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农作物能够抵御气候变化吗?

气候变化威胁着全世界的粮食作物。如今科学家正在把他们的努力重新集中到作物耐性而不是产量上来。

气候变化最令人担忧的问题之一就是它对全世界粮食供应的影响。最坏的设想情况非常严重:非洲荒漠草原地区的谷物产量减少,亚洲的水稻栽培将受到威胁,蔬菜也会减产——土豆和豆类有可能灭绝——而畜牧业和渔业将受到严重的压力。

气候变化正在让农作物科学家重新审视他们的研究议程。此前,他们的重点主要放在改进产量上。但是政府间气候变化委员会(IPCC)的几份报告相继警告干旱和洪水的增加将改变作物系统,“抵御气候变化”的作物已经变得至关重要。国际农业研究磋商组织(CGIAR)的各个研究所正在研究如何让作物更加耐受环境压力。

当前的无知

但是这些努力面临着阻力,因为几乎没有气候模型能预测单个地区的变化,这让预测气候变化如何影响每个区域的特定作物的生长和产量的工作变得很困难。

IPCC的联合主席、英国哈德利气候预测和研究中心的科学家Martin Parry说:“气候学家和作物科学家之间的合作将对于发展中地区的类似情况具有价值。”

而且这种需要非常紧迫。2007年11月,在印度海得拉巴举行的CGIAR研究所会议上,Parry说执行缓和与适应项目的时间窗口期估计已经从30到40年缩短到了15年。

他建议CGIAR的科学家把气候变化放在科研项目的中心位置。

其他科学家对此表示同意。正如位于意大利的科研组织生物多样性国际组织的副总干事Kwesi Atta-Krah所说:“如今植物育种者需要把重点既放在现在,又放在未来,并利用基因库和野外的广泛的遗传资源,这些资源对于让主要作物适应变化的气候具有潜力。”

水稻最为脆弱

水稻是最容易受到全球变暖伤害的作物。全世界的研究显示二氧化碳浓度上升可能最初会促进水稻增长,但是这种益处是暂时的。上升的温度会让水稻的小穗(含有水稻花的细小分支)不育,稻米的产量也将下降。

水稻最容易受到
全球变暖的伤害。
图片来源:Flickr/shop boy
亚洲和撒哈拉以南非洲国家将成为受到气候变化最严重影响的一批国家。全世界90%的水稻是在亚洲种植和消费的(该地区生活着全世界70%的穷人),而撒哈拉以南非洲国家是全世界增长速度最快的稻米消费者。雨养丘陵和低地是最脆弱的农业系统,它们构成了非洲将近80%的稻田。

国际水稻研究所(IRRI)的水稻和气候协作体的协调员Reiner Wassman说IRRI的战略应当纳入培育可以耐受气候变化的水稻。他希望看到可以耐高温或者洪水或者两者兼顾的水稻,在早晨气温升高之前开花,通过更有效地蒸腾(通过叶片蒸发失去水分)从而降低周围的空气温度。

他的希望得到了IRRI最新的“sub1”水稻品系研究的鼓舞。这一品系可以耐受水淹达17天(参见科学家培育出耐涝水稻)。它可以提供耐涝基因。

在非洲,非洲水稻中心(WARDA)正在把重点放在它的NERICA(非洲新水稻)品种上。这些水稻结合了非洲栽培稻的特性——例如耐旱和耐当地病害——与亚洲栽培稻的高产特性。

即将到来的小麦灾难?

干旱也是位于墨西哥El Batan的国际玉米小麦改良中心(CIMMYT)非常担心的一个问题。IPCC预测干旱会增加,这意味着发展中国家一半的小麦种植区域可能遭遇灾难。

CIMMYT的科学家Rodomiro Ortiz说,这一问题在非洲中部和西部特别严重,那里的穷人以小麦为生,但是年降水量小于350毫米。

CIMMYT已经开始搜寻耐旱的野生小麦和“当地种”——已经适应了当地气候达数世纪的传统作物。该中心还与日本国际农业科学研究中心合作,测绘小麦和玉米的耐旱基因。

CIMMYT正在使用它的传统育种和遗传工程项目两方面的发现。例如科学家正在研究含有拟南芥(芥菜的近亲)DREB基因的转基因小麦,该基因可能让小麦具有耐旱、耐盐碱和耐低温的特性。CIMMYT正在测试不同水分胁迫情况下含有DREB基因的转基因植物的产量。

然而Ortiz警告说,这种植物仍然处于试验阶段。大多数已发表的研究在温室中模拟干旱条件,它们发生的速度比自然发生的速度更快。Ortiz希望在自然水分胁迫的条件下进行更多的试验。

减少的多样性

科学家正在寻找仅在区域性栽培的植物的有用基因。而CIMMYT已经拥有了一项与当地社区合作的玉米育种项目。但是科学家担心许多有用的野生物种可能消失。

Atta-Krah 说:“气候变化正在导致全世界几个地区的遗传资源显著消失。”他说,农作物的多样性必须得到有效的保存、管理,并用于改良作物和适应气候。

多样性减少的一个惊人例子就是拉丁美洲的豆类。哥伦比亚的国际热带农业中心(CIAT)的科学家Peter Jones说在花生属(包括花生在内的多个花生物种家族)的17个野生种里,12个将在2055年前由于气候变化而灭绝。

Jones还说,我们必须系统化地测绘最重要的豆类物种,确保重要的物种收藏拥有超过5份活样本。

ICRISAT正在研究让高粱等
作物更好地适应气候压力
图片来源:Flickr/cyanocorax
全世界的家畜也处于危险区中。2006年联合国粮农组织对全球动物遗传资源的一项评估估计全世界70%的独特的家畜生活在发展中国家。许多品种已经面临灭绝的风险。平均起来,每个月都有一种家畜消失,这主要是由于家畜市场的全球化。

气候变化将带来进一步的打击。根据肯尼亚的国际家畜研究所(ILRI)的数据,气候变化将通过改变饲料产量和营养品质从而影响家畜,增加疾病和传播疾病的害虫,减少可用水资源,并且还将使家畜很难在极端环境中生存下来。

ILRI的科研副主任John McDermott说:“气候变化将在人们理解甚少的生态系统层面上造成影响。”气候变化对于东非大湖地区的雨养高地、非洲南部、东部和西部的沿海地区以及非洲中部的森林的效果将会不同。必须详细分析气候变化对每一个生态系统造成的准确后果。

水资源是关键

所有这些变化的一个共同问题是水资源的供给。全世界1/3的人们生活在江河流域,他们面临着水荒。但是气候变化也将对于农业灌溉产生其他的影响。

斯里兰卡的国际水资源管理研究所的所长Colin Chartres说,河流径流的时机和水量将会改变,影响河流水系。他还说,退缩的冰川意味着春季水量更少,这可能影响到全世界大约17%的人口,包括印度河流域的灌溉。地下水补充的变化也可能影响到中国、印度、墨西哥和美国的灌溉。

Chartes说科学家需要超越粗糙的全球模型,开发出关于气候变化将如何影响水供给与湖泊水位的流域和农田尺度的专门模型。他还号召开发出关于气候变化将如何影响海洋和内陆渔业产量的更精确模型。

一个试验性的开始

随着问题变得明显,CGIAR的各个中心正在研究更好地理解它们的影响。

位于印度的国际半干旱热带研究中心(ICRISAT)的2007-2012年研究战略把目标对准了短期和中长期的气候变化问题。

ICRISAT的主任William Dar,说,ICRISAT正在研究让黍、高粱、木豆和花生更好地适应重大气候压力。该组织已经开发了耐热、耐土壤高温、耐旱和耐雨量变化和病害的品种。

Dar说,现在需要的是更好地理解耐性的生理机制、更广泛的基因库以及筛选有用基因的更有效方法。

国际热带农业中心正在开发计算机软件,用于分析未来的气候设想情况。例如他们用“MarkSim”软件模拟热带任何地方至多100年每天的天气,以及用“Homologue”软件比较热带各地的气候与土壤。

国际干旱区域农业研究中心(ICARDA)已经研究了埃及、摩洛哥和苏丹等地及其周边的区域如何应对雨养、灌溉草原和传统流域管理系统的水资源缺乏。

但是未来的任务是艰巨的。正如Jones指出的,在历史上,从科学家开始寻找新特性到一个新的稳定的品种在农民的田间种植,平均间隔是46年。他说:“因此这就是在每个项目开始时我们应该考虑的时间跨度。”

正如一位CGIAR海得拉巴会议的与会者在会议上评论说:“你可能把所有这些耐旱、耐盐碱和耐虫害的特性放进同一个植物中——然后你发现它根本就没有产量!”