随着种植区的转移，气候变化将给农民带来新的挑战，为这些转变做好准备对全球未来的粮食安全至关重要。康涅狄格大学土木与环境工程系和环境科学与工程中心的研究人员杨梅江(Meijan Yang)和王桂玲(Guiling Wang)教授的最新研究表明，随着气候变化，我们将看到美国最多产的种植区之一的作物产量发生变化。这项研究发表在《农业系统》杂志上。
美国大部分的玉米和大豆生产都集中在中西部被称为玉米带的地区。由于土壤肥沃，再加上过去几个世纪以来农业技术的稳步进步，产量的增长速度一直很高。
“如果你看一下长期趋势，除了发生洪水或干旱等极端事件的年份外，产量一直在持续增长。例如，2012年极端干旱导致产量大幅下降，粮食价格创下历史新高。在美国和其他地方，这种增加产量的趋势是由于技术、灌溉和改良的种子品系。随着气候变化，未来的趋势将会有所不同。”
研究人员使用了一种基于过程的模型，称为农业技术转移决策支持系统，来模拟不同作物的生理过程如何对特定气候下生长季节每天的日照、降水、温度和湿度等环境条件做出反应。然后，该模型确定每种作物在生长季节结束时的产量。为了评估气候变化的影响，他们对历史和预测的未来气候进行了模拟。
对于气候信息，王解释说，他们使用了CMIP5(耦合模式比对项目第5阶段)中来自MACA-2(多变量自适应构建类似物)数据库的10个模型的缩小和偏差校正数据，该数据库提供了评估局部气候变化所需的精细分辨率(4公里)。
研究人员发现，最多产的种植区向北转移。
“当我们回顾过去的产量变化时，最糟糕的年份是那些既干旱又有热浪的年份。这两者往往同时发生，因为它们确实相互依存，相互加强，”王说。
王解释说，这些复合因素使得很难像以前的研究那样，根据统计分析将作物产量损失归因于特定的压力，这就是基于过程的模型的力量所在，因为它在过程层面上考虑了每个压力源的影响，并且可以清楚地了解多个压力源如何协同作用以影响产量。
“使用基于过程的模型，我们可以量化预计产量变化中有多少来自水压力，有多少来自热压力和其他压力因素。从历史上看，玉米带的大部分产量受到水分胁迫的限制，”王说。
研究人员发现，直到21世纪40年代和50年代，玉米和大豆的产量仍将主要受到水分胁迫的限制;但在本世纪中叶之后，高温成为主要的压力源和限制因素，这是农民过去不必面对的问题。
“这一发现对作物育种具有启示意义。目前和短期内，抗旱作物很重要，但从长远来看，我们需要耐热作物，”王说。
研究人员指出的另一点是，由于光合作用策略和最佳温度的差异，玉米和大豆的产量趋势并不相同。一些植物将受益于二氧化碳的增加，而另一些植物将很快达到饱和点，从二氧化碳施肥效应中获得很少或根本没有好处。
大豆是一种将受益于二氧化碳和温度升高的植物。模型显示，到本世纪中叶，大豆产量将保持在目前的水平或增加，这一点非常一致，但在本世纪后期，这种一致性就不那么确定了，有些模型显示产量会显著下降。然而，最终，水和热胁迫的影响将抵消二氧化碳施肥效应。
“这两种作物表现出不同的变化模式。预计到本世纪中叶，大豆产量将随着生产区向北扩展而增加，但到本世纪末，我们将开始看到南部各州产量大幅下降，北部各州产量小幅上升。”王说。“在本世纪中叶和世纪末，玉米的生产种植区将向北转移。”
这意味着到本世纪末玉米产量将减少40%，大豆产量将减少22%。王还说，生产区域向北部各州的转移不足以弥补南部各州的产量损失。它也没有考虑到为适应生长区的变化而需要改变土地利用的可行性。
“随着气候变化，农民不会坐视不管，”王说。“对于气候适应，耐热作物肯定会有所帮助。另一个策略是提前种植作物。”
研究人员在实验中加入了这种种植时间的变化，并发现该策略确实减轻了气候变化对南部一些州的部分负面影响，但它也不能完全弥补产量的损失。另一个策略是灌溉，以帮助缓解水压力，但王说，更困难的问题是解决热压力。
王说:“我们将继续看到一些产量的增加，但这种增加的速度将比我们习惯的要慢得多，因为气候变化将抵消技术带来的产量增加。”“展望未来，我们将有这些生产区域的变化，这意味着如果我们想最大限度地提高生产系统，它必须随着气候而迁移。人们准备好了吗?”
