学术研究报告：极端复合事件对作物产量变异性的阈值与影响
作者及发表信息
本研究由Jakob Bogenreuther（德国拜罗伊特大学生态服务系）、Christina Bogner（科隆大学地理研究所）、Stefan Siebert（哥廷根大学作物科学系）和Thomas Koellner（拜罗伊特大学）合作完成，发表于2025年的《Agricultural and Forest Meteorology》期刊（卷375，文章编号110836）。
科学领域与研究动机
本研究属于农业气象学与气候变化交叉领域，聚焦复合极端事件（compound events）（如高温与干旱同时发生）对两种主要粮食作物——籽粒玉米（grain maize）和冬小麦（winter wheat）产量变异性的影响。全球气候变化导致极端事件频率增加，威胁粮食安全。然而，现有研究对极端事件的阈值定义存在矛盾：相对阈值（relative thresholds，如百分位数）缺乏生理学依据，而绝对阈值（absolute thresholds，如30°C）在植物个体尺度与区域尺度差异显著。本研究旨在解决这一矛盾，明确适用于大尺度分析的阈值，并量化复合事件对作物产量的影响。
研究目标
1. 确定解释作物产量变异性的最佳温度与降水阈值（相对与绝对阈值）；
2. 比较单一极端事件与复合事件对产量的解释力；
3. 识别作物敏感的生长阶段（营养生长期与生殖生长期）。
1. 研究区域与数据
- 区域：德国巴伐利亚州（96个行政区），涵盖欧洲中部典型的降水梯度（年降水量700–2000毫米）。
- 数据：
- 气象数据（1983–2021年）：日平均温度、日最高温度、降水总量（1 km分辨率网格数据）。
- 产量数据：官方农业统计的区级玉米（74个区）和小麦（92个区）产量，经去趋势处理以剔除技术进步等长期影响。
2. 极端事件定义与阈值计算
- 阈值类型：
- 相对阈值：基于参考期（1951–1980年）的百分位数（温度：75th–95th；降水：10th–50th）。
- 绝对阈值：将相对阈值转换为具体温度（°C）或降水量（mm）。
- 事件定义：
- 高温事件：日最高温度或日平均温度超过阈值。
- 干旱事件：10天或30天累计降水低于阈值。
- 复合事件：同一天发生高温与干旱。
3. 作物生长阶段划分
- 玉米：营养生长期（5–7月）、生殖生长期（8–10月）。
- 小麦：营养生长期（11月–次年4月）、生殖生长期（5–7月）。
4. 统计分析与模型
- 线性回归：以产量变异性为因变量，极端事件发生天数为自变量，筛选最优阈值（最高调整R²）。
- 验证方法：残差正态性检验（Shapiro-Wilk）、自相关性检验（Durbin-Watson）。
1. 阈值特性
- 绝对阈值更优：尽管相对阈值因降水梯度存在空间差异，但转换后的绝对阈值趋于一致。例如：
- 玉米：日最高温度阈值约28°C（95th百分位），生殖生长期降至27–28°C。
- 小麦：日最高温度阈值24–25°C（75th–90th百分位），显著低于植物个体研究的30°C。
- 降水阈值：30天干旱阈值玉米为40–50 mm，小麦为60 mm（低于阈值对小麦产量有正向影响）。
2. 复合事件的解释力
- 玉米：复合事件解释力（中位数R²=35%）显著高于单一高温（23%）或干旱（21%），尤其在西北、东部干旱区。
- 小麦：复合事件解释力（19%）与单一高温（18%）相近，干旱影响微弱且正向（降水充足）。
3. 生长阶段敏感性
- 玉米：营养生长期对高温敏感，生殖生长期对干旱敏感。
- 小麦：生殖生长期对高温敏感，营养生长期无显著响应。
4. 时间与空间模式
- 极端年份：2003、2015、2018年复合事件天数最多，对应显著减产（如2018年玉米减产超50%）。
- 区域差异：砂质土壤区（如多瑙河谷）因保水能力差，复合事件影响更显著。
科学价值
1. 阈值标准化：提出适用于大尺度作物模型的绝对阈值（玉米≥28°C，小麦24–25°C），填补植物生理与区域评估的阈值差异。
2. 复合事件机制：揭示高温与干旱的协同效应（如气孔关闭抑制蒸腾）在玉米中尤为显著。
3. 方法创新：首次对比日平均温度与日最高温度、10天与30天干旱的定义差异。
应用价值
- 农业实践：针对敏感生长阶段调整管理（如生殖期灌溉、耐旱品种选育）。
- 政策建议：在干旱易发区增加景观异质性（如林地缓冲）以提升抗逆性。
局限性
- 未考虑连续多日高温或干旱的累积效应；
- 土壤有机质等缓冲因素需进一步纳入模型。
展望
未来研究可探索机器学习模型（如Copula）处理非线性关系，并扩展至全球其他农业区验证阈值通用性。