摘要
中国是人口大国，粮食产需维持着紧平衡态势。玉米总产量居于中国粮食作物首位。在有限的耕地面积下，维持中国玉米的稳产和增产是实现国家粮食安全的重要保障。 工业革命以来中国的增温幅度大于全球平均，降水变化不均，太阳辐射减少。气候变化对中国玉米产量有负面影响。东北地区玉米产量占全国的1/3，其受气候变化影响显著。气候变化在玉米不同的生长阶段差异明显，且对玉米的影响不同。但关于不同时间窗口气候变化和变异对玉米产量的综合影响的研究尚不多见。温度升高对玉米的影响在空间上差异显著，其原因尚不明确。土壤提供了玉米产量形成的重要营养元素，但少有研究揭示土壤养分状况在调节气候变化对玉米产量的影响中所发挥的作用。 据此，本研究的科学问题是:1、1980-2010年中国玉米生长季以及东北地区玉米生长季不同时间窗口发生了怎样的气候变化？2、1980-2010年东北玉米全生长季时间窗口和营养生长期与生殖生长期(V&R)时间窗口的气候变化和变异对玉米产量的影响及其区域分布特征如何？3、气候变化对中国玉米产量的影响及其温度敏感性如何？4、土壤养分怎样调节气候变化对玉米产量的影响？ 本研究量化了1980-2010年中国玉米生长季的气候变化趋势。以东北为例揭示玉米生长季两个时间窗口——全生长季时间窗口以及V&R时间窗口的气候变化趋势，并评估两个时间窗口气候变化和变异对玉米产量的影响。利用统计模型，量化了全国玉米产量的温度敏感性。利用随机森林模型，分析并阐明了土壤养分在调节气候变化对玉米产量的影响中发挥的作用。主要结果如下: (1)中国玉米生长季的气候变化特征。 1980-2010年，2244个县中有1355个县的玉米生长季显著增温，平均增速为0.36℃10yr-1。东北、华北和西北地区温速率大于南方地区，西南地区无显著的增温趋势。217个县降水稍有增加。280个县的太阳辐射减少。 东北地区玉米生长季两个时间窗口的气候变化差异明显。在全生长季时间窗口，190个县中分别有126和170个县的最高温度(Tmax)和最低温度(Tmin)以0.37和0.41℃10yr-1的速率升高。在V&R时间窗口，77个县的Tmax_v和96个县的Tmax_r显著增加。182个县的Tmin_v在有显著增加(0.55℃10yr-1)，而Tmin_r只在41个县有显著变化。降水(Pre)在两时间窗口均减少，Pre_r的减少范围最广，减少的速率为-29.9mm10yr-1。 (2)东北地区玉米生长季不同时间窗口的气候变化对玉米产量的影响。 影响东北玉米产量的主导气候因素在3个区域（区域Ⅰ:东北西部;区域Ⅱ:辽宁东部;区域Ⅲ:黑龙江和吉林东部）和两个时间窗口均不同。区域Ⅰ和Ⅱ营养生长期最低温的增产作用尤为显著。全生长季和V&R时间窗口的气候变化分别使区域Ⅰ产量降低3.7％和增加10.4％，使区域Ⅱ的产量增加0.4％和10.5％，使区域Ⅲ的产量增加7.6％和3.3％。总体而言，全生长季时间窗口31年的气候变化导致产量下降了1.3％，但V&R时间窗口的气候变化使产量增加9.1％。因为V&R时间窗口的模型能检测到营养生长期最低温度升高的增产作用，其结果更有解释性。降水的年际变异导致了较大的产量变异。在V&R时间窗口，年际气候变异使玉米产量的波动为每年±9％，与31年气候变化对产量的影响相当。 (3)气候变化对中国玉米产量的影响及其温度敏感性。 1767个种植玉米的县中，有1559个县的玉米产量在1980-2010年显著增加，平均增产趋势为107.0kg ha-1yr-1。东北和西北地区玉米增产速率较快。 在1767个县建立的气候-产量模型表明，温度每升高1℃，春玉米和夏玉米分别减产1.1％和2.9％。西北、华北和华东等地区玉米产量因增温而下降，东北、华中、华南和西南的部分地区产量因增温而增加。 (4)温度敏感性与土壤养分的关系。 土壤全氮、有效磷和速效钾能解释春玉米78.0％和夏玉米73.3％的温度敏感性变化。温度每升高1℃，全国玉米产量平均降低2.6％。变暖的负面影响主要发生在西北、华北、华东和东北西南部地区。变暖的积极影响发生在东北、西南和华南等地区。由于较差的土壤养分状况，53.6％的春玉米和72.1％的夏玉米种植区因温度升高而减产。总体而言，61.7％的区域是产量对温度升高响应的脆弱区;仅27.2％的区域对温度升高有恢复力。春玉米的温度敏感性随土壤全氮和有效磷的增加而增加。在土壤全氮超过1.80g kg-1和有效磷超过19.6mg kg-1的地区，土壤有效地缓解气候变暖对玉米产量的负面影响。夏玉米的温度敏感性随土壤全氮的增加而增加。在土壤全氮超过1.33g kg-1的地区，玉米产量有应对增温的恢复力。因此，在贫瘠的地区，可以适当施加氮肥来提高玉米产量对气候变暖的适应能力。 上述研究结果表明，1980-2010年玉米生长季升温速率较快，在北方地区尤为明显。温度是产量变化的主导气候因素，降水的影响较小。在东北地区营养生长期的最低温度升高能抵消最高温度升高的负面影响，考虑更短时间窗口的气候因素对产量的影响十分必要。北方地区玉米产量因温度升高而降低，东北和南方地区产量因为温度升高而增加。这种空间差异可以被土壤养分状况很好地解释。在土壤养分含量尤其是氮含量高的地区，土壤对气候变化的负面影响有缓冲作用。在土壤养分状况较差的脆弱区，通过提高土壤养分含量可以增强玉米对气候变暖的恢复力。
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