如果核战争引发气候剧变灾难，将会发生什么？研究人员通过建模模拟了此类情景如何摧毁全球玉米作物，结果显示，由于阳光阻隔和UV-B辐射增强，玉米产量降幅高达87%。利用先进的气候-农业模拟，他们提出了一种生存策略：配备生长快、耐寒种子的应急抗逆包，这不仅能在核战争后，也能在火山爆发或其他特大灾害发生后维持粮食系统的运转。
在最近发表于《环境研究快报》的研究结果中，该团队报告称，玉米作物的减产程度将因冲突规模而异。一场区域性核战争会将约5.5吨烟尘送入大气层，可能使全球年度玉米产量减少7%。一场大规模全球战争将向大气层注入165吨烟尘，可能导致年度玉米产量下降80%。总之，该研究模拟了六种具有不同烟尘注入量的核战争情景。
宾夕法尼亚州立大学植物科学系副研究教授、该研究第一作者Yuning Shi表示，由于玉米在全球的重要性，研究人员选择模拟核冬天中玉米的崩溃，以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，导致广泛的全球粮食危机。即使全球作物产量下降7%，也会对全球粮食系统和经济产生严重影响，可能导致粮食不安全和饥饿加剧。
这些模拟得以实现多亏了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几年前创建，其中包括首席开发者、生产系统与建模教授兼该研究通讯作者Armen Kemanian。利用高性能计算并考虑大气条件，Cycles通过细致追踪土壤-植物-大气系统内的碳氮循环，实现了大规模、高分辨率、多年的作物生长模拟。
Shi说：“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——烟尘注入量从5吨到165吨不等。这项调查推进了我们对全球农业在应对灾难性气候破坏时的韧性和适应性的理解。”
除了考虑大气中大量烟尘的影响外，研究人员还模拟了UV-B辐射的增加——这是一种紫外线辐射，会导致植物DNA损伤、氧化应激和光合作用减弱——在核冬天期间到达地球表面的情况，这可能进一步限制农业。
Shi表示，他认为这是第一项评估核爆炸后UV-B辐射对农业破坏程度的研究，研究人员预测这种破坏将在全球战争爆发后的六到八年内达到峰值。他们估计这可能会使玉米产量进一步减少7%，从而在最坏的情况下导致玉米产量总共下降87%。
Shi解释说，地球大气高层的臭氧有效地吸收了地球从太阳接收的大部分紫外线辐射，但核战争将破坏这种能力。
他说：“原子爆炸产生的冲击波和火球会在平流层产生氮氧化物。氮氧化物的存在以及吸收性烟尘产生的热量可能迅速破坏臭氧，增加地球表面的UV-B辐射水平。这将损害植物组织并进一步限制全球粮食生产。”
Shi表示，虽然预测指出目前种植的玉米品种产量可能出现灾难性下降，但改种能在较冷条件和较短生长季节下生长的作物品种，与不采取适应措施相比，可使全球作物产量增加10%。然而，研究人员称，这些作物的种子供应可能成为一个严重问题——“适应瓶颈”。
他们提出的解决方案是在任何核灾难发生之前准备好“农业韧性工具包”，其中包含特定地区和气候的种子，这些种子对应的作物品种能在较冷条件和较短生长季节下生长，从而在低温中生存。
Kemanian说：“这些工具包将有助于在核战争后的动荡年份维持粮食生产，同时等待供应链和基础设施恢复。农业韧性工具包的概念可以扩展到其他灾害——当这种规模的灾难来袭时，韧性至关重要。”
Shi指出，虽然为这些工具包制定主动的、国际协调的计划不太可能，但仅仅提高意识就有助于实现更好的准备。他说：“如果我们想生存下去，就必须做好准备，即使是为了那些不可想象的后果。”
Kemanian表示，他认为这项研究的价值不仅限于人为灾难。
他说：“请记住，这种性质的灾难不仅可能因核战争而发生，也可能因例如猛烈的火山爆发而发生。人们可能认为这类研究只是毫无意义的空想，但它们迫使我们认识到生物圈的脆弱性——即所有生物的总和以及它们如何相互互动并与环境互动。”
宾夕法尼亚州立大学参与该研究的人员包括：种植系统建模副研究教授Felipe Montes；蔬菜作物科学副教授Francesco Di Gioia；生物学教授兼该项目资助工作的首席研究员Charles Anderson；以及位于科罗拉多州博尔德的国家大气研究中心大气化学观测与建模实验室的Charles Bardeen；和南加州大学信息科学研究所的Yolanda Gil、Deborah Khider和Varun Ratnakar。
该研究得到了开放慈善、美国国防部高级研究计划局、美国农业部国家食品与农业研究所、美国国家科学基金会和未来生命研究所的支持。