動態(tài)焦點:【智惠農(nóng)民】在全球氣候變化背景下如何為作物生長“把脈問診”？

說到氣候變化，很多人覺得只是今年冬天冷一點，去年夏天熱一點，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，全球氣候將更迅速地變暖。來自《Nature 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量預計將比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，極端事件的風險也在不斷上升，而極端事件的發(fā)生也嚴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從而增產(chǎn)，還是由于氣候變化帶來極端氣候而導致作物減產(chǎn)？

如果最終結果是減產(chǎn)，需要做出怎樣的努力才能在未來保障人類的糧食安全？如果最終結果是增產(chǎn)，可以通過哪些方式進一步擴大增產(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”，并進一步提出適應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雜的相互作用后，深入研究氣候變化的機制和原因，并預測未來的變化趨勢。

而另一個“利器”就是作物生長模擬模型。早期科學家們要想去預測作物在不同環(huán)境下如何生長，往往是根據(jù)歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)經(jīng)驗性地去預測，但隨著對作物生理生態(tài)機理的認識不斷加深和計算機技術的迅速發(fā)展，基于過程的作物模型越來越多地被用于預測未來的作物生產(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、品質如何。

作物模型又是何方神圣？簡單來說，它是用數(shù)學方程描述作物、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行邏輯推理、提出假說和設計解決方案。但采用作物模型對未來的作物生產(chǎn)力進行“把診問脈”的過程也并不是一帆風順的。

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，由于模型結構上的差異，且模型在構建過程中或多或少需要對實際情況進行一定簡化，這就導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多名科學家們建立了農(nóng)業(yè)模型相互比較和改進項目（AgMIP）。

起初，科學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果發(fā)現(xiàn)，由于大部分模型算法都是基于當下二氧化碳濃度環(huán)境，而且是在獲取非極端環(huán)境下的作物生長數(shù)據(jù)所構建的，因此在沒有改進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，其結構特性就會不穩(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)境下模擬結果的準確性，就需要構建不同環(huán)境下的模擬算法。

國內有一支來自南京農(nóng)業(yè)大學國家信息農(nóng)業(yè)工程技術中心的“把脈”未來農(nóng)業(yè)的前沿力量，為解決這一問題，從二十世紀九十年代到現(xiàn)在，進行了近30年的潛心研究，相關研究成果發(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測效果，且通過在人工氣候室模擬未來在作物生長的關鍵生育期如孕穗期、開花期和灌漿期發(fā)生極端高溫、低溫、干旱以及多因子復合的情景去進一步構建了適應于不同極端氣候環(huán)境下的模擬算法，最后采用改進后的模型準確的預估了未來升溫情景下對全球主要農(nóng)作物產(chǎn)量的影響。

目前該團隊也正在進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。正是許多個這樣團隊的共同努力，使得精準農(nóng)業(yè)技術在管控農(nóng)業(yè)生產(chǎn)風險中可以做到早預測、早發(fā)現(xiàn)、早預警，從而減緩農(nóng)業(yè)生產(chǎn)波動，提升農(nóng)產(chǎn)品供給能力，而這也將進一步保障我國在未來的糧食安全。

改進模型在不同環(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測的準確性，更能為未來氣候條件下溫度對作物生產(chǎn)力效應的評估提供一個更為可靠的工具。

在構建不同環(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，結合地球系統(tǒng)模式預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行定量評估，了解在未來氣候情景下作物生育期內的高溫、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有多大，并且可以進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生產(chǎn)，甚至還可以為育種學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。”而作物模型或許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)大學智慧農(nóng)業(yè)系教授，博士生導師）

標簽： 氣候變化 二氧化碳 糧食安全