科学家对核冬天进行建模分析——全球粮食崩溃比预期更严重

研究团队近日在《环境研究快报》上发表的研究结果表明，玉米作物减产程度将因冲突规模而异。一场区域性核战争将向大气中排放约5.5吨烟尘，可能导致全球玉米年产量下降7%。而大规模全球战争将向大气中注入165吨烟尘，可能导致玉米年产量骤降80%。该研究总计模拟了六种不同烟尘排放量的核战争情景。

据该研究第一作者、宾夕法尼亚州立大学植物科学系副研究教授石玉宁（Yuning Shi）介绍，鉴于玉米的全球重要性，研究人员选择模拟玉米在核冬天中的减产情况，以此代表全球农业的整体预期命运。他指出，全球作物产量下降80%将引发灾难性后果，导致全球范围内的大规模粮食危机。即使全球作物产量仅下降7%，也会对全球粮食体系和经济造成严重冲击，很可能加剧粮食不安全和饥饿问题。

这些模拟的可行性得益于"周期"（Cycles）农业生态系统模型，该模型由宾夕法尼亚州立大学农业科学学院的科学家于数年前创建，其中包括主要开发者、生产系统与建模教授、本研究通讯作者阿门·克马尼安（Armen Kemanian）。该模型利用高性能计算技术，综合考虑大气条件，通过精确追踪土壤-植物-大气系统内的碳氮循环，实现了作物生长的大规模、高分辨率、多年连续模拟。

"我们在38,572个地点模拟了六种严重程度递增的核战争情景下的玉米生产状况——烟尘排放量从5吨到165吨不等"，石教授表示，"这项研究深化了我们对全球农业在灾难性气候扰动中韧性与适应能力的理解。"

除考虑大气中巨量烟尘的影响外，研究人员还模拟了紫外线B辐射（UV-B）的增强效应。这种紫外线辐射可导致DNA损伤、氧化应激和植物光合作用减弱，在核冬天期间抵达地球表面后会进一步限制农业生产。

石教授认为这是首项评估核爆炸后紫外线B辐射对农业损害程度的研究。研究人员预测，全球战争后六至八年这种损害将达到峰值，可能导致玉米产量额外下降7%，使最坏情况下的玉米总减产幅度达到87%。

石教授解释道，地球高层大气中的臭氧能有效吸收来自太阳的大部分紫外线辐射，但核战争将摧毁这种防护能力。

"原子爆炸的冲击波和火球会在平流层产生氮氧化物"，他指出，"氮氧化物的存在加上吸热性烟尘的加热效应会迅速破坏臭氧层，导致地表紫外线B辐射水平升高。这将损害植物组织并进一步限制全球粮食生产。"

石教授表示，虽然预测表明当前种植的玉米品种产量可能遭遇灾难性下降，但若能改种适应寒冷气候和短生长季的作物品种，全球作物产量较无适应措施的情况可提升10%。然而研究人员指出，这些作物的种子供应可能成为严重问题——即"适应瓶颈"。

他们提出的解决方案是提前准备"农业韧性工具包"，其中包含针对特定区域和气候的种子，这些作物品种能在寒冷气候和短生长季条件下存活。

克马尼安表示："在核战争后基础设施和供应链恢复的不稳定时期，这些工具包将有助于维持粮食生产。农业韧性工具包的理念可扩展应用于其他灾难——当如此规模的灾难来袭时，韧性至关重要。"

石教授指出，虽然目前不太可能开展国际协作的前瞻性工具包规划，但仅提高认知就有助于增强防范意识。"若要生存，就必须未雨绸缪——即便是应对难以想象的后果"，他强调。

克马尼安认为这项研究在人为灾难之外也具有重要价值。

"需知此类灾难不仅源于核战争，也可能由剧烈火山喷发等自然因素引发"，他阐释道，"人们或许认为这类研究只是纸上谈兵，但它们迫使我们意识到生物圈（即所有生物及其与环境相互作用的整体）的脆弱性。"

参与本研究的宾夕法尼亚州立大学人员包括：耕作系统建模副研究教授费利佩·蒙特斯（Felipe Montes）、蔬菜作物科学副教授弗朗切斯科·迪焦亚（Francesco Di Gioia）、生物学教授兼项目基金首席研究员查尔斯·安德森（Charles Anderson）；以及来自科罗拉多州博尔德市国家大气研究中心（NCAR）大气化学观测与建模实验室的查尔斯·巴丁（Charles Bardeen）；南加州大学信息科学研究所的约兰达·吉尔（Yolanda Gil）、黛博拉·基德（Deborah Khider）和瓦伦·拉特纳卡（Varun Ratnakar）。

本研究获得了开放慈善基金会、美国国防高级研究计划局、美国农业部国家粮食与农业研究所、美国国家科学基金会以及未来生命研究所的支持。