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气候变化威胁华北平原玉米生产，本研究通过耦合APSIM模型与全球气候模型，量化了气候变暖对玉米产量的影响，并评估了播种期调整（CSD）、品种优化（OGT）及二者结合（CSD&OGT）的适应策略效果。结果表明，未采取适应措施时，2050s和2080s华北平原玉米产量分别下降1.0–11.8%和1.3–18.5%。CSD&OGT策略可使产量分别提升13.3–65.1%和5.5–58.3%，关键参数包括发育期 thermal time 和产量形成参数 radiation use efficiency。
李梦娜|王家乐|田行帅|郎文杰|陈福|雷永登
中国农业大学农学与生物技术学院，北京 100193，中国
摘要
背景或问题
气候变化严重威胁着全球粮食安全，尤其是华北平原（NCP）的玉米生产，该地区是重要的粮食生产基地。因此，制定有效的适应策略以应对气候变化对农业生产的负面影响至关重要。
目标或研究问题
本研究旨在量化气候变化对玉米生产的影响，并探讨可行的适应策略，以减轻其对产量的不利影响，从而揭示田间作物系统优化在气候变化适应中的作用。
方法
本研究通过将校准后的农业生产系统模拟器（APSIM）模型与全球气候模型（GCMs）相结合，评估了在高排放情景（SSP585）下气候变化对玉米产量的影响。提出了三种适应策略——改变播种日期（CSD）、优化基因型（OGT）以及结合这两种方法（CSD&OGT），并在不同的气候和土壤条件下对其进行了评估。
结果与结论
敏感性分析表明，除了辐射利用效率和最大粒数系数外，包括从出苗到幼苗期结束以及从开花到成熟的热时间在内的关键物候参数对玉米产量有显著影响。模型模拟结果显示，如果不采取任何适应措施，与基准期（1990–2020年）相比，2050年代（2041–2070年）华北平原82%的地区玉米产量可能减少1.0–11.8%，2080年代（2071–2010年）则可能减少1.3–18.5%。在所考察的适应措施中，CSD&OGT策略在减轻气候变化引起的产量损失方面表现出最大的潜力，2050年代玉米产量可增加13.3–65.1%，2080年代可增加5.5–58.3%。通过这种策略，玉米的最佳播种日期被推迟，同时选定的品种具有更长的生殖生长期、更高的辐射利用效率和更大的最大粒数，从而使玉米能够在未来的气候条件下实现高产量。
意义或重要性
本研究强调了基因型（G）、环境（E）和管理（M）相互作用（G × E × M）在减轻气候变化不利影响方面的协同效应，突出了将未来育种计划与适应性农业实践相结合以确保在变化的气候条件下粮食安全的重要性。
引言
气候变化对粮食安全构成了严重威胁，其特征是全球变暖、降水模式不均以及极端天气事件频率增加（Asseng等人，2015年；Webber等人，2022年；Jiang等人，2022年；Ortiz-Bobea等人，2021年）。玉米是世界三大主要谷物作物之一，全球约有45亿人依赖它为食，且随着人口增长，对其需求预计也会增加（Cgiar，2015年）。然而，玉米生产对气候条件非常敏感（Webber等人，2018年）。许多研究表明，气候变化将显著改变作物生长期间的光照、温度和降水量分布，可能导致生殖生长期缩短并降低产量（Challinor等人，2016年；Huang等人，2021年；Minoli等人，2022年；Ruane等人，2017年）。华北平原（NCP）是中国最重要的粮食生产区之一，占全国玉米产量的三分之一以上（Liang等人，2011年）。遗憾的是，多项研究表明，如果不采取适应措施，由于气候变化，华北平原的玉米产量可能会下降5–35%（Huang等人，2021年；Lv等人，2020年；Xiao等人，2020年）。因此，制定有效的策略来减轻气候变化的不利影响并最大化作物产量潜力已成为确保粮食安全的紧迫任务。
培育具有气候适应性的品种被广泛认为是减轻气候变化负面影响的有效策略（Challinor等人，2014年）。传统的育种方法主要依赖于亲本多样性和交配设计的准确性，但这些受到时间和资源的限制，导致育种进展缓慢（Senapati等人，2019年）。基于过程的作物模型通过一组特定于品种的参数来模拟不同基因型，提供了另一种方法。这些模型能够在各种区域和气候条件下进行测试，为育种提供方向的同时降低时间成本（Fischer，2007年）。例如，Tao等人（2017年）整合了八个作物模型的模拟结果，开发出适合欧洲的气候适应性大麦理想型。同样，Senapati等人（2019年）使用Sirius模型设计了小麦理想型，在未来的气候条件下，英国和新西兰的小麦产量可能增加40%以上。在印度，通过在模型中结合不同品种的特性，提高了未来气候条件下的高粱生产力（Singh等人，2014年）。在中国，1981年至2007年间东北地区玉米品种的调整提高了气候适应性，使产量增加了6.5–43.7%（Zhao等人，2015年）。尽管现有研究分析了特定气候条件下高产品种的设计，但大多数研究没有对品种参数进行敏感性分析，导致品种设计缺乏针对性（Li和Tao，2022年）。
改变作物播种日期是另一种低成本的适应措施，以应对气候变化带来的挑战（Challinor等人，2014年）。通过调整播种日期，可以重新分配热量和水分需求，从而减轻因生长周期缩短而带来的负面影响（Srivastava等人，2018年；Tang等人，2018年）。然而，播种日期的调整必须符合区域气候条件。以玉米为例，过早播种往往会导致土壤水分和温度不足，从而阻碍幼苗出土；而过晚播种则会使作物面临霜冻等危害（Zhang等人，2020年）。因此，气候变化适应策略应充分考虑区域气候和土壤条件，结合作物基因型和管理措施来最大化产量潜力（Baum等人，2024年；Hernandez-Ochoa等人，2019年）。然而，很少有研究系统地研究基因型（G）×环境（E）×管理（M）（G × E × M）在区域尺度上适应未来气候变化的协同效应，尤其是在华北平原。
我们假设气候变化将显著影响华北平原的玉米产量，而实施优化的G × E × M适应措施有助于减轻这些影响。在这项研究中，我们首先使用农业生产系统模拟器（APSIM）模型进行了敏感性分析，确定了与玉米生长和发育相关的关键参数，并评估了它们对产量的影响。随后，我们结合基因型、环境和管理因素（G × E × M）设计了多种适应策略，并评估了它们在减轻预计气候变化对玉米产量不利影响方面的有效性（图1）。本研究的目标如下：(a) 识别并评估玉米对气候变化最敏感的基因型参数；(b) 分析未来气候条件下玉米产量和区域物候的变化；(c) 量化G × E × M适应措施带来的玉米产量增益，并确定在华北平原不同地区减轻气候变化对玉米产量不利影响的最佳适应策略（图1）。
研究区域
华北平原位于北纬32°17′至41°03′、东经112°44′至122°42′之间，属于温暖半湿润的大陆季风气候（图2）。该地区年平均气温为8°C至15°C，降水量从西北部的500毫米到东南部的900毫米不等。主要土壤类型为风成壤土，主要种植制度是冬小麦和夏玉米，小麦通常在10月至6月种植，玉米在6月开始种植
APSIM-Maize敏感性分析和验证结果评估
APSIM-Maize品种参数的一阶和总敏感性指数如图3所示。显著影响物候的参数也对玉米产量产生了显著影响。其中，参数tt_emerg_to_endjuv被认为是影响开花日期的最重要因素，其总敏感性指数与一阶敏感性指数接近，均为约0.83。此外，tt_emerg_to_endjuv和tt_flower_to_maturity也具有显著影响
玉米产量对基因型参数的敏感性
在应用作物模型之前，校准关键的作物生长参数对于确保模拟结果的准确性至关重要（Wang等人，2013年）。敏感性分析表明，显著影响玉米产量的参数主要包括三个物候参数——tt_emerg_to_endjuv、tt_flower_to_maturity和photoperiod_slope，以及两个产量形成参数：辐射利用效率（rue）和最大粒数系数（GNmaxCoef）。
结论
本研究确定了APSIM模型中影响玉米产量和物候的关键品种参数，并根据敏感性分析结果对模型进行了校准。研究结果表明，除了与产量形成相关的参数外，某些物候参数也显著影响了玉米的生长和生产力。由于未来气候变化的影响，华北平原约82%的地区经历了产量下降
CRediT作者贡献声明
雷永登：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。李梦娜：撰写——初稿、软件使用、概念构思。郎文杰：验证。陈福：监督、资金获取。王家乐：调查、数据管理。田行帅：资源准备、方法论设计。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（32472239；72061147001）的资助。
