《Earth's Future》：Decoding the Temporal Effects of Climate Change on Crop Phenology: Cumulative and Lagged Impacts in China's Major Corn Zones (1990–2020)
编辑推荐：
本文提出了一种新颖的分析框架，首次分离了人为管理实践（AMP）的干扰，量化了1990–2020年中国玉米主产区三叶期（V3）和成熟期（MD）这两个关键物候阶段对气候变化（温度Temp、净太阳辐射SSRnet、降水PRE）的真实时间效应（累积与滞后效应）。研究表明，AMP会使气候变化的影响被低估25 ± 10%，且通常延长累积时间、缩短滞后时间；全国尺度上滞后效应（0.06 ± 0.02）强于累积效应；空间上，“秦岭-淮河线”是显著分界线，北方地区累积时间更长、滞后时间更短。这一成果深化了对气候-作物相互作用的理解，为精准农业和粮食安全提供了关键见解。
引言
作物物候与气候变化紧密相连，理解其间的时序效应对于应对气候变化对作物产量的威胁至关重要。然而，与自然植被不同，作物物候同时受到气候多样性和人为管理实践（AMP，如品种更替、灌溉、施肥）差异的影响。这使得在评估气候变化对作物物候的真实时间效应时，难以将AMP的长期趋势性影响与气候的短期波动性影响分离开来，从而引入了巨大的不确定性。本研究旨在填补这一空白，以全球三大主要粮食作物之一的玉米为对象，聚焦中国玉米主产区（1990–2020年），通过设计新的分析框架，在剥离AMP干扰后，定量探究气候变化对玉米关键物候阶段的实际时间效应。
材料与方法
研究选取了对气候变化敏感且影响生育期长度的两个关键玉米物候阶段：三叶期（V3）和成熟期（MD）。气候因子则选取了温度（Temp）、净太阳辐射（SSRnet）和降水（PRE），它们分别代表了影响作物生长的热量、光周期和水分维度。研究提出了一个基本假设：作物物候序列可分解为趋势物候、气候物候和随机物候。其中，趋势物候主要由AMP驱动，旨在通过品种改良和农艺措施确保作物正常生长并稳步提高产量；气候物候则主要反映由气候影响驱动的年际波动；随机物候主要由灾害和极端事件引起，因其高度随机性，在本研究中被忽略。
基于此，研究采用了霍德里克-普雷斯科特（HP）滤波来分解AMP和气候变化对作物物候的复合影响。HP滤波作为一种高通滤波器，能够将序列分离为高频（波动）和低频（趋势）成分。在这里，低频的趋势成分被解释为主要受AMP影响的趋势物候（V3M和MDM），而高频的波动成分则被解释为仅受气候变化影响的气候物候（V3C和MDC）。为验证分解的合理性，研究通过比较趋势物候与玉米产量的相关性，以及比较同期气候因子对原始物候和气候物候的解释能力进行了双重检验。
在成功分离出气候物候后，研究采用灰色关联分析（GRA）来量化Temp、SSRnet和PRE对V3C和MDC的累积效应和滞后效应。考虑到作物对气候变化的响应通常在一年以内，研究聚焦于物候发生日及之前364天（共365天）的时段。对于累积效应，计算的是气候物候序列与不同累积天数（从1天到365天）的气候因子累积序列之间的GRA，最大GRA值代表累积效应强度，对应的累积天数即为累积时间。对于滞后效应，计算的是气候物候序列与不同滞后天数（从0天到364天）的单日气候因子序列之间的GRA，最大GRA值代表滞后效应强度，对应的滞后天数即为滞后时间。
研究结果
1. 玉米物候序列分离的合理性与必要性
验证结果表明，HP滤波能有效分离玉米物候序列。趋势物候（V3M/MDM）与玉米产量的相关性显著高于原始物候序列。同时，气候因子（Temp、SSRnet、PRE）对气候物候（V3C/MDC）的解释能力（R2）相比原始物候平均提升了0.25 ± 0.10，平均绝对误差（MAE）和均方根误差（RMSE）平均降低了0.22 ± 0.16和0.26 ± 0.15天（标准化值）。趋势分析进一步显示，趋势物候在大部分区域呈显著趋势，而气候物候则绝大部分区域无显著趋势，这强有力地证明了HP滤波成功分离了主要受AMP影响的趋势成分和主要受气候影响的波动成分。
比较AMP影响消除前后的时间效应发现，AMP通常会延长气候变化的累积时间，同时缩短滞后时间。具体而言，对于V3，AMP使Temp、PRE和SSRnet的累积时间分别延长了3、18和29天；对于MD，则分别延长了6、5和18天。这表明，若不剥离AMP，会低估气候变化对作物物候的真实影响约25 ± 10%，并且扭曲对时间效应模式的判断。
2. 气候变化对玉米气候物候的时间效应强度
总体而言，Temp、SSRnet和PRE对V3C和MDC的累积与滞后效应强度均超过0.5。通过比较发现，在全国主要玉米产区，气候变化对玉米物候的影响以滞后效应为主导，其强度比累积效应平均高出0.06 ± 0.02。在滞后效应中，PRE是影响物候的主导气候因子，其区域滞后效应强度超过0.8。
3. 气候变化对玉米气候物候的时间效应时长与空间异质性
研究揭示了显著的空间异质性。就V3C而言，PRE的累积时间最短（63 ± 97天），滞后时间最长（172 ± 106天）；而MDC对Temp的累积时间最长（204 ± 71天）。总体来看，PRE对物候的累积和滞后时间通常短于Temp和SSRnet。
纬度分析揭示了一个关键的自然地理界线——“秦岭-淮河线”（约北纬33°）。该线以北地区（如北方春玉米区Z1、黄淮海平原夏玉米区Z2），V3C对Temp和SSRnet的响应表现为更长的累积时间和更短的滞后时间；而该线以南则呈现相反或不同的模式。这可能是由于南北气候资源（水热条件）、耕作制度（一年一熟/两熟）和作物适应策略的差异造成的。
分区域看，在中高纬度的Z1和Z2，由于热量和光照资源相对有限，玉米需要更长时间累积资源，但对这些因子的即时敏感性高，因此累积时间长、滞后时间短。然而，同样位于中高纬度但气候干旱的西北灌溉玉米区（Z4），由于实际可获得丰富的热量和辐射资源，作物能快速累积资源，反而表现出较短的累积时间和较长的滞后时间，这体现了干旱区作物对气候胁迫的较强耐受性和生理调节需要时间。西南山地玉米区（Z5）等降水丰富区，PRE的累积时间并未最短，可能与高温增加蒸散、土壤保水能力差等因素有关。
同一气候因子对不同物候期的影响也不同。与V3C相比，MDC对Temp和SSRnet的累积和滞后时间普遍更长。这是因为V3是生长早期，植株小，光合能力弱；而MD是籽粒发育最终阶段，需要更多时间累积资源以完成光合产物的转化和籽粒充实，同时前期积累的生物量和能量也增强了其应对气候波动的韧性。
讨论
AMP通过品种更替、灌溉等措施，旨在延长作物生育期以充分利用气候资源或增强适应性，这导致其延长了累积时间、缩短了滞后时间。这种耦合的双向效应使得在不剥离AMP的情况下，会误判气候变化对物候实际时间效应的方向和程度。
滞后效应之所以占主导，可能与极端气候事件的影响更大有关。极端气候远超平均气候变化的幅度，会对植被光合和呼吸机制造成持续影响。此外，滞后效应（特定时间点的影响）是累积效应（特定时间段的影响）的基础。
“秦岭-淮河线”作为我国重要的自然地理和农业分界线，其南北在水热条件、土壤类型、耕作制度及作物种类多样性上存在根本差异，这导致了作物响应气候变化的时间效应模式在此线两侧发生系统性转变。
不同玉米产区因气候背景和资源限制不同，形成了差异化的适应策略，反映在时间效应上。不同物候期因其生理生态过程不同，对气候的需求和响应机制各异。不同气候因子（Temp、SSRnet、PRE）通过影响酶活性、脱落酸信号通路、养分运输等不同途径影响植被，导致其时间效应不同。与木本植物相比，玉米作为一年生草本植物，根系浅短，水分和碳储存能力低，因此对PRE的响应更快，累积和滞后时间更短。
结论
本研究设计了一套评估气候变化对作物物候真实时间效应的分析框架，首次成功剥离了AMP的干扰，量化了中国玉米主产区气候变化的累积与滞后效应。主要结论包括：HP滤波能有效分离物候序列；忽略AMP会低估气候影响约25%，且AMP通常会延长累积时间、缩短滞后时间；全国尺度上，气候变化对玉米物候的影响以滞后效应为主导；时间效应存在显著空间异质性，“秦岭-淮河线”是Temp和SSRnet时间效应的重要分界线；不同气候因子、不同物候期及不同产区的时间效应模式各异。这些发现深化了对气候-作物物候相互作用地理内涵的理解，特别是丰富了“秦岭-淮河线”的农业气候意义，为基于气候的物候监测、调整AMP以保障粮食安全提供了科学依据。
