【文献分享：土地与可持续发展（一）】气候变化加剧了农业对环境的影响

　　在人口和经济增长以及饮食变化的推动下，农业对全球环境的影响预计将持续扩大。该综述强调，气候变化是农业环境影响的另一个放大因素，它降低了农业生产力，降低了农用化学品的效力，加剧了土壤侵蚀，加速作物病虫害的生长并扩大了其范围，增加了土地整理。研究确定了气候变化加剧农业温室气体排放的多种途径，创造了一个潜在的强大的气候变化强化反馈回路。气候变化带来的挑战表明了向可持续、气候适应型农业系统过渡的迫切需要。还需要进行投资，以加速采用提供经过验证的多种效益的解决方案，并发现和推广新的有益工艺和食品。

　　在这篇综述中，综合了各个研究领域的知识，对气候如何影响农业的多重环境影响进行了系统的评估。该研究详细阐述了这些影响机制，并研究了这些影响的潜在程度及其地理位置。研究还评估了与这些影响相关的气候驱动的互动反馈效应，提出了应对气候变化带来的挑战的解决方案，并强调了未来研究中未解决的主要问题。该综述主要侧重于气候变化对作物和牲畜系统各个方面的生物物理影响，同时也对渔业和森林种植发表评论。研究排除了自然森林和其他野生环境，这些在未来的研究中值得关注。该综述系统性地评估了气候变化对农业环境问题的深远影响，涵盖了农业生产、温室气体排放、水资源利用、土壤侵蚀、氮磷污染、病虫害、农药污染以及生物多样性丧失等多个方面。

　　（1）气候对农业生产的影响

　　提高农业生产率及其逐年稳定性对全球长期粮食安全和环境可持续性至关重要。气候变化加剧了这一挑战。农作物产量受到地球气候变化的众多因素的影响，包括气温上升、降水和云层模式变化、二氧化碳水平升高以及热浪、洪水和干旱等极端气候事件频率的增加。政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告发现，全球气候变化对大多数地区和食物种类的产量产生负面影响。在其他机制中，高温通过缩短作物生长生命周期和增加水分胁迫来降低产量。寒冷季节的变暖可能会减少作物的冷胁迫，但温暖的冬天可能会有降温和春化不足的风险，这是许多温带园艺作物开花和结果的基本要求。同样，家畜生产力往往受到气候变暖的负面影响，饲养和生长速度降低，疾病发病率升高。许多渔业和水产养殖系统也受到气候变暖和相关变化的负面影响。

　　不断变化的降水改变了作物生产格局，预计其影响将加剧。从历史上看，降雨短缺和干旱会损害粮食供应。从1983年到2009年，全球约有四分之三的农田因一次或多次干旱而显著减产。2021年和2022年的极端天气条件和作物歉收使非洲和中美洲10个国家的数百万人再次面临严重饥饿。即使在工业化国家，干旱也会导致作物产量大幅下降，如2012年的美国和2001-2009年的澳大利亚。极端降雨和洪水事件也加剧了地方粮食不安全危机。

　　不确定性的一个来源是，二氧化碳浓度上升可能会在多大程度上提高作物光合作用和产量，并减少作物需水量。基于30年的自由空气CO₂富集（FACE）实验，C₄作物（如玉米、高粱、小米）仅在干旱条件下受益于较高的CO₂浓度，而C₃作物（如水稻、小麦、大豆和大多数水果和蔬菜作物）——尤其是那些具有高产潜力的作物——普遍受益。现在大约75%的谷物都有C₃光合作用途径。然而，二氧化碳对C₃作物产量的好处可能至少部分被干旱加剧所抵消，干旱对作物生产力产生不受温度影响的负面影响。作物模型表明，除非改变灌溉模式，否则气候变化和大气CO₂浓度增加的综合效应可能会降低产量，尤其是美国中西部、中亚和华北等中纬度地区的玉米产量。此外，与温室气体共排放的臭氧（O₃）及其前体氮氧化物等空气污染物可能对植物有毒。广泛接触这些污染物会降低产量。

　　（2）气候对水资源利用和短缺的影响

　　气候变化对降水和变暖的影响因陆地-大气反馈而增强，预计将改变雨养和灌溉农业的用水需求和可用性，但某些作物的用水需求也可能因二氧化碳浓度升高而减少。人们对由此造成的全球适宜生产区域的重新调整，尤其是对那些受二氧化碳浓度升高影响较小的作物的重塑，知之甚少，但可能产生深远的社会影响。降水模式变化的一个主要影响是灌溉越来越依赖地下水。在过去几十年中，全球地下水使用量显著增加，约占灌溉农田的40%。然而，如果地下水补给不足以抵消取水，那么使用地下水进行灌溉会对粮食安全造成长期威胁，许多地区已经出现这种情况。气候变化增加干旱的强度、持续时间和频率，从而增加对地下水的依赖，进一步加剧区域地下水枯竭。全球许多地区已经发生了由干旱引起的地下水转移。在全球范围内，预计从2010年到2050年地下水抽取将增加20%，这主要是因为预期的气候变化造成的。在全球变暖+3°C的情况下，预计需要灌溉来维持产量的农业区通常会出现地下水枯竭（图1）。降水变化对农业的影响可能导致对地下水使用的依赖增加，并导致更多的能源使用，从而导致更多的温室气体（GHG）排放。增加温室气体排放的另一个来源是以灌溉为导向的水库，其数量在最近几十年中大幅增加，并且预计将进一步增加，以帮助农业适应气候变化。在水库中，厌氧条件下沉积有机物的微生物分解会产生大量的甲烷（CH₄）排放，在气候变化和藻类生长和沉积的情况下，随着越来越多的营养物质从农田中被冲走，甲烷的排放可能会加剧。

　　（3）气候对农业N₂O和CH₄排放的影响

　　农业是N₂O和CH₄排放的主要来源，占全球非CO₂温室气体的近一半。农业N₂O主要由氮肥和粪肥管理驱动，农业CH₄排放主要来自反刍动物（牛、绵羊、山羊）和淹水的稻田。陆地生物圈模型预测气候变化将增加农业N₂O排放，因为温度升高和降水增加创造了有利于N₂O产生的土壤条件。肥沃但排水不良的土壤，例如美国玉米带一半以上的土壤，极易受到这种影响。干旱事件的增加可以减少牧场的N₂O排放，但干燥和随后的再湿润可能会刺激N₂O排放。气候变化预计将增加全球稻田的甲烷排放。升高的CO₂浓度促进水稻根系生长和根系分泌物的释放，从而刺激产生CH₄的微生物。变暖也影响稻田的CH₄排放，由于变暖引致的分解增加，气温上升1.5°C会使CH₄排放量增加约23%。

　　气候变化对用于农业的泥炭地的影响需要特别关注。泥炭地是储存大量碳的重要生态系统，也是甲烷的主要天然来源。全球约有10%至20%的泥炭地已被排干用于农业用途。尽管泥炭地排水减少了CH₄排放，但它强烈增加了有机质分解产生的CO₂排放和N₂O排放，使泥炭地从提供净气候效益转变为温室气体的净来源。气候变暖已被证明会加剧这些碳损失，特别是在地下水位较深的地区，这强调了对农业泥炭土进行谨慎的水管理的重要性。全球变暖似乎对牲畜CH₄排放也有积极影响，但其机制复杂，总体影响的大小仍然不确定和无法量化。

　　（4）气候对土壤退化的影响

　　气候变化预计会通过几种途径加剧土壤退化。土壤变暖加速了土壤有机质呼吸，从而增加了CO₂排放。它还会导致有毒金属的释放，比如水稻中的砷。此外，气候变化预计将增加极端降水事件的数量，而大多数土壤侵蚀都发生在极端降水事件发生的时候。到2070年，全球侵蚀率预计将增加30%至66%，但在预测侵蚀方面存在相当大的区域差异。极端降水事件冲走了土壤和养分。在集约化耕作或大雨频繁的地区，侵蚀性磷损失最大。气候变化下干旱的增加也会加剧土壤退化，原因是风力驱动的土壤侵蚀加剧、作物产量下降、土壤分解二氧化碳排放增加以及扩大灌溉导致的土壤盐碱化风险增加。气候变化影响海平面上升，也可能导致盐碱化。

　　（5）气候对氮、磷污染的影响

　　气候变化可能会加剧氮肥和磷肥已经很严重的负面环境影响。氮肥和磷肥的很大一部分被释放到环境中（例如，7%-19%在径流和淋滤中，13%-20%以氨的形式挥发），污染了地下水和地表水，降低了空气质量，减少了生物多样性。由于气候变化和农业污染的协同作用，在高度污染的湖泊和河流中出现的蓝藻大量繁殖越来越普遍，导致主要的供水系统无法使用。降水模式的改变和气温的上升正在改变农业土壤中氮和磷流失的形式、数量和时间，以及它们在景观中的运输。在美国，强降水事件的变化增加了河流氮负荷，到本世纪末预计将使水生总氮负荷增加约20%。预计农业氮损失增加的热点地区包括中国、东南亚、东非和巴西（图2）。氮和磷排放的增加也可能通过刺激其他生态系统的温室气体排放而产生气候反馈效应。到21世纪末，预计氮和磷向淡水输送的增加可能会使水生CH₄排放增加30%至90%。虽然农业肥料增加藻类丰度及其二氧化碳吸吸量时出现了负反馈，但其幅度相对较小，不足以抵消富营养化与湖泊温室气体排放之间更强的反馈。气候智能型农场管理实践，如覆盖作物和保护性耕作，可以减少氮和磷的排放。然而，它们对氮和磷的效果可能不同。调和碳、氮和磷管理目标的最佳管理策略尚未确定。

　　（6）气候对病虫害和农药污染的影响

　　化学害虫防治是全球粮食生产的关键，不受控制的有害生物（昆虫、病原体和杂草）导致产量损失17%至30%。以农业用途为主的全球化学农药使用量已从20世纪50年代的每年0.5Tg增加到2021年的每年3.5Tg，增长了600%。然而，大多数杀虫剂中只有少量能达到目标，而其余的则流失到环境中，威胁到人类，特别是农场工人的健康和生态系统。气候变化可以影响病虫害控制的许多方面——从病虫害压力到农药使用及其相关功效、持久性和毒性——其方式可能增加农药的使用以及相关的生态和人类健康影响（图3）。气候变化增加了害虫种群的空间扩散和迁移，例如亚热带物种向温带迁移。温度升高会导致害虫存活率提高，生长季节延长，害虫繁殖周期延长，对杀虫剂和植物防御的抗性进化更快。气候变异性的增加和极端天气事件可能会增加农作物虫害的发生率和严重程度。例如，在中国，自1970年以来，气候变化使作物病虫害的发生率增加了约90%，到本世纪末可能进一步增加一倍至四倍。

　　杀虫剂的功效也可能因为气候变化而下降。更高的温度和更高的二氧化碳水平可以增加农药的代谢降解和转运，或者导致农药更快的蒸发损失。气候变化的这些影响可能增加农民采取额外控制措施的可能性，例如更频繁地施用农药。更高的害虫抗性可能需要更多样化的杀虫剂，这将增加农民的成本和环境风险。此外，农药挥发率会随着温度和/或土壤湿度的增加而增加，淋滤和冲洗率会随着降水的增加而增加，这两者都会导致农药药效降低。在较干燥的土壤中，较低的农药降解率和迁移率通常导致农药持久性增加。在效应方面，由于各种原因，农药的毒理学效力会随着温度的升高而增加。然而，更高的环境农药降解率、更有效的有机消除和/或解毒率以及在更高温度下系统脆弱性的降低可能会减少农药对生态系统的影响。虽然气候对农药效力的影响是农药和环境特有的，但平均而言，气候变化似乎可能增加农业害虫的压力，从而增加农药的使用。其对农药在环境中的转移以及对生态系统和人类健康的影响更为复杂，需要进一步研究阐明其机制和量化净效应。总体而言，迫切需要重新评估农药的最佳使用和作物选择，以尽量减少农药使用中因气候变化而产生的生态和人类健康风险。

　　（7）气候对农业生物多样性丧失的影响

　　生物多样性为社会提供了具有巨大价值的生态系统服务，包括可以增加粮食安全的服务，但农业用地清理是全球灭绝风险的最大原因。在气候变化下，如果农作物产量和牲畜生产率下降，清理土地的压力将增加。即使没有气候变化导致的农业生产减少，与高收入增加和全球人口增加相关的全球饮食变化预计也会导致土地清理，使50年内濒临灭绝的脊椎动物物种数量增加一倍。如果极端气候事件导致产量损失，从而推高全球农作物价格，农民将被激励清理土地用于生产，从而威胁到生物多样性。类似的过程发生在美国，玉米生物乙醇的推广减少了玉米和大豆作为食物和饲料来源的供应，提高了它们的价格，并可能导致数百万公顷的天然草原转化为农田。农业集约化还可能通过农药和营养物污染威胁生物多样性，特别是两栖动物和昆虫。农民已经在改变作物以应对区域温度的变化。进一步的气候变化可能会迫使一些农民放弃不再可行的农田，同时气候变化使其他土地变得适合农业。预计中纬度北部的适宜性会增加，而低纬度地区则会减少。因此，气候驱动的土地适宜性变化可能导致土地清理和栖息地破碎化加剧，并对生物多样性构成威胁。气候变化对生物多样性的直接影响还可能通过减少不同生态系统为农业系统提供的服务而影响农业系统。

　　（8）多重气候-农业反馈效应

　　研究表明，气候变化似乎可能加剧农业的多重不利环境影响（图4）。在日益加剧的环境问题中，气候-农业反馈效应值得强调，考虑到已经很大的全球农业碳足迹，由于收入和全球人口规模的增加以及多种反馈途径（图4），农业碳足迹还在继续扩大。这是由于二氧化碳浓度升高和/或气候变暖，化肥中N₂O的排放和淹水稻田中CH₄的排放加剧造成的。其他反馈效应则不那么直接，例如更多地依赖能源和/或碳密集度更高的灌溉水源。增加农用化学品的生产可能会产生额外的排放，以补偿其效力降低或向环境释放的增加。特别是，氮肥的生产是能源和碳密集型的，并且可能是作物碳足迹的主要来源。此外，在气候变化的影响下，农田养分的大量流失加剧了湖泊和水库的甲烷排放。另一个反馈循环来自气候驱动的产量损失，通过全球粮食贸易，这可能导致全球范围内的土地清理和相关的碳排放。如果要实现将变暖限制在1.5°C至2°C的气候目标，就必须彻底评估和减轻这些反馈效应。

　　气候变化、全球人口增长和经济发展带来的粮食-环境挑战，要求迅速过渡到更可持续和适应气候变化的粮食系统，以减轻环境影响。必须加快广泛采用已被证明能有效减轻农业对环境影响的现有可持续做法和技术。这需要克服相关的社会经济障碍，还需要加大对农业研究的投资，以开发新工艺，以及美味、廉价、易得的替代食品，促进向可持续健康饮食的转变。为应对气候变化对农业的挑战，未来的研究需要聚焦四个关键问题。首先，必须加快发现、适应和降低新兴农业技术和实践以及新型健康食品和饮食的成本。其次，考虑到农业的大量GHG足迹以及气候变化放大农业GHG排放的多种机制，气候-农业反馈效应值得特别关注。需要进行全球规模的定量研究，以更好地确定这些反馈效应的大小、分布和最大驱动因素。第三，如何减少或消除气候变化、农业和生物多样性丧失之间复杂的反馈循环？气候和栖息地破碎化对生物多样性丧失的直接影响正在评估中，但通过与农业的反馈产生的间接影响在很大程度上仍然未知。如果气候变化导致农业扩张和农业化学淋溶增加，则反馈可能对生物多样性产生负面影响，而生物多样性本身可能对农业生产和气候稳定产生不利影响。最后，采用已知更好的做法或新食物可能会产生哪些意想不到的或间接的影响？例如，农场机器人的采用和其他技术变革如何影响氮、磷和除草剂的应用、作物价格和饮食变化？促进一个目标的技术可能会对其他目标产生不利影响。虽然科学提高了我们对农业如何影响气候和环境影响方面的理解，并确定了减缓和适应气候变化的农业-粮食系统方法。但气候变化的紧迫性要求我们更多地关注农业-粮食系统的反馈效应，确保能够同时应对粮食安全、气候危机和生物多样性保护等密切相关的多重挑战。

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责编：于　蕊

文字：于　蕊

排版：向云娜

校对：朱　易