复合干旱和热浪事件对美国玉米和大豆用水效率的影响日益加剧

《Agricultural and Forest Meteorology》：Intensifying impacts of compound drought and heatwave events on water use efficiency in U.S. corn and soybean

本研究通过1960-2018年数据分析，发现复合干旱热浪事件使美国玉米和大豆水分利用效率分别降低14.7%和11.3%，较单一极端事件影响更显著，长期趋势显示加剧，温度为主要驱动因素，需针对性制定适应策略。

　　近年来，极端气候事件的发生频率和强度不断上升，对农业生产带来了深远的影响。特别是复合型干旱与热浪事件（即同时发生干旱和热浪的情况），其对农业用水效率（Water Use Efficiency, WUE）的影响已成为全球关注的焦点。WUE是衡量作物在单位水分消耗下固定碳的能力，通常用单位蒸散量（ET）所对应的生物量或粮食产量来表示。这项研究关注的是美国玉米和大豆作物的WUE变化，旨在揭示复合型干旱与热浪事件对农业生产效率的具体影响，以及这些影响在空间和时间上的分布特征。

随着全球气候变暖的加剧，极端气候事件的影响范围和强度正在扩大。干旱和热浪作为两种常见的极端天气现象，分别通过不同的机制影响作物的生长和水资源利用。干旱主要通过减少土壤水分的可用性，限制植物的水分吸收和蒸腾作用，从而影响碳固定过程。而热浪则通过增加大气的水汽压差，提升蒸腾速率，导致植物气孔关闭，缩短灌浆期，降低光合作用效率。这些机制不仅单独作用，更在复合事件中产生叠加效应，使WUE的下降更加显著。研究发现，复合干旱与热浪事件对玉米和大豆的WUE分别造成了14.7%和11.3%的降低，这一数值远高于单一干旱或热浪事件的影响。这表明，在应对气候变化带来的农业挑战时，不能仅关注单一极端事件，而应更加重视复合型事件的综合影响。

复合干旱与热浪事件对农业系统的影响不仅仅是短期的，它们还可能在长期内加剧。研究指出，这些复合事件在37.5%的玉米产区和46.2%的大豆产区表现出更强烈的负面效应。这种趋势与气温的持续升高密切相关。温度不仅是影响植物生理活动的重要因素，还在复合事件中扮演了关键角色。高温会加速水分蒸发，增加植物的水分需求，同时抑制光合作用，进一步降低WUE。此外，温度的变化还可能改变植物的生理调节机制，使作物在面对复合干旱与热浪时表现出更严重的应激反应。因此，温度被认为是干旱、热浪以及复合事件中WUE响应的主要驱动因素。

研究还强调了时间维度上WUE响应的变化。随着极端气候事件的频繁发生，其对农业系统的影响模式也在演变。WUE的动态变化不仅取决于事件的强度，还与事件发生的时间、持续时长和顺序密切相关。例如，干旱和热浪的叠加可能在某些季节或地区表现出更强烈的效应，而在其他条件下则可能减弱。这种时空变化的复杂性使得传统的单一事件分析方法难以全面揭示其影响。因此，采用综合的方法，如超级叠加分析（Superposed Epoch Analysis, SEA）和广义可加模型（Generalized Additive Models, GAMs），对于理解WUE的长期趋势和响应机制至关重要。

此外，研究还指出，虽然现有的文献大多关注干旱和热浪对作物产量的直接影响，但对这些事件如何共同作用于WUE的研究仍显不足。这种研究空白可能源于对复合事件复杂机制的忽视。因此，本研究不仅量化了复合干旱与热浪事件对玉米和大豆WUE的具体影响，还分析了其在空间和时间上的变化模式，为农业管理提供了新的视角。通过整合长期的气候、蒸散量和产量数据，研究揭示了复合事件对农业系统的影响范围和强度，并为制定适应性策略提供了科学依据。

美国作为全球农业贸易的重要参与者，其玉米和大豆产量占全球总产量的比重较大。因此，研究美国农业系统对复合干旱与热浪事件的响应具有重要的现实意义。美国的玉米和大豆种植区分布广泛，气候条件各异，这使得WUE的变化呈现出明显的空间异质性。例如，玉米的WUE在西部地区较高，而东部和南部地区则相对较低。这种差异可能与土壤类型、水资源分布、作物种植结构以及农业管理措施等多种因素有关。研究还发现，尽管不同地区的WUE水平存在差异，但整体上，WUE在过去的几十年中呈现出上升趋势，这可能与农业技术的进步、灌溉系统的优化以及气候条件的调整有关。

然而，这一上升趋势并不意味着复合干旱与热浪事件的影响可以忽略。相反，随着全球气候变化的加剧，复合事件的频率和强度正在增加，这可能进一步削弱WUE的提升效果，甚至导致其下降。因此，理解WUE的时空变化及其对复合事件的响应，对于制定有效的农业适应策略至关重要。这不仅有助于提高作物的产量和质量，还能增强农业系统的可持续性和抗风险能力。

在方法上，本研究采用了超级叠加分析（SEA）和广义可加模型（GAMs）相结合的方式，以更全面地捕捉复合干旱与热浪事件对WUE的影响。SEA是一种用于分析事件发生前后变化的统计方法，能够揭示特定事件对农业系统的影响模式。而GAMs则提供了一种灵活的建模方式，可以同时考虑多种气候变量对WUE的影响，并分析其非线性关系。通过这些方法，研究不仅量化了复合事件对WUE的具体影响，还探讨了其在不同区域和时间段的差异性。

研究结果表明，复合干旱与热浪事件对玉米和大豆的WUE影响是显著的，并且这种影响在不同地区表现出不同的特征。例如，在某些区域，复合事件对WUE的抑制作用可能更加明显，而在另一些地区则可能相对减弱。这种空间异质性可能是由于不同地区对气候变量的敏感度不同，或者由于农业管理措施的差异所导致。因此，针对不同区域的农业系统，制定差异化的适应策略可能是提高WUE和作物产量的关键。

同时，研究还强调了温度在复合干旱与热浪事件中对WUE的主导作用。随着全球气温的持续上升，未来农业系统可能面临更大的挑战。因此，有必要进一步研究温度变化如何影响作物的生理过程，并探索如何通过农业管理措施来缓解其负面影响。例如，改进灌溉技术、优化作物品种选择、调整种植时间等，都可能在一定程度上提高作物对复合事件的适应能力。

此外，研究还指出，WUE的下降不仅影响作物产量，还可能对全球粮食安全和水资源可持续性产生连锁反应。随着农业用水效率的降低，水资源的供需矛盾可能进一步加剧，尤其是在干旱频发的地区。因此，提高农业系统的水利用效率，不仅有助于保障粮食供应，还能减少对水资源的过度依赖，从而促进农业的可持续发展。

综上所述，本研究通过分析美国玉米和大豆的WUE变化，揭示了复合干旱与热浪事件对农业系统的影响机制。研究结果表明，这些复合事件对WUE的抑制作用显著，并且其影响在不同地区和时间段表现出差异性。这一发现对于未来农业管理策略的制定具有重要的指导意义，尤其是在应对气候变化带来的农业挑战方面。通过深入理解WUE的响应机制，农业部门可以更好地预测和应对极端气候事件的影响，从而提高作物产量和水资源利用效率，为全球粮食安全和生态可持续性做出贡献。