科学家模拟核冬天效应——全球粮食崩溃比预期更严重

该团队最近发表在《环境研究快报》（Environmental Research Letters）上的研究结果表明，玉米作物减产的程度将取决于冲突的规模。区域性核战争将向大气中释放约 5.5 吨烟尘，可能导致全球玉米年产量减少 7%。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。

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，由于玉米的全球重要性，研究人员选择模拟其在核冬天中的减产情况，以代表农业整体预期的命运。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，很可能导致粮食不安全和饥饿加剧。

这些模拟得以实现要归功于宾夕法尼亚州立大学农业科学学院科学家（包括本研究的主要开发者、生产系统与建模教授、通讯作者 Armen Kemanian）几年前创建的 Cycles 农业生态系统模型。利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，能够进行大规模、高分辨率、多年的作物生长模拟。

“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，” Shi 说。“这项研究增进了我们对全球农业在应对灾难性气候干扰时的韧性与适应能力的理解。”

除了考虑大气中大量烟尘的影响外，研究人员还模拟了核冬天到达地球表面的 UV-B 辐射（一种可导致植物 DNA 损伤、氧化应激和光合作用下降的紫外线辐射）的增加，这可能会进一步限制农业生产。

Shi 表示，他认为这是首个评估核爆炸后 UV-B 辐射对农业损害程度的研究。研究人员预测，这种损害将在全球战争爆发后六至八年达到顶峰。他们估计，这可能会使玉米产量进一步额外减少 7%，导致在最坏情况下玉米总产量下降 87%。

Shi 解释说，地球高空的臭氧层能有效吸收地球接收到的大部分太阳紫外线辐射，但核战争将瓦解这种能力。

“原子爆炸的冲击波和火球会在平流层中产生氮氧化物，”他说。“氮氧化物的存在以及吸热烟尘产生的加热效应都可能迅速破坏臭氧，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。”

尽管预测表明当前种植的玉米品种产量可能出现灾难性下降，但 Shi 表示，相比完全不采取适应措施，改用能在较冷气候和较短生长季节条件下生长的作物品种，可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“适应性瓶颈”。

他们提出的解决方案是在任何核灾难发生之前准备“农业抗灾储备包”，其中包含针对特定地区和气候的种子，这些作物品种能在较冷气候和较短生长季节条件下生长，以抵御较低的温度。

“这些储备包将有助于在核战争后的动荡年间维持粮食生产，同时供应链和基础设施得以恢复，” Kemanian 说。“农业抗灾储备包的概念可以扩展到其他灾难——当如此大规模的灾难发生时，韧性至关重要。”

Shi 指出，虽然不太可能进行针对此类储备包的、主动的国际协调规划，但仅仅提高认识也可能有助于做好更充分的准备。“如果我们想要生存，就必须做好准备，即使面对难以想象的后果，”他说。

Kemanian 表示，他看到了这项研究在人为灾难之外的价值。

“请记住，这种性质的灾难不仅可能因核战争引发，也可能由例如剧烈的火山喷发等原因造成，”他说。“人们可能认为这类研究只是纸上谈兵，但它们迫使我们认识到生物圈——所有生物的总和以及它们彼此之间及其与环境相互作用的方式——的脆弱性。”

宾夕法尼亚州立大学参与研究的还包括：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；以及该项目资助的首席研究员、生物学教授 Charles Anderson；此外还有来自科罗拉多州博尔德美国国家大气研究中心大气化学观测与建模实验室的 Charles Bardeen；以及均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 Open Philanthropy、美国国防高级研究计划局（DARPA）、美国农业部国家粮食与农业研究所（USDA NIFA）、美国国家科学基金会（NSF）和未来生命研究所（Future of Life Institute）的支持。