《Environmental Challenges》：Model-based assessment of climate change impacts on wheat yield under different crop management practices in the southeastern Oromia highlands, Ethiopia
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气候变化对热带高地的埃塞俄比亚东南部奥罗米亚（Oromia）小麦生产构成重大威胁。研究人员利用三年（2023–2025年）在库卢姆萨（Kulumsa）的田间观测数据对DSSAT-CERES-Wheat模型进行校准，并利用博雷（Bore）和锡纳纳（Sinana）
气候变化对热带高地的埃塞俄比亚东南部奥罗米亚（Oromia）小麦生产构成重大威胁。研究人员利用三年（2023–2025年）在库卢姆萨（Kulumsa）的田间观测数据对DSSAT-CERES-Wheat模型进行校准，并利用博雷（Bore）和锡纳纳（Sinana）的观测数据独立验证。未来模拟采用四种CORDEX-Africa气候模型组合，涵盖SSP2-4.5和SSP5-8.5情景，分别对应近期（2037–2068年）和远期（2069–2100年）时段。采用随机区组设计，测试了播种日期、施氮量和品种的24种组合。模拟结果显示，在SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下产量均持续下降，近期降幅较小，而SSP5-8.5远期情景下降幅更为显著。早播相对于正常播种可减少15–25%的产量损失，相对于晚播可减少25–40%的产量损失。施氮可提高产量，但边际效益递减；在SSP2-4.5情景下，69–92 kg N ha?1可维持接近基线的产量水平，而在SSP5-8.5情景下，超过69 kg N ha?1的增产效益有限。品种差异显示，沙基（Shaki）品种表现优于博鲁（Boru）品种，其基线产量更高且气候变化引起的产量降幅更小。经济分析表明，在SSP2-4.5近期情景下，沙基品种采用早播配合69–92 kg N ha?1可实现利润最大化，毛利润超过258,000 ETB ha?1。风险规避型农户可能倾向于69 kg N ha?1，因为92 kg N的边际增益较小。在SSP5-8.5情景下，单一措施无法完全抵消产量损失，凸显了将早播、优化施氮和抗逆品种相结合的集成策略的必要性。因地制宜的优化至关重要，DSSAT等决策支持工具可指导针对性适应措施。总体而言，尽管气候变化将降低小麦产量，但战略性管理措施可大幅缓冲其影响，而高排放情景则要求采取紧迫的气候行动和稳健的适应规划。
一、研究背景与问题
气候变化是全球农业生产面临的重大威胁之一，尤其对依赖雨养农业的系统影响更为显著。在撒哈拉以南非洲（Sub-Saharan Africa, SSA），雨养农业的依赖性、有限的适应能力以及较高的社会经济脆弱性进一步放大了这些风险。在埃塞俄比亚，超过80%的人口依赖小农耕作，气候变率已通过降水格局变化、气温升高和反复干旱显现出来。小麦作为埃塞俄比亚高地粮食安全和生计的核心作物，其生产正受到这些变化的直接威胁。全球范围内，预计到2050年气候变化将导致SSA地区小麦产量下降。在东南部奥罗米亚——埃塞俄比亚最重要的小麦种植区之一——种植日历日益受到气候冲击的干扰，亟需制定适应策略。尽管小麦是埃塞俄比亚第二大栽培谷类作物（种植面积180万公顷），但平均产量仅为2.7 t/ha，低于全球平均水平3.5 t/ha。产量差距由土壤肥力差、管理措施欠佳以及生育后期干旱和热浪等气候胁迫共同驱动。
已有的适应策略研究显示，调整播种日期和优化氮肥施用具有潜力。早播可减少灌浆期热胁迫，改善氮素管理可增强养分吸收并减少损失。然而，这些策略的有效性高度依赖特定地点条件，需要进行本地化评估。尽管已有若干埃塞俄比亚研究考察了气候变化对小麦的影响，但很少有研究明确探讨未来气候情景下氮肥×播种日期×品种的交互作用，也未有研究开展多站点DSSAT校准以评估埃塞俄比亚高地小麦系统的地点特异性适应策略。这一空白限制了制定稳健的、针对特定地点的推荐方案。
作物模拟模型如DSSAT-CERES-Wheat为填补这一空白提供了有力框架。通过将历史气候数据与降尺度的未来预测相结合，DSSAT能够评估不同农业生态条件下管理措施对产量的响应。尽管DSSAT已在埃塞俄比亚用于改善小麦管理，但其应用很少将多站点校准与验证、氮肥-播种日期-品种交互作用的同时评估以及CMIP6气候情景相结合。本研究的创新之处在于，将多地点校准（博雷、库卢姆萨、锡纳纳）与DSSAT-CERES-Wheat建模明确整合，以评估CORDEX-Africa降尺度气候预测下的氮肥×播种日期×品种交互作用。与以往通常关注单一地点或泛化管理措施的研究不同，本研究为埃塞俄比亚高地小麦系统提供了更精准、更具地点特异性的适应评估。
二、研究内容与主要结论
本研究通过整合田间试验、DSSAT-CERES-Wheat建模和CORDEX-Africa气候预测，评估了未来SSP2-4.5和SSP5-8.5条件下品种、播种日期和氮素管理的综合效应。模型利用库卢姆萨三年田间观测数据校准，并在博雷和锡纳纳独立验证，从而评估模型在对比农业生态环境中的可转移性。研究的具体目标为：评估CORDEX-Africa预测下气候变化对东南部奥罗米亚小麦生产的影响；在博雷、库卢姆萨和锡纳纳校准并验证DSSAT-CERES-Wheat；评估未来气候情景下提前播种日期和优化施氮等适应策略的有效性。
模拟结果表明，在SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下小麦产量均呈下降趋势，近期降幅较小，SSP5-8.5远期情景下降幅更为显著。早播相对于正常播种可减少15–25%的产量损失，相对于晚播可减少25–40%。施氮可提高产量但边际效益递减，SSP2-4.5情景下69–92 kg N ha?1可维持接近基线的产量，SSP5-8.5情景下超过69 kg N ha?1的增产效益有限。品种比较显示，沙基（Shaki）品种的基线产量更高且气候变化引起的产量降幅小于博鲁（Boru）品种。经济分析表明，SSP2-4.5近期情景下，沙基品种早播配合69–92 kg N ha?1可实现利润最大化，毛利润超过258,000 ETB ha?1。风险规避型农户可能更倾向于69 kg N ha?1，因为92 kg N的边际增益较小。在SSP5-8.5情景下，没有任何单一措施能完全抵消产量损失，凸显了整合早播、优化施氮和抗逆品种的综合策略的必要性。
三、关键技术方法
本研究采用的主要技术方法包括：利用DSSAT版本4.8.5进行作物生长模拟，该模型可模拟作物生长、产量及对管理和气候变率的响应；使用DSSAT内置的GLUE工具估算遗传系数，该工具提供考虑参数不确定性的概率校准框架；采用混合效应模型分析田间试验数据，以处理多环境试验结构，品种、播种日期、施氮量及其交互作用为固定效应，地点、年份和区组为随机效应；使用CORDEX-Africa降尺度气候预测数据，涵盖SSP2-4.5和SSP5-8.5两种共享社会经济路径情景；模型验证采用均方根误差（RMSE）、决定系数（R2）和一致性指数（d）三个指标评估模拟性能。田间试验在库卢姆萨、博雷和锡纳纳三个高海拔研究站点进行，采用随机完全区组设计，包含24种处理组合，每种处理在各站点重复三次。
四、研究结果
模型校准与验证结果：DSSAT-CERES-Wheat模型利用库卢姆萨2023–2025年三年田间观测数据进行校准，涵盖全部24种处理组合及物候、生物量、籽粒产量和收获指数的观测。校准后的遗传系数随后利用博雷和锡纳纳的独立观测数据进行验证，这些观测数据未参与参数估计，因此验证提供了模型在对比农业生态环境中可转移性的独立空间评估。验证性能按站点和年份分别使用RMSE、R2和一致性指数d进行评估。
土壤与气候特征结果：三个站点的土壤剖面特征存在显著差异。博雷土壤呈中等酸性（pH 5.1–7.3），黏粒含量较高（43–49%），阳离子交换量（CEC）中等（23–31 cmol/kg），但有机碳随深度急剧下降。库卢姆萨土壤微酸性至中性（pH 6.6–7.2），CEC较高（>43 cmol/kg），养分保持能力较好，但有机碳含量低（<1%）。锡纳纳土壤变异性较大，黏粒含量更高（46–55%），pH中性至微碱性（6.6–7.7），表层有机碳相对较高（2.76%）。生长季气候数据显示，博雷降雨量较高且气温适中，锡纳纳降雨量最低且最高气温持续较高（>22°C），更易遭受水分胁迫和高温暴露。
气候变化影响模拟结果：未来模拟采用四种CORDEX-Africa气候模型组合，在SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下分别模拟近期（2037–2068）和远期（2069–2100）时段。模拟结果显示，两种情景下产量均持续下降，近期降幅较小，SSP5-8.5远期情景下降幅最为显著。
播种日期效应结果：早播相对于正常播种可减少15–25%的产量损失，相对于晚播可减少25–40%的产量损失。早播通过减少灌浆期热胁迫有效缓冲了气候变化的不利影响。
施氮量效应结果：施氮可提高产量，但边际效益递减。在SSP2-4.5情景下，69–92 kg N ha?1可维持接近基线的产量水平；在SSP5-8.5情景下，超过69 kg N ha?1的增产效益有限，表明高排放情景下氮肥的增产潜力受到限制。
品种差异结果：沙基品种在基线产量和气候变化响应方面均优于博鲁品种，其基线产量更高且气候变化引起的产量降幅更小，显示出更强的气候适应性。
经济分析结果：经济分析表明，在SSP2-4.5近期情景下，沙基品种采用早播配合69–92 kg N ha?1可实现利润最大化，毛利润超过258,000 ETB ha?1。风险规避型农户可能倾向于69 kg N ha?1，因为92 kg N的边际增益较小，投入产出比相对较低。
五、讨论与结论
讨论部分指出，没有任何单一管理措施能在SSP5-8.5高排放情景下完全抵消产量损失，这凸显了整合早播、优化施氮和抗逆品种的综合适应策略的必要性。研究强调，地点特异性优化至关重要，不同站点的土壤特性、气候条件和品种响应存在显著差异，需要因地制宜地制定管理方案。DSSAT等决策支持工具可有效指导针对性适应措施的实施。
研究结论表明，气候变化将降低埃塞俄比亚东南部奥罗米亚高地的小麦产量，但战略性管理措施可大幅缓冲其不利影响。早播配合优化施氮（69–92 kg N ha?1）并选用沙基等抗逆品种，是当前最有效的适应组合。在SSP2-4.5情景下，这一组合可维持接近基线的产量水平并实现较高的经济效益。然而，在SSP5-8.5高排放情景下，即使采用最优管理组合也无法完全抵消产量损失，这要求采取紧迫的气候行动和稳健的适应规划。研究结果为埃塞俄比亚及类似SSA雨养系统的小麦生产提供了重要的科学依据和实践指导。
