当下，全球气候变化带来极端气候事件频发，农作物又将受到怎样的影响？事实上，更为精准的评估方法应该被拓展到重要粮食作物预测中。
南京农业大学国家信息农业工程技术中心教授朱艳领衔的科研团队，将农业信息学与作物栽培学相结合，发展基于模型的作物生长监测诊断和生产力预测预警技术，为国家粮食安全生产及智能化管理提供数字化支撑。
其团队在气候变化效应评估领域不断获得新进展，相继在《自然—气候变化》《美国科学院院刊》《全球气候变化》等国际知名期刊上发表研究成果。
更精准可信的评估模型
世界粮农组织（FAO）一份评估报告表明，到2050年，全球粮食需求将增加60%以上，但气候变化尤其是温度升高对粮食生产带来巨大挑战。因此，在全球尺度上明确气候变化对作物生产力的影响，对于制定缓解和应对气候变化措施、确保全球粮食安全生产具有重要意义。
而一个问题是，全球范围内，关于温度升高对小麦作物生产潜在效应的定量评估模型约有30种，它们各自的结果却存在较大差异。谁才是可信的？
朱艳介绍，目前在定量评估温度升高对全球作物生产潜在效应方面存在很大的不确定性。因此，科学合理地评估温度升高对全球作物生产的潜在效应成为气候变化研究领域的热点。
“高可信度的科学分析与结果，能精准预测未来气候条件下的农作物产量和品质。更重要的是，未来农业到底能不能满足人类的生存需求？”朱艳说，“这不仅时刻提醒着人们所要面临的食物短缺的挑战，更提醒我们要抓紧时间研究对策。”
为此，朱艳团队牵头与美国、法国、德国、英国等国科学家展开了合作研究，在全球范围内选取30个生态点，通过30余套评估模型得出平均结果，最终这些结果通过平均效应形成方法集合，使研究结果的置信区间范围达到了95%。
这就是他们2016年发表于《自然—气候变化》的一项研究：在全球、国家以及站点尺度上，系统比较了基于栅格尺度的模拟模型方法、基于典型生态站点的模拟模型方法和基于历史观测数据的统计回归方法等不同方法，在评估温度升高对小麦生产潜在效应方面的表现。
团队首次提出通过综合利用不同方法形成方法集合，可以更好地量化气候效应评估中不同方法的不确定性，显著提升气候变化对作物生产效应评估的可信度，为科学分析全球气候变化与粮食安全生产奠定了基础。
不止一种作物、一支队伍
“智慧农业是一个交叉领域，真正做到顶天立地，需要做好顶层设计，更需要分工协作、融合创新。”朱艳说。
她告诉记者，团队设计了独一无二的“智慧农业”模型，将品种、土壤、气候、管理方式等参数“嵌入”，如果一个种植区需要更为精准地评估这种作物的产量和质量，就能够准确计算。
团队成员、南京农业大学国家信息农业工程技术中心副教授刘兵介绍：“目前，水稻、玉米、大豆等重要粮食作物的模型都已建成。另外，团队的这些模型还被国内外科学家用来反推气候变化。”
小麦、大米、玉米和大豆为人类提供了2/3的摄入热量。而气象记录显示，过去一个世纪，这四种作物种植区的年平均温度增加了1.0℃，预计下个世纪还会继续增加。
团队在《美国科学院院刊》发表的一项研究显示，全球平均气温每升高1.0℃，小麦全球产量将平均下降6.0%，水稻将下降3.2%，玉米将下降7.4%，大豆将下降3.1%。其中玉米损失最大。
通过研究气温升高对全球主要农作物的影响进行综合评估显示，农业生产面临巨大风险。“因此迫切需要重新启动国家研究和推广计划，以抵消未来气候变化的影响。”朱艳说道。
团队构建的RiceGrow和WheatGrow模型，自2011年开始分别参加全球水稻模型协作组和小麦模型协作组的研究。这属于国际农业模型比较和改进（AgMIP）项目，旨在通过气象、作物、经济和模型等领域专家的协作来提高农业模型在全球的预测能力，以应对未来气候条件下全球粮食安全问题。
朱艳介绍，“我们通过研究生联合培养、合作项目研究、举办国际会议等多种形式，广泛开展国际交流合作，与国际作物模型领域的主要研究机构均建立了良好的合作关系。”
其研究还相继得到国家自然科学基金、国家杰出青年科学基金、国家“111”引智基地项目以及江苏省高校优势学科建设工程的资助。
再评估粮食安全的风险
2015年《巴黎协定》提出，本世纪末前，把全球平均温升控制在前工业水平的2.0℃以内，并将努力把温升限定在1.5℃内。当前迫切需要从经济、社会、生态、农业等方面评估全球增温1.5℃和2.0℃所带来的影响。而农作物生产受到气候变化影响更是首当其冲。
日前，朱艳团队联合全球18个国家的47所高校和科研机构的科学家，再次采用多模型集合方式，定量评估了温度升高1.5℃和2.0℃对全球小麦产量的潜在效应，在全球和区域尺度上明确了增温对作物生产的影响。成果发表于《全球变化生物学》。
论文第一作者刘兵介绍，本研究基于全球小麦主产区60个代表性站点，采用包括国家信息农业工程技术中心自主开发的WheatGrow模型在内的国内外31套小麦生长模拟模型，在生态点、国家和全球尺度上系统评估了全球增温1.5℃和2.0℃对小麦生产力的影响。
研究结果显示，如果考虑CO2浓度升高对小麦产量的正面效应，未来增温情景下全球多数区域的小麦生产力略有升高，其中在增温1.5℃和2.0℃情景下的全球小麦总产增幅分别为1.9%和3.3%。
但是，作为通讯作者，朱艳补充介绍，对于包括印度、非洲部分国家在内的小麦生长季高温且缺少降雨的区域来说，小麦产量却呈显著降低的趋势，且小麦产量波动增加、极端低产风险明显加大。
“这些产量风险加大的地区目前多属于经济欠发达区域，因此气候变化的不利影响将会进一步加剧这些区域的粮食安全问题。”朱艳说。
论文共同通讯作者、美国佛罗里达大学教授Senthold Asseng表示，该研究在全球和区域尺度上明确了增温对作物生产的定量影响，对于提出针对性缓解和应对措施、确保全球粮食安全生产具有极其重要的意义。
精确设计农作物播种方案，精确诊断农作物长势，精确预测粮食产量和品质，朱艳和她的科研团队还在继续开拓。
相关论文信息：DOI:10.1038/nclimate3115
DOI:10.1073/pnas.1701762114
DOI:10.1111/gcb.14542
