Table of Contents

В то время как фермеры всегда управляли изменчивостью погоды из года в год, стабильность климатических систем, которые лежат в основе предсказуемых сезонных циклов, претерпевает быстрые изменения. Климатические модели, такие как южное колебание Эль-Ниньо (ENSO), муссоны и Североатлантическое колебание, диктуют глобальное распределение тепла и влаги. Эти модели напрямую влияют на циклы урожая от посадки до сбора урожая, что делает их исследование необходимым для управления рисками и стратегического планирования по всей цепочке поставок продовольствия.

Мировой спрос на продовольствие, по прогнозам, значительно возрастет в ближайшие десятилетия, что потребует существенного увеличения годового производства на существующих сельскохозяйственных землях. Одновременно сектор должен адаптироваться к меняющимся зонам роста, меняющимся нагрузкам на вредителей и болезни и менее предсказуемым поставкам воды. В этой статье представлен всеобъемлющий обзор доминирующих климатических моделей, влияющих на сельскохозяйственные зоны во всем мире, физиологических механизмов, посредством которых климатический стресс влияет на урожайность сельскохозяйственных культур, региональные проблемы уязвимости и перспективную оценку эффективных стратегий адаптации. Интегрируя эти аспекты, заинтересованные стороны могут перейти от реактивной модели управления кризисом к активной структуре управления климатическими рисками, которая обеспечивает продовольственную безопасность в меняющемся мире.

Основные климатические модели, формирующие глобальное сельское хозяйство

Понимание основных факторов изменчивости климата является первым шагом в прогнозировании их воздействия на сельское хозяйство. Эти климатические системы работают в различных временных и пространственных масштабах и часто взаимодействуют друг с другом сложными способами. Их влияние выходит за рамки простых погодных колебаний, чтобы повлиять на влажность почвы, популяции вредителей и даже социально-экономические результаты для фермерских общин.

Эль-Ниньо Южная осцилляция (ENSO)

ENSO является наиболее заметным фактором изменчивости климата планеты, происходящим из года в год в тропической части Тихого океана. Он работает в три различных фазы: теплая фаза (Эль-Ниньо), холодная фаза (Ла-Нинья) и нейтральная фаза. ENSO влияет на глобальные погодные условия через сдвиги в атмосферной циркуляции, влияя на количество осадков и температуру в основных сельскохозяйственных регионах.

Эль-Ниньо характеризуется более теплыми, чем в среднем, температурами поверхности моря в центральной и восточной части Тихого океана. Это нарушение циркуляции Уокера обычно приносит более сухие, чем обычно, условия на Морском континенте (Индонезия, Малайзия, Филиппины), в восточной Австралии и частях Индии. Эти регионы являются основными мировыми производителями пшеницы, риса, пальмового масла и сахарного тростника. Более сухие условия могут привести к нехватке воды для орошения, снижению доступности влаги в почве и увеличению стресса урожая, в конечном итоге снижая урожайность. И наоборот, южный ярус Соединенных Штатов и части Африканского Рога часто испытывают более влажные условия в течение лет Эль-Ниньо, которые могут как принести пользу, так и бросить вызов сельскохозяйственной производительности в зависимости от времени и интенсивности осадков.

La Niña represents the opposite phase, with cooler sea surface temperatures in the Pacific. This often results in increased rainfall over Australia, Southeast Asia, and India—which can boost yields but also carries a high risk of devastating floods and cyclones that damage crops and infrastructure. In the United States, La Niña often deepens drought conditions in the Southwest and Southern Plains, exacerbating water scarcity for irrigation, while bringing cooler, wetter weather to the Pacific Northwest that can delay planting and harvesting.

Например, Эль-Ниньо, развивающийся в течение австралийского лета, может уничтожить урожай пшеницы в Австралии, в то время как сильная Ла-Нинья может отсрочить начало индийского муссона, влияя на графики посадки риса и потенциально снижая урожайность. Достижения в сезонном прогнозировании обеспечивают время свинца в несколько месяцев, что ценно для стратегического планирования ферм и смягчения рисков. Центры прогнозирования климата, такие как Международный исследовательский институт климата и общества (IRI) продолжают совершенствовать модели для лучшего прогнозирования этих сельскохозяйственных последствий, позволяя фермерам и политикам принимать более обоснованные решения.

Монсунские системы

Муссоны — это масштабные сезонные развороты ветровых моделей, которые приносят в пострадавшие регионы отчётливые влажные и сухие сезоны. Азиатский летний муссон является наиболее значительным, обеспечивая примерно 70—80 % годовых осадков для Южной Азии. Слабый или отсроченный муссон может спровоцировать повсеместную засуху, неурожай и экономические бедствия для миллионов фермеров, которые полагаются на дождевое сельское хозяйство. И наоборот, чрезмерно сильный муссон может вызвать наводнения и эрозию почвы, уничтожая сельскохозяйственные культуры и инфраструктуру.

Западноафриканский муссон одинаково важен для региона Сахеля, влияя на сельскохозяйственный календарь основных культур, таких как просо и сорго. Переменность в начале и интенсивности муссона сильно влияет на продовольственную безопасность в этом подверженном засухе районе. Аналогично, североамериканский муссон влияет на засушливый юго-запад США и части Мексики, где надежные летние осадки имеют решающее значение для выращивания таких культур, как кукуруза и бобы.

Вариабельность муссонов также связана с более широкими факторами изменения климата, такими как ENSO и Диполь Индийского океана, что делает эти системы взаимосвязанными компонентами глобального климата. Нарушения муссонных моделей из-за изменения климата представляют значительные риски для производительности сельского хозяйства и средств к существованию в сельских районах, особенно в густонаселенных развивающихся регионах.

Диполь Индийского океана (IOD) и Мэдден-Джулианская осцилляция (MJO)

Диполь Индийского океана (ИОД) — климатическое явление, характеризующееся разницей температур поверхности моря между западной и восточной частями Индийского океана. Положительная фаза ИОД с более теплыми водами в западной части Индийского океана часто усугубляет засухи в Австралии и Индонезии, принося сильные дожди и наводнения в Восточную Африку. И наоборот, отрицательная фаза ИОД имеет тенденцию приносить более влажные условия в Австралию и Индонезию, но более сухие условия в Восточную Африку. Влияние ИОД на региональные модели осадков делает его решающим фактором для сельскохозяйственного планирования в этих регионах.

Мадден-Джулианское колебание (МЮО) — это 30-60-дневное тропическое возмущение, распространяющееся на восток по всему миру, влияющее на сроки и интенсивность муссонных перерывов и образования тропических циклонов. МЮО может модулировать краткосрочные модели осадков, которые влияют на решения о посадке и вспышки вредителей. Его взаимодействие с ENSO может усиливать или смягчать местные погодные экстремальные явления, добавляя сложность сезонному прогнозированию и оценке сельскохозяйственных рисков.

Прямые и косвенные механизмы: как изменчивость климата влияет на физиологию и урожайность сельскохозяйственных культур

Климатические модели приводят к последствиям для сельского хозяйства, выражающимся в прямых физиологических нагрузках на сельскохозяйственные культуры, а также в косвенном воздействии на здоровье почв, популяцию вредителей и доступность воды. Понимание этих механизмов является ключевым для разработки целевых стратегий адаптации и поддержания производительности в изменяющихся климатических условиях.

Температурный стресс и дни роста

Каждый вид сельскохозяйственных культур имеет определенный диапазон тепловых требований для завершения своего цикла роста, обычно измеряемого в Днях повышения степени роста (GDD). Высокие температуры во время чувствительных фаз роста, таких как цветение или заполнение зерна, могут серьезно снизить урожайность. Например, кукуруза, подвергающаяся воздействию температур, превышающих 35 ° C во время цветения, испытывает шелковое высыхание и стерильность пыльцы, что приводит к плохому набору ядра и значительному снижению урожайности.

Пшеница особенно уязвима во время заправки зерном, когда тепловой стресс ускоряет старение и уменьшает вес и количество ядра. Аналогичным образом, умеренные фруктовые деревья, такие как яблоки, вишня и миндаль, требуют определенного количества холодных часов зимой, чтобы обеспечить правильный перерыв в почках и набор фруктов. Теплые зимы уменьшают накопление озноба, что приводит к неустойчивому цветению и снижению урожайности фруктов.

Изменение климата приводит к изменению накоплений ГРД, эффективно изменяя продолжительность и сроки вегетационных сезонов. В некоторых регионах это может позволить несколько циклов выращивания в год, но в других это приводит к сокращению сезонов и снижению производительности. Инструменты моделирования урожая, которые включают расчеты ГРД, имеют решающее значение для прогнозирования этих изменений и руководства графиками посадки.

Доступность воды: засуха и наводнения

Засуха является единственным наиболее дорогостоящим стихийным бедствием для глобального сельского хозяйства, уменьшая расширение площади листьев, фотосинтезирующие скорости и перемещение углеводов в развивающиеся зерна. Повышение температуры усугубляет последствия засухи за счет увеличения дефицита атмосферного давления пара (VPD), который усиливает потерю воды из листьев растений и испарения почвы, ускоряя засуху, даже когда влажность почвы умеренно доступна.

С другой стороны, экстремальные осадки вызывают заболачивание и лишение кислорода (гипоксию) в корневых зонах, повреждая корневые системы и ограничивая поглощение питательных веществ. Наводнение также способствует грибковым и бактериальным заболеваниям, которые могут опустошать культуры. Избыток влаги во время сбора урожая может снизить качество зерна, поощряя рост плесени и загрязнение микотоксинами, влияя на безопасность пищевых продуктов и их товарность.

Как засуха, так и наводнения, по прогнозам, будут увеличиваться в частоте и степени тяжести в условиях изменения климата, что создает сложные проблемы для управления водными ресурсами в сельском хозяйстве.

Диоксид углерода в атмосфере и плотность питательных веществ

Повышение уровня углекислого газа в атмосфере (CO2) оказывает прямое биологическое воздействие на растения, особенно на культуры C3, такие как рис, пшеница и соя. Повышенный CO2 может повысить эффективность фотосинтеза и повысить эффективность использования воды за счет снижения стоматальной проводимости, потенциально увеличивая биомассу и урожайность.

Однако многочисленные эксперименты по обогащению CO2 свободным воздухом (FACE) продемонстрировали критические компромиссы. Хотя урожайность может увеличиться, концентрация белка и основных микроэлементов, таких как цинк и железо, в основных культурах снижается, явление, известное как эффект разбавления питательных веществ. Это снижение качества питания имеет серьезные последствия для здоровья человека, особенно в развивающихся странах, где диеты в значительной степени зависят от основных зерновых и дефицита микроэлементов.

Поэтому для оценки продуктивности сельского хозяйства в условиях изменения климата требуется интегрировать показатели как объема урожая, так и плотности питания, чтобы в полной мере понять последствия для продовольственной безопасности.

Динамика вредителей и болезней

Изменение климата изменяет географические диапазоны, репродуктивные показатели и выживаемость сельскохозяйственных вредителей и патогенов. Более теплые температуры позволяют вредителям, таким как Осенний армейский червь, расширяться на новые континенты и возвышенности, угрожая культурам, которые ранее не подвергались воздействию этих вредителей. Более мягкие зимы увеличивают показатели выживаемости многих насекомых-вредителей и грибковых патогенов, что приводит к более высокой плотности населения в вегетационный период.

Изменения влажности, характера осадков и температуры также влияют на динамику вспышки заболеваний. Например, в определенных условиях влажности и температуры процветают патогены ржавчины пшеницы и ржавчины сои, и их распространение связано с климатическими аномалиями. Увеличение давления вредителей и болезней добавляет еще один уровень риска для сельскохозяйственных систем, часто требующий более широкого использования пестицидов и комплексных стратегий борьбы с вредителями.

Региональная уязвимость и горячие точки продовольственной безопасности

Влияние климатических моделей на сельское хозяйство не является единообразным по всему миру. Некоторые регионы по своей природе более уязвимы из-за их географии, зависимости от сельского хозяйства, питаемого дождем, социально-экономических факторов и ограниченного адаптивного потенциала. Определение этих горячих точек имеет решающее значение для ориентации инвестиций в адаптацию и гуманитарных вмешательств.

Африка к югу от Сахары

Африка к югу от Сахары является эпицентром климатической уязвимости в сельском хозяйстве. Сельхозсистемы преимущественно питаются дождем, с очень ограниченным доступом к ирригационной инфраструктуре. События ENSO сильно диктуют успех или неудачу коротких дождей в Восточной Африке, критический период для производства кукурузы и бобов. Периодические циклы засухи в Африканском Роге привели к широко распространенной смертности от скота, неурожаям и серьезным продовольственным кризисам.

Усилия по повышению устойчивости в этом регионе сосредоточены на разработке засухоустойчивых сортов сельскохозяйственных культур, улучшении методов сохранения почв и водных ресурсов и внедрении основанных на индексах схем страхования для обеспечения финансовой защиты мелких фермеров.

Южная и Юго-Восточная Азия

В сельском хозяйстве Южной и Юго-Восточной Азии преобладают системы риса и пшеницы. Речные бассейны Инд и Ганга, питаемые гималайскими ледниками, являются основой обширного орошаемого сельского хозяйства. Изменение климата представляет двойную угрозу: увеличение интенсивности и изменчивости муссонных наводнений и долгосрочное снижение ледниковых талых вод, которые поддерживают потоки рек в засушливые сезоны.

Тепловой стресс уже влияет на урожайность пшеницы в Индии и Пакистане, в то время как устойчивые к наводнениям сорта риса успешно используются для смягчения последствий наводнений, связанных с муссонами.Кроме того, вторжение соленой воды в прибрежные районы из-за повышения уровня моря угрожает производству риса в таких странах, как Бангладеш и Вьетнам.

Укрепление ирригационной инфраструктуры, содействие выращиванию устойчивых к изменению климата сортов сельскохозяйственных культур и совершенствование систем раннего предупреждения о экстремальных погодных явлениях являются ключевыми стратегиями, которые осуществляются для защиты сельского хозяйства в этом жизненно важном регионе.

Латинская Америка

Производство сои и кукурузы в Латинской Америке, особенно в Бразилии и Аргентине, сильно подвержено изменениям ENSO. Бразильское Серрадо, крупная сельскохозяйственная граница, сталкивается с рисками сокращения осадков, вызванных обезлесением, что может сократить вегетационный период и повысить уязвимость к засухе. Производство кофе по всей Центральной Америке вынуждено повышаться, поскольку повышение температуры и измененные модели осадков увеличивают распространенность ржавчины кофейных листьев и других вредителей.

Развитие устойчивых к изменению климата цепочек поставок товарных культур является основным направлением деятельности многонациональных продовольственных компаний, действующих в этом регионе. Усилия включают диверсификацию портфелей сельскохозяйственных культур, инвестирование в системы агролесоводства и внедрение устойчивых методов управления земельными ресурсами для сохранения почвенных и водных ресурсов.

Стратегии адаптации и смягчения последствий для устойчивого будущего

Решение проблем, связанных с изменением климата, требует системного подхода, сочетающего в себе методы работы на фермах, технологические инновации, генетическое улучшение и благоприятные политические рамки. Успешная адаптация повышает устойчивость, одновременно содействуя устойчивости и сокращению выбросов парниковых газов.

Климатически умное сельское хозяйство (CSA)

Климатически-умное сельское хозяйство (CSA) представляет собой целостную структуру, предназначенную для руководства преобразованием продовольственных систем. Она построена на трех столпах: устойчивое повышение производительности и доходов, адаптация и повышение устойчивости к изменению климата и сокращение выбросов парниковых газов. CSA способствует комплексной практике, которая улучшает здоровье почв, управление водными ресурсами и биоразнообразие.

  • Сохранение почвы уменьшает нарушение почвы, улучшая удержание влаги и структуру почвы.
  • Агролесоводство включает деревья в системы сельского хозяйства, обеспечивая тень, улучшая цикличность питательных веществ и улавливая углерод.
  • Комплексное управление питательными веществами оптимизирует использование удобрений для улучшения питания сельскохозяйственных культур и сокращения выбросов.
  • Эффективное управление водными ресурсами, включая сбор дождевой воды и капельное орошение, сохраняет водные ресурсы и поддерживает влажность почвы во время сухих периодов.

Принятие ССА требует наращивания потенциала, доступа к финансированию и поддержки политики, которая стимулирует устойчивую практику среди мелких фермеров и коммерческих фермеров.

Технологические вмешательства и точное земледелие

Технологии предлагают мощные инструменты для управления климатическими рисками в сельском хозяйстве. Точное земледелие использует GPS, датчики влажности почвы и спутниковые снимки для оптимизации орошения, оплодотворения и борьбы с вредителями, сокращения отходов и повышения эффективности использования ресурсов. Эти технологии позволяют фермерам адаптировать практику к местной изменчивости поля, повышая устойчивость к экстремальным климатическим условиям.

Системы поддержки принятия решений включают местные прогнозы погоды, модели роста сельскохозяйственных культур и данные эпиднадзора за вредителями для предоставления рекомендаций по управлению в режиме реального времени. Например, фермеры могут корректировать сроки посадки на основе прогнозируемых осадков или применять целенаправленные методы борьбы с вредителями только при соблюдении пороговых значений, уменьшая ненужное использование химических веществ.

Такие инновации, как капельное орошение, непосредственно доставляют воду к корням растений, резко сокращая потребление по сравнению с традиционным орошением от наводнений. Контролируемое экологическое сельское хозяйство, включая теплицы и вертикальное земледелие, предлагает путь к отделению производства высокоценных культур от внешней изменчивости климата, хотя в настоящее время оно ограничено конкретными культурами и контекстами.

Генетические улучшения и агробиоразнообразие

Традиционное разведение и современные биотехнологии ускоряют развитие устойчивых к изменению климата сортов сельскохозяйственных культур. Создание устойчивых к наводнениям сортов риса, таких как линии интрогрессии генов SUB1, защитило миллионы гектаров в Азии от муссонных наводнений. Заводчики все чаще проводят скрининг генных банков и диких родственников сельскохозяйственных культур для выявления признаков, придающих теплостойкость, засухоустойчивость, а также устойчивость к вредителям и болезням.

Поддержание и использование агробиоразнообразия повышает устойчивость системы за счет диверсификации генетических ресурсов и систем земледелия. Диверсификация сельскохозяйственных культур увеличивает риск, поддерживает экосистемные услуги, такие как опыление и борьба с вредителями, и улучшает здоровье почвы. Интеграция традиционных знаний с научными программами разведения может ускорить доставку адаптированных к местным условиям сортов.

Политика и институциональная поддержка

Эффективная адаптация к изменению климата в сельском хозяйстве также требует проведения политики и создания институциональных рамок, при этом правительства и международные организации играют жизненно важную роль в:

  • Инвестирование в климатически устойчивую инфраструктуру, такую как ирригация, хранилища и транспортные сети.
  • Поддержка исследовательских и коммуникационных услуг для распространения климатически умных практик и технологий.
  • Создание систем раннего предупреждения и служб климатической информации с учетом потребностей фермеров.
  • Содействие доступу к кредитам, страхованию и рынкам для снижения уязвимости и стимулирования устойчивых инвестиций.
  • Содействие обеспечению гарантий землевладения в целях поощрения долгосрочного рационального использования природных ресурсов.

Совместные подходы, которые привлекают фермеров, ученых, политиков и представителей частного сектора, имеют важное значение для расширения эффективных стратегий адаптации и обеспечения продовольственной безопасности в условиях изменения климата.

Заключение

Климатические модели, такие как ENSO, муссоны, Диполь Индийского океана и Мадден-Джулианское колебание, глубоко формируют глобальную сельскохозяйственную производительность, влияя на температуру, количество осадков и экстремальные погодные явления. Эти модели влияют на физиологию сельскохозяйственных культур, доступность воды, давление вредителей и болезней и в конечном итоге приводят к количеству и качеству. Региональные уязвимости подчеркивают настоятельную необходимость в адаптированных стратегиях адаптации, которые сочетают климатически умное сельское хозяйство, технологии, генетическое улучшение и поддерживающую политику.

Создание устойчивых продовольственных систем, способных противостоять растущим проблемам, связанным с изменчивостью и изменением климата, имеет решающее значение для глобальной продовольственной безопасности. Благодаря улучшению прогнозирования, комплексному управлению рисками и совместным инновациям заинтересованные стороны в сельском хозяйстве могут смягчить риски и воспользоваться возможностями для устойчивого питания растущего населения в неопределенном климатическом будущем.