行业领域：农、林、牧、渔业 —— 农业

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一. 研究背景
　　我国水资源严重短缺，人均淡水资源仅为世界平均水平的1/4，是全球人均水资源最贫乏的国家之一。同时，我国水资源利用效率不高，农业灌溉水利用率远低于世界先进水平。我国农业正受到水资源不足、耕地减少、农业生态环境日益恶化的严重威胁。为此，《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》把水和矿产资源确定为科学技术发展的优先领域，把综合节水列为优先主题，强调开发灌溉节水、旱作节水与生物节水综合配套技术，开展提高水资源利用率研究。
　　我国农业正处在从传统农业向现代农业发展时期，农业科技水平有待提高，水资源利用效率等受气候变化的影响更大。上世纪90年代以后，气候暖干化导致作物需水量逐年增加。研究结果表明气候变化对我国农田水分利用效率的影响很大。因此，开展较为系统的研究，弄清气候变化对我国农田水分利用效率的影响规律，提出相应对策和适应技术，提高水资源利用效率，是我们应对气候变化必须面对的紧迫课题。
　　二. 研究方法及主要技术成果
　　采用大田模拟试验、历史资料结合模型模拟和验证等，综合开展了气候变化对作物水分利用效率影响研究，得出了一些创新性的成果，具体地：
　　1. 揭示了气候变化对作物产量和叶片水平水分利用效率（WUE）的影响规律和机理
　　在气候变化大背景下，随着农业生产技术水平的提高，长江中下游地区水稻以及干旱半干旱区春小麦、马铃薯和玉米产量水平水分利用效率在不断提高。在不考虑农业生产技术水平变化时，受区域气候变化影响，玉米、冬小麦、马铃薯产量水平水分利用效率总体呈逐年减小趋势。
　　在产量水平上：大多数农作物（如水稻、棉花、春玉米、豌豆、春小麦等）以及豌豆-春小麦-马铃薯轮作系统产量水平WUE随生长期温度的增加而呈减少趋势，但减小幅度不同。而有些农作物（如冬小麦、马铃薯等）产量水平WUE随着生长期内温度升高先增大后减小。几乎所有农作物产量水平WUE随生长期总耗水量、降水量（灌水量）的增加呈抛物线型减小，随着CO2浓度升高而提高。不同作物WUE达到最大时的温度、水分、CO2浓度有差异。从机理上来看，增温和水分减少导致半干旱区春小麦株高、叶面积指数减小，千粒重、穗粒数下降，导致产量和水分利用效率降低。CO2浓度增加时春小麦株高、叶面积指数、干物质积累增加，最大积累速率逐渐增大，千粒重增加，最大灌浆速率升高、总穗粒数和产量增加，进而提高了春小麦WUE。在雨养农业区，降水是农业生产最主要的水分来源和对作物WUE影响最大的水分供给项或关键的水分供给项。名特优作物产量水平WUE随着生长期温度升高、耗水量（降水量）的增加都呈先增后降的趋势。当温度达到中等温度年型时，继续升温对这些作物产量贡献不大。超过中等灌溉定额后，过多灌溉（降水量）是不经济的。当温度、CO2浓度与水分变化耦合时，温度与水分增加，春小麦WUE减小，这是由于在高温高水条件下春小麦耗水量增加，使得其株高、叶面积指数、干物质重量、产量降低所致。
　　在叶片水平上：大多数作物（春小麦、玉米、水稻、大豆等）叶片水平的WUE随着增温和土壤水分增加而降低，随着光合有效辐射增加先增后降，随着叶片表面CO2浓度升高而持续增加，增减幅度因作物不同生育期、不同品种而异，C3作物从CO2浓度升高中获益更多。
　　2. 发现了气候变化背景下施肥、灌溉技术对作物水分利用效率的影响特征

　　无论未来大气温度升高1℃、2℃，CO2浓度升高90、180ppm时，采用低磷、低氮肥投入将更为经济、适宜。在气候变暖的背景下，漫灌模式无论从耗水、产量、水分利用效率还是纯收益等方面均表现出弱势，而滴灌和喷灌则更能适应气候变暖的挑战。
　　3. 预估了气候变化对对农田土壤水分、作物需水量及水分利用效率的影响 
　　气候变暖导致作物需水量增加。气候变暖对不同作物需水量的影响程度不同：其中对冬小麦需水量的影响最大， 对马铃薯、玉米和春小麦次之。变暖对干旱区的作物需水量影响最大，半干旱区次之， 其次是半湿润区，对湿润区影响不大。
　　预计未来30年，A2、B2气候情景下，雨养农田冬小麦WUE减小，各地平均减少率为3.8%，且减少率A2＞B2。预计未来30年，A1B、A2气候情景下，灌溉农田春小麦、春玉米、水稻WUE将减小，且减少率A1B ＞A2。A1B情景下，三种作物WUE将减小。
　　4. 提出了适应气候变化、提高旱作和灌溉农田作物水分利用效率的适应技术和对策
　　根据研究结果，提出了适应气候变化、提高旱作和灌溉农田作物水分利用效率的适应技术和对策，包括：1）选择抗旱品种；2）适当调整播期，春播作物适当提前播种，秋播作物适度推迟播种等；3）适当减小种植密度；4）灌溉区调整灌溉模式，采用滴灌、喷灌等节水灌溉技术。旱作区采用垄沟地膜覆盖、垄沟径流集水蓄墒、集雨补灌等抗旱节水栽培技术，并在不同发育期进行适量的补充灌溉；5）因地制宜进行种植结构调整，适当压缩冬小麦种植面积，适当扩大玉米、马铃薯等水分利用效率较高的作物种植面积；6）适当进行低磷、低氮肥等施肥技术。
　　5. 确定了适应气候变化的灌溉量指标和最佳灌溉方案
　　在干旱半干旱区，以集雨补灌和滴灌为主要补充灌溉方式，喷灌次之，改1次灌溉为多次灌溉，总量保持不变。2）根据土壤湿润比，计算灌水定额，实现轻旱时及时补灌，可提高作物产量和WUE。大田作物在补充灌溉时一般只灌关键水，因而灌溉次数一般为3-4次。3）根据“作物灌溉时间灌溉量预报系统” 中的土壤墒情、灌溉时间、灌溉量预报模块，确定玉米、春小麦、棉花和马铃薯等主要作物的适宜灌溉时间和灌溉量。
　　三. 总体完成情况
　　1．基于模拟试验（包括增温、OTC、水分控制、分期播种等）和历史资料分析，揭示了气候变化对作物水分利用效率的影响规律和机理。包括温度、降水量（灌水量）、CO2浓度变化及其耦合等对主要农作物（水稻、棉花、春玉米、豌豆、春小麦、冬小麦、马铃薯等）产量和叶片水平水分利用效率影响规律和机理，温度、降水量（灌水量）变化对名特优作物（苹果、当归、黄花菜、油橄榄、啤酒大麦、枸杞等）产量水平水分利用效率影响规律和机理。基于作物模型和不同气候变化情景，预估了气候变化对农田土壤水分、作物需水量及水分利用效率的影响。
　　2．开展了不同节水种植方式（双垄沟覆膜种植等）、灌溉技术（喷灌、滴灌、漫灌）、不同施肥水平（磷、氮等）大田试验，揭示了气候变化背景下施肥、灌溉技术对作物水分利用效率的影响特征，结合气候变化对作物水分利用效率的影响规律，从品种选择、播期调整、灌溉模式调整、种植密度控制、节水栽培、地膜覆盖、种植结构与施肥水平调整等方面，提出了适应气候变化、提高作物水分利用效率的技术与对策。
　　3．提出了以集雨补灌和滴灌为主要补充灌溉方式，喷灌次之；改1次灌溉为多次灌溉，总量保持不变；根据作物各生育期耗水亏缺以及土壤湿润比，计算灌水定额，实现轻旱时及时补灌等适应气候变化的灌溉量指标和最佳灌溉方案。研发完成了“作物灌溉时间灌溉量预报系统”，可实时计算确定主要作物的适宜灌溉时间和灌溉量，并已在业务中试应用，效果良好。
　　4．正式发表论文68篇，其中SCI（EI）收录13篇。编著出版《旱区名特优作物气候生态适应性与资源利用》、《气候变化下旱区农事技术》、《中国西北地区粮食与食品安全对气候变化的响应》、《气候变化地球会改变什么？》专著4部。
　　5．完成了近30年来气候变化对主要农作物水分利用效率的影响事实评估、不同气候变化情景对主要农作物水分利用效率的影响预评估、以及适应气候变化、提高农作物水分利用效率的对策技术综合报告一份。收集整编完成《农田水分利用效率对气候变化的响应与适应技术》论文集一部。
　　6．依托项目11人晋升为教授、正研级高工、副研究员等、副教授等，培养博士研究生8人、硕士研究生8人。4人次分别入选中国气象局“青年英才”计划、“西部青年优秀人才”计划、“全国气象优秀科技工作者”称号等。
　　四. 创新点及项目所解决的关键技术
　　气候变化对旱作、灌溉农田作物水分利用效率的影响规律和机理，适应气候变化、提高旱作和灌溉农田作物水分利用效率的适应技术和对策，适应气候变化的灌溉量指标和最佳灌溉方案等方面的创新成果，进一步丰富了农田水分利用效率对气候变化响应的新认识和新发展，并为相关业务发展、应对气候变化提供了技术支撑。
　　五. 成果应用情况：
　　（一） 成果转化应用情况
　　课题研究成果已为政府提供有关决策服务，引起了省级高层领导的关注。
　　1） 决策材料“东北区域气候变化评估报告”受到辽宁省主管领导的重视。
　　依托项目有关研究成果，辽宁省气象局的《气候变化对东北玉米影响评估》决策报告，作为《东北区域气候变化评估报告》决策者摘要及执行摘要部分内容，报送地方政府，引起了省级领导的高度重视，主管农业副省长赵化明批示：“省气象部门近年来做了大量、卓有成效的工作，特别是几家气象局一把手更是大力支持，省政府表示感谢！请将此报告报送几大班子主要领导”。
　　2）服务材料“2014年气候变化影响下冬小麦备播及生产建议”，为决策部门提供了参考依据。
　　3）为农业气象业务与服务提供技术支撑，使业务和服务工作效益更加显著。
　　依托项目有关成果，兰州区域气候中心于2012年开始在《甘肃省气候变化分析专题报告》、《甘肃省夏收夏种秋收秋播气象服务信息》、《甘肃省农用天气预报》、《甘肃省干旱监测信息》、《甘肃省生态气象监测信息》、《西北地区干旱预测预警》、《西北气候变化及影响评估报告》等7种气象服务产品和农业生产措施建议中应用了该课题的技术成果。为科学合理部署农业生产、调整农业种植结构、提高农田水分利用效率、节水用水适用技术、防旱减灾技术等方面提供了技术支撑。大大增强了气象服务产品的科学性、指导性、实用性、针对性。服务工作受到政府决策部门和用户的高度重视和赞誉。
　　该课题成果对兰州区域气候中心的气候变化业务、农业气象业务与服务、预测预警业务等都具有很好的指导作用和支撑作用，使业务和服务工作效益更加明显。
　　（二） 成果对业务发展的贡献与效果
　　1. 项目研发完成的“作物灌溉时间灌溉量预报系统”以及相关的预报模型，已在业务和生产中应用，并发挥着作用。
　　“作物灌溉时间灌溉量预报系统”可对灌区作物的灌溉时间和灌溉量进行预测，并根据预测结论提供合适的灌溉时间和灌溉量的生产建议，可为水利部门确定合理的灌水时间、适时开闸放水灌溉提供决策依据，为农业生产节约用水和精准化管理提供灌溉依据，对干旱缺水地区合理利用有限水资源，充分发挥现有水资源效益具有重要作用。建立的“不同土壤水分条件下玉米主要发育期需灌水量指标”，已经在玉米、大豆、棉花等农田节水滴灌和大田作物播种期预报等方面得到应用。
　　2. 在经济发展方面：提供的服务材料有力支撑了地方经济建设。
　　1）“农田水分利用效率对气候变化的响应与适应技术”课题的研究成果，为甘肃提高农田水分利用效率提供了科学支撑，增产效果非常突出。
　　2）“玉米节水灌溉技术和预报系统”受到当地政府欢迎，社会经济效益明显。
　　3）“马铃薯、玉米适宜播种期预报”提供了最适宜的播种期建议，受到当地农户和生产部门的采纳，社会经济效益显著。
　　项目成果在业务服务中推广应用，定西市气象局应用成果于业务，其中2012-2015年发布的“定西市马铃薯适宜播种期预测”、“定西市全膜双垄沟播玉米适宜播种期预测”中提出了应用气候资源，提高水分利用效率的建议，其中，2015年，定西市主管农业的副市长张懿笃在服务材料上批示指出：“请相关部门按照气象部门的生产建议做好服务工作”。农业生产部门釆纳该建议，扩大了马铃薯和玉米的种植面积，在“产业转型升级”步伐发挥了重要作用，达到了农业増产农民増收的目的。
　　（三） 转化应用中存在的主要问题
　　（1）本课题研究证实了过去几十年气候变化对农田水分利用效率带来了重大影响，并且通过试验模拟的手段研究了未来气候变暖对旱作和灌溉农田作物水分利用效率的影响，需要我们高度重视，但由于研究时段等要素限制，缺乏对其他作物的系统研究。建议在今后的研究中通过各种模拟进一步系统研究未来不同气候变化情景对水分利用效率的影响。
　　（2）本课题从科研角度开展了气候变化对农田水分利用效率影响的研究，但业务应用研究仍然不足。建议与业务人员合作，进一步开展业务化技术开发研究。
　　（3）由于资料收集比较困难，本课题研究仍然存在一定的局限性。建议加强气候变化对农田水分利用效率影响的长期连续监测和跨部门跨区域合作研究。