文献阅读 | 美国玉米产量对干旱敏感度的变化

题目

Changes in the drought sensitivity of US maize yields

作者

David B. Lobell, Jillian M. Deines  and Stefania Di Tommaso

期刊

Nature Food

时间

2020年11月

一作

单位

Department of Earth System Science, Stanford University, Stanford, CA, USA.

链接

https://www.nature.com/articles/s43016-020-00165-w

研究内容

由于气候变化加剧了许多农业地区干旱的频率和严重程度，一个突出的适应目标是降低作物产量对干旱的敏感性。要使适应策略有效地减少气候影响，绝不仅仅是农民改变他们使用的技术和做法，更为重要的是由策略所产生的变化可以有效地降低对随气候变化而增加的天气风险的敏感性。尽管了解天气敏感性如何变化很重要，而且在健康等其他领域也存在专门针对该主题的实证研究，但在农业领域尝试这样做的研究相对较少。

本文将评估美国玉米带的玉米产量对天气的敏感性是否正在变化。因为这种具有重要经济价值的作物对干旱很敏感，并考虑到研究区域的极端高温和水汽压匮乏预计将大幅增加，这一点令人特别关切。本文运用时间变异性和县一级空间变异性两种实证方法寻求玉米产量对干旱敏感性变化。其中，干旱条件的时间变异性来自于天气的变化，而县一级空间变异性则是由天气和土壤中植物可利用蓄水量（PAWS）差异共同驱动的。研究重点关注最近20年（1999-2018年）美国玉米带9个州（IL、IN、IA、MI、MN、MO、OH、SD、WI）主要雨养玉米的地区，这些地区的玉米总产量约占全国玉米平均产量的三分之二（图1）。

图1. 研究区域特征。左图：美国玉米带的9个州区域的地图，显示了研究期间的玉米平均产量估计图；右图：研究期间每年的玉米平均产量、高生长期天数（GDDs）、极端高温天数（EDDs）和4-8月的降水量

研究结果

       2012年，研究区域经历了一次严重的干旱，降水异常少，并高暴露于极端高温天数（EDDs），如图1所示。平均敏感性结果（图2）显示：（1）在10 ~ 30℃之间，高生长期天数（GDDs）对玉米产量有显著的正效应；（2） EDDs具有显著的负向效应，与已有研究一致；（3） 4 ~ 8月达到650 mm的降水是具有积极作用的，尽管在10 ~ 90%的置信区间内包括了零作用；（4）而650 mm以上的过量降水有强烈的负面影响，这与该地区之前的研究结果是一致的。

图2. 玉米产量对天气的敏感性

尽管面板模型能够辨别平均天气敏感性，但它无法准确估计这些敏感性随时间的变化，如图3所示。这些结果强调了，仅依靠县级尺度的天气异常情况，很难通过实证估计近几十年来天气敏感性的变化。

图3. 产量对天气敏感性的时间趋势

       为此，本研究转向进行县一级空间分析。研究首先考虑产量对PAWS的敏感性，因为这个变量决定了在经历干旱压力时地区的适应策略倾向。通过原始PAWS和Scalable Crop Yield Mapper（SCYM）产量数据比较表明较高的PAWS对产量有积极影响（图4a）。通过回归模型估计，每增加100 mm的PAWS平均可以增加0.30 t ha⁻¹的产量（图4b）。而在生长季中，每降雨100 mm可增加产量0.1 t ha ^{– 1}，这也再次强调了土壤对于应对干旱的重要性。

图4. 产量对土壤含水量的敏感性

在推断时间变化中，发现在1999年至2018年期间，观察到灵敏度持续且显著增加（图5a）。不出所料的是，2012年PAWS对产量至关重要，与该研究期间最大的气象干旱同时发生。根据对不同的州回归分析，发现这些地区作物产量对PAWS敏感性是普遍的增加，如图5b所示。其中，基线敏感性最高的三个州（MO, SD, IL）表现出了最大的敏感性增幅，但即使是最湿润的州也表现出了一定程度的敏感性增幅。

图5. 产量对土壤含水量敏感性的时间变化趋势

那么，是什么因素导致产量越来越依赖于土壤的蓄水能力，以及土壤的实际湿度？研究考虑了三个可能因素。首先，过去20年的天气变化可能导致干旱的可能性增加，从而提高了PAWS的重要性。第二个可能的解释是，美国杂交播种密度和玉米产量潜力的持续增加导致作物对水需求的增加，从而提高了能够容纳更多水分的土壤的价值。第三，对水的敏感性增加可能是由其他减产因素的减少引起的。除了上述三个因素之外，本文也承认，与水无关的因素也可能在观测到的趋势中起到了作用。

研究结论

在干旱暴露中，利用天气驱动的时间变异性的策略是具有不确定性的，因为发生严重干旱的频率并不高。与之相反，利用主要由土壤蓄水能力差异驱动的空间变异性策略可以显示出随时间变化的稳健趋势。自1999年以来，美国玉米带的产量对土壤含水量的敏感性平均增加了55%，并在更干旱的州增幅更大。尽管在所有条件下产量都在增加，但干旱的代价也在增加。这些结果突出了同时提高平均产量和降低干旱敏感性是十分困难的。

编辑：白明皓

排版：白明皓 江琴

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