隨著我們看到更多破紀錄的熱浪、嚴重的乾旱、降雨模式的變化和平均氣溫的上升，人類活動造成的全球氣候變化的影響變得越來越明顯。而這些環境變化涉及作物生產的方方面面。美國宇航局（NASA）與合作機構和組織一起監測當今發生的所有這些環境變化。此外，NASA使用先進的計算機模型獲取衛星資料，然後模擬地球氣候將如何應對未來持續的溫室氣體排放。研究人員在一系列未來情景中這樣做——然後他們使用由此產生的氣候預測來了解氣候變化將如何影響全球農業。
“當我們展望未來的氣候變化時，它與我們經歷的當前炎熱年份不同，”NASA戈達德空間研究所 (GISS) 氣候影響小組的聯合主任Alex Ruane)說。他協調並領導農業模型比對和改進專案 (AgMIP) 的氣候團隊，這是一個連線氣候科學、作物建模和經濟建模的國際專案，旨在研究作物產量和糧食安全的潛在未來。
“如果我們要找到一個地點並檢視最近經歷的炎熱年份，那很可能是熱浪導致整體溫度升高，”Ruane 說。“氣候變化是不同的。氣候變化每天都在發生，而且越來越多。當這些熱浪（在未來）到來時，它們只會更加強烈或極端，這對（植物）產生不同的生理影響。”
植物的這些生理變化可能很複雜，並且與作物型別以及區域和地方層面的氣候影響有關。
二氧化碳作為肥料
二氧化碳是導致地球全球溫度升高的主要溫室氣體。燃燒化石燃料時排放的二氧化碳可以在大氣中停留數百年，這意味著我們每年都在增加二氧化碳的數量，這是自200多年前工業革命開始以來積累的。
植物在光合作用過程中從大氣中去除二氧化碳（儘管數量不足以去除人類排放的所有物質。）事實上，溫室和田間實驗表明，大氣中較高水平的二氧化碳可以作為肥料和增加植物生長。作物獲得的收益數量取決於其型別。例如，小麥、大麥和大米比玉米從更高的二氧化碳濃度中獲益更多。空氣中的二氧化碳越多，植物吸收氣體的效率就越高，因此在這個過程中失去的水分越少，這對植物的生長越好。有了充足的水和其他養分，作物產量可以顯著增加。
然而，這些更高的產量往往伴隨著營養方面的缺陷。“在較高的二氧化碳數量下，作物長得更快、更大，” GISS 的 AgMIP 下全球網格作物模型比對專案的協調員 Jonas Jägermeyr 說。“但蛋白質和微量營養素的含量成比例地較低。”
在研究氣候對作物的影響時，數量與質量是一個複雜因素。另一個原因是，雖然較高的二氧化碳水平會帶來一些好處，但也會帶來熱量。
由於氣候變化導致區域溫度升高，特別是在熱帶地區，可能導致所有型別作物的熱應激。Jägermeyr 說，許多作物在高於32至35攝氏度的溫度下開始感到壓力，儘管這會因作物型別而異，並取決於可用水量。熱應激最明顯的跡象是因水分流失而枯萎，並可能導致植物永久性損壞。
不同地區在未來氣候中將經歷不同的熱強度，特別是在熱浪等極端事件期間。“作物生長的模式決定了影響的模式，”Jägermeyr 說。“你在熱帶地區生長得越多，你受到的打擊就越嚴重。因為它已經很溫暖了，額外的變暖將比高緯度地區更嚴重。”
2019 年的一項模型研究模擬了未來的全球小麥產量，預計全球氣溫將比工業化前溫度高 1.5 攝氏度和 2.0 攝氏度。考慮到二氧化碳的施肥作用，結果表明，在美國和歐洲等較溫帶地區，冬播或春播小麥的糧食產量提高了約5%，而在較暖和的地區，如美國和歐洲，則下降了約2%至3%。如中美洲和非洲部分地區。此外，在印度等炎熱地區，小麥產量佔全球的 14%，他們更頻繁地看到小麥產量低的年份。
溫度也會影響作物的生命週期。Ruane 說，在生長季節，每天溫度的小幅上升會加速植物的生命週期。“所以最終發生的事情是植物成熟得更快，在季節結束時，當它放下穀物時，它只是沒有花太多時間長出葉子，收集陽光並製造穀物所需的能量。” 結果是更少的穀物和更少的作物產量。
此外，氣候變化正在影響降雨和降雪模式，並導致更極端的乾旱和降雨。
Jägermeyr 說：“一些地區會出現額外的降雨，因此會受益。一些地區會收到過多的額外降雨，然後會受到過多降雨的不利影響。很多地區實際上會出現乾旱。 例如，季風可能會給東南亞帶來更多降雨，而美國西部、澳大利亞、非洲和中美洲的乾旱可能會更加嚴重。”
可用於灌溉的水量已經受到氣候變化的影響。喜馬拉雅山脈和加利福尼亞州內華達山脈的山地積雪正在減少，這些地區是飲用水和灌溉水的主要來源。
地下水位對氣候變化也很敏感，例如持續乾旱和過度降雨。2018年的一項研究表明，在地下水用於農業的地方，地下水位通常會因提取的水及其對變化的敏感性而下降。此外，植物獲取土壤中的水，在較熱的地區和較熱的未來，土壤更容易蒸發，留給植物使用的水更少。
獲得水對作物健康有直接影響，衛星觀測是NASA研究人員和合作夥伴正在構建的工具的關鍵輸入之一，以幫助管理我們更溫暖的未來。
適應
“我們關心氣候變化不是因為攝氏度或多少ppm的二氧化碳，而是因為它們反過來影響所有部門和我們的生活，”Ruane 說，不僅指大規模農業部門和經濟，還指隨著社群對氣候變化做出反應，每天都會發生變化。
除了著眼於氣候變化的環境因素對作物的直接影響之外，AgMIP 的研究團隊還著眼於適應、管理實踐和經濟激勵措施的潛力，以幫助減輕最壞的結果。
Ruane說，有三種類型的適應策略：每年決定的事情，例如何時種植和田間輪作；長期投資，例如新拖拉機、改進灌溉系統或在目前雨育地區新建灌溉基礎設施；和變革行動，例如培育新的作物品種或應對人口飲食的大規模變化。
“我們可以在（模型的） 虛擬欄位中測試不同的選項，”Ruane 說。“如果人們採用我們在美國的飲食型別，而不是地中海飲食或東亞飲食，我們還可以詢問我們的經濟模型中（計算出的）價格如何變化。” 例如，當一個人群吃更多或更少的肉，或者從吃更多的小麥食物轉為吃更多的大米食物時，會發生什麼，反之亦然？這些模型還可以探索這些重大變化的其他次要影響，尤其是意料之外的變化。
Ruane補充道，“如果我們真的想知道農民或消費者會發生什麼，我們必須引入經濟形勢。” 隨著氣候變化在未來影響糧食系統，其影響將波及整個經濟和家庭，具體取決於人們的反應方式。
