摘要
全球气候变化对粮食安全带来直接影响。目前中国以全球9％耕地养活18％人口，中国粮食生产对全球粮食安全至关重要。过去60年中国粮食产量提高了5倍，这得益于品种和技术进步。因此，明确气候变化、品种和技术进步对粮食产量影响程度，在此基础上提出适应气候变化潜力，对我国未来粮食安全具有重要理论和实践意义。 本文基于太阳辐射观测数据集和辐射估算数据集，结合作物模型（APSIM-Maize和APSIM-Wheat）,明确了不同辐射数据集差异对作物模型产量模拟影响，确定了适宜中国基于作物模型的气候变化对作物产量影响相关研究的最佳辐射数据集;结合验证后的作物模型（ORYZAV3、APSIM-Wheat、APSIM-Maize和DSSAT-CROPGRO-Soybean）,定量了气候变化对水稻、冬小麦、玉米和大豆主要作物产量影响程度，通过设置CO2浓度、温度、降水和辐射单因子变化情景，剥离了单一气候要素变化对作物产量的影响程度;在此基础上，基于品种资料（生育期内热量需求和粒重）和技术进步资料（机械、氮肥和灌溉），结合机器学习模型方法（随机森林模型），定量了品种和技术进步对产量贡献份额;最后基于历史和未来气候情景数据，分析了更替品种和调整播期对气候变化适应潜力，以产量不降低为目标，定量了未来气候变化情景下主要作物节水和节肥潜力。本文主要结论如下: （1）所有估算的辐射数据集全年尺度日平均辐射均高于辐射实际观测数据，玉米和冬小麦生长季内总辐射量差异同样呈估算的辐射高于实际观测辐射。分别以辐射实际观测和估算数据作为作物模型输入项，全国尺度上气候变化对玉米和玉米产量影响评估存在较大偏差，其中玉米负面影响被高估3～6倍，冬小麦产量影响存在正负效应差异，基于CMFD再分析数据集与实测辐射数据作为输入项的评估结果相近。 （2）1981-2018年间，四种主要作物单产增加趋势由高到低依次为玉米、水稻、冬小麦和大豆。不考虑CO2浓度变化情景下，与基准年代（1981-1990年）相比，气候变化对四种主要作物均为负面影响，影响程度由高到低为玉米（8.7％）、水稻（6.1％）、大豆（3.4％）和冬小麦（2.6％）。温度、降水和辐射变化对四种主要作物影响均为负，其中温度变化影响负效应由高到低为玉米、冬小麦、大豆和水稻;降水变化影响负效应由高到低为大豆、玉米和冬小麦;辐射变化影响负效应由高到低为水稻、玉米、大豆和小麦。CO2浓度升高的肥效作用可显著提高产量，其中水稻最高，其次是冬小麦和大豆，玉米最低。 （3）品种和技术进步对作物产量影响均呈正贡献。技术进步对主要作物产量的贡献平均为54％（35％～68.5％）,其中农业机械总动力的贡献为23％～44.8％，氮肥施用量的贡献为8.4％～13.6％,灌溉比例的贡献为9.1％～13.4％。品种进步对主要作物产量贡献四个作物平均为26.7％,其中粒重变化的贡献为11.5％～26％，作物生育期内热量需求的贡献为4.8％～8.5％。中国主要作物产量提升主要驱动力为技术进步，品种进步对产量的贡献近年来仍处于上升趋势。 （4）考虑CO2浓度升高，1.5℃和2℃升温情景下气候变化对水稻和冬小麦产量影响为正效应，对玉米和大豆影响为负效应。品种和播期可有效适应升温，其中以品种热量需求增加为主要特征，其次是播期和花后生育期比例增加。除玉米外，其他作物在适宜水氮管理条件下，由于品种和播期的适应，以及CO2浓度升高，未来作物产量相较于历史产量均有所提高。与推荐施肥量下的历史产量相比，在保证产量不降低情景下，未来大豆节肥和节水潜力最大，其次是冬小麦和水稻，但水稻种植区之间差异较大，玉米产量有所降低。
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