未来气候变化对播期优化下淮北平原夏大豆与玉米产量、灌溉水生产力及经济收益比较优势的影响

《Agronomy》：Impacts of Future Climate Change on Comparative Advantages in Yield, Irrigation Water Productivity, and Economic Returns of Summer Soybean and Maize Under Sowing Date Optimization in the Huaibei Plain, China

　　

在中国的淮北平原，夏大豆和夏玉米因生长季高度重叠而竞争土地资源。本研究在充分灌溉条件下采用DSSAT模型，评估作物气候适应性和播期优化，覆盖基线期（2001–2020年）和两种未来排放情景（SSP2-4.5和SSP5-8.5，2031–2050年），设置13个播期处理，并以6月10日作为两种作物的常规播期。结果表明，未来夏季生长季总体将变得更暖、更湿。相对基线期，未来气候下常规播期导致生育期缩短和产量同步下降，其中玉米的产量损失显著大于大豆。播期优化有效缓解了这些气候诱导的产量损失，推荐调整方向为大豆提前10–15天、玉米推迟20天。优化后，玉米在SSP2-4.5下产量超过基线8.2%，在SSP5-8.5下恢复至接近基线水平；而大豆在SSP2-4.5下产量与基线相当，在SSP5-8.5下略低于基线。玉米在籽粒产量和净收益方面保持明显优势，而大豆具有更高的灌溉水经济效率（定义为单位灌溉水对应的灌溉—雨养净收益差）。在这些模拟的充分灌溉条件下，研究人员建议维持以玉米为主、适度配置大豆，并对两种作物采用优化播期，作为提升区域气候适应性的情景化参考。

**论文解读：未来气候变化下淮北平原夏大豆与夏玉米播期优化及比较优势**

**1. 研究背景与问题**

淮北平原是中国黄淮海地区的核心粮食产区，夏大豆和夏玉米是该区域主要秋粮作物，二者生长季（6月中旬至9月下旬）高度重叠，对有限耕地形成直接竞争。当前区域以玉米为主的夏季种植格局中，玉米占主导地位，大豆作为轮作和多元化生产的补充作物。过去50年，淮北平原以约0.20–0.25 °C/10年的速率显著增温，降水则呈现弱且空间异质的趋势，气候变化对农业生产的胁迫日益加剧。已有研究多关注单一作物对气候的响应，缺乏大豆与玉米的系统比较；尽管少数研究纳入播期处理，但鲜有在明确管理条件下比较两种作物经播期优化后的产量表现。由于玉米（C4作物）与大豆（C3作物）在光合碳同化途径上存在根本差异，未来气候对二者的影响方向和幅度可能显著不同：CO₂升高对C3作物具有施肥效应，但高温会削弱该效应；C4作物营养生长阶段耐热性较强，但生殖期（尤其花期、授粉和受精）对高温敏感。因此，哪种作物在未来气候下更具优势，是亟需回答的科学问题。

**2. 研究内容与主要结论**

研究人员采用DSSAT模型中的CERES-Maize和CROPGRO-Soybean模块，以淮北平原为研究区域，设置历史基线（2001–2020年）和两种未来排放情景（SSP2-4.5、SSP5-8.5，2031–2050年），对两种作物各设13个播期处理（以6月10日常规播期为中心，前后各30天，间隔5天），在充分灌溉和养分非限制条件下模拟物候、产量和水分消耗，并结合经济核算与灌溉水效率指标进行综合比较。主要结论：未来夏季生长季将整体变暖变湿，高温天数大幅增加；常规播期下两种作物生育期缩短、产量和净收益下降，玉米损失（9.24%–10.83%）远大于大豆（1.87%–4.46%）；播期优化可有效缓解损失，大豆需提前10–15天播种，玉米需推迟20天；优化后玉米在SSP2-4.5下产量超基线8.2%，在SSP5-8.5下恢复近基线，大豆产量在SSP2-4.5下与基线相当、SSP5-8.5下略低；玉米在籽粒产量和净收益上保持绝对优势，大豆在灌溉水经济效率上占优。基于此，研究人员建议在模拟条件下维持以玉米为主、适度搭配大豆的种植格局，并采用作物特异的优化播期以增强区域气候适应性。

**3. 关键技术方法**

本研究采用的主要技术方法包括：①基于过程的作物模型DSSAT（农业技术转移决策支持系统）中的CERES-Maize和CROPGRO-Soybean模块，分别模拟玉米和大豆的生长发育与产量形成；②利用GLUE（广义似然不确定性估计）算法对品种遗传参数进行率定和验证，数据来自淮北平原新马桥农业水综合试验站2016–2017年田间试验（供试品种为玉米隆平206和大豆中黄13）；③气候情景数据采用ISIMIP3b（跨部门影响模型比较计划）提供的5个全球气候模式（GCM）输出，经反距离权重空间降尺度与分位数映射偏差校正，并结合历史站点观测（2001–2020年）和未来SSP2-4.5、SSP5-8.5情景；④全因子试验设计，设置13个播期处理、两种水分管理（充分灌溉和雨养），共286个充分灌溉模拟组合；⑤经济收益核算与灌溉水效率指标（灌溉水生产力IWP、灌溉水经济效率IWE）计算。

**4. 研究结果**

**4.1 未来情景下生长季气候变化**

相对历史基线，2031–2050年两种SSP情景下夏季生长季（6–9月）一致增温、降水增加、极端高温胁迫显著加剧。SSP2-4.5和SSP5-8.5下，生长季平均最低气温分别上升1.37 °C和1.64 °C，最高气温分别上升1.29 °C和1.45 °C；降水分别增加5.53%和11.18%；日最高气温≥35 °C的天数分别增加77.2%和107.9%，且9月增温最为明显。所有气候变量均表现出排放依赖性，SSP5-8.5下的变化更大。

**4.2 常规播期下作物对气候变化的响应**

常规播期下，两种作物在未来情景下均出现物候提前和生育期缩短，玉米的变化幅度大于大豆。大豆全生育期缩短0.7–2.2天，生殖生长期缩短0.5–1.3天；玉米全生育期缩短5.3–6.8天，生殖生长期缩短4.3–4.7天。潜在蒸散量（ET）在两种作物中均增加，但灌溉量下降，玉米灌溉减少量（23.4–27.2 mm）远大于大豆（2.6–4.3 mm）。常规播期下，大豆产量较基线下降1.87%–4.46%，玉米下降9.24%–10.83%；玉米净收益下降1482–1739 CNY ha^?1，大豆下降237–574 CNY ha^?1。灌溉水生产力（IWP）和灌溉水经济效率（IWE）方面，大豆在SSP2-4.5下略有上升、SSP5-8.5下下降，玉米则两种情景下均大幅下降，大豆各情景下效率指标均高于玉米。

**4.3 播期调整对作物表现的调控作用**

播期调整系统地改变两种作物的物候和生育期。大豆早播延长全生育期和生殖生长期，晚播则缩短；玉米晚播可推迟花期和成熟期，将生殖阶段移出7–8月高温峰值期。ET和灌溉量均随播期推迟而下降，每推迟5天，大豆灌溉减少约3 mm，玉米减少约3.6 mm。产量和净收益随播期呈先升后降的二次曲线关系，但最优播期方向相反：大豆在SSP2-4.5下提前15天产量最高（3140 kg ha^?1），SSP5-8.5下提前10天最高（3105 kg ha^?1）；玉米在两种情景下均以推迟20天产量最高（8309和7746 kg ha^?1）。优化后玉米产量较同情景常规播期提高13.1%–19.2%，大豆提高2.2%–3.8%。播期调整对IWP和IWE也有显著调控作用，推迟播期普遍提高两种作物的效率指标，且排放强度越高增幅越大。

**4.4 最大收益目标下大豆与玉米的综合比较**

在各自最大净收益对应的播期下，玉米始终获得更高的绝对净收益和产量，产量约为大豆的2.49–2.65倍；大豆在灌溉水经济效率上优于玉米，在SSP2-4.5和SSP5-8.5下分别高24.8%和59.9%。最优播期调整方向完全相反：大豆需提前10–15天，且随排放强度增强提前幅度减小；玉米则稳定推迟20天。两种作物在不同维度上呈现差异化比较优势。

**5. 讨论与结论总结**

讨论部分指出，常规播期下玉米更大的产量损失可能源于其生育期压缩更明显、C4作物对CO₂施肥效应不敏感，以及生殖期高温胁迫加剧；大豆得益于C3作物CO₂施肥效应和较高的生殖耐热阈值，损失较小。播期调整的机制不同：大豆早播延长了光合物质积累时间并利于CO₂施肥效应表达，但晚播更节水；玉米晚播则将最敏感的花期和灌浆期移出高温峰值期，同时实现产量和水效率的双重提升。综合比较表明，玉米在绝对产量和净收益上优势明显，大豆在灌溉水经济效率和雨养产量稳定性方面占优。研究建议在灌溉条件好的核心区以玉米为主并推迟播期，在灌溉边缘区适当扩种大豆并提前播期。研究结论可翻译为：在常规播期下，未来气候变化将缩短两种作物的生育期并降低产量和经济收益，玉米损失（9.24%–10.83%）为大豆（1.87%–4.46%）的2–5倍；播期优化可缓解损失，但两者需相反调整——大豆提前10–15天、玉米推迟20天；优化后玉米在SSP2-4.5下产量超基线8.2%，SSP5-8.5下接近基线，大豆在SSP2-4.5下与基线相当、SSP5-8.5下略低；玉米在总产量和净收益上领先，大豆在灌溉水经济效率上更优。因此，建议在测试的气候、品种和灌溉条件下，采用玉米为主并优化播期、辅以大豆的适应性种植策略，以提升区域夏季种植系统的资源利用效率和气候适应性。