首次揭示！北京大学博士以第一作者身份在一区Top期刊（IF=20）上发表研究论文

近日，由北京大学与明尼苏达大学领衔的国际研究团队，在《Nature Geoscience》杂志发表了题为“Climate-driven global cropland changes and consequent feedbacks”的研究论文。该研究首次揭示并量化了一个令人担忧的气候反馈循环：气候变化降低了全球农业生产效率，导致更多的土地被开垦来生产粮食，而农田扩张又进一步释放温室气体，加剧气候变化。北京大学城环学院金哲侬研究员为论文通讯作者，前团队成员尤南山博士（现为中科院地理所助理研究员）和Jessica Till博士（明尼苏达大学副研究员）为论文共同第一作者。合作者还包括美国科学院院士、斯坦福大学David Lobell教授，香港大学朱鹏助理教授，明尼苏达大学PaulWest博士等国内外知名学者。

研究背景

过去30年，全球耕地面积扩张了约5%至10%，这一过程直接或间接释放了大量温室气体，占全球农食系统排放的三分之一左右。提升农业生产效率被广泛认为是保障粮食安全、抑制耕地扩张、减缓环境压力的关键途径。然而，气候变化正在逐步削弱农业生产效率，从而迫使更多土地被开垦用于维持现有的粮食产量，加剧了粮食生产与生态保护之间的矛盾。这一趋势已成为全球关注的焦点问题。然而，目前学界对气候变化驱动耕地扩张的影响路径及其反馈效应仍缺乏系统研究和量化分析，尚无科学应对的基础。

研究方法

本研究的核心是利用全要素生产率（Total Factor Productivity; TFP，即农业生产的总投入与产出比）这一指标，量化了气候变化对全球耕地面积的影响（图1）。在此需构建两个回归模型。第一个模型利用气候变化与TFP之间的统计关系，估算过去30年真实的TFP与没有气候变化情景下的TFP差值。第二个模型基于FAO统计的各国耕地面积相对其他国家TFP变化的响应规律，估算了各国之间基于粮食贸易而决定的TFP变化与耕地面积变化的双边弹性（elasticity）。

基于国家尺度的耕地变化数据，本研究通过空间降尺度算法，推断了最有可能由历史气候变化驱动的耕地扩张格点。耕地面积扩张所导致的排放计算，考虑了地上生物量的移除和地下土壤有机碳库的分解释放两部分。耕地面积扩张引起的地表温度变化估算，使用了一个由MODIS观测到的地表温度对不同植被类型转变的响应数据集。进一步，本研究使用广义加性模型（GAMs）将降水量与土地覆盖类型的比例联系起来，从而估算耕地面积变化对年降水量的影响。

图1. 气候变化和耕地扩张的正向反馈过程和量化框架。

主要结果

研究表明，尽管农业技术持续进步在总体上提升了全球的TFP，但气候变化对各国TFP增速产生了普遍的抑制作用，从而推动了全球范围内的耕地扩张（图2）。对110个有贸易数据的国家分析显示，过去30年，全球耕地面积增长了约3.9%；而在没有气候变化影响的情景下，得益于效率提升，耕地面积本可减少2.4%。换言之，气候变化额外增加了全球耕地面积6.3%，约为8800万公顷，相当于中国耕地总面积的70%。

图2. 1992-2020年农业全要素生产率（TFP）和耕地面积的变化。a, 气候变化对TFP的抑制作用；b, 国家尺度由气候变化驱动的耕地扩张面积； c, 格点尺度由气候变化驱动的耕地扩张面积；d, FAO统计的逐年耕地面积变动及其驱动因子分解

进一步估算显示，这一由气候变化驱动的耕地扩张，通过挤占自然植被，累计释放了约22 Gt CO2（220亿吨二氧化碳），相当于50多亿辆燃油汽车一年的排放总量，占同期毁林排放的27%、土地利用变化排放的19%。

此外，耕地扩张还改变了局地气候系统。在受气候变化驱动而耕地扩张的区域中，63%的区域现出升温效应，地表温度平均上升0.06°C。降水减少的幅度不大，但在中国、巴西和印度的一些主要粮食产区出现了降幅超过10%的热点地区。这种“变暖变干”的局地气候反馈可能进一步降低农业生产效率，推动耕地持续扩张，加剧全球变暖的恶性循环。

图3. 耕地扩张在过去30年间引起的地表温度和降水反馈。

本研究刻画了“气候变化-农业生产率下降-耕地面积扩张-气候反馈”的逻辑链路，揭示了气候变化和耕地扩张的强化反馈机制，并强调了气候变化导致的TFP变化不仅影响本国的耕地面积，还会通过国际粮食贸易和市场竞争“溢出”作用于其他国家。研究进一步指出，尽管这种反馈循环在未来可能进一步加剧，农食仍然应对有道。通过改变饮食结构、减少粮食浪费和改进耕作方式，我们可以减少对土地的需求，遏制这个破坏性的反馈机制。