Nat. Food.丨气候对全球农业的影响在新一代气候和作物模型中出现得更早

论文内容

研究背景：

气候变化已经通过许多机制影响了世界各地的农业生产力，主要是由平均温度和极端温度升高、降水制度和干旱模式的改变以及大气中二氧化碳浓度的升高所驱动。温室气体排放情景、气候模型预测以及对复杂影响过程的理解的不确定性使对未来作物产量的估测不准确。在AgMIP (Agricultural Model Intercomparison and Improvement Project) 和ISIMIP (Inter-Sectoral Impact Model Intercomparison  Project) 的推动下，我们提出了一种新的农业产量预测系统评估，该评估基于与CMIP (Coupled Model Intercomparison Project)使用的协议类似。气候变化的影响通常以随时间变化的差异来量化，特别是从适应措施的角度来看，与最近的当地背景变化和不确定性相比，变化的幅度往往更具相关性。气候影响出现临界值（Time of climate impact emergence：TCIE）——特殊年份的产量水平（负或正）成为新常态的时间点，是风险评估的关键衡量标准。出现临界值指标已应用于气候变量，包括温度、降水量和其他一些因素，并表明主要粮食生产地区在短期内越来越多地面临气候变化。因此，本研究的目标是：（1）为21世纪主要作物的生产力提供最新的综合预测；（2）采用TCIE概念，从风险角度评估气候变化对作物产量的影响；（3）提高对区域变化模式的理解；（4）探索与气候模型、作物模型和应对[CO2]相关的驱动因素。

研究内容：

在本研究中，主要关注全球四大粮食作物，即玉米（Zea mays L.）、小麦（Triticum sp. L.）、水稻（Oryza sativa L.）和大豆（Glycine max L. Merr.）。这四种主要作物占当今全球所有谷物和豆科生产的90%。关键的建模投入，如气候、土地利用、化肥投入、土壤等信息，在各个研究部门之间得到了协调。用作作物模型输入的0.5°空间分辨率的日天气变量包括：日平均温度、日最低和最高气温（分别为T、Tmin和Tmax（°C））、日总降水量（P（mm））以及日平均短波和长波辐射（SR和LR（W m−2））。

结果表明，玉米在主要生产地区之间持续出现负生产力变化（“负TCIE”）。对于小麦，总体预测表明在全球水平上呈现正生产力变化的TCIE（“正TCIE”）。小麦TCIE在GC6中提前了大约10年，表明在未来几年内全球范围内以及未来二十年内主要粮仓地区可能会出现与气候相关的增长（图5）。在全球范围内，大豆和水稻产量的中位数在本世纪中叶达到峰值，并在本世纪末下降。在SSP585下，大豆的反应表现出世纪末的负TCIE（2096年）；另一方面，水稻表现出早期正TCIE（2030年，SSP585）。水稻是本研究中唯一表明热带地区正TCIE的作物，这在2060年左右生产力再次下降之前推动了全球早期净收益。玉米和小麦TCIE在GC6中比在GC5中出现得更早也更明显。

作物产量变化预测包括所有作物的损失和收益区域（图3）。玉米预测显示，损失在空间上是均匀的，尤其是在北美、墨西哥、西非、中亚和中国的主要种植地区，这些地区的作物模型一致性很高（图3c）。GC5中发现的高纬度增益在GC6中没有那么普遍，在良好的模式协议的支持下，墨西哥、美国南部、南美洲和南亚的春小麦地区的小麦表现出明显的地理梯度和损失。许多模型预测了华北平原、澳大利亚、中亚、中东以及美国和加拿大北部冬小麦种植区的小麦产量（图3d）。大豆在主要生产地区——美国、巴西和东南亚——损失最大，而在中国部分地区和通常较高的纬度地区，损失也很大。模拟了中亚水稻产量的大幅下降，南亚、中国东北部和南美洲水稻产量的上升。必须根据作物模型综合结果的广泛范围来解释大豆和水稻产量的变化（图1）。主要的小麦粮仓通常位于比玉米更高的纬度，这进一步有助于在目前耕种的地区聚集小麦的总体收益。尽管目前90%以上的玉米和小麦产于温带和亚热带气候区，但严重的产量损失将影响热带许多小农户的生计和粮食安全。总的来说，我们的研究结果表明，低纬度地区面临所有作物损失最大，而高纬度地区则有潜在收益。

研究结论：

将气候影响出现的概念引入农业影响领域，强调气候变化导致的全球作物生产力的重大变化预计将在未来20年内发生，比基于先前模型预测的估计提前几十年。小麦产量增长预计将在本世纪中叶趋于平稳，玉米产量预计将稳步下降，而对于大豆和水稻，更高的变暖水平和变暖敏感性解释了大部分的产量差异。作物系统的适应可以大大减少甚至超过气候变化的不利影响。

转自：“农科学术圈”微信公众号

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