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NASA研究揭示气候变化及其对作物生长的环境影响

2021-11-10 来源: cnBeta 原文链接 评论0条

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“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。”

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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。

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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。

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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。

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