该文来源：早晚地理
期刊： Nature Communications
中文题目： 气候模拟表明，在气候变化的情况下，现有农田的集约生产潜力有限
英文题目： Climate analogues suggest limited potential for intensification of production on current croplands under climate change
作者： T.A.M. Pugh, C . Muller, J. Elliott, D. Deryng, C. Folberth. Olin, E. Schmid & A. Arneth
摘要
气候变化可能对今后几十年大力增加粮食产量的努力构成重大挑战。然而，未来气候对作物产量影响的模型模拟在预测变化的幅度甚至方向上有很大差异。将当前最大可达到产量的观测结果与气候类似物相结合，我们提供了一种评估气候变化对作物产量影响的补充方法。到2050年，大部分现有耕地的主要谷物产量大幅下降。这些地区易受气候变化影响，农业集约化的机会大大减少。然而，到2050年，包括目前不用于种植作物的地区在内的总土地面积，在气候上适合于玉米、小麦和水稻的高产量，与现在的土地面积相似。土地利用模式和作物选择的巨大变化可能是维持生产增长率和跟上未来需求的必要条件。
研究背景
1960年至2000年期间，全球谷物产量翻了一番，主要是通过加强现有农业和培育更高产的作物品种。预计到2050年，全球粮食产量需要再增加60-110%，以跟上预期的人口增长和饮食变化。通过在目前远低于其潜力的地区进行集约化，可能会出现这种规模的增长。然而，在我们克服集约化的经济、社会和环境障碍的能力方面存在一些挑战。为了有效应对这些挑战，并从长远看，有必要了解气候变化可能如何影响农业部门。目前的预期是，下个世纪的气候变化将导致低纬度地区的产量下降，而北纬度地区的作物产量增加，但对于这些变化的幅度、时间和确切位置没有共识。
我们发现，到2050年，大部分现有农田的主要谷物产量普遍下降，但全球气候适宜种植这些作物的土地总面积基本保持不变，这表明在技术缺乏实质性进展的情况下，有必要重新考虑作物选择和土地利用模式，以在未来实现可观的产量增长率。我们的结果不仅提高了人们对谷物产量易受气候变化影响预测的信心，而且还指出了对新技术知识的需求，以及管理和基因型的变化。
研究结果
（1）对当前农田的影响
模拟结果表明，到本世纪中期，在强烈的气候变化情景下，我们发现，目前大多数小麦、玉米和水稻区域都处于目前种植这些作物的气候条件下。然而，到本世纪末，热带地区的类似情况会严重恶化，特别是水稻，因为气候开始出现与目前种植这些作物不一致的情况。这些结果在质量上与先前的评估结果相似，在先前的评估中，模拟被用于调查生物多样性和自然植被的变化，并且还显示了在气候变化强烈的热带地区，世纪末气候模拟效果较差。
我们发现，预计未来一个世纪，现有大面积农田的主要谷物作物产量将大幅下降（图1），这表明在农业技术没有比现有技术更大的进步的情况下，易受气候变化的持续影响。我们的结果对用于模拟气候的GCM（一般循环模型）的选择具有稳健性，在图1中主要空间特征的五种GCM中，至少有四种的产量变化一致。当前收获区域内预计可实现高产量的网格单元数量减少，对于玉米和小麦尤其明显（图1c，f）。脆弱地区，我们在这里定义为相对于当前参考数据集，可实现产量减少410%的地区，以及没有当前模拟数据的地区，因作物而异，包括全球粮食生产的一些主要地区（见下文）。仅基于我们的结果与五分之四的全球气候变化一致的地区，我们的结果表明，到本世纪中叶，小麦、玉米和水稻的当前全球收获面积的43%、28%和40%分别位于产量易受气候变化影响的地区。在这些地区，预计可达到的产量将在模拟的新气候下下降，或者无法模拟到预期未来气候（表1）。脆弱地区不仅位于低产区；到本世纪中期，在指定为脆弱地区种植的作物分别占当前全球玉米、小麦和水稻产量的43%、33%和37%，到本世纪末，分别增加到74%、56%和65%。
图1 从2041年至2059年和2081年至2099年的可实现产量变化。地图显示了玉米（a、b）、小麦（d、e）和水稻（g、h）可实现产量的百分比变化。产量变化10%或更少的区域用品红标记。没有当前气候模拟的区域以灰色标记（很少网格单元）。产量变化仅显示在网格单元中，该网格单元在每种作物的当前收获面积内具有当前的气候模拟，并且网格单元中用于该作物的当前面积超过1000公顷。图c、f和i显示了网格单元水平上可实现产量的分布预计如何在参考期（洋红线）和世纪末（红线）之间演变。概率密度曲线下的面积损失相当于无法找到有效气候模拟的网格单元数量。
农业生产可实现产量的这些变化的空间后果可以通过考虑对每个位置主要作物产量的影响来评估。预计美国东部、欧洲、撒哈拉以南非洲和温带南美洲以及东亚大部分地区的主要作物的可实现产量（按面积）将减少410%（图2）。除管理限制非常严格的地区外，可实现产量的减少通常意味着实际产量的减少，除非可以采取措施弥补产量差距（此处定义为当前技术下实际和最大可实现产量之间的差异）。高度发达国家的产量差距已经非常小，因此，如果没有新的技术干预措施来提高可达到的产量（例如培育新的作物品种），它们可能难以维持目前的产量。这类干预措施可能对玉米和水稻尤其具有挑战性，因为近十年来，玉米和水稻的遗传产量潜力几乎没有变化。
图2 优势作物的产量脆弱性。地图显示了网格单元，预测到2041-2059年（a）和2081-2099年（b），按面积划分的主要作物的可实现产量将比参考期减少至少10%。主要作物以颜色表示，较深的阴影表示可达到的产量保持或增加，较浅的阴影表示产量减少410%的区域。仅显示小麦、玉米和水稻种植面积总和超过1000公顷的网格单元。
可实现产量的这些变化对加强谷物生产努力的影响将特别显著；通过努力缩小现有农田的产量差距，在现有水平之外加强作物生产的能力将大大降低。据估计，在当前气候条件下，缩小产量差距可使玉米、小麦和水稻的全球产量分别增加67%、100%和52%（以当前收获面积为基准）。根据世纪末的气候类比，我们估计2000年产量的潜在增长仅为14、62和6%（图3），全球可实现产量增长潜力平均下降57%。因此，目前农田的集约生产似乎很难满足未来几十年不断增长的全球需求。
图3 气候变化对农业集约化增加产量的影响。对于当前基线、世纪中期和世纪末气候（浅绿色条），绘制了通过缩小当前农田的产量差距（实际产量和可实现产量之间的差异）可以实现的全球玉米、小麦和水稻产量的潜在增长。作为参考，根据Mueller等人的实际产量和Monfreda等人的耕地面积计算，这些条形图是在2000年左右的实际产量（深绿色条形图）之上的。
虽然气候变化会降低世界许多地区的生产潜力，但它在一些地区带来了新的机遇。我们确定了当前大面积农田，在这些农田中，在气候变化下，可实现的产量大幅增加，增幅通常超过50%（图1）。这些地区是北中纬度小麦最为突出的地区，包括加拿大中部小麦带以及俄罗斯西部和中部的大片农田。假设目标地区因管理不善、虫害、疾病和其他压力导致的产量下降低于模拟地区，这意味着由于气候变化，这些地区的实际产量大幅增加。
（2）气候适宜种植区的变化
气候变化还可以将作物的生产潜力提高到经济意义上的水平，而这些地区迄今为止基本上都没有种植作物。通过将我们的分析扩展到当前作物收获面积之外，我们表明，北部高纬度的大片土地形成了适合生产小麦或玉米的气候，到本世纪中叶，这些作物的产量至少相当于当前收获面积内该作物的中位产量（图4）；值得注意的是，在外热带地区，气候适宜水稻种植的土地面积在本世纪中叶急剧扩大，而在热带地区则有所减少。根据RCP 8.5，到本世纪末，所有三种作物的热带气候高产区面积都将缩小，这突出表明了避免这种强烈气候变化情景的重要性。尽管这种全球范围的分析表明，许多地区的气候适宜性增加，但这些地区并非主要不适合大规模土壤限制，我们警告说，由于其全球规模，它没有考虑可能对产量产生不利影响的土壤或地形特性的局部变化（尽管贫瘠的土壤可以得到修复）。它也没有说明在这些地区采取措施实现这种产量在经济上是否可行。最终，气候适宜性必须通过考虑当地规模的驱动因素来确定。
图4 气候适宜提供高于当前平均可实现产量的地区。目前可达到的平均产量为8.1吨/公顷玉米，4.6吨/公顷，5.2吨/公顷大米。注意，气候适宜并不一定意味着经济上或社会上可行。当类似物在五分之四的GCM的作物特定阈值上产生可达到的产量时，网格单元为黑色、紫色或蓝色。黑色表示网格单元符合目前作物的产量标准（所有作物类型的收获面积为45万公顷）。紫色表示网格单元目前轻微裁剪（采伐面积1000-50000公顷）。当前收获面积为1000公顷的网格单元为蓝色。红色网格单元显示，目前可以达到的产量超过阈值的裁剪区域，但未来会低于该阈值。白色区域未达到产量阈值。面板a、d和g显示了当前情况、b、e和h，c、f和i是根据气候模型集合中的气候类比，2041年至2059年，以及2081年至2099年的情况。
（3）气候变化情景的影响
尽管我们的结果基于强烈的气候变暖情景（RCP 8.5），但到本世纪中叶，当RCP之间的变暖预测尚未出现明显分歧时，可实现产量的巨大变化已经很明显。因此，当计算低气候变化（RCP 2.6）情景时，尽管幅度稍低，在本世纪中段的结果在质量上是相似的。事实上，本世纪中期对可实现产量的估计影响，无论是积极的还是消极的，都远强于气专委第五次评估报告中对实际产量的大多数预测。这反映了一个事实，即当气候是产量的主要限制因素时，气候变化将产生更大的影响，这意味着更大的集约化可能会使产量更容易受到气候变化的影响。这与之前的研究结果一致，即气候变化通常是高产地区产量变化的主要驱动因素，但不一定是低生产力地区的驱动因素。
（4）与作物模型的比较
图1中可实现产量变化的模式与之前评估中实际产量的模式非常相似，但西非和印度在本世纪中期的积极变化除外，我们将在下文进一步讨论。我们进一步比较了我们的数据驱动方法产生的可实现产量的变化，以及最近用于评估气候变化对作物产量影响的网格化全球作物模型集合的变化，作为ISI-MIP项目的一部分。它们的不同之处在于，大多数模型使用固定的当前化肥水平，而不是无限的养分，并且模拟允许无限灌溉，这在一些低降雨量地区是不可能的。虽然基于模型的气候影响总体预测范围广泛，但产量变化的定性模式与模拟方法非常相似，产量损失通常发生在热带和干旱地区，而在高纬度地区则有所增加。在印度和热带西非，玉米和水稻的模型集合和气候模拟方法之间存在显著差异。在这里，模型倾向于显示产量下降，而模拟方法显示产量增加，然而，我们对这些地区的产量预测的信心较低，因为它们显示了对模拟变量选择的敏感性。对于中纬度地区，尤其是中亚地区小麦产量的变化，模型也更加悲观。模型中这些更悲观的预测可能是由于对气候适应的考虑有限或缺乏。实际上，随着气候的演变，农民将改变他们的首选品种、生长季节和其他管理措施。类比法隐含地解释了全球使用的品种库范围内的品种适应性，以及生长季节和其他管理的变化，可能会导致一些地区的可获得产量出现积极变化，而这些地区以前预计会产生强烈的负面影响。由于作物模型和我们的模拟方法在方法上存在许多差异，因此不可能确切地将这些不同的区域反应归因于适应。然而，对比表明，将适应纳入当前技术的范围并不会从根本上改变21世纪产量变化的全球图景。
研究结论
我们的结果提供了一系列独立的证据，从定性上支持作物模型的预测，从而提高了预测的可信度。由于无法成功培育新的作物品种以适应更温暖的气候，在许多现有农田上加强作物生产的尝试可能会因气候变化而受挫，需要通过其他方式进行补偿。我们的结论是，通过改变作物选择和农田本身的位置，最好地利用气候变化导致的最大可获得产量的变化，可能实现更有效和可持续的增产。然而，我们警告说，社会经济制约因素，以及当地地形和土壤的任何不可控因素，将影响此处计算的气候潜力能否实现；因此，有必要进行详细的当地规模评估。这种土地利用的改变不一定意味着扩张（即增加耕地面积）。然而，改变农业地区的分布可能会导致一些地区土地利用的急剧变化，如果一些地区需要成为粮食净进口国或改变传统饮食，这些地区将面临政治、社会和文化障碍。农田分布的急剧变化也可能对其他生态系统服务产生非常严重的影响，例如非农业用地提供的碳储存，而这种重新配置可能会发生，尽管这些影响可能会因废弃农田区域的长期再生而得到缓解。因此，增加作物产量的需要可能在未来几十年内造成重大的土地利用、贸易和经济困境，而不是像经济模式的主要假设那样，主要依靠现有农田的持续集约化。此外，为了实现模拟方法预测的可实现产量，我们的结果意味着需要远距离转让技术和知识，表明农业挑战中还有另一个重要方面需要全球视野；不仅贸易和市场需要全球化，生产知识也需要全球化。
文献来源：
https://www.nature.com/articles/ncomms12608
以上中文翻译为译者个人对于文章的概略理解，论文传递的准确信息请参照英文原文。
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