干旱（Drought）通过影响作物的生长、结构和生理功能降低小麦产量。未来气候变化下，中国冬小麦产区由干旱引起的产量损失风险加大。尽管已有研究探索了干旱与作物产量损失之间的关系，但未来导致产量损失的干旱确切阈值仍不明确。在未来气候变化下，对引发农业系统产量损失的干旱阈值进行全国性研究，对于准确预测干旱风险、及时制定有效的农业干旱风险管理策略和确保持续的粮食生产水平至关重要。
2024年5月18日，西北农林科技大学水利与建筑工程学院杨翠萍及其合作者，发表在Agricultural Water Management（IF=5.9）上的题为“Prediction of drought trigger thresholds for future winter wheat yield losses in China based on the DSSAT-CERES-Wheat model and Copula conditional probabilities”的文章，通过建立基于Copula函数的条件概率框架，来预测中国冬小麦产区在不同产量损失水平下的干旱触发阈值。同时，利用随机森林模型评估了影响干旱阈值动态变化的主要驱动因素。研究结果可为未来农业水资源配置和干旱风险管理提供科学指导。
一、材料与方法
①数据收集与处理：使用历史气候数据和冬小麦产量数据，结合DSSAT-CERES-Wheat作物生长模型进行模拟。DSSAT模型是一个基于过程的决策支持系统，用于预测不同气候条件下的作物产量。
②干旱触发阈值框架：基于Copula理论，构建了量化不同产量损失水平下干旱触发阈值的条件概率框架。
③驱动因素评估：利用随机森林模型评估影响干旱触发阈值变化的主要驱动因素。
图1.中国冬小麦主产区划分及冬小麦农业气象站点分布。HHH、SW、LP和XJ分别代表黄淮海冬麦区、西南冬麦区、黄土高原冬麦区和新疆冬麦区。
图2.本研究的技术路线流程图。
二、研究结果
①模型校准及验证：通过将各个主要产区的开花日期、成熟日期和冬小麦产量的预测值与观测值进行比较，评估了DSSAT-CERES-Wheat模型的预测性能。在整个校准和验证过程中，作物模型对开花期的模拟性能良好。DSSAT-CERES-Wheat模型对冬小麦生长发育和产量的模拟效果较好，可用于未来气候变化条件下冬小麦产量的预测。
图3.冬小麦开花期、成熟期及产量观测值与模拟值的比较。
图4.气候变化条件下冬小麦产量与SPEI的最大相关系数（Rmax，当Rmax的绝对值大于0.34时，产量与SPEI的相关性达到95%以上）和响应时间的空间分布。
②干旱触发阈值：研究结果显示，基线期（1981-2020年）、近期未来（2021-2060年）和远期未来（2061-2100年）的干旱触发阈值范围分别为-2.1至-1.2、-0.8至-0.6和-1.2至-1.0。这表明未来冬小麦产量损失的干旱阈值先上升后下降。
图6.气候变化下不同干旱程度（轻度、中度、重度和极旱）下冬小麦产量低于第70百分位数的条件概率。
图7.气候变化情景下不同程度冬小麦产量损失的干旱阈值。
③区域差异：在不同产量损失水平下，干旱触发阈值存在显著的区域差异。新疆（XJ）和西南地区（SW）的干旱触发阈值相对较高，而黄淮海地区（HHH）和东北地区（LP）的阈值相对较低。
图8.不同气候情景下不同程度冬小麦产量损失干旱阈值的空间分布。
④驱动因素分析：研究发现，平均气温（Tmean）是未来干旱触发阈值动态变化的主要驱动因素，其次是降水量（Pre）。在远期未来，降水量对干旱阈值的贡献逐渐增加，而平均气温的贡献逐渐减小。
图9.根据随机森林算法得出的气候变化下引发产量损失的干旱阈值的主要驱动因素（a）（b）SSP 2 -4.5（2021- 2060年）；（c）SSP 2 - 4.5（2061 -2100年）；（d）SSP 5 -8.5（2021-2060年）；（e）SSP 5 - 8.5（2061-2100年）；
⑤框架可靠性：提出的基于Copula的二元条件概率框架在评估未来气候变化下中国冬小麦产量损失的干旱触发阈值时表现出高准确性和可靠性。
图10.在不同干旱阈值（a）基线（1981-2020年）、（b）SSP 2 -4.5（2021-2060年）、（c）SSP 2 - 4.5（2061 -2100年）、（d）SSP 5 -8.5（2021 -2060年）和（e）SSP 5 - 8.5（2061-2100年）下，冬小麦去趋势估计产量与成对SPEI-产量测量值的比较。
三、讨论
①与其他研究的比较：本研究发现未来干旱触发阈值先上升后下降的趋势，这与先前的一些研究结果存在差异。这可能是由于中国主要农业区域未来平均气温和降水量的上升趋势，且增速从近期未来到远期未来逐渐加剧。
②区域适应性：研究结果表明，在长时间高温或低降雨量的地区，作物的抗旱性可能会增强，从而导致这些地区的干旱阈值降低。然而，在中国西南和新疆地区，轻度干旱事件即可导致30%的冬小麦产量减少。
③复合干旱事件：未来气候变化下，复合干旱事件（如干旱和高温同时发生）的概率可能会显著增加，使冬小麦对干旱更加敏感。
总结：本研究首次建立了基于Copula理论的条件概率框架，预测了中国主要冬小麦产区未来不同产量损失水平下的干旱触发阈值。研究结果显示，未来干旱触发阈值先上升后下降，且存在显著的区域差异。平均气温是影响干旱触发阈值动态变化的主要驱动因素。本研究不仅为未来的农业水资源分配和干旱风险管理提供了科学指导，还为培育耐旱冬小麦品种提供了有价值的参考。同时，该框架和方法可扩展到研究未来极端复合事件（如干旱和高温）对作物产量损失的影响阈值。
