干旱/半干旱区小麦生产影响的模拟研究
作者： 杜瑞英， 杨武德， 许吟隆， 冯强， Du Rui-ying， YANG Wu-de， XU Yin-long， FENG
Qiang
作者单位： 杜瑞英,Du Rui-ying(山西农业大学,太谷,030801;中国农业科学院气象所,北京,100081;华
南农业大学,广州,510642)， 杨武德,YANG Wu-de(山西农业大学,太谷,030801)， 许吟隆
,冯强,XU Yin-long,FENG Qiang(中国农业科学院气象所,北京,100081)
刊名： 生态科学
英文刊名： ECOLOGIC SCIENCE
年，卷(期)： 2006,25(1)
被引用次数： 7次

参考文献(8条)
1.田展 气候变化对我国小麦生产影响模拟研究[学位论文] 2003
2.Kimbal B A Carbon dioxide and agricultural yield:An assemblage and analysis of prior observations
[外文期刊] 1983
3.林而达;张厚宣;王京华 全球气候变化对中国农业影响的模拟研究 1997
4.金之庆 全球气候变化影响我国冬小麦生产之前瞻[期刊论文]-作物学报 1994(02)
5.戴晓苏 气候变化对我国小麦生产影响的模拟研究 1997
6.Wang Futang;Wang Shili;Li Yuxiang A preliminary modeling of the effects of climatic change on food
production in China 1991
7.Houghton J T;Callander B A;Varney S K Climate Change 1992 1992
8.张宇 气候变化对我国小麦发育及产量可能影响的模拟研究[期刊论文]-应用气象学报 2000(03)

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1. 张宇.王石立.王馥棠.Zhang Yu.Wang Shili.Wang Futang 气候变化对我国小麦发育及产量可能影响的模拟研究
[期刊论文]-应用气象学报2000,11(3)
2. 胡利平.张华兰.安晶.刘晓强.杭波 气候变化对天水冬小麦生产潜力开发程度的影响[期刊论文]-安徽农业科学
2010,38(12)
3. 李长军.刘焕彬 山东省气候变化及其对冬小麦生产潜力的影响[期刊论文]-气象2004,30(8)
4. 田展.徐新良.史军.TIAN Zhan.XU Xinliang.SHI Jun 气候变化对甘肃定西、安徽合肥小麦生产影响研究[期刊
论文]-地理科学进展2006,25(4)
5. 仝文伟.查菲娜.王其英.尹文海.魏娜.Tong Wenwei.Zha Feina.Wang Qiying.Yin Wenhai.Wei Na 气候变化对河
南省小麦产量影响分析[期刊论文]-河南科学2009,27(12)
6. 袁静.XU Yin-long.YUAN Jing.XU Yin-long 基于CERES模型的临沂小麦生产的适应措施研究[期刊论文]-中国农
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1.王连喜.李菁.李剑萍.李琪.吴荣军 气候变化对宁夏农业的影响综述[期刊论文]-中国农业气象 2011(2)
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3.代立芹.李春强.魏瑞江.姚树然.郭淑 河北省冬小麦生长和产量对气候变化的响应[期刊论文]-干旱区研究
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4.李明财.郭军 CLIGEN在华北地区生成降水的效能评估[期刊论文]-中国农业气象 2010(2)
5.房世波.沈斌.谭凯炎.高西宁 大气[CO2]和温度升高对农作物生理及生产的影响[期刊论文]-中国生态农业学报
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6.王宝良.潘贤章.梁音.刘通.杨轩.穆欢.苏春丽.关庆伟 渭北旱原区域气候变化及其对冬小麦产量的潜在影响[期
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