《European Journal of Agronomy》：Soil heterogeneity shapes the responses of soybean yields to changing climates in China
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中国大豆生产受气候变化和土壤异质性双重影响，温度升高1℃导致产量下降10%，土壤有机质（SOC＞1%）可缓解温度敏感性。关键土壤因子包括SOC（缓冲温度）、有效氮（缓解温度但抑制降水响应）、田间持水量（增强辐射响应）。研究揭示土壤管理对气候适应的重要性，需优化SOC和土壤水特性以提升大豆抗逆性。
闫文尧|陈芳正|欧俊吉|李婷银|刘健|威廉·大卫·巴切尔|陈勇|胡凯林|冯普宇
中国农业大学土地科学与技术学院，农业水资源高效利用国家重点实验室，北京100193
摘要
在中国，大豆生产面临着气候变化的严峻挑战。尽管已知土壤特性会影响作物产量，但它们在缓解气候变化对大豆产量的影响方面的作用仍不甚明了。本研究结合了基于过程的建模和统计方法，量化了土壤异质性如何调节中国主要农业区域大豆产量对气候变化的响应。利用经过良好校准的APSIM模型，我们模拟了1990年至2022年的大豆产量，并采用面板回归分析了产量对温度、太阳辐射和降水的敏感性。进一步使用随机森林模型评估了关键土壤特性对气候敏感性的贡献。结果表明，温度升高导致大多数地区的产量下降，每升高1°C，产量可能减少10%，尤其是在东北地区。相比之下，太阳辐射和降水的增加通常具有积极影响。土壤特性解释了71-96%的气候敏感性空间变异性。土壤有机碳（SOC）起到了关键的缓冲作用：SOC含量超过1.0%的地区表现出显著降低的温度敏感性。较高的有效氮含量（20-80 ppm）在高温下减轻了产量损失，但减弱了对降水的响应；而较高的萎蔫点（0.1-0.3 mm/mm）降低了降水的敏感性。田间持水量（0.2-0.4 mm/mm）通过增加植物可利用的水分有助于增强大豆对太阳辐射的响应。这些发现突显了土壤管理在气候适应中的重要性。提高SOC含量和优化土壤水力特性可以有效降低大豆产量对气候胁迫的敏感性。
引言
全球气候变化对全球农业生产及粮食安全构成了日益严重的挑战。作为提供人类消费和动物饲料所需蛋白质和油脂的关键主粮作物，大豆具有重要的战略意义（Dong等人，2021年）。作为世界上最大的大豆进口国和消费国，中国由于严重依赖国际市场而面临特殊脆弱性，仅2024年的进口量就达到了1.05亿吨，占全球产量的近30%（FAOSTAT，2024年）。鉴于全球供应链的波动性和贸易不确定性，这种依赖性带来了重大风险。因此，提高国内大豆生产能力已成为保障国家粮食安全的关键策略。然而，气候变化通过温度升高、降水模式改变和太阳辐射波动给中国的农业系统带来了巨大的不稳定因素。了解不同地区大豆产量对这些变化的气候条件的响应，并识别能够减轻负面影响的因素，成为迫切的研究重点。这一理解是制定有效适应策略和促进变暖世界中可持续大豆生产的基础。
气候变化表现为气候变量的变化，这些变化直接影响作物生长、发育和最终产量（Hultgren等人，2025年；Xiao和Tao，2014年）。许多研究专注于量化作物产量对气候变化的敏感性，通常发现存在显著的空间异质性。全球范围的研究表明，在不采取适应措施的情景下，小麦、玉米、小米和高粱等主要作物的产量可能减少7-23%（Rezaei等人，2023年）。此外，关于小麦的全球模拟研究估计，每升高1°C，全球小麦产量将减少6%（Asseng等人，2015年）。一项全面的元分析进一步表明，温度升高2.1°C可能导致小麦、水稻和玉米的产量分别减少14%（Dang等人，2025年）。在中国国内，研究表明，温度、降水和太阳辐射的变化综合效应使中国北方地区的小麦产量增加了0.9-12.9%，但在南方地区则减少了1.2-10.2%（Tao等人，2014年）。尽管有这些宝贵的见解，但大多数现有研究主要集中在小麦、玉米和水稻等谷物作物上，或综合了多种作物的响应。相比之下，针对大豆的具体研究相对较少。例如，一项研究发现，中国13个主要生产省份的平均温度每升高1%，大豆产量减少了0.979%（Zhang等人，2022年）。在中国东北部，降水量减少导致豆荚数量、种子重量和最终产量分别减少了1.63-6.16%、0.71-1.39%和2.88-7.44%（Guo等人，2022年）。1981年至2010年间，同一地区的太阳辐射减少与产量减少0.48%相关（Xiao等人，2024年），尽管在某些条件下强烈的辐射也可能由于水分不足而降低产量（Jiang等人，2021年）。这些发现突显了气候变化对大豆影响的复杂性和地区特异性。然而，仍缺乏对中国全国范围内大豆产量对多种气候因素变化的综合评估。此外，关于驱动大豆生产区域内及区域间气候敏感性空间变化的潜在调控因素知之甚少。
虽然基线气候条件的差异导致了产量敏感性的空间变异，但在气候和耕作方式相似的地区之间仍存在显著的异质性，这表明其他因素也起着重要的调节作用。土壤特性作为一个关键但尚未充分探索的维度，介导了作物与气候的相互作用。土壤不仅仅是静态的生长介质——它们动态地影响水分保持和养分可用性，从而在气候胁迫下塑造作物表现（Teng等人，2024年）。新兴证据强调了土壤在气候-作物相互作用中的缓冲能力。例如，一项基于中国12,000多个农场试验的大规模研究发现，在相似气候条件下，高质量土壤使平均作物产量增加了10.3%，并通过减少变异性提高了产量稳定性15.6%（Qiao等人，2022年）。在中国玉米带，土壤有机碳（SOC）被确定为减轻温度升高对产量负面影响的最重要因素（Chen等人，2024年）。其他土壤特性，如田间持水量和水分保持特性，也被证明可以调节气候条件与作物生长之间的关系（Sjulg?rd等人，2025年）。然而，不同作物对气候因素的敏感性各不相同，土壤的调节作用也可能因作物而异。目前，很少有研究专门探讨中国主要生产区域中土壤异质性如何调节大豆产量对多种气候因素的响应。了解这些土壤-气候相互作用对于通过土壤管理而非仅仅依赖灌溉或施肥等外部投入来提高系统韧性尤为重要。
要理解气候、土壤和作物生产力之间的复杂相互作用，需要一个能够考虑非线性关系和空间异质性的强大分析框架。在本研究中，我们采用了一种综合方法，结合了基于过程的建模与统计和机器学习技术，分析了1990年至2022年间中国主要生产区域的大豆产量敏感性。选择使用农业生产系统模拟器（APSIM）是因为其在捕捉土壤-植物-大气过程（特别是影响作物生长的土壤水分动态和养分循环）方面的能力（Verburg等人，2025年；Archontoulis等人，2014a）。通过将APSIM模拟与先进的统计分析相结合，我们解决了两个基本问题：（I）中国各地的大豆产量如何响应温度、太阳辐射和降水的变化，这些响应的空间模式是什么？（II）土壤特性如何调节气候变化对大豆产量敏感性的影响？这种综合方法使我们能够深入了解土壤异质性在气候变化下塑造大豆生产韧性中的作用，从而为可持续农业集约化和气候适应提供策略依据。
研究区域
在中国，大豆的种植范围从北纬20°到北纬53°（图1）。我们的研究区域选自主要的大豆种植区，涵盖了大约90%的中国大豆产量。由于研究区域范围广泛且存在显著的区域异质性，将其划分为四个子区域：东北地区（NER）、黄淮海地区（HHHR）、长江地区（YZRR）和热带地区（TR）（Wu等人，2023年）。
这四个区域
气候和产量趋势
图3显示了1990年至2022年间研究区域内平均生长季温度（MT）、平均生长季太阳辐射（MR）、生长季年降水量（MP）和年平均大豆产量（MY）的空间分布。气候因素表现出明显的空间梯度，MT和MP从北到南逐渐增加（NER、HHHR、YZRR、TR），而MR在NER最高，在YZRR最低。从区域上看，NER的特点是太阳辐射较高大豆产量对气候变化的敏感性
本研究全面分析了土壤异质性如何调节中国主要农业生产区域大豆产量对气候变异的响应。通过结合基于过程的作物建模与先进的统计和机器学习技术，我们量化了大豆产量对温度、太阳辐射和降水这三个关键气候变量变化的敏感性，同时确定了最显著影响的特定土壤特性结论
本研究旨在量化气候变化对大豆产量的影响，并探讨土壤特性在缓解气候变化对大豆产量影响方面的潜力。我们的研究发现，温度升高导致大多数地区的大豆产量下降，温度每升高1°C，产量变化可能达到10%，尤其是在NER地区，产量下降尤为显著。同时，太阳辐射的增加
作者贡献声明
刘健：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督。威廉·大卫·巴切尔：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督。陈勇：资源、方法论。胡凯林：资源、方法论。冯普宇：方法论、正式分析、概念化。闫文尧：撰写 – 初稿、可视化、方法论、数据管理、概念化。陈芳正：方法论、正式分析、概念化。欧俊吉：监督、软件、资源。李婷银：
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所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42301112）、国家重点研发计划（项目编号：2023YFD1701804）和拼多多-中国农业大学研究基金（项目编号：PC2024B01007）的支持。所有资金信息均已通过Fundref列表提交至GEMS系统。我们衷心感谢四川农业大学的吴玉山教授及其农学学院提供的大豆品种
