本文亮点
摘要
干旱对全球作物生产构成重大威胁。随着全球社会努力应对气候变化不断升级的挑战，了解并发干旱对粮食安全的多方面影响变得至关重要。本文深入研究了全球粮食系统中的主要作物小麦和玉米对不同类型干旱的反应，特别关注气象和农业干旱同时造成的产量差。采用DSSAT-CERES模型对1962 - 2100年中国玉米和小麦物候期、雨养期和潜在产量进行了模拟。计算了从播种到成熟期的气象(非平稳标准降水蒸散指数，NSPEI)和农业(标准土壤水分指数，SSMI)干旱指数。研究方法包括利用双变量和多交叉小波方法，对不同干旱类型及其同时发生情况下的产量差距响应进行比较分析。此外，引入了一个vine Copula框架来量化不同干旱严重程度下的产量差距。最后，利用最小二乘回归确定未来SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下不同区域玉米和小麦对NSPEI和SSMI的相对依赖权重。这一综合分析不仅阐明了多种干旱类型与作物产量之间的复杂关系，而且为农业干旱综合监测指标的开发提供了实践启示。这项研究强调，在评估未来气候变化下的作物干旱风险时，需要综合多类型干旱。
试验设计
中国陆地面积世界第三大，横跨东经73°33 - 135°05，北纬3°51 - 53°33。中国地形复杂，地势由东向西分三步逐渐升高(Zhang et al.， 2010)。因此，作物的生长面积和物候期因地形、景观和气候条件而有很大差异。根据中国农业综合区划和本文研究的农业气象站点分布情况(徐志强等，2006)，将中国农业划分为6个农业区域:东北平原(NE，春小麦、春玉米)、黄土高原(LP，春玉米、夏玉米、冬小麦)、黄淮海平原(HHH，夏玉米、冬小麦)、北部干旱半干旱地区(NA，春玉米、春小麦、冬小麦)、青藏高原(QT，春小麦)、长江以南地区(SY，冬小麦)。中国185个农业气象站点的海拔高度、农业区域划分及分布情况如图1所示。
图1 研究了185个农业气象站点的海拔高度、农业区域划分及分布。
中国土壤水力参数从土壤水力参数数据集(www.globalchange.bnu.edu.cn, 30 × 30弧秒地理空间分辨率)下载，包括饱和含水率(SAT)、永久萎蔫点(WP)、田间持水量(FC)和饱和水力导率(SHC) (Dai et al.， 2013)。0 ~ 30 cm和30 ~ 100 cm土层黏粒和砂粒含量数据来自中国土壤特征数据集(www.ncdc.ac.cn)。利用全球陆地数据同化系统(GLDAS-Noah，空间分辨率为0.25°× 0.25°)(Chen et al.， 2020)采集1962—2021年0—10 cm和10—40 cm深度的平均土壤湿度值，单位由 kg m−2转换为 m3 m−3，公式如下:
主要结果
图2 1962年至2100年，四种作物的营养生长期(a)、生殖生长期(b)和全生育期(c)的变化(以春玉米为例，其他作物见图S1)。四种SSP情景下2060s (d)和2100年(e)的全成长阶段持续时间。1962 - 2100年潜在产量(f)、雨养产量(g)和产量差距(h)的变化。在四种可持续发展战略下，本世纪60年代(i)和2100年(j)的产量差距。实线表示所有站点的平均值，阴影区域表示所有站点四分位间的上、下值范围。
不同干旱形式对作物产量的影响
图9 单一气象要素产量差(NSPEI <- 0.5, SSMI >- 0.5)或农业干旱(SSMI <- 0.5, NSPEI >- 0.5)条件下的1962-2021年(a)和2022-2100年SSP2-4.5 (b)和SSP5-8.5 (c)情景(其他作物见图S15)。
NSPEI和SSMI的相对权重
图10 SSP2-4.5 (b)和SSP5-8.5 (c)情景下2022-2100年春夏玉米(a-d)和春冬小麦(e-h) NSPEI和SSMI的相对权重。
主要结论
本研究为了解气候变化对主要农作物的影响做出了重要贡献，为全球粮食安全和可持续农业提供了重要见解。结果表明:
(2)在4种SSP情景下，2022-2100年4种作物生长期间的气象和农业条件趋于干燥。
(3)玉米产量与NSPEI的关系更密切，小麦产量与SSMI的关系更一致。
(4)并发干旱将导致更大的产量差。同时干旱造成的未来产量差距平均将比单一类型干旱高出2-30%。排放速率越高，产率差距越大。
(5)2022-2100年，在SSP2-4.5情景下，夏玉米对NSPEI的依赖权重高于SSMI，其余3种作物对SSMI的依赖权重高于SSMI。而在SSP5-8.5情景下，四种作物对SSMI(51-99%)的依赖权重均高于对NSPEI的依赖权重。
这些发现全面分析了并发干旱对小麦和玉米产量差距的重大影响，而小麦和玉米产量差距对全球粮食安全至关重要。未来并发干旱将对作物产量产生严重影响，因此准确的干旱监测和早期预警至关重要。鉴于小麦和玉米对不同干旱指数的响应不同，建议针对不同作物制定相应的预防措施。此外，本研究也为农业干旱综合监测指标的开发提供了实践启示。
