长期以来，全球作物模型普遍采用固定的最适温度（Temperature optimum, Topt）参数评估气候变化对农业生产的影响。然而，不同地区的作物最适温度是长期适应当地气候环境的结果，最适温度在不同生长环境并非固定不变。近日，北京师范大学教授张朝团队联合中国科学院地理科学与资源研究所研究员陶福禄、北京大学教授朴世龙等合作，在《自然·通讯》（Nature Communications）发表最新研究，首次构建了全球0.05°分辨率四大粮食作物（玉米、大豆、水稻和小麦）最适温度空间分布图，揭示了作物最适温度具有显著空间异质性，并显著提升了全球作物生产力气候影响评估的准确性。
研究团队融合2001–2023年全球卫星遥感GPP产品、34个涡度协方差通量站长期观测数据以及ERA5-Land气象资料，利用作物—温度响应模型估算了全球四种主要粮食作物的最适温度，并进一步分析了其形成机制及未来气候变化影响。研究发现，不同地区作物最适温度存在明显差异：水稻平均最适温度Topt最高（28.63 ± 2.65 ℃），其次为大豆（27.34 ± 2.34 ℃）、玉米（26.12 ± 3.46 ℃）和小麦（24.73 ± 3.41 ℃）。其中，亚热带地区普遍具有最高的最适温度，而温带地区最低，揭示作物能够通过长期适应形成一定的热适应能力。进一步分析表明，生长季最高温度是驱动作物最适温度空间变化的首要因素，同时水分条件、太阳辐射及土壤养分等因素也协同调控了该热适应过程。
图1 全球四种主要粮食作物最适温度（Topt）的空间分布及特征分析
研究进一步研究了未来全球作物的温度安全空间（Thermal Safe Space TSS），发现随着全球变暖加剧，生长季超过最适温度的天数持续增加，热安全空间不断收缩，热带和亚热带地区的玉米和水稻将面临最严重的热胁迫风险。在高排放情景（SSP585）下，玉米、水稻和大豆生长季超过最适温度的天数可达84%–89%，全球粮食生产将面临更加严峻的高温挑战。
图2 四种主要粮食作物温度安全空间（Tss）和热胁迫频率（Fstress）的空间分布
更重要的是，该研究定量评估了传统气候影响评估方法基于固定最适温度假设带来的系统误差。在全球作物模型中引入空间明确最适温度后，全球作物生产力模拟精度平均提高约16%±2%，温带地区提升幅度最高可达22%±4%。传统固定最适温度参数存在系统性高估或低估作物生产力，且这种偏差在未来气候变暖背景会进一步放大，从而影响农业风险评估的精准，进而阻碍了科学适应对策的制定。
图3 固定最适温度与空间异质最适温度导致的作物生产力估算偏差
该研究突破了传统作物模型采用固定最适温度参数的假设，提出了全球尺度的空间明确热适应的新框架，将作物长期气候适应能力纳入气候影响评估过程，为改进地球系统模型和作物机理过程模型提供了新依据，也为未来农业适应气候变化、耐热品种培育及精准农业管理提供了重要科学依据。
北京师范大学为论文第一完成单位，北京师范大学2024级博士研究生王晗为论文第一作者，张朝为通讯作者。论文合作者还包括北京师范大学吴欣宇、徐佳路、韩继冲、庄慧敏、李少坤、宋杰、程飞，北京大学教授朴世龙和中科院地理所研究员陶福禄。研究得到国家重点研发计划、中国科学院国际合作计划、国家自然科学基金以及联合国教科文组织“国际可持续发展科学十年（2024–2033）”项目“气候变化与系统性风险治理”等项目支持。