过度湿润造成中国玉米减产的差异性：基于统计数据和机理模型的发现

文章摘要：

- 过度湿润会造成玉米减产是被广泛认可的事实，但是这种负面影响在不同生育期阶段、不同气候区和管理条件下的差异性并没有被全面地揭示。另外，现有作物机理模型是否能够还原过度湿润负面影响及其差异性也尚未知晓。

- 利用中国县级玉米单产统计数据的分析发现，过度湿润造成的玉米减产可达到6%。其中，在开花到成熟阶段的过湿造成的玉米减产最明显。在偏湿、偏冷，或灌溉、施肥、土壤有机质较多的区域，过湿所造成的玉米减产幅度更大。

- 全球格网作物模型的模拟结果尚不能指示过湿造成的玉米减产，对于过度湿润造成减产的热点区域无法准确地识别，也无法展现减产的差异性。

- 本研究意味着针对过度湿润的适应与风险防范需要充分考虑当地的环境条件和管理措施水平。未来作物机理模型模拟能力的提升除了需要增强对过湿减产的模拟外，也要充分考虑环境变化所造成的差异性。

科学问题：

1） 过度湿润对于中国玉米单产的影响是正面还是负面的？

2） 过度湿润影响的差异性是如何随着气候条件和管理措施而变化的？

3） 作物机理模型对于过度湿润影响的差异性是否能够有效地捕捉？

研究结果：

1） 过度湿润对于中国玉米减产的影响

图 1 全生育期和不同生育阶段过度湿润对于统计县级玉米减产的影响。1）过度湿润对于玉米造成的减产是显著的；2）不同生育期阶段均有一定程度的由于过湿造成的减产，其中花期-成熟期最为明显。

2） 过度湿润影响玉米减产的差异性

图 2 过度湿润造成玉米减产的空间格局（统计结果）。1）过度湿润造成减产的热点区域位于中国的黄淮海平原和南方玉米种植区，过湿发生条件下的减产县所占比例均在60%以上；2）在黄淮海和南方玉米种植区，过度湿润造成的减产平均可以达到13.2%。

图 3 过度湿润负面影响和气候条件、管理措施之间的依赖关系（统计结果）。1）在气候条件偏湿、偏冷的区域，过度湿润所造成的玉米减产相对于其它区域更加明显；2）在灌溉面积比例和氮肥施用率较高的区域，过度湿润所造成的玉米减产相对于其它区域更加明显；3）在土壤有机质较多的区域过度湿润所造成的负面影响更加明显，土壤黏粒含量差异所造成的负面影响差异则不明显。

3） 机理模型对于过度湿润影响的捕捉能力

图 4 多个作物机理模型模拟单产对过度湿润的响应。1）多数作物机理模型不能有效地捕捉过度湿润所造成的负面影响；模型集合估计会导致“过湿引起增产”的错误结果2）APSIM-UGOE是唯一能够表达过湿造成玉米减产的模型，但对减产幅度也存在低估。

图 5 过度湿润造成玉米减产的空间格局（模型模拟结果）。1）作物机理模拟集合模拟未能准确识别黄淮海和南方玉米种植区是由于过湿引发减产的热点区域；2）作物机理模型集合模拟在黄淮海和南方玉米种植区均给出了“过湿引起增产”的错误结果。

图 6 作物机理模型集合模拟对于过度湿润负面影响差异性的捕捉能力（模型模拟结果）。1）作物机理模型集合模拟虽然不能捕捉过湿所造成的减产，但是湿润条件下增产的差异性和统计数据所揭示的规律有类似之处；2）在偏冷、偏湿的区域增产的幅度偏小；3）在灌溉比例和氮肥施用率偏多的区域增产幅度偏小；4）在土壤有机质偏多的区域，增产的比例偏小，而黏粒含量带来的差异性不明显。

论文信息：

本文于2022年10月在线发表于农林科学Q1区期刊Agricultural and Forest Meteorology (2021 IF=6.424)。北京师范大学地理科学学部灾害风险科学研究院二年级博士研究生刘苇航和二年级硕士研究生李梓桐为论文共同第一作者，叶涛教授为通讯作者。

引用格式：Liu W, Li Z, Li Y, Ye T, Chen S and Liu Y 2022 Heterogeneous impacts of excessive wetness on maize yields in China: Evidence from statistical yields and process-based crop models Agric. For. Meteorol. 327 109205 Online: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168192322003926

关键词：存在差异性的影响、过度湿润、统计玉米单产、作物机理模型、气候变化适应、农业风险管理