复合干旱高温事件对夏玉米的危害评估：基于农业与气象视角的综合研究

一、研究团队与发表信息
本研究由Qing Li（南京信息工程大学大气科学学院）、Peijuan Wang（中国气象科学研究院沈阳农业生态气象研究所）等10位学者合作完成，发表于2025年4月的《Agricultural Water Management》期刊（卷313，文章编号109479），通讯作者为Peijuan Wang（wangpj@cma.gov.cn）。研究得到国家重点研发计划（2022YFD2001003）和国家自然科学基金（32171916）等项目的支持。

二、学术背景与研究目标
在全球变暖背景下，复合极端事件（Compound Extreme Events, CEEs）对农业生产的威胁日益加剧。其中，复合干旱高温事件（Compound Drought and Heat Events, CDHEs）通过缩短作物生长周期、破坏生理过程导致减产，而现有研究多聚焦气象干旱（SPI指数）与高温的复合效应，忽视农业干旱（SPRI指数）与作物生长阶段的动态响应。本研究以中国黄淮海平原（HHH平原）夏玉米为对象，提出改进的复合强度指数（CEMI）与Copula联合概率模型，旨在：
1. 对比气象干旱-高温（CMDHEs）与农业干旱-高温（CADHEs）的演变特征；
2. 量化不同生长阶段的危害差异；
3. 为灾害防控与粮食安全提供科学依据。

三、研究流程与方法
1. 数据来源与区域划分
- 研究区域：覆盖HHH平原（河北、河南、山东等7省市），中国夏玉米主产区（占全国种植面积31.98%）。
- 数据：1980–2023年逐日气象数据（降水、温度等）、夏玉米物候期（播种至成熟6阶段）、土地利用类型（旱地为主）。

1. 指标构建与事件识别

   • 标准化降水指数（SPI）：基于10日滑动窗口识别气象干旱（SPI ≤ -0.5）。
     
   • 标准化需水指数（SPRI）：结合作物系数（KC）与FAO Penman-Monteith公式计算作物需水量（ETc），通过Log-Logistic分布拟合农业干旱（SPRI ≤ -0.5）。
     
   • 温度条件指数（TCI）：定义高温阈值（如抽雄期34.8℃），连续3日超阈值即为热害事件。
     
   • 复合事件定义：CMDHEs（SPI ≤ -0.5且STCI ≥ 0）；CADHEs（SPRI ≤ -0.5且STCI ≥ 0）。
     

2. 前置效应因子改进
   引入三类前置效应因子（Fad：农业干旱主导；Fmd：气象干旱主导；Fh：高温主导），量化历史干旱/高温对复合事件的累积影响：
   math F_{ad} = 1 + \frac{\sum |\delta_{ad}|}{\delta_d} \quad (\delta_d \geq 1)
   其中δd为复合事件与前置事件的时间差，通过Run Theory提取事件持续天数与强度。

3. 联合概率与危害评估

   • Copula模型：采用高斯、Clayton等6种函数拟合SPRI/SPI与STCI的联合分布，以AIC准则选择最优模型。
     
   • 危害指数：H = CMDHI/CADHI × 联合概率，划分为5级（极低至极高）。
     

四、主要结果
1. 变量相关性
- 2011–2023年抽雄至成熟期，SPRI与STCI呈显著负相关（R = -0.62，p < 0.05），反映高温加剧农业干旱的协同效应。
- 气象干旱前置效应（Fmd）普遍高于农业干旱（Fad），尤其在播种至抽雄期（Fmd均值1.8 vs. Fad均值1.3）。

1. 时空分布特征

   • 高频区域：河北中南部、河南大部在抽雄期（VT-R1）CADHEs发生次数超70次（2013年热害日占比69.48%）。
     
   • 危害趋势：MK检验显示，CADHEs危害自2013年显著上升（p < 0.05），CMDHEs自2017年加剧，抽雄期危害等级最高（H ≥ 0.2）。
     

2. 机制解析

   • 敏感阶段：开花期（VT-R1）高温导致花粉活力下降，与干旱叠加使籽粒败育率增加31%。
     
   • 区域差异：HHH平原西部受高压系统控制，下沉气流抑制降水，灌溉农业的潜热减少进一步加剧复合事件。
     

五、结论与价值
1. 科学价值
- 首次区分CMDHEs与CADHEs的动态危害，揭示农业干旱在生殖生长阶段的主导作用。
- 改进的CEMI指数整合前置效应，提升复合事件强度量化的准确性。

1. 应用价值
   
   • 为黄淮海平原夏玉米关键生长期（如抽雄期）的灾害预警提供阈值参考（如SPRI ≤ -0.5 + 连续3日≥34.8℃）。
     
   • 建议优先防控河南北部、河北南部等高风险区，优化灌溉策略以缓解干旱-高温连锁效应。
     

六、研究亮点
1. 方法创新：结合Run Theory与Copula函数，实现复合事件动态概率评估。
2. 跨学科视角：融合气象干旱（大气降水）与农业干旱（土壤-作物需水）的双重响应机制。
3. 实证发现：2013年与2019年极端事件案例为气候变化背景下作物适应性研究提供典型样本。

七、延伸讨论
未来需进一步探究：
- 不同气候情景下CADHEs的演变预测；
- 灌溉管理对复合灾害的缓解效应量化。
（注：文中SPRI、STCI等术语首次出现时标注英文原词，后续使用中文表述以符合学术规范。）