未来气候变化和盐度入侵对孟加拉国中南部沿海地区主要旱季作物产量的影响

《European Journal of Agronomy》：Effect of future climate change and salinity intrusion on major dry season crop production in the south-central coastal area of Bangladesh

气候变化与盐碱化对孟加拉南部沿海地区水稻和土豆产量的影响研究，采用SWAP-WOFOST模型模拟未来2050-2080年气候情景下作物响应，发现盐度升高和温度上升显著降低产量，其中土豆受高温影响更大，水稻可通过增施CO2和调整播种期缓解压力。

　　

Md Isfatuzzaman Bhuyan | Iwan Supit | Fulco Ludwig

农业系，帕图阿卡利科学技术大学，帕图阿卡利 8660，孟加拉国

摘要

预计气候变化将影响孟加拉国沿海地区的农作物生产。本研究旨在利用SWAP-WOFOST（土壤-水-大气-植物-世界粮食研究）模型，评估气候变化和盐度对孟加拉国中南部沿海地区boro水稻和马铃薯产量的影响。研究区域被划分为三个盐度等级。通过三个全球环流模型（GCMs）生成了2050年代（2035–2064年）和2080年代（2065–2094年）的天气数据，并采用了SSP585情景。研究假设到2050年和2080年，[CO₂]浓度将升高。基于文献回顾，预计气候变化可能导致盐度水平比当前水平增加10–30%。在此基础上，模拟了在高盐度和高[CO₂条件下的作物产量，并与历史时期（2001–2021年）进行了比较。模拟结果表明，随着盐度的增加，尤其是高盐度区域的产量会下降。此外，温度的升高也会导致产量减少，主要是由于生长周期的缩短。值得注意的是，马铃薯对温度变化非常敏感，因此在未来温度上升的情况下，其产量会下降。尽管[CO₂浓度的升高可能会减轻温度升高带来的不利影响，但马铃薯作物并不会因此显著受益。相反，预计[CO₂浓度的升高将提高水稻的生产力，提前播种/种植将具有优势。研究结果对于未来作物适应策略的制定具有价值。

引言

气候变化已成为全球关注的重大问题，因为它对环境和人类文明构成了严重威胁（Nema等人，2012年）。这些变化表现为降雨模式的不规律、温度波动、海平面上升、自然灾害（如洪水、飓风、热应激和风暴潮）的频率增加、盐度升高以及干旱（Corwin等人，2021年；Field和Barros，2014年；Hossain等人，2020年）。全球气候变化是由多种自然和人类活动驱动的，包括森林砍伐和土地利用模式的变化（Smith等人，2016年；Nema等人，2012年）。这些活动导致大气中二氧化碳（[CO₂）浓度上升，这一趋势预计将持续下去（Portner等人，2022年）。[CO₂浓度升高的主要原因是过度燃烧燃料（煤炭、石油和天然气）以获取能源，这会向大气中释放[CO₂）。从1990年到2019年，[CO₂浓度增加了约16%（Portner等人，2022年）。气候科学家预测，2019年大气中的[CO₂浓度为411 ppm，到21世纪末将超过700 ppm（IPCC，2007年）。

气候变化直接影响全球农业，南亚国家（包括孟加拉国）尤其脆弱（Mondal等人，2021年）。由于地理位置的原因，孟加拉国特别容易受到气候变化的影响（Hasan和Kumar，2021年；Kumar等人，2020年；Shahjahan Mondal等人，2019年）。气候变化对沿海地区的影响可能包括由于海平面上升而逐渐发生的洪水、风暴影响的加剧、湿地的退化或丧失以及海水入侵（Corwin，2021年；Dasgupta等人，2015b）。孟加拉国大部分地区的海拔低于10米，这使得其沿海地区特别容易受到海平面上升的影响（Carcedo等人，2022年；Hossain等人，2020年）。因此，咸水入侵的风险增加，导致地表水和地下水的盐度升高（Ullah等人，2021年）。此外，海滨地区的低洼地带经常被潮水淹没，导致干旱期间土壤盐度增加（Bhuyan等人，2023a；Salehin等人，2018年）。此外，沿海地区还会定期受到飓风和风暴潮的侵袭，这些事件后海水会残留在土壤和地下水中（Bhuyan等人，2024年）。未来预测表明，在全球变暖的情景下，飓风的频率和风暴潮的高度可能会增加（Ashrafuzzaman等人，2022年）。因此，以前非盐渍化的地区逐渐变得盐渍化。例如，Bhuyan等人（2023a）发现，1973年至2021年间，中南部沿海地区的土壤盐度增加了60%以上，这对作物种植模式（特定地理区域的年度作物周期）产生了不利影响，并降低了总体作物产量。

孟加拉国沿海地区的主要作物（如水稻、小麦、玉米和马铃薯）受到气候变化和盐碱化的负面影响（Chen和Mueller，2018年；Jahan等人，2018年）。例如，Karim等人（2012年）预测，由于降雨模式的变化和温度的升高，到2100年孟加拉国的水稻（Oryza sativa）产量可能减少33%。同样，如果到2050年温度上升4°C，小麦（Triticum aestivum）的产量可能下降多达68%（Alamgir等人，2018年）。此外，盐度入侵直接影响旱季（11月至5月）的作物种植，尤其是在沿海地区（Akbari等人，2020年；Bhuyan等人，2023b）。在关键生长阶段，淡水资源的稀缺加剧了作物的压力并降低了生产力。例如，boro水稻和马铃薯（Solanum tuberosum）高度依赖淡水资源，对盐度入侵非常敏感（Hossain和Joshi，2025年）。盐分浓度和土壤湿度是决定作物根部吸水能力和影响作物生长及产量的主要因素。近年来，盐度入侵已成为孟加拉国中南部沿海地区农民面临的主要挑战，导致作物产量显著下降（Bhuyan等人，2023b；Chen等人，2019年）。Dasgupta等人（2018年）的研究观察到，当盐度超过8.0 dSm?1时，旱季水稻的产量减少了37%；而当盐度超过4.0 dSm?1时，雨季水稻的产量减少了50%（Ahsan等人，2022年）。此外，极端天气事件的频率和强度的增加进一步加剧了这一问题。

气候变化导致降雨和温度模式出现季节性变化。根据Almazroui等人（2020年）的研究，在SSP585情景下（代表高排放情景），到21世纪末，孟加拉国的年平均温度和降雨量预计将分别上升4.3°C和17.1%。这些变化也直接影响作物的生长和发育。例如，在rabi季节（10月至3月），温度的升高缩短了作物的生长周期，从而降低了产量（Acharjee等人，2019年）。像马铃薯这样的旱季作物容易受到高温胁迫的影响。当温度超过20°C时，块茎的形成会受到阻碍（Hancock等人，2014年；Holden等人，2003年）。在旱季作物的活跃生长阶段，降水量的增加减少了灌溉水的需求（Sarangi等人，2021年）。与上述负面气候效应相反，大气中二氧化碳水平的升高将通过增强光合作用和水分利用效率来对灌溉农业产生积极影响，从而提高产量（Deihimfard等人，2018年；Jamloki等人，2021年；Wang等人，2020年），特别是对于C3作物（如水稻、小麦、大麦、马铃薯）（Ainsworth和Long，2021年；Toreti等人，2020年）。

随着时间的推移，盐度的逐渐升高，有必要评估气候变化对盐度和作物生产的潜在影响，以促进适应和缓解策略的制定。综合作物生长和水文建模是一种有用的方法（Carcedo等人，2022年）。SWAP-WOFOST（土壤-水-大气-植物-世界粮食研究）模型被广泛用于评估盐度和其他环境因素（如高温、[CO₂浓度升高等）对作物生长和发育的影响（Eberhard等人，2020年；Hao等人，2013年；Kroes和Supit，2011年；Kumar等人，2015年；Yuan等人，2019年）。此外，Bhuyan等人（2023b）使用SWAP-WOFOST模型模拟了孟加拉国沿海地区不同盐度条件下的旱季boro水稻产量。SWAP-WOFOST旨在处理每日动态盐度变量，并自然模拟根区土壤盐度和相应的作物反应，而不是依赖于每日盐度的直接输入（Kroes等人，2017年）。因此，SWAP-WOFOST模型是评估盐度、土壤和作物之间复杂相互作用的好方法。

据预测，由于高温和水文挑战（如盐度和干旱）的共同影响，到2050年代，南亚的农业生产将减少约30%（IPCC，2007年）。具体来说，高温和盐度水平的升高可能会降低孟加拉国沿海地区的作物产量（Dasgupta等人，2018年）。最近的一项研究（Bhuyan等人，2023b）观察到，盐度和高温胁迫影响了boro水稻的推荐播种/种植日期。然而，提前播种/种植作物可以帮助缓解这些非生物胁迫（温度和盐度）（Bhuyan等人，2023b）。此外，一项在孟加拉国西北部进行的研究评估了调整种植时间后气候变化引起的温度对boro水稻产量的影响（Acharjee等人，2019年）。此外，[CO₂浓度的升高将影响全球系统和过程，包括作物生长和发育（Dahal等人，2019年；Kroes和Supit，2011年）。许多研究（Dahal等人，2019年；Kirina等人，2025年；Krishnan等人，2007年；Lv等人，2020年；Quiroz等人，2018年）使用模型研究了预测的温度和[CO₂浓度升高对作物生产的综合影响。

大量文献强调了迫切需要研究气候变化对孟加拉国沿海地区作物生产的未来影响以及盐度的影响。然而，只有少数近期研究（如Bhuyan等人，2023b；Carcedo等人，2022年；Gaydon等人，2021年）使用了作物模型（如APSIM、SWAP-WOFOST）来评估盐度对沿海孟加拉国主要作物的影响。尽管如此，尚未有研究评估[CO?]浓度升高、温度上升和盐度胁迫对这些沿海地区主要作物的综合影响。因此，本研究的目的是评估预测的气候变化（考虑[CO?]浓度升高和温度升高）和盐度增加对主要旱季作物（boro水稻和马铃薯）生产的影响，并确定适合的种植时间作为潜在的适应措施。本研究使用了SWAP-WOFOST模型来评估气候变化和盐度动态对研究区域作物表现的影响。研究结果将为政策制定者提供可操作的见解，以指导作物适应策略的制定，并帮助农民选择最适合他们特定种植模式的作物。

研究区域

研究区域

孟加拉国中南部沿海地区的纬度范围为北纬21.8720°至22.7518°，经度范围为东经90.0839°至90.4480°。本研究重点关注帕图阿卡利和巴里萨尔地区（图1）。在该地区的干旱期间，盐度成为一个突出的水文挑战（Dasgupta等人，2015a；Dasgupta等人，2015b；Bhuyan等人，2023a）。此前（Bhuyan等人，2023a），中南部沿海地区被划分为三个盐度等级（低、中、高）。值得注意的是，该研究

校准和验证

我们发现模拟值和观测值之间的产量有很好的一致性。马铃薯产量的均方根误差（RMSE）、平均相对误差（MRE）、D指数和决定系数（r²）分别为336 kg ha^?1、3.0%、0.98和0.98（表2和图2A）。对于生长周期，相应的RMSE、MRE、D指数和r²值分别为1.6天、1.7%、0.97和0.83（表2和图2B）。

同样，模型验证结果（表2，图2

模型性能

我们使用经过校准和验证的SWAP-WOFOST模型，评估了气候变化和不同盐度及[CO₂浓度升高对孟加拉国中南部沿海地区旱季主要作物生产的影响。马铃薯产量和作物生长的模拟值与观测值之间的RMSE大约等于或小于观测值的平均标准差（表S12）。这表明模型能够准确反映观测结果

结论

盐度的增加和气温的升高可能会影响孟加拉国中南部沿海地区的旱季作物种植。然而，[CO₂浓度的升高可能通过抵消高温的影响而有利于作物产量的提高。本研究探讨了提高旱季作物（即boro水稻和马铃薯）生产力的潜在适应策略。我们的研究结果表明，推迟种植日期可以减少boro水稻和马铃薯的生长周期和产量。相反，

作者贡献声明

Md Isfatuzzaman Bhuyan：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，方法论，数据分析，概念化。Iwan Supit：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法论，概念化。Fulco Ludwig：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了Nuffic OKP项目“气候智能农业，打造韧性强的沿海孟加拉国”（项目编号OKP-BGD 103561）的财政支持。