科学家对核冬天进行建模——全球性食物崩溃比预期更严重

该团队在最近发表于《环境研究快报》的研究结果中指出，玉米减产程度将因冲突规模而异。区域性核战争将向大气中注入约5.5吨烟尘，可能导致全球玉米年产量下降7%。而大规模全球核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%。该研究总共模拟了六种不同烟尘注入量的核战争情景。

据论文第一作者、宾夕法尼亚州立大学植物科学系副教授石玉宁（音）表示，鉴于玉米的全球重要性，研究者选择通过模拟玉米在核冬天的减产情况来代表农业整体预期命运。他指出，全球作物减产80%将带来灾难性后果，导致全球性粮食危机。即使全球作物仅减产7%，也将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。

这些模拟得以实现，归功于宾夕法尼亚州立大学农业科学学院科学家数年前开发的Cycles农业生态系统模型——该模型首席开发者、生产系统与建模教授阿尔门·克曼尼安也是本研究的通讯作者。Cycles模型利用高性能计算技术，综合考虑大气条件，通过精细追踪土壤-植物-大气系统内的碳氮循环，实现了大规模、高分辨率、跨年度的作物生长模拟。

「我们在六种严重程度递增的核战争情景下（烟尘注入量5至165吨不等），模拟了全球38,572个地点的玉米生产状况。」石玉宁表示，「这项研究深化了我们对全球农业应对灾难性气候扰动的恢复力与适应机制的理解。」

除考虑大气中巨量烟尘的影响外，研究者还模拟了UV-B辐射增强效应——这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——在核冬天抵达地球表面后将进一步制约农业生产。

石玉宁指出，这是首个量化评估核爆炸后UV-B辐射对农业损害程度的研究。据预测，全球核战争后六至八年将达到辐射峰值，研究者估计这将额外削减7%的玉米产量，使最坏情景下的玉米总减产幅度达到恐怖的87%。

石玉宁解释道，地球高层大气中的臭氧层能有效吸收大部分来自太阳的紫外线辐射，但核战争将摧毁这种防护能力。

「原子弹爆炸产生的冲击波和火球会在平流层生成氮氧化物。」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UV-B辐射水平上升。这将损害植物组织并进一步限制全球粮食产量。」

石玉宁表示，尽管预测显示当前种植的玉米品种可能遭受灾难性减产，但若改种能在更凉爽气候和更短生长季中存活的作物品种，可使全球作物产量比零适应策略提升10%。不过研究者指出，这些特种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预先准备「农业恢复力工具包」，其中包含针对特定区域和气候的种子，这些作物品种能在低温短生长季条件下存活。

「这些工具包将在核战争后基础设施恢复的数年动荡期维持粮食生产。」克曼尼安强调，「该理念可扩展应用于其他灾难——当这种量级的灾难爆发时，恢复力至关重要。」

石玉宁指出，虽然国际协作预先筹备这类工具包的可能性较低，但提高认知本身就有助于提升应对能力。「想要生存就必须未雨绸缪，即使面对难以想象的后果。」他如是说。

克曼尼安认为这项研究在人为灾难之外仍有重要价值。

「需知这类灾难不仅源于核战争，还可能由剧烈火山喷发等自然因素引发。」他表示，「或许有人认为此类研究只是纸上谈兵，但它们迫使我们意识到生物圈的脆弱性——这个包含所有生命体及其与环境相互作用的整体系统。」

参与本研究的宾夕法尼亚州立大学学者包括：种植系统建模副教授费利佩·蒙特斯、蔬菜作物科学副教授弗朗西斯科·迪乔亚、生物学教授兼项目首席研究员查尔斯·安德森；此外还有来自科罗拉多州博尔德国家大气研究中心大气化学观测与建模实验室的查尔斯·巴丁；以及南加州大学信息科学研究所的约兰达·吉尔、黛博拉·基德和瓦伦·拉特纳卡。

本研究获得了开放慈善基金会、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和未来生命研究所的资助。