本研究由Qing Li、Peijuan Wang（通讯作者）、Yang Li、Junxian Tang、Xin Li、Yuanda Zhang、Dianchen Han、Yuncheng Zhao、Qi Wang和Zaiqiang Yang共同完成，作者单位包括中国气象科学研究院沈阳农业生态气象研究所（State Key Laboratory of Severe Weather Meteorological Science and Technology）、南京信息工程大学大气科学学院（Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters）、内蒙古生态与农业气象中心（Center of Ecology and Agricultural Meteorology of Inner Mongolia）、中国气象局国家气候中心（National Climate Center）以及南京信息工程大学应用气象学院（School of Ecology and Applied Meteorology）。研究成果发表于2025年的《European Journal of Agronomy》期刊（Volume 170, Article 127729）。
学术背景
全球气候变化导致极端高温事件频发，对作物生产力构成严峻挑战。玉米（Zea mays L.）作为全球主要粮食作物之一，对高温胁迫（heat damage, HD）尤为敏感，但其不同生育阶段的高温伤害触发阈值（trigger threshold）缺乏定量研究。黄淮海平原（Huang-Huai-Hai Plain, HHH）是中国第二大玉米主产区，占全国总产量的30%-40%，但该地区夏季玉米生长季（6-9月）的日最高温（daily maximum temperature, Td_max）以每十年0.20℃的速率上升，导致高温伤害事件频发，威胁粮食安全。本研究旨在通过多方法框架量化夏玉米不同生育阶段的高温伤害触发阈值，为农业气象服务和灾害预警提供理论依据。
研究流程
数据收集与处理
- 土地利用数据：基于中国科学院资源环境科学数据中心（RESDC）的CNLUCC数据集（1 km分辨率），提取2010-2020年黄淮海平原旱地作为夏玉米主要种植区。
- 气象数据：收集1980-2023年450个气象站的日最高温数据，缺失值通过线性插值填补。
- 物候数据：整合44个农业气象站2000-2021年的夏玉米生育期观测数据（播种V0、出苗Ve、拔节V6、抽雄Vt、开花R1、乳熟R3、成熟R6），采用反距离权重法空间插值（0.05°分辨率）。
- 历史灾害记录：整合气象站实地记录、文献、《中国气象灾害年鉴》及新闻报告，共9140个高温伤害样本，覆盖240个气象站。
高温伤害样本构建
- 根据生育阶段划分为六组：V0-Ve、Ve-V6、V6-Vt、Vt-R1、R1-R3、R3-R6，分别构建高温伤害（HD）和无伤害（HD-free）样本（表1）。短事件（月）以事件前后5天为对照，长事件（≥1月）以事件时长一半为对照。
阈值确定方法
- 箱线图与核密度估计：通过箱线图确定异常值范围（Q1-1.5IQR为下限），结合核密度估计（Kernel Density Estimation, KDE）和概率密度函数（Probability Density Function, PDF）缩小阈值范围。
- ROC曲线与Youden指数：计算真阳性率（TPR）与假阳性率（FPR），以Youden指数最大值对应的温度为最优阈值。
验证与评估
- 空间验证：保留20%样本进行独立验证，计算总体准确率（Overall Accuracy）。
- 典型事件验证：分析2021-2023年连续高温日数（Maximum Consecutive HD Days, CHDD）与2023年拔节期Td_max的空间分布。
- 产量相关性：通过热伤害度日（Heat Degree-Days, HDD）和热伤害频率（Heat Damage Frequency, HDF）与相对气象产量（Relative Meteorological Yield）的Pearson相关性验证阈值合理性。
主要结果
阈值确定
- 各生育阶段高温伤害触发阈值分别为：V0-Ve 34.0℃、Ve-V6 34.1℃、V6-Vt 34.6℃、Vt-R1 34.8℃、R1-R3 33.7℃、R3-R6 32.9℃。生殖阶段（R1-R6）阈值低于营养阶段（V0-Vt），表明生殖期对高温更敏感。
- ROC曲线下面积（AUC）均≥0.97，Youden指数峰值对应阈值验证了模型的强分类能力（图5）。
验证结果
- 独立样本验证平均准确率>83%，其中V0-Ve阶段最高（87.66%），部分县市（如山东邹平、河南清丰）准确率达90%以上（图6，表2）。
- 2021-2023年CHDD空间分布与历史灾害记录一致（图7），例如2021年河南南部连续3-5天高温导致玉米发芽率下降。
- HDD/HDF与相对气象产量呈显著负相关（图9），开花至乳熟期（R1-R3）相关性最强（97.8%站点），表明此阶段高温累积效应对减产影响最大。
结论与价值
本研究首次系统量化了黄淮海平原夏玉米全生育期高温伤害触发阈值，揭示了生殖阶段高温敏感性更高的规律。方法上整合箱线图、KDE、PDF和ROC曲线，创新性地建立了多方法阈值判定框架。成果为农业气象灾害监测预警提供了精准指标，并为品种选育和种植制度优化（如调整播期避开高温敏感期）提供了科学依据。例如，开花期（Vt-R1）阈值34.8℃可指导农户在预报高温时采取灌溉或喷施调节剂等措施。
亮点
- 多方法融合：结合统计分析与机器学习（ROC曲线），提升了阈值确定的客观性。
- 全生育期覆盖：填补了单一生育阶段阈值研究的空白。
- 高精度验证：通过独立样本和典型事件双重验证，阈值准确性达83%以上。
- 应用导向：提出的HDD/HDF指数可直接用于产量损失评估模型。
其他价值
研究指出当前灾害记录偏重高影响事件可能低估轻度高温伤害，未来需结合田间试验（如控温实验）进一步验证阈值。此外，高温与干旱的复合效应（compound stress）是下一步研究重点。