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《nature reviews earth & environment》2023年12月综述：气候变化对作物产量的影响
本文由来自德国、法国、美国、加纳等国的多位学者（Ehsan Eyshi Rezaei、Heidi Webber、Senthold Asseng等）合作完成，发表于2023年12月的《nature reviews earth & environment》期刊（第4卷，831-846页）。文章系统综述了气候变化对全球主要谷物（小麦、玉米、小米、高粱和水稻）产量的影响机制、区域差异及适应策略，并探讨了未来研究方向。
文章首先分析了影响作物产量的三大气候驱动因素：温度升高、二氧化碳（CO₂）浓度上升及水分可利用性变化。
- CO₂浓度升高：对C3作物（小麦、水稻）的光合作用促进作用显著，但可能被高温和干旱抵消；C4作物（玉米、小米、高粱）仅在干旱条件下受益于CO₂升高。
- 水分胁迫：干旱会减少叶面积和光合作用，而水分过多（如涝害）则导致根系缺氧和养分吸收受阻。
- 高温与极端热事件：加速作物发育周期，降低花粉活性，并可能引发夜间呼吸增强，导致减产。
支持证据包括大量FACE（Free-Air CO₂ Enrichment，开放式CO₂富集）实验数据（如小麦和水稻在550–590 ppm CO₂下增产17%），以及全球多地区田间试验（如干旱使玉米减产幅度高于小麦）。
不同作物对气候胁迫的敏感性存在显著差异：
- C3与C4作物的对比：C3作物对CO₂响应更强，而C4作物对高温耐受性更高。例如，高粱和小米在极端高温下减产幅度（10%）低于小麦和水稻（30%）。
- 复合胁迫的叠加效应：高温与干旱同时发生时，减产效应呈协同增强（如小麦减产60%，高于单一胁迫的30–40%）。
这一部分的结论基于多因素控制实验的整合分析，例如通过温度梯度隧道（Temperature-Gradient Tunnels）和雨棚（Rainout Shelters）模拟不同气候情景。
通过作物模型（如DSSAT、APSIM）模拟发现：
- 纬度差异：高纬度地区（如欧洲、北美）可能因CO₂肥效和生长季延长而增产，而热带地区（如撒哈拉以南非洲）因C4作物主导且CO₂效益有限，减产风险更高。例如，在SSP5-8.5（高排放情景）下，热带玉米减产幅度（10–35%）显著高于温带地区。
- 适应措施有效性：灌溉和养分管理可显著缓解减产（小麦增产达40%），但受限于水资源和投资成本。早播和耐逆品种的培育也被证明有效，但需区域特异性调整。
数据来源于全球60余国的模型比较项目（如AgMIP），并指出当前模型对病虫害和土壤三维相互作用的模拟仍存在不足。
气候变化可能通过以下途径威胁粮食系统：
- 生产波动与市场风险：极端天气事件（如2010年俄罗斯热浪）可能导致出口限制和价格波动。
- 耕地扩张的局限性：尽管高纬度适耕区可能扩大（如加拿大、俄罗斯），但热带地区的灌溉需求增长（需增加5%以上）面临水资源短缺挑战。
作者强调，当前多数评估未考虑耕地空间分布的变化，而历史数据表明作物向温凉地区迁移曾部分抵消气候负面影响，但未来这一策略的可持续性存疑。
文章提出以下关键挑战：
- 多因子实验的缺乏：需更多研究关注连续胁迫（如干旱后高温）对作物生理的影响。
- 模型不确定性：需整合病虫害模块、改进根系-土壤相互作用的三维模拟，并开发数据-模型混合方法（如机器学习辅助参数化）。
- 跨学科整合：建议将生物物理模型与社会经济分析结合，评估适应策略的可行性。
本文首次系统比较了C3与C4作物对气候变化的响应差异，并量化了不同适应措施的潜在效益。其核心贡献在于：
1. 科学层面：揭示了CO₂肥效与胁迫因子的交互作用机制，为作物模型改进提供方向。
2. 应用层面：为政策制定者提供了区域特异性适应策略的优先级建议（如热带地区需侧重抗旱育种）。
3. 方法论创新：倡导建立多模型集成（如AgMIP-Wheat）以减少结构不确定性，并呼吁全球合作填补非洲等地的数据缺口。
本文的结论对实现《巴黎协定》中的农业适应目标具有直接参考价值，尤其强调了“没有放之四海皆准的解决方案”，需结合本地化研究设计应对措施。