Spatiotemporal shifts in composite weather stress across US croplands

天气胁迫因子影响着美国各地的作物生产、农场管理及长期农业适宜性。这些胁迫因子在不同农业区域间存在差异。尽管已有众多天气指数，但仍缺乏一种针对特定区域农业情境的通用度量指标。在此，我们提出一个多胁迫因子框架，整合了1980年至2023年美国本土48州（Contiguous United States, CONUS）代表复合干旱、洪水、极端高温、低温及热量累积事件的32项天气胁迫指标。该框架采用农业生态区（Agro-Ecological Zones, AEZ）特定的加权平均方案，在最小化指标冗余的同时赋予各胁迫因子区域特定的重要性。随后，我们采用时空类比追踪方法（spatiotemporal analog tracking approach）刻画天气胁迫相对于历史基准期的变化。该方法产生两个综合指标——天气胁迫偏离度（weather stress divergence）和天气胁迫相似度（weather stress similarity），分别量化当前天气胁迫相对于历史基准的偏离程度及其与历史基准的空间对应关系。为评估其相关性，我们考察了这两个指标与县级尺度玉米、大豆和小麦去趋势产量异常之间的关联。产量异常与天气胁迫偏离度呈负相关（偏离度越高表明与历史条件的差异越大），在部分县中与天气胁迫相似度呈正相关。在美国本土48州的农田中，超过50%的区域经历了天气胁迫偏离度的增加，主要由干旱和极端高温驱动，而许多农田的天气胁迫相似度下降。最显著的空间类比偏移集中在中东部农业区，凸显出当前天气状况与历史基准之间的对应关系日益丧失。尽管技术进步和适应性管理促进了长期产量提升，复合天气胁迫指标仍能解释年际产量变异性中可测量的部分。所提出的框架提供了一种系统性、区域特定的方法来基准评估复合天气胁迫暴露程度，并支持从农场到国家尺度的农业风险评估与规划。