NASA研究揭示气候变化及其对作物生长的环境影响

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随着我们看到更多破纪录的热浪、严重干旱、不断变化的降雨模式和不断上升的平均气温，人为造成的全气候变化的影响变得越来越明显。这些环境变化涉及农作物生产的各个方面。美国宇航局与合作伙伴机构和组织合作，监测当今发生的所有这些环境变化。此外，美国宇航局使用先进的计算机模型来获取卫星数据，然后模拟地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场景中做到了这一点。然后，他们利用由此产生的气候预测来了解气候变化将如何影响全农业。

美国宇航局戈达德空间研究所GISS气候影响小组联席主任亚历克斯鲁恩(AlexRuane)表示“当我们展望未来的气候变化时，会发现它与我们目前正在经历的炎热年份不同。”他协调并领导农业模型比对和改进项目AgMIP的气候团队，该项目是一个将气候科学、作物模型和经济模型联系起来的项目，旨在研究作物产量和粮食安全的潜在未来。

鲁安说“如果我们找到一个地点并观察最近经历的炎热年份，很可能是热浪导致了整体气温上升。”“气候变化是不同的。气候变化每天都在发生，而且越来越多。当这些热浪来临时，它们只是更加强烈或极端，这会产生不同的生理影响。”

植物的这些生理变化可能很复杂，并且与区域和地方层面的作物类型和气候影响有关。

二氧化碳作为肥料

二氧化碳是导致地全气温上升的主要温室气体。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。事实上，温室和田间实验表明，大气中较高含量的二氧化碳可以充当肥料并促进植物生长。作物获得的效益取决于其类型。例如，小麦、大麦和水稻比玉米更能从较高的二氧化碳浓度中受益。空气中的二氧化碳越多，植物吸收气体的效率就越高，因此在这个过程中损失的水分就越少，这更有利于植物的生长。有了充足的水和其他养分，农作物产量可以显着增加。

然而，这些高产量往往伴随着营养不足。GISSAgMIP下的全网格作物模型比对项目协调员JonasJgermeyr表示“二氧化碳含量较高时，农作物生长得更快、更大。”“但蛋白质和微量营养素含量相应较低。”

在研究气候对农作物的影响时，数量与质量是一个复杂的因素。另一个原因是，虽然较高的二氧化碳含量带来了一些好处，但它们也带来了热量。

气候变化导致区域气温升高，特别是在热带地区，可能会导致所有类型的作物出现热应激。Jgermeyr表示，许多作物在温度高于32至35摄氏度时开始感到压力，尽管这因作物类型和可用水量而异。热应激最明显的迹象是因水分流失而枯萎，并可能对植物造成永久性损害。

不同地区在未来的气候中将经历不同的高温强度，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，”Jgermeyr说。“在热带地区种植的植物越多，受到的打击就越严重。因为天气已经很温暖，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全小麦产量，预测全气温比工业化前高出15摄氏度至20摄氏度。考虑到二氧化碳的施肥作用，结果表明，在美国和欧洲等温带地区，冬播或春播小麦的粮食产量增加了约5倍，而减少了约2至3倍。如中美洲和非洲部分地区。此外，在印度等炎热地区（占全小麦产量的14%），小麦产量较低的年份更为频繁。

温度也会影响农作物的生命周期。鲁安说，在生长季节，每日温度的小幅上升会加速植物的生命周期。“所以最终发生的情况是植物成熟得更快，在季节结束时，当它放下谷物时，它只是没有那么多的时间来生长叶子，收集阳光并产生它所需的能量。做谷物。”结果是谷物产量减少，农作物产量减少。

此外，气候变化正在影响降雨和降雪模式，并导致更加极端的干旱和降雨。

贾格迈尔说“一些地区将获得额外的降雨，从而受益。”“一些地区会收到过多的额外降雨，然后受到过量降雨的不利影响。许多地区实际上会经历干旱。例如，季风可能会给东南亚带来更多降雨，而美国西部的干旱可能会变得更加严重、澳大利亚、非洲和中美洲。”

可用于灌溉的水量已经受到气候变化的影响。喜马拉雅山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。

地下水位也对气候变化敏感，例如长期干旱和过多降雨。2018年的一项研究表明，在地下水用于农业的地方，地下水位通常会由于水的提取及其对变化的敏感性而下降。此外，植物从土壤中获取水分，在更热的地区和更热的未来，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，而卫星观测是美国宇航局研究人员和合作伙伴正在构建的工具的关键投入之一，以帮助管理我们更温暖的未来。

适应

鲁恩说“我们关心气候变化不是因为摄氏度或百万分之多少二氧化碳，而是因为它们反过来影响所有部门和我们的生活。”他指的不仅是大规模农业部门和经济，还涉及社区如何应对气候变化。反应每天都在变化。

除了研究气候变化的环境因素对作物的直接影响外，AgMIP的研究团队还在研究适应、管理实践和经济激励措施的潜力，以帮助减轻最坏的结果。

鲁安说，适应策略分为三种类型年度决策，例如何时种植和轮作；长期投资，例如新拖拉机、改进的灌溉系统或目前雨养地区的新灌溉基础设施；和变革性行动，例如种植新作物品种可能会对人口饮食的大规模变化做出反应。

“我们可以在虚拟领域测试不同的选择，”鲁恩说。“我们还可以，如果人们遵循美国的饮食方式，而不是地中海饮食或东亚饮食，那么我们的经济模型中的价格会如何变化。”例如，当一个人吃更多或更少的肉，或者从吃更多的小麦食品转向吃更多的大米食品时，或者反之亦然时，会发生什么？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。

鲁安补充道，“如果我们真的想知道农民或消费者发生了什么，我们就必须考虑经济状况。”随着气候变化影响未来的粮食系统，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。

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