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550万吨烟尘送入大气层，可能导致全球年度玉米产量减少7%。而一场大规模全球战争将1.65亿吨烟尘注入大气层，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。
该研究的第一作者、宾夕法尼亚州立大学植物科学系副研究教授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%，也会对全球粮食体系和经济产生严重影响，很可能导致粮食不安全和饥饿问题加剧。
这些模拟得以实现，得益于宾夕法尼亚州立大学农业科学学院的科学家几年前创建的Cycles农业生态系统模型，其中包括首席开发者、生产系统与建模教授及本研究的通讯作者Armen Kemanian。利用高性能计算并考虑大气条件，Cycles模型通过精确追踪土壤-植物-大气系统内的碳氮循环，能够实现大规模、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550万到1.65亿吨不等。这项研究推进了我们对全球农业在应对灾难性气候破坏时的恢复力与适应性的理解。”
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——这是一种可导致植物DNA损伤、氧化应激和光合作用减弱的紫外线辐射——在核冬天期间到达地球表面，可能进一步限制农业生产。
Shi表示，他认为这是首项评估核爆炸后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，这可能导致玉米产量进一步减少7%，在最坏的情况下，玉米产量总共将下降87%。
Shi解释说，地球大气高层的臭氧有效地吸收了地球接收到的来自太阳的绝大部分紫外线辐射，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在平流层中产生氮氧化物。氮氧化物的存在以及吸热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，虽然预测表明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中生长的作物品种，与不采取适应措施相比，可使全球作物产量增加10%。然而，研究人员指出，这些作物的种子供应可能成为一个严重问题——即“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“农业恢复工具包”，其中包含适合特定地区和气候的种子，这些作物品种能在较冷条件和较短生长季中生长，从而在低温中存活。
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。农业恢复工具包的概念可以扩展到其他灾难——当这种规模的灾难发生时，恢复力至关重要。”
Shi指出，虽然为这种工具包制定主动的国际协调计划不太可能实现，但仅仅提高意识就有助于实现更好的准备。“如果我们想生存下去，就必须做好准备，哪怕是为了那些不可想象的后果，”他说。
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，也可能由猛烈的火山爆发等原因引起。人们可能认为这类研究只是无谓的空想，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影响并与环境互动。”
参与宾夕法尼亚州立大学该项研究的有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的首席研究员Charles Anderson；以及位于科罗拉多州博尔德市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以及生命未来研究所的支持。