全球变暖提升东北亚玉米产量潜力

《Food and Energy Security》：Global Warming Boosts Maize Yield Potential in Northeast Asia

　　

探索气候变化环境下作物气候产量潜力为提升土地生产力和指导农业适应性提供了关键见解。近期研究表明，前所未有的气候变暖已威胁全球粮食安全，尤其是在热力优势区域。然而，观测和预测的气候变化对作物产量潜力的影响，尤其是在热力受限的中高纬度地区，仍未得到充分量化。在本研究中，研究人员利用Python版农业生态区划模型（PyAEZ），结合历史观测和未来气候预测，研究了东北亚地区玉米（Zea mays L.）产量潜力对气候变暖的响应。分析表明，相对于历史基线，气候变暖将显著延长2020年至2100年间的生长季节。在SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下，热力生长季预计分别以每十年2.02天和4.15天（d·decade^-1）的速度延长，而水热生长季则分别增加1.48和2.39 d·decade^-1。研究结果进一步表明，在两种情景下，气候适宜玉米种植区显著向西北方向迁移，潜在面积相对于历史基线分别扩大61.02%（5.78×10⁵ km²）和76.73%（7.26×10⁵ km²）。因此，雨养条件下玉米气候产量潜力在SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下预计分别以0.19和0.30 t·ha^-1·decade^-1的速度增加。灌溉进一步放大了这些增益，在相应情景下产量分别增加0.24和0.36 t·ha^-1·decade^-1。这些发现为气候变化下维持区域粮食安全提供了有力证据，揭示了巨大的未开发潜力。为利用变暖带来的农业机遇并降低相关风险，研究人员建议实施气候智慧型农业，具体包括：（i）优化种植日历，（ii）战略性重新分配耕地面积，以及（iii）先进精准灌溉系统。

**论文解读：气候变化对东北亚玉米产量潜力的影响与适应策略**

**研究背景与问题**

在全球气候变暖背景下，作物产量潜力（climatic yield potential，即光热水资源充分利用且其他因素最优时单位面积可实现的最大生物学产量或农业产量）受到显著影响。政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告指出，2001-2020年全球平均地表温度上升0.99°C，2011-2020年上升约1.09°C。气候变化导致超过三分之一的作物产量变异，并改变作物适宜种植区，使种植边界向高纬度和高海拔地区扩展，增加了农业生产的不确定性。现有研究多聚焦于全球尺度或单一国家/区域，而对跨境区域，尤其是东北亚中高纬度地区——如黑龙江流域（Amur River Basin, ARB）——的作物产量潜力对未来气候变化的响应研究不足。该区域既是全球变暖最敏感区域之一，也是区域粮食安全与生态稳定的关键地带。因此，量化气候变化对生长季长度（length of growing period, LGP）、气候适宜性（climate suitability）及玉米产量潜力的影响，对于制定适应性农业策略至关重要。

**研究内容与结论**

研究人员利用历史气象观测数据（1980s-2010s，来自TerraClimate月数据集，空间分辨率约5 km）和未来CMIP6（第六次耦合模式比较计划）10个全球气候模式（GCMs）的集合平均数据（2020s-2100s，涵盖中等排放情景SSP2-4.5和高排放情景SSP5-8.5），驱动PyAEZ（Python版农业生态区划模型）模型，评估了东北亚黑龙江流域（ARB，覆盖中国、俄罗斯和蒙古三国）玉米的气候产量潜力。研究得出以下结论：（1）气候变暖显著延长了玉米生长季，热力生长季（thermal growing period）在SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下分别以2.02和4.15 d·decade^-1的速度延长，水热生长季（hydrothermal growing period）分别以1.48和2.39 d·decade^-1的速度延长。（2）气候适宜性显著提升，适宜种植面积在SSP2-4.5和SSP5-8.5下分别相对于历史基线扩大61.02%（5.78×10⁵ km²）和76.73%（7.26×10⁵ km²），适宜区向西北方向迁移。（3）雨养条件下玉米气候产量潜力在SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下分别以0.19和0.30 t·ha^-1·decade^-1的速度增加，灌溉条件下增益更大（0.24和0.36 t·ha^-1·decade^-1）。研究论文发表在《Food and Energy Security》。

**关键技术方法**

本研究主要采用以下关键技术方法：（1）基于PyAEZ模型（源于FAO和IIASA共同开发的全球农业生态区划GAEZ框架）的作物产量潜力评估框架，该模型首先基于气候条件估算作物生长季长度和气候适宜性，然后应用Kassam生理生态模型计算作物生物量，并逐步引入温度和水分子胁迫因子，得出气候产量潜力。（2）气候数据来源：历史数据来自TerraClimate数据集（空间分辨率约5 km），未来数据来自CMIP6多模式集合平均（10个GCMs，见表1），覆盖SSP2-4.5和SSP5-8.5情景。所有空间数据标准化为0.1°×0.1°网格。（3）气候适宜性评估采用五级分类（非常适宜、适宜、中等适宜、边缘适宜、不适宜），并基于温度、霜冻、积温、相对湿度等因子计算约束因子（f_c1），雨养条件下额外考虑水分胁迫系数（f_c2）。研究区域为东北亚黑龙江流域（ARB，纬度41.72°N-55.90°N，经度108.05°E-141.13°E）。

**研究结果**

**3.1 气候变化延长玉米生长季**
通过分析历史时期（1980s-2010s）和未来时期（2020s-2100s）的LGP变化，研究人员发现：热力生长季呈现南高北低的纬度分布格局，并随海拔变化；水热生长季则呈东高西低的经向分布。在未来SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下，ARB热力生长季分别以2.02和4.15 d·decade^-1的速度延长，水热生长季以1.48和2.39 d·decade^-1的速度延长（图3a）。分国别看，中国侧热力生长季增长最显著（SSP2-4.5和SSP5-8.5下分别为1.83和4.10 d·decade^-1），俄罗斯侧稳步增长，蒙古侧水热生长季波动明显，高排放情景下可能因水分限制而缩短（图3b-d）。

**3.2 气候变化提升玉米气候适宜性**
利用PyAEZ模型模拟雨养条件下玉米气候适宜性，结果显示：历史时期适宜性从东向西递减，未来情景下适宜区显著扩大，SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下总适宜面积分别增加61.02%和76.73%（图4、5）。适宜区向西北方向迁移，大兴安岭北部从不适演变至非常适宜（VS），俄罗斯侧VS区扩大显著（SSP2-4.5和SSP5-8.5下分别扩大2.73×10⁵和3.75×10⁵ km²），蒙古侧边缘适宜区（mS）增加，但无VS区出现（图5b-d）。

**3.3 气候变化提升玉米气候产量潜力**
雨养条件下，玉米气候产量潜力呈东高西低的经向分布，SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下全流域增长速率分别为0.19和0.30 t·ha^-1·decade^-1（图7）。灌溉条件下，水分限制缓解，产量潜力转为南高北低的纬向分布，增长速率分别为0.24和0.36 t·ha^-1·decade^-1（图9）。分国别看，中国和俄罗斯侧产量潜力显著提升，蒙古侧受水分限制增长有限，高排放情景下蒙古侧雨养产量潜力甚至出现下降（图8、9）。

**讨论与结论**

讨论部分指出，生长季延长与热积累增加是玉米产量潜力提升的主要驱动因素，但水分条件仍是关键限制因子，尤其在蒙古侧。未来降水增加可能缓解部分干旱，但极端降水事件也带来新风险。气候适宜区向高纬度扩展，使俄罗斯因永久冻土退化获得新耕地，但土地利用需谨慎。研究人员建议通过优化种植日历、战略性重新分配耕地和推广精准灌溉系统来适应气候变化。研究局限包括多模式集合平均平滑了极端事件，未来需纳入极端气候指数（如热浪天数、强降水频率）以完善评估。

**结论翻译**：在本研究中，研究人员探索了东北亚黑龙江流域玉米气候产量潜力的时空变化，考察了未来气候情景下生长季长度、气候适宜性和产量潜力的变化。结果表明，1980-2100年间ARB玉米生长季预计延长，热力生长季显著延长，水热生长季增加较少且变异性更大。气候适宜性显著改善，雨养和灌溉适宜区均扩大，总适宜面积呈北扩西移趋势，中国侧大兴安岭北部适宜性显著增加，蒙古侧适宜区向东延伸与俄罗斯西部连接形成新适宜区。玉米气候产量潜力呈稳步上升趋势，雨养条件下区域差异显著：SSP5-8.5情景下气候变暖使中国和俄罗斯侧产量潜力大幅提升，而蒙古侧受水分限制产量潜力有限。这些发现为气候变化下维持区域粮食安全提供了有力证据，揭示了巨大未开发潜力。为利用变暖带来的农业机遇并降低风险，研究人员建议实施气候智慧型农业，包括：（i）优化种植日历，（ii）战略性重新分配耕地面积，（iii）先进精准灌溉系统。这些调整对于优化大豆生产并确保未来气候变化下的韧性至关重要。