《Agricultural and Forest Meteorology》：Assessing maize yield losses from stage-specific agro-meteorological stresses in China’s semi-humid and humid regions
编辑推荐：
•我们开发了一个框架，用于量化各生长阶段极端农业气象胁迫对玉米产量的影响。•历史评估表明，影响和潜在减产风险区域的季节性和区域差异显著。•在所有农业气象胁迫中，干旱始终是导致玉米减产的主导因素，并存在明显的区域热点。引言玉米是一种重要的粮食和饲料作物，在全球谷物中产量最高（J
- •
我们开发了一个框架，用于量化各生长阶段极端农业气象胁迫对玉米产量的影响。
- •
历史评估表明，影响和潜在减产风险区域的季节性和区域差异显著。
- •
在所有农业气象胁迫中，干旱始终是导致玉米减产的主导因素，并存在明显的区域热点。
引言
玉米是一种重要的粮食和饲料作物，在全球谷物中产量最高（J?germeyr等人，2021）。2023年，全球玉米产量达到12.4亿吨，中国贡献了约全球总产量的23.3%（FAO，2025）。中国玉米的种植纬度跨度广泛，从北纬23°到48°，涵盖多种气候带和耕作制度。这种地理和气候的异质性使玉米生长面临多种不利的农业气象胁迫，包括干旱、渍涝、高温和冷害（Huang等人，2021；Qiu等人，2025；Zhu等人，2021）。在持续的气候变化背景下，这些极端气候胁迫对玉米生长构成了严重威胁。
极端气候事件的发生频率和强度均在增加，导致玉米生长季节中经历严重农业气象胁迫的区域不断扩大（Wu等人，2020）。在中国玉米种植区，气候极端的趋势表现出显著的空间异质性和时间变异性（Huang等人，2022）。在所有主要玉米种植区，高温胁迫均在增加，其中华北平原在过去30年间热日数以每十年13.8°C·d的速度快速上升（Zhang等人，2025）。干旱在玉米生长季内表现出强烈的季节性变化，过去十年间黄淮海地区从开花到成熟期的干旱风险有所增加（Ling等人，2023）。在持续变暖的条件下，极端高温和干旱均预计将进一步加剧（Liu等人，2025；Zhang等人，2022）。这些变化可能增加中国玉米生产所面临的气候胁迫。
极端天气可以扰乱玉米的生长发育，损害籽粒形成，最终降低产量（Schauberger等人，2017）。中国大部分玉米种植区位于干旱和半干旱环境，因此对水资源短缺高度脆弱。在中国西北地区，许多地区的玉米生产严重依赖灌溉，在5至50年一遇的重现期下，整个生长期的模拟干旱风险在黄淮海地区导致的减产幅度为7.7%至18.4%（Zhu等人，2021）。高温胁迫也已成为导致减产日益重要的驱动因素。例如，作物模型模拟表明，1990至2012年间华北平原因开花期高温胁迫造成的玉米减产超过23%（Luo等人，2023）。此外，气候变化下与高温相关的减产已加剧，1981至2011年间在中国每十年增加1.1%（Zhang等人，2018）。其他胁迫，包括渍涝和冷害，也可能在特定地区降低玉米生长和产量（Guga等人，2025；Zhi等人，2024）。尽管现有研究已提供了气候胁迫对玉米减产的综合评估，但比较不同胁迫类型和生长阶段潜在减产的区域评估仍然有限。这限制了对特定区域和生长阶段预防措施的制定。
在不同玉米生长阶段发生的极端胁迫对生长发育和产量形成的影响可能截然不同，这一规律已在田间和控试验中得到证实。开花期附近的高温胁迫会扰乱授粉和受精，从而降低籽粒结实率和粒数，而灌浆期的高温胁迫则主要限制光合作用和同化物的供应，导致粒重和产量降低（Dong等人，2021；Rattalino Edreira和Otegui，2013）。类似地，生殖早期期的干旱会通过限制籽粒生长和加速叶片衰老造成大幅减产（Claassen和Shaw，1970；Comas等人，2019；Denmead和Shaw，1960；Yan等人，2025）。这些阶段依赖性的敏感性意味着相同强度或持续时间的胁迫可能因发生时间不同而转化为显著不同的减产率。例如，Wang等人（2021）报告称，在40°C下的5天热浪，在吐丝后施加比吐丝前施加造成的减产更大，吐丝后的减产比吐丝前高22.1%。虽然这种阶段效应在控试验中最为明显，但区域观测分析也表明，胁迫在不同物候期的发生差异显著。例如，在黄淮海平原，从开花到生理成熟期的干旱频率达到47.6%至60.6%，而拔节到开花期为28.5%（Ling等人，2023）。这些发现共同强调了在区域尺度上对气候胁迫暴露及相关生产损失进行阶段特异性评估的必要性。
已开发了多种方法来量化极端胁迫对玉米产量的影响，包括统计模型和过程机理作物模型。传统统计模型计算效率较高，通常需要的输入变量较少，能提供可解释的关系和清晰的统计显著性度量，但它们通常在外推超出观测条件范围方面能力有限（Lesk等人，2022；Lobell等人，2011）。过程机理模型可以动态模拟变化气候条件下作物生长和产量形成；然而，在许多应用中，它们对极端胁迫及相关损害过程的表征仍不够充分（Heinicke等人，2022；Jin等人，2016）。为减少单一方法的局限性，将作物模型与统计方法相结合的混合框架已被用于改进减产的估算（Feng等人，2019；Zhuang等人，2024）。例如，Roberts等人（2017）表明，将过程机理作物模型与统计模型相结合，通过利用两种方法的优势，改进了对观测玉米产量的预测。在他们的方案中，作物模型表征作物生长过程，而统计部分捕捉了产量对极端高温的响应，这影响了预测的增温影响。
在本研究中，我们整合了格点气候数据、观测玉米物候、控试验数据和APSIM-Maize模拟结果，计算了各生长阶段特异性的干旱、渍涝、高温和冷害胁迫指数。然后，我们利用从控试验中推导出的胁迫响应关系，估算了1991至2020年间中国半湿润和湿润地区各生长阶段的潜在玉米减产。我们的目标是：1）量化过去30年中国半湿润和湿润地区玉米各生长阶段干旱、渍涝、高温和冷害胁迫的严重程度；2）开发一个生长阶段动态农业气象胁迫影响框架（SASIF），用于估算不同胁迫类型和生长阶段的潜在减产；3）识别与高潜在减产相关的主要胁迫类型、生长阶段和区域。
章节摘要
研究区域
中国半湿润和湿润地区，年降水量通常超过400毫米，是该国的主要玉米种植区。这些生产区纬度跨度广泛，从北纬23°到48°，涵盖多种气候条件（图1a）。根据地理位置和耕作制度，中国半湿润和湿润地区被划分为五大区域：东北区（Ⅰ）、西北区（Ⅱ）、黄淮海区（Ⅲ）、西南区（Ⅳ）和华南区（Ⅴ）。
玉米干旱、渍涝、高温和冷害胁迫的时空格局
评估了中国半湿润和湿润地区玉米干旱、渍涝、高温和冷害胁迫指数的空间分布。1991至2020年间，研究区玉米的出苗至拔节期、拔节至开花期和开花至乳熟期的平均干旱胁迫指数分别为0.1001、0.0760和0.0861（图4a-c）。研究期内，玉米三个生长阶段的干旱胁迫指数均无显著时间趋势（图5a）。空间上，Ⅱ区
讨论
本研究开发了一个生长阶段动态农业气象胁迫影响框架（SASIF），该框架将统计关系与多种指数相结合，用于量化中国玉米带各生长阶段由干旱、渍涝、高温和冷害胁迫造成的减产率。SASIF并非旨在取代Hybrid-Maize、APSIM或DSSAT等过程机理作物模型（Holzworth等人，2014；Jones等人，2003；Yang等人，2004）。过程机理作物
结论
本研究通过整合从控试验中推导出的响应函数，开发了一个生长阶段动态农业气象胁迫影响框架（SASIF），该函数将玉米减产率与干旱、渍涝、高温和冷害胁迫指数联系起来。SASIF提供了一个一致的框架，将玉米各生长阶段的胁迫暴露转化为中国半湿润和湿润地区的估算减产率。1991至2020年间，高温胁迫在15天
CRediT作者贡献声明
黄明霞： 撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法论，调查，资金获取，形式化分析，数据管理，概念化。王静： 撰写——审阅与编辑，方法论，资金获取，概念化。卢波： 撰写——审阅与编辑，方法论，资金获取，概念化。王秋玲： 形式化分析，数据管理。韩正宇：
黄明霞|王静|卢波|王秋玲|韩正宇|廖耀明|李阳|陈仁伟|吴佳|王斌
