基于以上统计模型对开花期EDD对玉米产量历史影响的见解,我们进一步使用基于过程的作物模型(APSIM)来测量未来玉米产量对短期热胁迫的响应。通过指定的GTF模块,作物模型在粒数和最终产量模拟上有更好的表现,粒数的决定系数(R2)从0.02提高到0.4,产量的决定系数从0.1提高到0.7。然后,我们用原始模型和改进后的模型探讨了SSP245和SSP585在基线期(1990-2019)、2040年代(2030-2059)和2080年代(2070-2099)的极端高温对玉米产量的影响。

在未来气候下,与原始模型相比,改进后的模型观察到更大的产量下降,在大多数时期,各地区之间有较大的差异(图3;补充图S7)。在2080年代,SSP585观察到最大的产量损失。对于东北地区,改进后的模型预测粮食产量没有变化,而原始模型预测粮食产量实际增加了10.3%。NCP的产量损失较大,从原始模型的4.1%到改进模型的10.4%,西北地区从0.6%到12.6%,西南地区从6.1%到12.0%。对于整个CMB来说,在SSP245和SSP585下,从基线到2080年代,改进后的模型预测产量将分别减少1.8-8.7%。

考虑到不断增长的短期热应力的影响(图4),改进后的模型更好地反映了未来情景下短期极端高温对产量的影响。改进后的模型中花期EDD的变化(ΔEDD,与基线EDD相比)和产量的变化(Δyield,与基线产量相比)都与SSP245和SSP585情景下的R2分别为0.10(P<0.000)和0.29(P<0.000),呈显著负相关(图5)。另一方面,没有修改GTF的模型显示,随着EDD的升高,产量会出现正增长,这意味着气候变化下的产量被高估,基线期为3.2%,SSP245下为6.8%,SSP585下为12.8%,分别为2080年代(图3)。改善GTF表明,在气候变化下,开花期的短期极端高温会产生更大的影响。主成分分析(PCA)显示,开花时的EDD与产量呈负相关,而GN和GS都与产量呈正相关(图5(c))。在所有情况下,除东北地区外,谷粒数是所有地区产量变化的最大来源,百分比从93.1%到99.6%不等(图5(d))。粒径在东北地区对未来条件下的预测产量变化有主要影响(例如,在SSP245下的改进模型中,2080年代增加7.8%)。

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