气候变化正在以多种方式影响农业。研究人员使用卫星数据和计算机建模来监测和减轻这些影响。图片来源：NASA/地球观测站/USDA/Jesse Kirsch
地球正在升温。随着我们看到更多破纪录的热浪、严重的干旱、降雨模式的变化和平均气温的上升，人为造成的全球气候变化的影响变得越来越明显。而这些环境变化触及到作物生产的方方面面。
NASA 与合作机构和组织一起监测当今发生的所有这些环境变化。此外，NASA 使用先进的计算机模型提取卫星数据，然后模拟未来地球气候将如何应对持续的温室气体排放。研究人员针对一系列未来情景进行此操作，然后他们使用由此产生的气候预测来了解气候变化将如何影响全球农业。
在世界各地，农业实践随着地形、土壤类型、作物类型、年降雨量和传统而发展。这张来自美国宇航局 Terra 卫星上的高级星载热发射和反射辐射计 (ASTER) 传感器的六张图像的蒙太奇显示了世界不同地区的场几何形状和大小的差异。图片来源：NASA 地球观测站
纽约市美国宇航局戈达德空间研究所 (GISS) 气候影响小组的联合主任亚历克斯·鲁安 (Alex Ruane) 说：“当我们展望未来的气候变化时，它与我们目前经历的炎热年份不同。”他负责协调和领导农业模式比对和改进项目 (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位置并查看最近经历的炎热年份，那很可能是会提高整体温度的热浪，”Ruane 说。 “气候变化是不同的。气候变化每天都在变化，越来越多。当这些热浪 [在未来] 来临时，它们只会更加强烈或极端，这会对 [植物] 产生不同的生理影响。”
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自 200 多年前工业革命开始以来积累的二氧化碳量。
美国农业部在受控环境室中对作物生长速率进行实验，包括在温室和田间地块中控制温度、湿度和大气中的二氧化碳。图片来源：美国农业部
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。作物获得的收益取决于其类型。例如，小麦、大麦和大米比玉米受益于更高的二氧化碳浓度。空气中更多的二氧化碳使植物吸收气体的效率更高，因此在此过程中失去的水分更少，这对植物的生长更好。有了充足的水分和其他养分，作物产量可以显着提高。
然而，这些较高的产量往往伴随着营养方面的缺陷。 “在较高的 CO2 下，作物生长得更快、更大 ，” GISS AgMIP 下的全球网格作物模型比对项目协调员 Jonas Jägermeyr 说。 “但蛋白质和微量营养素的含量相对较低。”
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。
热火朝天
气候变化导致的区域温度升高，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 90 到 95 华氏度（32 到 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水分流失导致萎蔫，并可能对植物造成永久性损害。
罗宾逊投影中的这张彩色地图显示了全球地表温度异常变化的进程。正常温度是 1951-1980 年 30 年基线期的平均值。高于正常温度显示为红色，低于正常温度显示为蓝色。最后一帧代表 2016-2020 年的 5 年全球温度异常。以摄氏度为单位。图片来源：NASA 的科学可视化工作室
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。 “作物种植地的模式决定了影响的模式，”Jägermeyr 说。 “你在热带生长得越多，受到的打击就越严重。因为它已经很暖和了，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全球小麦产量，预计全球温度比工业化前温度高 1.5 摄氏度和 2.0 摄氏度。考虑到二氧化碳的施肥效应，结果表明，在美国和欧洲等较温带地区，冬季或春季种植的小麦产量增加了约 5%，而在较温暖的地区，则下降了约 2% 至 3%。如中美洲和非洲部分地区。此外，在包括印度在内的炎热地区，小麦产量占全球的 14%，他们更经常看到小麦产量低的年份。
温度也会影响农作物的生命周期。 Ruane 说，生长季节每天温度的小幅升高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，它就没有花太多时间来长叶子、收集阳光并产生谷物所需的能量。”结果是谷物减少，农作物产量减少。
给我看水
难题的最后一个主要部分是水。气候变化正在影响降雨和降雪模式，并导致干旱和降雨更加极端。
Jägermeyr 说：“一些地区会出现额外的降雨，因此会受益。” “一些地区将获得过多的额外降雨，然后会受到过量降雨的不利影响。大量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变得更加严重。
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的内华达山脉的山地积雪正在缩小，它们是饮用水和灌溉用水的主要来源。
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，在将地下水用于农业的地方，地下水位普遍下降，原因在于已提取的水及其对变化的敏感性。此外，植物会从土壤中获取水分，在较热的地区和未来较热的地区，土壤更容易蒸发，植物可利用的水分更少。
获取水对作物健康有直接影响，而卫星观测是 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百万分之一的二氧化碳2 ，但因为这些反过来会影响所有部门和我们的生活，”Ruane 说，他不仅指的是大规模的农业部门和经济，还指的是随着社区应对气候变化而发生的日常变化。
除了研究气候变化的环境因素对作物的直接影响外，AgMIP 的研究团队还在研究有助于减轻最坏结果的适应、管理实践和经济激励措施的潜力。
Ruane 说，适应策略分为三种类型： 每年决定的事情，例如何时播种和田间轮作；长期投资，例如新拖拉机、改进的灌溉系统或目前雨养地区的新灌溉基础设施；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与地中海饮食或东亚饮食相比，我们还可以询问我们的经济模型 [计算出的] 价格将如何转变。”例如，当人们吃更多或更少的肉，或者从吃更多的小麦类食物转向吃更多的大米类食物时会发生什么，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，尤其是意料之外的影响。
Ruane 补充说：“如果我们真的想知道农民或消费者会发生什么，我们必须考虑经济形势。”随着气候变化在未来影响粮食系统，其影响将波及到整个经济和家庭，并由人们的反应方式决定。
