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

最新發(fā)布IPCC顯示，自1850~1900年以來(lái)，全球地表平均溫度已上升約1℃，并指出從未來(lái)20年的平均溫度變化來(lái)看，全球氣候?qū)⒏杆俚刈兣?。?lái)自《Nature Sustainability》的一項(xiàng)研究表明，隨著氣候變化帶來(lái)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(wú)獨(dú)有偶，一項(xiàng)來(lái)自《Nature Food》上的研究也表明，隨著氣候變化帶來(lái)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(jì)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(shí)IPCC報(bào)告還顯示，在氣候變化背景下，極端事件的風(fēng)險(xiǎn)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(xiàng)來(lái)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(zhǎng)。在這場(chǎng)博弈中，未來(lái)氣候變化對(duì)作物的影響，到底是會(huì)因?yàn)榭諝庵性黾拥亩趸冀o植物帶來(lái)的肥料效應(yīng)從而增產(chǎn)，還是由于氣候變化帶來(lái)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(lái)保障人類的糧食安全？如果最終結(jié)果是增產(chǎn)，可以通過(guò)哪些方式進(jìn)一步擴(kuò)大增產(chǎn)量？要回答上述問(wèn)題，就需要通過(guò)精確對(duì)作物生長(zhǎng)“把診問(wèn)脈”，并進(jìn)一步提出適應(yīng)未來(lái)氣候變化的種植策略。

如何精確地“把脈”未來(lái)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(chǎng)探索之旅，中我們需要兩個(gè)“妙藥”，一是我們需要知道地球未來(lái)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(zhǎng)。

為了解地球未來(lái)氣候變化到底如何變化，不少國(guó)家都在打造的一件“利器”——地球系統(tǒng)模式。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)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(cè)未來(lái)的變化趨勢(shì)。

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

作物模型又是何方神圣？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它是用數(shù)學(xué)方程描述作物、氣候和土壤之間的作用過(guò)程，可以根據(jù)氣象條件、土壤條件以及管理方案，動(dòng)態(tài)定量地描述作物生長(zhǎng)、發(fā)育、籽粒形成及產(chǎn)量。模型通過(guò)簡(jiǎn)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(shuō)和設(shè)計(jì)解決方案。但采用作物模型對(duì)未來(lái)的作物生產(chǎn)力進(jìn)行“把診問(wèn)脈”的過(guò)程也并不是一帆風(fēng)順的。

國(guó)際上主要的作物模型開(kāi)發(fā)單位（圖片來(lái)源：AgMIP協(xié)作組）

全球一共有上百個(gè)不同類型作物的作物生長(zhǎng)模型，由于模型結(jié)構(gòu)上的差異，且模型在構(gòu)建過(guò)程中或多或少需要對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行一定簡(jiǎn)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(wèn)題，國(guó)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(xiàng)目（AgMIP）。

起初，科學(xué)家們?cè)噲D通過(guò)采用多個(gè)模型的平均值來(lái)縮小這一不確定性，但近些年越來(lái)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(zhǎng)數(shù)據(jù)所構(gòu)建的，因此在沒(méi)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(cè)效果。

打個(gè)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(huì)不穩(wěn)定，這時(shí)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(guó)內(nèi)有一支來(lái)自南京農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家信息農(nóng)業(yè)工程技術(shù)中心的“把脈”未來(lái)農(nóng)業(yè)的前沿力量，為解決這一問(wèn)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(guó)際知名期刊。

在這個(gè)過(guò)程中，該團(tuán)隊(duì)在國(guó)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(cè)效果，且通過(guò)在人工氣候室模擬未來(lái)在作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵生育期如孕穗期、開(kāi)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(lái)升溫情景下對(duì)全球主要農(nóng)作物產(chǎn)量的影響。

目前該團(tuán)隊(duì)也正在進(jìn)一步探索不同的品種更替和措施優(yōu)化對(duì)未來(lái)氣候變化對(duì)作物生產(chǎn)影響的緩解效果。正是許多個(gè)這樣團(tuán)隊(duì)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(xiǎn)中可以做到早預(yù)測(cè)、早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)警，從而減緩農(nóng)業(yè)生產(chǎn)波動(dòng)，提升農(nóng)產(chǎn)品供給能力，而這也將進(jìn)一步保障我國(guó)在未來(lái)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(zhǎng)模型在現(xiàn)有氣候條件下對(duì)作物生長(zhǎng)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，更能為未來(lái)氣候條件下溫度對(duì)作物生產(chǎn)力效應(yīng)的評(píng)估提供一個(gè)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(guò)選擇采用不同的品種、不同的播種時(shí)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(cè)的不同增溫條件和不同二氧化碳濃度的未來(lái)氣候模式進(jìn)行定量評(píng)估，了解在未來(lái)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(duì)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(lái)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(guó)家，這一差異都一致。

另外通過(guò)比較不同種植模式在未來(lái)氣候情景下生產(chǎn)力的差異，我們可以針對(duì)不同區(qū)域的差異，制定出更適合未來(lái)氣候情景下的栽培模式來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn)，甚至還可以為育種學(xué)家提供更適合未來(lái)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(zhǎng)“把診問(wèn)脈”，以確保未來(lái)我國(guó)乃至全球的糧食安全。

未來(lái)氣候變化對(duì)于我們來(lái)說(shuō)是充滿未知的，就如《三體》的黑暗森林法則所說(shuō)：“宇宙就是一座黑暗森林，每個(gè)文明都是帶槍的獵人，像幽靈般潛行于林間，輕輕撥開(kāi)擋路的樹(shù)枝?！倍魑锬Ｐ突蛟S就是我們?cè)谔綄の磥?lái)路上撥開(kāi)“擋路樹(shù)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