NASA研究揭示气候变化及其对作物生长的环境影响

随着我们看到更多破纪录的热浪、严重的干旱、降雨模式的变化和平均气温的上升，人类活动造成的全球气候变化的影响变得越来越明显。而这些环境变化涉及作物生产的方方面面。美国宇航局（NASA）与合作机构和组织一起监测当今发生的所有这些环境变化。此外，NASA使用先进的计算机模型获取卫星数据，然后模拟地球气候将如何应对未来持续的温室气体排放。研究人员在一系列未来情景中这样做——然后他们使用由此产生的气候预测来了解气候变化将如何影响全球农业。

“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。