基于作物模型的气候变化对中国 C3、C4 作物生长的影响分析

气候变化已经对农业生产和粮食安全产生严重威胁。鉴于 C3、C4 作物 对气候变化的响应差异，本研究利用中国主要 C3、C4 作物（小麦和玉米） 的生长、管理措施、气象和土壤等数据，首先采用 Sen 斜率和 MK 趋势检验 方法分析种植区内作物生育期各气象要素的时空变化特征；其次利用经典模 态分解方法（EMD）对作物产量进行去趋势化处理，再基于 Pearson 相关系 数（PCC）和交叉小波分析（XWT）定性分析各气象变化与不同作物产量的 相关性；然后基于校正后的 WOFOST（WOrld FOod STudies）模型探究各气 象要素变化和作物生长指标之间的定量关系；最后基于未来气象数据，预测 不同辐射强迫情景下作物生长变化情况。主要结论如下所示： （1）C3、C4 作物在历史时期（1984-2016 年）生育期内各气象要素均 呈现显著变化，太阳辐射量（Radi）、昼夜温差（Tdiff）、最高气温（Tmax）、 最 低 气 温 （ Tmin ） 和 降 水 （ Pre ） 随 时 间 变 化 的 显 著 程 度 排 序 为 ： Radi>Tdiff>Tmax>Tmin>Pre。各种植区作物产量总体均呈上升趋势，但 EMD 分解结果显示 C4 作物产量更易受外部因素干扰。气象要素与产量的 PCC 与 XWT 结果表明，影响的显著程度排序为：Radi>Tdiff>Tmax>Tmin>Pre。 （2）C3、C4 作物产量受其生育期内温度和太阳辐射量变化影响最显著。 WOFOST 模拟结果显示：温度变化使 C4 作物产量总体呈上升趋势，C3 作 物产量却呈下降趋势；太阳辐射量变化对 C3 作物产量提高起到积极作用而 不利于 C4 作物生长发育；降雨量变化对作物产量影响相较于其他气象因素 最小；CO2 浓度变化对 C3、C4 作物的产量和水分利用效率提高均起到积极 的作用。 （3）SSP2-4.5 和 SSP5-8.5 排放情景下，C3、C4 作物生长指标总体呈 增加趋势，SSP5-8.5 情景下 C3 作物产量及水分利用效率均较 C4 作物更高。 WOFOST 模型模拟结果显示：SSP2-4.5 情景下未来预估时段（2021-2100 年） C3 作物产量变化率为-6%~36%，水分利用效率变化率为-1%~11%；C4 作物 产量变化率为-8%~28%，水分利用效率变化率为-3%~8%。SSP5-8.5 情景下 C3 作物产量变化率为 2%~45%，水分利用效率变化率为-5%~13%；C4 作物 产量变化率为-2%~37%，水分利用效率变化率为-2%~13%。

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