河南省是我国最重要的冬小麦生产基地之一，小麦种植面积和产量均居全国首位。由国家发改委最近组织编制的《全国新增千亿斤粮食生产能力规划》中，河南省计划新增150亿千克，因此保障河南省冬小麦高产稳产是一项长期而紧迫的任务。然而，受全球气候变化的影响，近50年河南省的农业气候发生了显著变化^[1-3]，极端天气气候事件与灾害的频率和强度明显增大，农业生产面临的风险剧增^[4]，未来冬小麦生产面临的不确定因素进一步增加^[5-6]，因此，做好河南省冬小麦生产应对气候变化工作，对河南省乃至全国粮食生产和经济发展具有重要的现实意义。

由于河南省处于暖温带和亚热带气候交界的边缘地区，气候的过渡性特征较强，降水时空分布具有明显的不稳定性，自然降水往往不能满足冬小麦正常生长的需水要求^[7]，河南省除豫北北部及豫西个别县 (市) 灌溉条件较差外，大部分地区均以灌溉小麦为主^[8]。因此本文利用参数调试后的DSSAT-CERES小麦模型^[9]，结合区域气候模式输出的未来2021—2050年气候情景数据，重点分析未来两种温室气体排放情景下河南省灌溉小麦的产量变化趋势，对未来农业生产及影响进行合理评估，并初步提出对策措施，以期为有关部门制定相关的决策提供依据。

IPCC排放情景特别报告中，在对已有温室气体排放情景进行分析的基础上设计了4种未来全球发展模型，主要分为A1，A2和B1，B2情景，与我国国情最相符的是A2和B2，即国内或区域资源情景和区域可持续发展情景^[10]。本研究所用的这两种情景下的未来逐日气象数据为区域气候模式RCM-PRECIS的模拟结果 (表 1)。PRECIS是英国Hadley气候预测与研究中心发展的新版本RCM系统，其水平方向分辨率为50 km×50 km，垂直方向为19层。许吟隆等^[11-12]对PRECIS的逐日模拟结果在中国区域进行了修正与验证，经过一定局地化处理可直接代入作物模型。区域气候情景资料由中国农业科学院提供。

表 1

表 1 PRECIS模拟的地面气温、降水及CO2体积比浓度变化 Table 1 Variation of temperature, precipitation and CO2 density by PRECIS 时段 A2情景 B2情景 气温增量/℃ 降水增量/% CO2/(μL·L-1) 气温增量/℃ 降水增量/% CO2/(μL·L-1) 2021—2050年 1.00~2.11 3.3~7.0 440~559 1.16~2.20 3.7~7.0 429~492 注：相对于气候基准时段 (1961—1990年)。

表 1 PRECIS模拟的地面气温、降水及CO2体积比浓度变化 Table 1 Variation of temperature, precipitation and CO2 density by PRECIS

模型的模拟能力是区域应用的根本。本文所用的农业技术转移决策支持系统DSSAT (4.0.2.0) 由农业技术转移国际基准网IBSNAT开发研制^[13-14]，整个系统含有作物模型、数据文件管理、系统应用三大部分，其中的CERES小麦模型包括小麦生长、土壤水分、土壤肥力、作物残余物和田间管理模块，逐日输出作物干物质积累、蒸发蒸腾、养分状况等，近些年来已在我国得到广泛应用，被证明适用于大部分地区^[15-17]。

冬小麦田间管理措施资料源于河南省30个农业气象观测站1981—2007年观测数据。观测资料基本能够反映河南省冬小麦播种方式、灌溉时间等生产种植的总体情况，也符合作物模型运行对管理措施的信息要求。

收集整理河南省118个基本气象站1961—1990年历年逐日最高气温、最低气温和降水量要素，与PRECIS的气候基准时段河南区域平均值进行对比，从而对A2，B2情景资料进行本地化修正。将修正后的区域气候数据降尺度到作物模型可用水平，并进行格式转化等待调用。

运行作物模型的最小数据集包括：① 站点基本信息，选择河南省30个农业气象基本观测站；② 气象资料包括逐日最低气温、逐日最高气温、逐日降水量和逐日太阳辐射等；③ 土壤资料，主要为农田坡度、土壤质地组成、土壤有机质含量、土壤容重、表层全氮含量、表层土壤pH值等，主要参考《河南土壤》^[18]；④ 作物品种特性参数，即遗传参数，将模拟值与观测的产量、发育期、干物重等资料进行对比，通过在计算机上反复调试确定。

模型验证是开展未来气候变化影响模拟的前提。本文在利用DSSAT-CERES小麦模型模拟未来气候变化影响前，已建立了相应数据库，对模型在河南省的应用情况进行了验证，证明模型模拟的冬小麦生产情况与实际基本相符 (图 1、图 2)，可以用于未来气候变化模拟。

图 1

图 1. 1994—2004年冬小麦产量观测值与模拟值 Fig 1. Observed and simulated yields of winter wheat during 1994—2004

图 2

图 2. 1994—2004年冬小麦全生育期长度观测值与模拟值 Fig 2. Observed and simulated developmental days of winter wheat during 1994—2004

河南省大部分麦区自然降水不能满足冬小麦正常生长的需水要求，灌溉可显著提高小麦单产。按照农业气象观测记录和当前河南省冬小麦生产的实际情况，设定河南省大部分地区冬小麦全生育期灌溉3次，即灌越冬水、返青水和抽穗灌浆水，灌溉量为每次900 m³·hm^-2，而豫南信阳地区自然降水充足，故设定小麦为雨养模式。虽然未来气候变化情景下CO₂体积比浓度有所升高，但有文献指出，只有在冬小麦生长的环境条件适宜、水肥得到充分满足的条件下，CO₂的肥效才能表现出来，在现实的农业生产中要完全达到这种理想状态，还存在很大困难^[19-20]，所以本文在进行未来模拟时，暂不考虑CO₂的肥效作用。

模拟结果显示：2021—2050年，A2情景下河南省灌溉小麦产量比气候基准时段平均减产5.8%，B2情景减产4.9%。A2情景2031—2040年减产率相对较大，达6.9%，到2041—2050年产量略有回升；B2情景下灌溉小麦减产趋势随着年代递增，其中2021—2030年和2031—2040年减产率小于A2情景，但进入2041—2050年后B2情景减产率达6.9%，高于A2情景 (图 3)。从空间分布上看，两种温室气体排放情景下均以豫西山区、豫南局部减产率较大，豫东平原及豫西南盆地减产率相对较小 (图略)。

图 3

图 3. 未来不同年代河南省灌溉小麦产量变化 Fig 3. Yield variation of irrigated winter wheat for different decades in the future

从河南省平均来看，虽然灌溉小麦产量有所降低，但大部分站点未来30年产量的变异系数较基础情景减小了2%左右，说明产量的离散程度降低，产量的波动区间略有缩小。将产量结果按前25%，25%~75%，后75%进行分组，绘制四分位图发现，25%~75%的稳产区间也相应缩小 (图 4)，图中方框代表 25%~75%产量区间，方框上、下两条垂直线分别代表 75%~100%及0~25%产量区间。产量波动情况各地区存在一定差异，以郑州和南阳地区为例，B2情景下的稳产区间略大于A2，但B2情景下0~25%的产量区间也大于A2，说明B2情景下更容易出现极端低产的年份。郑州地区低产区间在两种情景下均减少，而南阳地区灌溉小麦平均产量略增，但低产区间均增加明显。从河南省平均产量的波动情况看，当前的灌溉模式对于作物抵抗外界不利环境条件、降低灾害风险有一定作用，但对产量的整体提高已不适应。

图 4

图 4. 不同情景下冬小麦产量四分位图 Fig 4. Quartile figure of winter wheat under different scenarios

受气候增温的影响，未来两种温室气体排放情景下，冬小麦生长季内棵间土壤水分蒸发加大，作物蒸腾加速，作物耗水量增加，加上产量降低，冬小麦水分利用效率呈降低趋势。图 5列出了河南省平均及郑州和南阳地区冬小麦水分利用效率变化。由图 5可见，A2与B2两种情景水分利用效率差别不明显，B2情景下水分利用效率略高，但均低于基础情景。从河南省平均来看，2021—2050年A2和B2情景冬小麦耗水量分别增加10.1%和9.0%，水分利用效率则降低了9.64%和8.98%。

图 5

图 5. 不同情景下冬小麦水分利用效率变化 Fig 5. Variation of water use efficiency for winter wheat under different scenarios

以郑州地区为例，当前小麦播种普遍期为10月14日，分别向前、向后调整播种日期，分别模拟得出平均产量及前25%，25%~75%，后75%产量区间 (图 6)。随着播种期的提前，2021—2050年冬小麦平均产量呈降低趋势，9月中下旬播种的产量最低；产量波动区间随之减小，但稳产区间 (25%~75%) 也明显缩小，相比较而言，可能出现高产的机率略有增加。随着播种期推迟，冬小麦产量先略增加，后又缓慢减少，在未来气候变化情景下，当前播种期在维持产量波动方面较为适宜，推迟5~15 d，产量变化不显著，以推迟5 d播种获得的稳产区间及平均产量最佳。播种时间推迟到11月以后，平均产量和稳产区间下降明显。B2情景下的模拟结果与A2情景类似。

图 6

图 6. A2情景下不同播种期灌溉冬小麦产量变化 Fig 6. Yield variation of irrigated winter wheat by different plant dates under A2 scenario

有研究认为，冬小麦生长季内增温尤其以越冬前增温最为明显，但并没有否定冻害的存在。提前播种可能会使一部分低产偏弱苗达到冬前壮苗标准，或者在不出现冻害、晚霜冻等灾害的年份达到高产，但这种高产的风险极高，大部分麦苗由于冬前过旺和幼穗分化过早，容易遭受冻害甚至死苗，因此早播的产量极不稳定。而过迟播种由于苗太弱会导致减产，虽然产量的变率减小，但产量始终维持在较低水平。

由于平均气温的升高，使作物分蘖增多，但由于群体结构的限制，无效分蘖也进一步增加，田间无效养分和水分消耗增加，不利于资源高效利用和产量的提高^[21]。模拟未来气候变化对小麦产量的影响时，假定当前冬小麦播种日期不变，当前小麦种植密度一般为500粒·m^-2，出苗率按80%计，基本苗约400万株·hm^-2(与大田实际情况接近)。由图 7可见，适当减小种植密度可将产量提高1%~6%，其他条件不变时，最高产量的密度出现在300粒·m^-2时。在相对低密度的群体中，A2情景比B2情景产量偏高，密度增大时，B2情景下更易提高产量。在实际生产过程中，冬小麦不同播种期对于密度的要求也不同，晚播由于积温不足分蘖较少，需要增大种植密度；早播则必须严格控制播量以免过旺发生越冬冻害或春季倒伏。

图 7

图 7. 不同种植密度冬小麦产量变化 Fig 7. Yield variation of winter

现有的灌溉模式虽然比较适应河南省冬小麦的需水特点，但各地多为大水漫灌，水资源浪费严重，而且作物仍可能在某时期处于水分不完全满足状态。若能改进灌溉措施，实现按需自动灌溉，其他条件不变，模拟结果显示A2和B2两种情景下产量可以提高15.3%~18.7%，且稳产区间有所增加。虽然实际大田生产过程中不可能真正实现按需灌溉，但改用滴灌、喷灌等方法代替大水漫灌，也能达到节约水资源，提高产量的目的。

在讨论气候变化适应对策时，假定作物品种、播种日期及灌溉管理是静态量，在实际生产过程中，农民耕作、作物品种、田间管理等因子在生产过程中存在一个缓慢的自适应过程。例如，河南省1月平均气温0℃等温线以北麦区以种植半冬性小麦品种为主，0℃等温线以南的麦区是弱春性和半冬性品种的混杂区。与1961—1990年相比，1990—2010年河南省0℃等温线约向北扩展了1个纬度，向西扩展0.8个经度，豫东大部、豫北的新乡及豫西东部的部分地区，也逐渐开始种植产量相对更高的弱春性品种。但由于春季气温波动剧烈，弱春性品种抗寒能力相对较弱，盲目扩种使冬小麦遭受晚霜冻害的风险增大。因此，这种自适应过程是缓慢、被动的，仍需要有针对性的科学指导与技术支撑。

1) 利用作物模拟模型和区域气候模式结合的方法，模拟发现2021—2050年，河南省各地灌溉小麦可能平均减产5%左右，尤其是豫西局部和豫南的部分麦区减产量相对较大，A2情景下减产率略高于B2。

2) 冬小麦稳产的区间可能缩小，且B2情景比A2情景更易出现极端低产的年份；由于产量降低，耗水量增加，模拟的冬小麦水分利用效率降低9%左右。但灌溉对于提高作物抗逆能力、促进作物稳产仍有积极作用。若能采取适当推迟播种期或减小种植密度等农业措施，可促进增产或缓解减产。

部分研究发现，新中国成立60多年来，气候增温对河南省冬小麦单产持续增加有一定贡献^[22]，随着气温的持续升高，冬小麦产量对气温的敏感性减弱，从另一侧面反映出农业对气候变化的适应能力在提升，至少在目前的气温增幅内能够较好地适应气温变化的影响，若未来增温幅度超出冬小麦生长的适宜温度限界，必然影响作物生长发育而导致减产。有学者分析认为，受气候变化影响河南省冬小麦全生育期呈缩短趋势^[23-24]，本文在模拟过程中也发现，未来冬小麦全生育期缩短明显，A2和B2情景下河南省平均缩短4~6 d，两种情景差别不明显。由于生育期缩短，干物质积累时间相应缩短，冬小麦实际利用的气候资源也相应减少，也是导致减产的原因之一。

本文将作物模型与区域气候模式的输出结果相结合，单纯体现了未来气候要素变化对灌溉小麦的可能影响，为气候变化定量影响评估提供参考，为开展气候变化管理决策提供科学依据。但需要指出的，气候变化对农业的影响是一个系统而复杂的研究课题^[25]，未来气候变化的趋势仍存在很多不确定的因素，不同区域气候模式得出的未来气候情景资料可能有所区别；且作物模型在定量描述土壤-作物-大气复杂相互作用过程时进行了许多简化处理，对许多过程的描述仍然采用经验性方法，因此气候对农业的影响还不能完全反映出来。另外，气候环境要素对作物的影响本身就有许多不明确的结论。一些研究发现，由于CO₂体积比浓度的增加，使叶片净光合速率提高，同时CO₂体积比浓度的增加还引起气孔导度降低，导致蒸腾速率降低，两方面因素使叶片水平水分利用效率提高^[26-27]，但在产量水平上，CO₂肥效如何能够发挥效果存在一定的限制条件，且CO₂对冬小麦全生育期耗水规律的影响也尚不明确，产量水平上的水分利用效率变化还有待研究。因此，气候变化背景下，包括冬小麦在内的作物生长发育、产量形成及水肥消耗等规律还有待开展大量深入研究。