說到氣候變化，很多人覺得只是今年冬天冷一點(diǎn)，去年夏天熱一點(diǎn)，似乎對生活沒有太多直接影響，因此對氣候變化并不敏感。但“春江水暖鴨先知”，氣候變化已經(jīng)開始影響與我們糧食安全密切相關(guān)的動植物了。

最新發(fā)布IPCC顯示，自1850~1900年以來，全球地表平均溫度已上升約1℃，并指出從未來20年的平均溫度變化來看，全球氣候?qū)⒏杆俚刈兣碜浴禢ature Sustainability》的一項研究表明，隨著氣候變化帶來的全球變暖，在目前的種植水平下，氣溫每升高1℃，小麥、水稻、玉米和大豆的產(chǎn)量將分別減產(chǎn)2.9%、5.6%、7.1%和10.6%。

無獨(dú)有偶，一項來自《Nature Food》上的研究也表明，隨著氣候變化帶來的全球變暖，到2050年，加工番茄醬用的西紅柿全球供應(yīng)量預(yù)計將比1990~2009年的基線減少6%，其中意大利的作物受到的影響最大。

(資料圖片)

同時IPCC報告還顯示，在氣候變化背景下，極端事件的風(fēng)險也在不斷上升，而極端事件的發(fā)生也嚴(yán)重威脅著人類的糧食安全。一項來自《Nature》上的研究已經(jīng)指出，在1964~2007年期間由于干旱和熱害等極端氣候已經(jīng)使得全球的谷物產(chǎn)量顯著減少9%~10%。

引起全球氣候變化的主要原因是溫室氣體中的二氧化碳，可是除了導(dǎo)致全球變暖外，大氣中較高水平的二氧化碳又可以作為肥料和增加植物生長。在這場博弈中，未來氣候變化對作物的影響，到底是會因為空氣中增加的二氧化碳給植物帶來的肥料效應(yīng)從而增產(chǎn)，還是由于氣候變化帶來極端氣候而導(dǎo)致作物減產(chǎn)？

如果最終結(jié)果是減產(chǎn)，需要做出怎樣的努力才能在未來保障人類的糧食安全？如果最終結(jié)果是增產(chǎn)，可以通過哪些方式進(jìn)一步擴(kuò)大增產(chǎn)量？要回答上述問題，就需要通過精確對作物生長“把診問脈”，并進(jìn)一步提出適應(yīng)未來氣候變化的種植策略。

如何精確地“把脈”未來農(nóng)業(yè)，是全世界的科學(xué)家都在積極探尋的答案。在這一場探索之旅，中我們需要兩個“妙藥”，一是我們需要知道地球未來的氣候到底如何變化，二是我們需要知道作物在不同氣候環(huán)境下如何生長。

為了解地球未來氣候變化到底如何變化，不少國家都在打造的一件“利器”——地球系統(tǒng)模式。簡單來說就是要在了解大氣圈、水圈、冰凍圈、巖石圈和生物圈等各圈層之間復(fù)雜的相互作用后，深入研究氣候變化的機(jī)制和原因，并預(yù)測未來的變化趨勢。

而另一個“利器”就是作物生長模擬模型。早期科學(xué)家們要想去預(yù)測作物在不同環(huán)境下如何生長，往往是根據(jù)歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)經(jīng)驗性地去預(yù)測，但隨著對作物生理生態(tài)機(jī)理的認(rèn)識不斷加深和計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，基于過程的作物模型越來越多地被用于預(yù)測未來的作物生產(chǎn)。我們可以通過作物模擬模型在計算機(jī)中定量模擬作物在不同環(huán)境中會如何生長、產(chǎn)量多少、品質(zhì)如何。

作物模型又是何方神圣？簡單來說，它是用數(shù)學(xué)方程描述作物、氣候和土壤之間的作用過程，可以根據(jù)氣象條件、土壤條件以及管理方案，動態(tài)定量地描述作物生長、發(fā)育、籽粒形成及產(chǎn)量。模型通過簡化和精確化，創(chuàng)造易于處理的空間，我們可以在這些空間上進(jìn)行邏輯推理、提出假說和設(shè)計解決方案。但采用作物模型對未來的作物生產(chǎn)力進(jìn)行“把診問脈”的過程也并不是一帆風(fēng)順的。

國際上主要的作物模型開發(fā)單位（圖片來源：AgMIP協(xié)作組）

全球一共有上百個不同類型作物的作物生長模型，由于模型結(jié)構(gòu)上的差異，且模型在構(gòu)建過程中或多或少需要對實際情況進(jìn)行一定簡化，這就導(dǎo)致不同的模型之間的不確定很大。為了解決這一問題，國際上1000多名科學(xué)家們建立了農(nóng)業(yè)模型相互比較和改進(jìn)項目（AgMIP）。

起初，科學(xué)家們試圖通過采用多個模型的平均值來縮小這一不確定性，但近些年越來越多的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于大部分模型算法都是基于當(dāng)下二氧化碳濃度環(huán)境，而且是在獲取非極端環(huán)境下的作物生長數(shù)據(jù)所構(gòu)建的，因此在沒有改進(jìn)作物模型在不同二氧化碳濃度和極端環(huán)境下等情景的模擬算法的前提下，多模型集合方法并不一定能夠提升模擬模型的預(yù)測效果。

打個比方，就好像普通的鐵材料在正常室溫環(huán)境下可以滿足大部分的需求，但是如果要在極端高溫或者極端低溫的環(huán)境下，其結(jié)構(gòu)特性就會不穩(wěn)定，這時候就需要加入其他合金以提高它在極端環(huán)境下的穩(wěn)定性。作物模型也是如此，要想提高其在不同環(huán)境下模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，就需要構(gòu)建不同環(huán)境下的模擬算法。

國內(nèi)有一支來自南京農(nóng)業(yè)大學(xué)國家信息農(nóng)業(yè)工程技術(shù)中心的“把脈”未來農(nóng)業(yè)的前沿力量，為解決這一問題，從二十世紀(jì)九十年代到現(xiàn)在，進(jìn)行了近30年的潛心研究，相關(guān)研究成果發(fā)表在了《Nature Climate Change》《Global Change Biology》等國際知名期刊。

在這個過程中，該團(tuán)隊在國際上首次發(fā)現(xiàn)多模擬集合方法并不一定能夠提升模擬模型的預(yù)測效果，且通過在人工氣候室模擬未來在作物生長的關(guān)鍵生育期如孕穗期、開花期和灌漿期發(fā)生極端高溫、低溫、干旱以及多因子復(fù)合的情景去進(jìn)一步構(gòu)建了適應(yīng)于不同極端氣候環(huán)境下的模擬算法，最后采用改進(jìn)后的模型準(zhǔn)確的預(yù)估了未來升溫情景下對全球主要農(nóng)作物產(chǎn)量的影響。

目前該團(tuán)隊也正在進(jìn)一步探索不同的品種更替和措施優(yōu)化對未來氣候變化對作物生產(chǎn)影響的緩解效果。正是許多個這樣團(tuán)隊的共同努力，使得精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)在管控農(nóng)業(yè)生產(chǎn)風(fēng)險中可以做到早預(yù)測、早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)警，從而減緩農(nóng)業(yè)生產(chǎn)波動，提升農(nóng)產(chǎn)品供給能力，而這也將進(jìn)一步保障我國在未來的糧食安全。

改進(jìn)模型在不同環(huán)境特別是在極端環(huán)境下的模擬算法，不僅能改善作物生長模型在現(xiàn)有氣候條件下對作物生長預(yù)測的準(zhǔn)確性，更能為未來氣候條件下溫度對作物生產(chǎn)力效應(yīng)的評估提供一個更為可靠的工具。

在構(gòu)建不同環(huán)境下的模擬算法后，我們就可以在模型中通過選擇采用不同的品種、不同的播種時間、不同的播種量以及不同的施肥灌溉模式等種植模型，結(jié)合地球系統(tǒng)模式預(yù)測的不同增溫條件和不同二氧化碳濃度的未來氣候模式進(jìn)行定量評估，了解在未來氣候情景下作物生育期內(nèi)的高溫、低溫、寡照、干旱等極端氣候事件對作物生產(chǎn)力的影響有多大，以及增加的二氧化碳濃度帶來的肥料效應(yīng)有多大，并且可以進(jìn)一步探究是否在不同區(qū)域、不同國家，這一差異都一致。

另外通過比較不同種植模式在未來氣候情景下生產(chǎn)力的差異，我們可以針對不同區(qū)域的差異，制定出更適合未來氣候情景下的栽培模式來指導(dǎo)生產(chǎn)，甚至還可以為育種學(xué)家提供更適合未來氣候變化情景下的品種選育方向，真正做到在全球氣候變化背景下為作物生長“把診問脈”，以確保未來我國乃至全球的糧食安全。

未來氣候變化對于我們來說是充滿未知的，就如《三體》的黑暗森林法則所說：“宇宙就是一座黑暗森林，每個文明都是帶槍的獵人，像幽靈般潛行于林間，輕輕撥開擋路的樹枝?！倍魑锬Ｐ突蛟S就是我們在探尋未來路上撥開“擋路樹枝”的有力工具。

撰稿人：康敏（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)智慧農(nóng)業(yè)系博士研究生）

審核人：劉兵（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)智慧農(nóng)業(yè)系教授，博士生導(dǎo)師）

標(biāo)簽： 氣候變化 二氧化碳 糧食安全