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玉米增产的非线性贡献
发表期刊: Agricultural and Forest Meteorology
在线时间: 2024-7-19
通讯作者: Xiaomao Lin
作者单位: Department of Agronomy, Kansas State University, 2004 Throckmorton Hall, Plant Sciences Center, Manhattan, KS 66506, United States
文章亮点
每十年玉米产量的增长对地表太阳辐射趋势表现出非线性响应
在美国玉米带，地表太阳辐射的变化对产量增长的贡献在统计上不显著。
从1980年代到2020年，非环境因素主导了每十年玉米产量的增长。
文章简介
地表太阳辐射决定了地球生物圈的能量和气候，为光合作用提供了重要动力，从而提高了玉米等作物的产量。地表太阳辐射的利用效率随入射地表太阳辐射的增加而非线性下降，特别是在地表太阳辐射强度增加的情况下，地表太阳辐射转化为作物生物量的效率很低。
作者利用1980至2020年间卫星和地面观测数据，通过Hybrid-Maize模型，分析了辐射变化对美国玉米产量贡献。本研究使用了来自美国四个玉米主产州 (即爱荷华州、伊利诺伊州(IL)、内布拉斯加州和俄亥俄州) 的29个自动气象站的数据。此外，还使用了NASA的全球能源资源预测数据（POWER）、gridMET数据集的气候数据、ERA5-Land和SSURGO数据库的土壤数据，以及美国农业部国家农业统计服务 (USDA-NASS) 提供的玉米产量和种植密度等数据。
作者首先分析了不同时间段内各州的太阳辐射变化趋势，发现爱荷华州 (IA) 的辐射显著增加，而内布拉斯加州(NE)和俄亥俄州 (OH) 则显示出下降的趋势。然而，整体上长时间窗口内并未观察到太阳辐射的显著变化。然后，作者利用Hybrid-Maize模型，分别在实际观测的辐射数据和固定辐射数据（即每年辐射数据保持在各站点前五年平均值的水平）两种情景下，进行了玉米产量模拟。通过比较两种情景下的模拟结果，计算了辐射变化对玉米产量的影响。此外，作者还在不同环境条件下（如干旱、低温和高温条件）进行模拟，评估玉米产量对辐射变化的非线性响应。
结果表明，尽管太阳辐射在理论上是作物生产力的重要驱动因素，但在实际应用中，太阳辐射的年际变化对玉米产量增长没有显著贡献。即使考虑到每十年SSR增亮率高达6.9 W/m²，这种变化对美国玉米产量的增长也没有显著影响。相反，非环境因素（如品种和管理实践）对产量增长的贡献更为显著。具体来说，种植密度的增加和品种改良分别贡献了32%和40%的产量增长。综合来看，非环境因素共同贡献了76%的玉米产量增长。
该研究强调在考虑农业产量增长时，不仅要关注气候变化带来的环境因素，更要注重遗传和管理实践等非环境因素的改进。通过综合分析，研究团队系统地评估了太阳辐射变化及非环境因素对玉米产量的影响，为未来农业生产策略的制定提供了重要的参考依据。
图 1. 爱荷华州（IA）、伊利诺伊州（IL）、内布拉斯加州（NE）和俄亥俄州（OH）自动气象站（AWS）观测数据与 NASA POWER（PWR）数据产品在玉米籽粒灌浆期的地表太阳辐射距平值（SSR）比较。1980s 年代至 2020 年（时间长度为10至35年），使用 AWS 数据的（a）内华达州、（b）伊利诺斯州、（c）内布拉斯加州和（d）俄亥俄州 SSR趋势。（e-h）与a-d 相同，但使用 PWR 数据。使用基于 AWS 数据的最长时间窗的站点级 SSR 趋势 (i)。黑色实心圆圈表示平均值，误差条表示 95 % 的置信区间。
图 2. 从 20 世纪 80 年代到 2020 年，地表太阳辐射（SSR）对爱荷华州（IA）、伊利诺伊州（IL）、内布拉斯加州（NE）和俄亥俄州（OH）玉米产量趋势变化的州尺度和站点尺度贡献，以及基于hybrid-maize模型模拟的四个州的收获面积加权平均数。各州和美国玉米带观测到的太阳辐射（a，左图）、太阳辐射减弱（-0.06 MJ m-2 d-1 year-1；a，中间）和太阳辐射增强（+0.06 MJ m-2 d-1 year-1；a，右图）对产量变化的贡献。0.06 MJ m-2 d-1 year-1 的 SSR 变化相当于2020 年增加 10.5%。太阳辐射增强（b）和减弱（c）带来的站点尺度产量变化（吨/公顷）。
图 3. 在以下条件下玉米产量对地表太阳辐射变化的响应：(a) 雨养条件（黑色）；(b) 灌溉条件（绿色）和旱育条件（黄色），其中旱育条件是雨养条件的子集；(c) 去除区域性影响后的寒冷条件（蓝色）和炎热条件（红色）。
图 4. 20 世纪 80 年代至 2020 年爱荷华州（IA）、伊利诺伊州（IL）、内布拉斯加州（NE）和俄亥俄州（OH）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（AVE）的所有四个州的收获面积加权平均值。柱形图表示由特定非环境因素驱动的平均产量趋势。误差条表示平均值的 95% 置信区间。柱状图中的数字定义了非环境因素的变化对观察到的产量趋势的平均贡献。
图 5. 谷物灌浆期（GFP）太阳辐射对玉米籽粒产量的影响。 (a) 收集的 72 个研究地点，包括显示截获光合有效辐射（iPAR）与生物量关系的 4 个地点（黄圈）（b），以及显示籽粒产量与生物量关系的 68 个地点（粉红圈）（c）。绘图背景按 2000 年代玉米收获面积的颜色编码。实验数据点总数分别为 107 个和 897 个（N）。
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