如果核战争引发一场改变气候的灾难，会发生什么？研究人员模拟了这种情景如何摧毁全球玉米作物——由于阳光被遮挡和UV-B辐射增加，玉米产量可能减少高达87%。借助先进的气候-农业模拟，他们提出了一项生存策略：配备快速生长、耐寒种子的应急生存包，不仅能在核战争后维持粮食系统运转，也能在火山喷发或其他特大灾难后发挥作用。
在最近发表于《环境研究快报》的发现中，该研究团队报告称，玉米作物减产的程度会因冲突的规模不同而有所差异。一场区域性核战争会将大约5.5吨烟尘送入大气层，可能导致全球玉米年产量减少7%。而一场大规模全球战争会将165吨烟尘注入大气层，可能导致玉米年产量下降80%。该研究总共模拟了六种不同烟尘注入量的核战争情景。
据该研究第一作者、宾州州立大学植物科学系副研究教授Yuning Shi介绍，由于玉米作物对全球具有重要意义，研究人员选择模拟核冬天中玉米的减产情况，以此来代表农业整体的预期命运。他指出，全球作物产量下降80%将带来灾难性后果，引发广泛的全球粮食危机。即使是全球作物产量下降7%，也会对全球粮食系统和经济产生严重影响，很可能导致粮食不安全和饥饿状况加剧。
这些模拟之所以成为可能，要归功于Cycles农业生态系统模型。该模型由宾州州立大学农业科学学院的科学家们于几年前创建，主要开发者是生产系统与模拟学教授、本研究的通讯作者Armen Kemanian。通过使用高性能计算并考虑大气条件，Cycles模型通过细致追踪土壤-植物-大气系统中的碳和氮循环，能够对作物生长进行大规模、高分辨率、多年份的模拟。
Shi说："我们在六种严重程度递增的核战争情景下——烟尘注入量从5吨到165吨不等——模拟了38,572个地点的玉米生产情况。这项调查增进了我们对于全球农业在应对灾难性气候干扰时的韧性和适应能力的理解。"
除了考虑大气中大量烟尘的影响外，研究人员还对UV-B辐射的增加进行了建模。UV-B辐射是一种紫外线辐射，可导致植物DNA损伤、氧化应激和光合作用减弱——在核冬天，到达地球表面的这种辐射会增加，从而进一步限制农业生产。
Shi表示，他相信这是首个估算核爆炸后UV-B辐射对农业造成损害程度的研究。研究人员预测，这种损害在全球战争爆发后的六到八年达到峰值。他们估计，这可能导致玉米产量再减少7%，在最坏情况下，玉米总产量将下降87%。
Shi解释说，地球高空中的臭氧能有效吸收太阳辐射到地球的大部分紫外线，但核战争将破坏这种能力。
"原子弹爆炸产生的冲击波和火球会在平流层产生氮氧化物，"他说。"氮氧化物的存在以及吸收性烟尘导致的加热效应，可能会迅速破坏臭氧，从而增加地球表面的UV-B辐射水平。这会损害植物组织，并进一步限制全球粮食生产。"
Shi表示，虽然这些预测表明目前种植的玉米品种产量可能出现灾难性下降，但与不采取适应措施相比，改种那些能够在较凉爽条件和更短生长季中生长的作物品种，可以使全球作物产量提高10%。然而，研究人员指出，这些作物的种子供应可能成为一个严重问题——即"适应过程中的瓶颈"。
他们提出的解决方案是在任何核灾难发生前，提前准备好"农业韧性工具包"，其中包含针对特定区域和气候条件的作物品种种子，这些种子能够在较凉爽条件和更短生长季中生长，以在较低温度下存活。
"这些工具包将有助于在核战后不稳定的几年里维持粮食生产，直到供应链和基础设施恢复，"Kemanian说。"农业韧性工具包的概念可以扩展到其他灾难——当此类规模的灾难降临时，韧性至关重要。"
Shi指出，尽管不太可能针对此类工具包进行主动的、国际协调的规划，但仅仅提高认识也有助于人们更好地做好准备。"如果我们想要生存，就必须做好准备，即使是为了那些难以想象的后果。"他说。
Kemanian表示，他认为这项研究的价值超越了人为灾难本身。
"要知道，这种性质的灾难不仅可能因核战争而发生，也可能由例如剧烈的火山爆发等原因引发。"他说，"人们可能会认为这类研究只是杞人忧天，但它们迫使我们意识到生物圈的脆弱性——包括所有生物的总和，以及它们如何相互作用并影响环境。"
在宾州州立大学参与这项研究的还有：作物系统模拟学副研究教授Felipe Montes；蔬菜作物科学副教授Francesco Di Gioia；生物学教授、资助此项工作的项目首席研究员Charles Anderson；以及来自科罗拉多州博尔德市国家大气科学中心大气化学观测与模拟实验室的Charles Bardeen；还有来自南加州大学信息科学研究所的Yolanda Gil、Deborah Khider和Varun Ratnakar。
这项研究得到了开放慈善基金会、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资助。