文章信息
文章标题：Nonlinear contributions of surface solar brightening to maize yield gains in the US Corn Belt
标题译文：地表太阳辐射增强对美国玉米带增产的非线性贡献
发表期刊：Agricultural and Forest Meteorology
在线时间：2024.07.16
通讯作者：Lin Xiaomao
作者单位：Department of Agronomy, Kansas State University
研究背景
美国玉米产量占全球年产量的40%，提高玉米产量有两个途径，一是增加生长季植物吸收的太阳总辐射，二是提高植物将截获或吸收的太阳辐射转化为生物量以及将生物量分配到谷物中的效率。玉米产量受遗传、环境、管理及其相互作用的影响，以往研究发现非环境因素如遗传、育种技术和农艺管理是玉米产量增长的主要贡献因素，但关于气候变化对玉米产量增长影响的研究有限。
虽然有研究表明通过育种改进和农艺管理提高了辐射利用效率，且冠层上方的太阳辐射不变或充足，但从气候变化角度探讨太阳辐射变化对玉米产量影响的研究尚不足，且现有研究中使用的卫星数据存在局限性，对太阳辐射变强或变弱在玉米生物量生产中引发线性响应的可能性也存在疑问。
主要结果
1、SSR趋势：基于地面自动气象站（AWS）数据，短期内（10 - 20年）各州玉米灌浆期表面太阳辐射（SSRGFP）变化显著，但长期来看（> 25年），除伊利诺伊州外，玉米带其他地区SSR无显著变化；而基于NASA POWER（PWR）数据集，所有州的SSRGFP均显著增加，存在对太阳变亮的高估。
2、SSR对产量增长的贡献：使用地面AWS数据和Hybrid - Maize模型（HMM）模拟发现，1980年代至2020年，观测到的SSR年际变化对美国玉米带的产量增长没有显著贡献，仅在伊利诺伊州的前20年，SSR变化对产量趋势有显著贡献；施加PWR数据中0.06 MJ m⁻² d⁻¹ yr⁻¹的太阳变亮率，对产量增长的贡献为8%，低于之前使用线性化方法研究的结果；施加相同幅度的太阳变暗率，产量增益下降12%。
3、产量对SSR变化的非线性响应：通过HMM模型分析发现，玉米产量对SSR变化呈非线性响应，总体上产量随SSR增加而增加，但响应速率下降；在干燥条件下，产量受水分胁迫限制，SSR增加不会使产量增加，反而会加剧胁迫导致产量损失；雨养条件下（可能存在水分胁迫）产量对SSR增加的响应小于灌溉条件（无水分胁迫）；在排除区域性影响后，寒冷条件下产量对SSR变化的响应大于炎热条件。
4、非环境因素对玉米产量增长的贡献：使用HMM模型估计，种植密度的变化使研究各州的玉米平均产量每十年增加0.4 t ha⁻¹，占观测产量趋势的32%；杂交种（以生长度日GDD为特征）的变化使玉米平均产量每十年增加0.56 t ha⁻¹，占观测产量趋势的40%；非环境因素的变化总体上对观测产量趋势的平均贡献为76%，从伊利诺伊州的73%到内布拉斯加州的88%不等。
文章图表
图1. 爱荷华州、伊利诺伊州、内布拉斯加州和俄亥俄州玉米灌浆期表面太阳辐射异常的自动气象站观测值与美国国家航空航天局数据比较
图2. 基于杂交玉米模型模拟，1980 年代至 2020 年爱荷华州、伊利诺伊州、内布拉斯加州和俄亥俄州表面太阳辐射对玉米产量趋势变化的州级和站级贡献，以及代表美国玉米带的所有四个州的收获面积加权平均值
图3. 在不同条件下玉米产量对表面太阳辐射变化的响应
图4. 1980 年代至 2020 年爱荷华州、伊利诺伊州、内布拉斯加州和俄亥俄州非环境因素变化对玉米产量趋势的贡献，以及代表美国玉米带的所有四个州的收获面积加权平均值
图5. 灌浆期（GFP）太阳辐射对玉米谷物产量（以 0% 水分测量）的效率
作物生理生态
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