英语原文共 13 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
巴西双种植农业系统气候风险增加：对巴西北部土地利用的影响
Gabrielle F. Pires[1], Gabriel M. Abrahatilde;o[1], Livia M. Brumatti[1], Leydimere J.C. Oliveira[2],Marcos H. Costa[1], Spencer Liddicoat[3], Etsushi Kato[4], Richard J. Ladle[5,6]
[1]维克多联邦大学农业工程系， 巴西
[2]巴塞罗那联邦帕潘大学，伊塔基，巴西
[3]埃克塞特的哈德利中心，英国
[4]应用能源研究所，东京，日本
[5]生物与健康科学研究所（ICBS），阿拉戈斯联邦大学，巴西
[6]地理与环境学院，牛津大学，英国
摘要：巴西目前是世界上生产大豆和玉米的最大国之一。造成这些谷物总产量大幅度增加的原因可能是由于在雨季足够长的地方实施双种植系统（同一 农业日历时在同一地块上种植两种不同的作物）的结果 。尽管最近的一些研究评估了气候变化后南美洲大豆生产率的变化，但是他们没有考虑诸如是否采用双种植系统和疾病发病率等重要因素，而这两者都可能会影响作物种植期。本文中使用两种作物模型和气候模型来测试五种栽培品种（以总生长积温表示）和10个种植日期，以评估气候变化后巴西的大豆生产率。研究结果表明，在同一农业日历中（种植日期通常在11月至12月）只选择种植一种作物的农田中的大豆生产率将会增加。然而9月下旬种植的短周期品种，尤其是播种在同一农业日历中种有两种作物的土地上时，作物的产量可能会大幅下降。虽然延迟早期种植品种的种植日期可以抵消生产率下降的损失，但也会损害种植第二作物的可能性。此外，由于9月和10月降雨量进一步减少，额外的森林砍伐可能导致生产率下降增多。在气候变化到来之前，需要采取紧急的适应战略来维持巴西高效的杀昂种植系统。
关键词：双种植农业系统，大豆产量，气候变化，土地利用变化
1.引言
巴西是世界第二大大豆生产国，也是世界第三大玉米生产国，2013年分别占全球作物产量的30%和7%。阿根廷和巴拉圭也是世界前六名中的大豆生产国。虽然这些商品的全球产量自1993年至2013年增长了近一倍，但巴西和阿根廷的大豆和玉米产量增长了三倍。过去二十年来，这一产量的大幅增加甚至超过了美国——全球主要生产这些商品的国家（粮农组织，2014年）的增幅。巴西粮食产量大幅度增长的主要原因之一是广泛采用双种植系统，即农民在收获大豆后，在相同的地方播种第二茬作物（主要是玉米，也经常种棉花），以此优化土地和资源的利用率。十年前第二茬作物生产并不普遍，但到2014年，它占收获玉米总面积的58%（巴西国家商品供应公司，2015年）
年降雨量高，雨季长和雨季开始的低变异性有利于实施双种植作物系统（Arvor等人，2014年）。在大多数采用双熟种植的地区，雨季约6-7个月，播种和收割时间差异很小。为了使两熟作物可行，农民需要确保大豆及时收获，而其后条件仍然有利并使第二种作物成熟。考虑到在巴西中北部的一个10000公顷大豆牧场进行播种可能需要两到三周的时间，想要实施双种植作物系统的农民通常会选择尽快播种：在卫生间隔期结束时，降雨条件略有好转。巴西和巴拉圭采取的卫生间隔期是2-3个月的时间，这段时间内农田中内不种植大豆，以此作为控制亚洲大豆锈病的措施（Phakopsora sp)。巴西的间隔期通常从6月15日持续到9月15日。在卫生中断结束结束时播种大豆会产生较高的气候风险，但锈病的发生率降低，从而减少了使用杀菌剂的必要性。此外，早期收获的大豆通常会获得较高的市场价格。
南美洲，特别是巴西，其农业生产预计将在本世纪上升，以满足全球日益增长的粮食需求。粮农组织估计，巴西的大豆和玉米产量在未来10年中可能分别增长37%和13%（经合组织/粮农组织，2015年）同样，巴西农业，畜牧业和供应部门（MAPA，葡萄牙语缩写）估计，这些商品的产量分别增长33.9%和26.3%。为了避免不利的环境后果，巴西粮食生产的增长最好不要通过增加相应的种植面积来实现，而双种植农业系统可能在实现这一目标方面发挥重要作用。巴西双种植作物系统的长期可行性在很大程度上取决于未来的气候条件。然而，最近的长期气候评估表明，由于森林砍伐和大气组成的变化，亚马逊河南部的雨季逐渐变短。（Butt等人，2011年;Costa和Pires,2010年;傅等人，2013年）季节性变化可能与采用双熟制度不相容(Arvor等人，2014年）。
以往关于气候变化对作物生产力影响的模拟研究往往过于简化了农田的复杂现实（Rotter等人，2011年)。例如，在气候变化之后，南美大豆生产力的研究通常考虑确定的(Justino等人，2013年；Oliveira等人，2013年；Rosenzweig等人，2014年或者最佳的种植日期(Rosenzweig等人，2014年)，又或者在同一农业日历中仅种植单一作物。重要的是，他们忽视了植物感染的影响，同时过于简化了巴西农民目前采用的大豆品种和种植日期的表现，并拓展了它们对气候变化的适应性。甚至于最近的研究虽然克服了以前的一些局限性，但并没有将其纳入双作物系统的使用（例如Oliveira等人，2013年; Rosenzweig等人，2014年）。一个更现实的巴西农业模式需要纳入作物系统，种植日期和品种的现实表征，所有这些都受到经济（例如生物）和生物物理（如气候，疾病）因素的影响。
本文中使用两种栅格作物模型和四个气候模型来评估区域和全球气候变化在2050年之前如何影响大豆生产率，以下为现实管理办法：
i) 农民选择在卫生间隔结束后立即种植短周期大豆品种，以便在同一农业日历中种植两种作物；
ii) 农民只在有利的气候条件下种植大豆，以获取最高的生产率（同一农业日历中种植一个作物）。
尽管我们主要关注巴西的大豆生产力，但也简要的讨论了阿根廷和巴拉圭这种商品的生产力如何变化。这里提出的结果有助于开发有效的解决方案，以减少气候变化对大豆生产力的负面影响，并保持该地区高水平的生产。
2.研究方法
2.1栅格作物模型描述
本文中使用两个机械栅格作物模型（GCR）来评估气候变化后大豆生产力的变化（因此减少与模型诱发偏差有关的不确定性）：光利用效率模型—LUE（Costa等人, 2009年; Oliveira 等人, 2013年）和地表过程综合模型(INLAND, Costa 等人, 手稿还在准备中). 尽管两种模式中的物候过程都是温度（累积有效积温）的函数，但它们的复杂性不同。
最简单的机械栅格作物模型是LUE模型，其中使用光利用效率的概念模拟碳同化。辐射强度，温度限制和土壤水分的可利用性决定了大豆每日的干物质净产量。根据物候阶段划分，整个碳同化分为叶，茎，根和籽粒阶段。根据分配给作物的干物质的百分比估计大豆产量。该模型以每日的步长运行，并由Oliveira等人充分描述（2013年）。
GCR中最复杂的作物模型是第五代地表模型INLAND，它用来模拟土壤—植被—大气系统，冠层生理学（光合作用，气孔导度和呼吸）和陆地碳平衡（净初级生产力，土壤呼吸和有机物分解）中的能量，水，碳和动量的交换。整个过程使用分层框架组织，并以60分钟的步长进行。这种模型是Agro-IBIS（综合生物圈模拟器）（Kucharik 和Twine, 2007年)的演变，并且已经被开发为巴西地球系统模型项目的一部分，旨在更好地代表巴西生物群落（亚马逊和塞拉多）和进程（火灾，洪水和农业）。这里使用2.0版本，其中包括除了12种天然植物功能类型之外的四种作物的代表。
这两种模型都是为整个南美服务的，网格分辨率为1°1°（110km X 110km）。
2.2实验设计
2.2.1种植日期和品种
在每个单独的模拟中（模拟集的描述在2.2.2节中），我们模拟了10个种植日期（9月15日，9月25日，10月5日，10月15日，10月25日，11月5日，11月15日，11月25日和12月15日）和5个品种，根据累积有效积温（GDD）的变化，从最早到最新的栽培品种：1500,1600,1700,1800和1900GDD（基础温度时10℃），普遍的总循环持续时间为100天至130天。因此，对于每个模型或者场景，每个像素内的种植日期和品种有50种可能的组合，因此我们将详细分析两个具体的例子：
bull; ESOY：在卫生间隔（9月25日）之后即刻种植短期大豆品种，表明想要及时收获大豆的农民在同一农业日历中选择种植第二批作物。
bull; HSOY：高产大豆，表明农民选择在同一农业日历中只种植一个作物，因此可以在最有利的气候条件下播种大豆。在这种情况下，每个像素内的种植日期和栽培品种组合可以产生所有50个模拟组合中的最高产量。
2.2.2土地利用和气候变化情景
本文中在2011年到2050年时间段内进行了两种模拟，并估计气候变化后大豆生产力的变化如下：
2.2.2.1土地利用变化和大气组成变化对CMIP5关于气候的影响（RCP8.5）。根据CMIP5（耦合模型比较项目第5期）试验，本组模拟考虑了土地利用变化和大气成分变化对土地使用和大气构成的影响。我们评估了RCP8.5W/msup2;-2的情况
(RCP8.5, Riahi等人，2011年)，它假设气候变化导致2100年辐射强度约为8.5W/msup2;-2，而2011年到2050年CO2的浓度从387ppmv增加到540ppmv。这被认为是高排放的情况，尽管它在所有四个IPCC AR5情况中是最悲观的，但它也是最能代表2005-2014年排放量的（Fuss等人, 2014年)。
我们使用了四个气候模式的气候数据对RCP8.5进行了模拟：哈德利中心全球环境模拟型第二版（HadGEM2-ES)，气候学跨学科研究模型（MIROC-ESM)，气象研究所耦合大气—海洋环流模型第三版（MRI-CGCM3)和挪威地球系统模型第一版（NorESM1-M)。在附录A中评估了模型能否正确模拟大豆生产地区湿季发生和停止的能力。与陆地水文学研究组（THRG）相比较，这些模型虽然掌握了降水的空间格局（Sheffield等人, 2006年），但是在研究作物的种植地点，有低估雨季开始的降雨量和延迟的倾向，大约为6至24天（见附录A）。以下变量作为模拟时的输入量：平均值，最大和最小温度（℃），降水量（mm/天），入射太阳辐射（W/msup2;），风速（m/s)和比湿（kgHO/kgair）。这些模拟也考虑了CO2浓度升高对大豆碳同化的生理作用。我们使用两种作物模型对所有气候模式的输入量进行模拟。RCP8.5对21世纪末土地利用的变化做出了全面描述，包括从初级土地过度到农田，牧场，城市地区，以及从这些用途转变为其他用途的过程。然而，无论所描述的转换是否完整，每个地球系统模型（ESM）都按照其陆地表面模型的结构，采用不同的土地使用方式。
我们审查了 HadGEM2-ES 和 MIROC- ESM（本研究中使用的主要ESM）中使用的土地利用数据。在这些模型中，在本世纪中叶之前，亚马逊和塞拉多的森林砍伐率似乎很少：直到2050年，这些生物群落的总被砍伐面积分别小于20%和60%（图1），这种程度的毁林已经在2010年初实现，地表上的这种缺陷也可能影响气候模型数据，包括用于推动作物模型模拟的湿季开始的时间。据PRODES (监控巴西亚马逊森林卫星项目).尽管亚马逊森林砍伐率自2005年至2012年大幅下降（Hansen等人, 2013年），但2013年时，下降趋势逆转并开始再次增加。尽管森林砍伐的情况有所缓解，但目前很少有迹象表明，塞拉多和亚马逊地区的农业扩张正逐渐停止（Bowman等人, 2012年; Lapola等人, 2014年; Soares- Filho等人, 2014年; Dias等人, 2016年)。因此，我们认为需要对毁林情况进行第二次评估，以评估土地利用变化对气候的影响风险。因此，我们运用了额外的模拟，来解释直到本世纪中叶时的亚马逊和塞拉多地区土地利用变化的生物物理效应，如下所述：
图 1 根据Pires和Costa（2013年）在HadGEM2-ES和MIROC-ESM模型中使用RCP8.5模拟的亚马逊和塞拉多地区总森林砍伐面积
2.2.2.2土地利用变化对Pires和Costa的影响（2013年）以及大气成分变化对CMIP5关于气候的影响（LUCID PC13).在最近的模型研究中，Oliveira等（2013年）的结论是：亚马逊地区明显的土地利用变化引起的区域气候变化的单一影响，可能对大豆生产率产生不利影响，其规模可与大气组成成分变化引起的全球气候变化相比。因此，考虑到2050年之前CMIP5的土地利用变化似乎对南美洲中南部是适宜的（这可能导致低估了气候变化对大豆生产力的影响），我们选择进行更保守的分析，并对第二组使用更强烈的土地利用轨迹进行模拟评估。
在这组模拟汇中，我们使用 Pires和Costa（2013）（以下简称PC13）中使用的森林砍伐情景和CMIP5试验（RCP8.5情景)中的CO2轨迹 。根据RCP8.5的悲观观点来看，直至2050年，亚马逊河流域的森林砍伐面积可能达到40%，而塞拉多则达到70%。本研究只评估
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[26831]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
