NASA研究揭示气候变化及其对作物生长的环境影响

“当我们展望未来的气候变化时，它与我们经历的当前炎热年份不同，”NASA戈达德空间研究所 (GISS) 气候影响小组的联合主任Alex Ruane)说。他协调并领导农业模型比对和改进项目 (AgMIP) 的气候团队，这是一个连接气候科学、作物建模和经济建模的国际项目，旨在研究作物产量和粮食安全的潜在未来。

“如果我们要找到一个地点并查看最近经历的炎热年份，那很可能是热浪导致整体温度升高，”Ruane 说。“气候变化是不同的。气候变化每天都在发生，而且越来越多。当这些热浪（在未来）到来时，它们只会更加强烈或极端，这对（植物）产生不同的生理影响。”

植物的这些生理变化可能很复杂，并且与作物类型以及区域和地方层面的气候影响有关。

二氧化碳作为肥料

二氧化碳是导致地球全球温度升高的主要温室气体。燃烧化石燃料时排放的二氧化碳可以在大气中停留数百年，这意味着我们每年都在增加二氧化碳的数量，这是自200多年前工业革命开始以来积累的。

植物在光合作用过程中从大气中去除二氧化碳（尽管数量不足以去除人类排放的所有物质。）事实上，温室和田间实验表明，大气中较高水平的二氧化碳可以作为肥料和增加植物生长。作物获得的收益数量取决于其类型。例如，小麦、大麦和大米比玉米从更高的二氧化碳浓度中获益更多。空气中的二氧化碳越多，植物吸收气体的效率就越高，因此在这个过程中失去的水分越少，这对植物的生长越好。有了充足的水和其他养分，作物产量可以显着增加。

然而，这些更高的产量往往伴随着营养方面的缺陷。“在较高的二氧化碳数量下，作物长得更快、更大，” GISS 的 AgMIP 下全球网格作物模型比对项目的协调员 Jonas Jägermeyr 说。“但蛋白质和微量营养素的含量成比例地较低。”

在研究气候对作物的影响时，数量与质量是一个复杂因素。另一个原因是，虽然较高的二氧化碳水平会带来一些好处，但也会带来热量。

由于气候变化导致区域温度升高，特别是在热带地区，可能导致所有类型作物的热应激。Jägermeyr 说，许多作物在高于32至35摄氏度的温度下开始感到压力，尽管这会因作物类型而异，并取决于可用水量。热应激最明显的迹象是因水分流失而枯萎，并可能导致植物永久性损坏。

不同地区在未来气候中将经历不同的热强度，特别是在热浪等极端事件期间。“作物生长的模式决定了影响的模式，”Jägermeyr 说。“你在热带地区生长得越多，你受到的打击就越严重。因为它已经很温暖了，额外的变暖将比高纬度地区更严重。”

2019 年的一项模型研究模拟了未来的全球小麦产量，预计全球气温将比工业化前温度高 1.5 摄氏度和 2.0 摄氏度。考虑到二氧化碳的施肥作用，结果表明，在美国和欧洲等较温带地区，冬播或春播小麦的粮食产量提高了约5%，而在较暖和的地区，如美国和欧洲，则下降了约2%至3%。如中美洲和非洲部分地区。此外，在印度等炎热地区，小麦产量占全球的 14%，他们更频繁地看到小麦产量低的年份。

温度也会影响作物的生命周期。Ruane 说，在生长季节，每天温度的小幅上升会加速植物的生命周期。“所以最终发生的事情是植物成熟得更快，在季节结束时，当它放下谷物时，它只是没有花太多时间长出叶子，收集阳光并制造谷物所需的能量。” 结果是更少的谷物和更少的作物产量。

此外，气候变化正在影响降雨和降雪模式，并导致更极端的干旱和降雨。

Jägermeyr 说：“一些地区会出现额外的降雨，因此会受益。一些地区会收到过多的额外降雨，然后会受到过多降雨的不利影响。很多地区实际上会出现干旱。 例如，季风可能会给东南亚带来更多降雨，而美国西部、澳大利亚、非洲和中美洲的干旱可能会更加严重。”

可用于灌溉的水量已经受到气候变化的影响。喜马拉雅山脉和加利福尼亚州内华达山脉的山地积雪正在减少，这些地区是饮用水和灌溉水的主要来源。

地下水位对气候变化也很敏感，例如持续干旱和过度降雨。2018年的一项研究表明，在地下水用于农业的地方，地下水位通常会因提取的水及其对变化的敏感性而下降。此外，植物获取土壤中的水，在较热的地区和较热的未来，土壤更容易蒸发，留给植物使用的水更少。

获得水对作物健康有直接影响，卫星观测是NASA研究人员和合作伙伴正在构建的工具的关键输入之一，以帮助管理我们更温暖的未来。

适应

“我们关心气候变化不是因为摄氏度或多少ppm的二氧化碳，而是因为它们反过来影响所有部门和我们的生活，”Ruane 说，不仅指大规模农业部门和经济，还指随着社区对气候变化做出反应，每天都会发生变化。

除了着眼于气候变化的环境因素对作物的直接影响之外，AgMIP 的研究团队还着眼于适应、管理实践和经济激励措施的潜力，以帮助减轻最坏的结果。

Ruane说，有三种类型的适应策略：每年决定的事情，例如何时种植和田间轮作；长期投资，例如新拖拉机、改进灌溉系统或在目前雨育地区新建灌溉基础设施；和变革行动，例如培育新的作物品种或应对人口饮食的大规模变化。

“我们可以在（模型的） 虚拟字段中测试不同的选项，”Ruane 说。“如果人们采用我们在美国的饮食类型，而不是地中海饮食或东亚饮食，我们还可以询问我们的经济模型中（计算出的）价格如何变化。” 例如，当一个人群吃更多或更少的肉，或者从吃更多的小麦食物转为吃更多的大米食物时，会发生什么，反之亦然？这些模型还可以探索这些重大变化的其他次要影响，尤其是意料之外的变化。

Ruane补充道，“如果我们真的想知道农民或消费者会发生什么，我们必须引入经济形势。” 随着气候变化在未来影响粮食系统，其影响将波及整个经济和家庭，具体取决于人们的反应方式。