生物和非生物脅迫對(duì)全球玉米產(chǎn)量的影響

1、在非洲、亞洲和拉丁美洲等世界上一些最貧困地區(qū)，玉米是糧食安全的基礎(chǔ)，但產(chǎn)量往往極低，平均每公頃約1.5噸，約為發(fā)達(dá)國(guó)家平均產(chǎn)量的20%。低生產(chǎn)力雨養(yǎng)環(huán)境中的產(chǎn)量受到一系列因素的嚴(yán)重限制，包括非生物和生物脅迫。經(jīng)常性干旱、化肥使用水平低以及改良品種采用率低都會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量低。非生物脅迫干旱是提高熱帶和亞熱帶地區(qū)玉米產(chǎn)量和生產(chǎn)力的最重要制約因素。十年前，在認(rèn)識(shí)到氣候變化之前，Heisey和Edmeades（1999年）估計(jì)，在撒哈拉以南非洲，低地?zé)釒У貐^(qū)1040萬(wàn)公頃玉米中約有四分之一，中海拔/亞熱帶地區(qū)760萬(wàn)公頃玉米中的22%經(jīng)常受到干旱的威脅。在非洲大多數(shù)玉米種植環(huán)境中，土壤肥力可能是一個(gè)更嚴(yán)重

2、的制約因素，因?yàn)榛实氖褂昧糠浅５停彝寥婪柿ρa(bǔ)充的灌木休耕系統(tǒng)已經(jīng)不復(fù)存在。盡管存在這些制約因素，非洲在玉米生產(chǎn)方面仍具有巨大的潛力。據(jù)估計(jì)，即使排除了保護(hù)區(qū)和森林地區(qū)，仍有8800萬(wàn)公頃的土地適合種植目前尚未種植的玉米（世界銀行，2010年）。這幾乎是目前播種面積的三倍，超過(guò)一半的可用土地適合全球玉米生產(chǎn)。擴(kuò)大區(qū)域的大部分潛力在歐空局，特別是蘇丹、莫桑比克、安哥拉和坦桑尼亞（見表）。鑒于對(duì)玉米的需求迅速增長(zhǎng)，在農(nóng)業(yè)用水日益稀缺和成本日益上升的背景下，需要加強(qiáng)種植系統(tǒng)，而且可能出現(xiàn)不利的氣候變化情況，玉米耐旱性的價(jià)值肯定會(huì)增加。在南部非洲，2002-2003年期間的干旱導(dǎo)致330萬(wàn)噸糧食短

3、缺，大約有1400萬(wàn)人面臨饑餓的危險(xiǎn)。在2005-06年和2009年，嚴(yán)重的干旱襲擊了東非的玉米田；干旱還經(jīng)常影響墨西哥和中美洲干旱地區(qū)以及南亞和東南亞部分地區(qū)的玉米。受經(jīng)常性干旱影響的農(nóng)民往往不通過(guò)投資來(lái)提高產(chǎn)量，而是通過(guò)擴(kuò)大種植面積的低投入來(lái)獲取收益，以確保家庭糧食安全。面對(duì)干旱可以通過(guò)提高土壤管理和種植不同作物來(lái)提高生產(chǎn)力和提高收益。氮無(wú)論是作為肥料施用還是來(lái)自有機(jī)來(lái)源如糞便或豆類，是植物最重要的營(yíng)養(yǎng)素之一，但小規(guī)模玉米種植戶往往承擔(dān)不起高昂的化肥。非洲農(nóng)民主要是以小農(nóng)戶為主，平均每公頃農(nóng)田使用不到10公斤的肥料。因此，耐旱的玉米品種可以降低農(nóng)民的風(fēng)險(xiǎn)，土壤貧瘠促使農(nóng)戶在化肥等上面的投入

4、，可以實(shí)現(xiàn)在較小的面積就能產(chǎn)出足夠使用的糧食，這樣就可以在多余的土地上種植經(jīng)濟(jì)價(jià)值更高的作物，減少開荒的壓力。酸化、重金屬和土壤貧瘠等相互影響的問(wèn)題制約全球大約400萬(wàn)公頃農(nóng)田的產(chǎn)量。此外，由于玉米主要作為雨養(yǎng)作物種植，氣候變化增加了降雨的可變性將導(dǎo)致由于干旱和洪水而造成的更大產(chǎn)量損失，因此造成玉米價(jià)格頻繁波動(dòng)。但對(duì)消費(fèi)者價(jià)格影響最大的是來(lái)自相對(duì)有利的生產(chǎn)地區(qū)，例如平均降雨量為500-800毫米的地區(qū)，那里的意外干旱可能會(huì)大幅減產(chǎn)。降雨過(guò)多和排水不良是玉米生產(chǎn)力的另一個(gè)嚴(yán)重制約因素，特別是在嚴(yán)重依賴季風(fēng)降雨的亞洲地區(qū)的雨季。在這種情況下，玉米產(chǎn)量通常比旱季的灌溉產(chǎn)量低約一半至三分之一。更多的脅

5、迫會(huì)對(duì)玉米造成更大的危害。隨著全球氣候變化在一些區(qū)域，特別是在撒哈拉以南非洲和亞洲，頻繁出現(xiàn)的干旱、熱風(fēng)、水澇和新的病蟲害時(shí)刻威脅著玉米的生產(chǎn)。CIMMYT（國(guó)際玉米小麥改良中心）研究人員觀察到，許多僅耐旱的自交/雜交/開放授粉品種在干旱和高溫條件下表現(xiàn)不佳。這表明需要同時(shí)對(duì)兩種性狀進(jìn)行聯(lián)合篩選以識(shí)別耐受性材料，并且無(wú)法通過(guò)對(duì)每個(gè)性狀的反應(yīng)來(lái)預(yù)測(cè)組合的耐受性。季節(jié)早期的水澇阻礙了根系發(fā)育，而晚季干旱在南亞和東南亞的一些地區(qū)很常見。生物脅迫非生物脅迫造成的損失往往因疾病、害蟲和雜草的高發(fā)病率而加劇，平均可使產(chǎn)量減少30%以上。據(jù)估算每年在非洲大約有54%的玉米產(chǎn)量由于病害（16%）、動(dòng)物和害蟲（

6、20%）以及雜草（18%）的影響造成損失。中美洲、南美洲和亞洲通過(guò)宿主控制的抗性（抗生物脅迫品種）減少病蟲害對(duì)玉米產(chǎn)量的損失，為提高產(chǎn)量穩(wěn)產(chǎn)提供了巨大的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。具有全球或區(qū)域重要性的玉米病害包括玉米小斑病、玉米銹病、玉米大斑病、普通銹病、灰斑病莖穗腐病，其中由幾種鐮刀菌和曲霉菌引起的籽粒和穗腐病，這種病害的霉菌具有毒素，嚴(yán)重危害食用和飼用的安全性。在亞洲特別重要的病害是霜霉病、莖腐病、灰斑病、葉斑病。對(duì)于拉丁美洲來(lái)說(shuō)瘤黑粉病特別重要。僅限于非洲的主要生物脅迫包括玉米條紋病毒病和寄生雜草。病害流行的頻率和嚴(yán)重程度是動(dòng)態(tài)的，雖然隨著抗性品種的開發(fā)和部署，一些目前主要的病害可能變得不那么重要。但隨

7、著氣候的變化、耕種方式的變化和新品種的引入，目前被認(rèn)為不重要的其他病害可能會(huì)變得更加普遍。例如，采用免耕和秸稈還田導(dǎo)致灰斑病的發(fā)病率和嚴(yán)重程度增加。在非洲由于品種和氣候環(huán)境灰斑病可使產(chǎn)量減少30-60%。灰斑病現(xiàn)已成為全球一種重要疾病，尼泊爾、中國(guó)、哥倫比亞、墨西哥、巴西和非洲幾個(gè)國(guó)家報(bào)告了高發(fā)病率。害蟲通過(guò)直接危害根系（根蟲、線蟲、白蛆和種子玉米蛆）、葉子（蚜蟲、粘蟲、莖螟、薊馬、蜘蛛螨和蚱蜢）、莖稈（莖螟和白蟻）、喇叭和雌穗（莖螟、耳蟲、成根蟲和粘蟲）以及儲(chǔ)存期間的谷物（谷物象鼻蟲和谷物螟）來(lái)減少玉米產(chǎn)量。除了收獲前的損失外，在熱帶地區(qū)，谷物象鼻蟲和大谷物螟在收獲后也可造成80%的產(chǎn)量損失

8、。盡量減少這種損失將大大有助于營(yíng)養(yǎng)和糧食安全。儲(chǔ)存害蟲主要有玉米象鼻蟲、大谷物螟、谷物蛾小谷物象鼻蟲可以造成估計(jì)20-30%的損失，從而對(duì)糧食安全和創(chuàng)收產(chǎn)生負(fù)面影響。由多種真菌引起的玉米穗腐病和玉米粒腐爛病在溫暖潮濕的熱帶和亞熱帶玉米生長(zhǎng)環(huán)境中普遍存在。亞熱帶、中海拔、過(guò)渡帶和高原地區(qū)約55.9%的玉米種植面積因穗腐病而遭受經(jīng)濟(jì)損失，熱帶低地種植的玉米中高達(dá)44%因穗腐病造成產(chǎn)量受損。谷物質(zhì)量下降造成的經(jīng)濟(jì)損失主要是由霉菌毒素污染（特別是黃曲霉菌和黃曲霉菌分別產(chǎn)生的黃曲霉毒素和伏馬菌素），使谷物用于食品和動(dòng)物飼料不安全而引起。充足的儲(chǔ)存設(shè)施對(duì)于保質(zhì)保量、最大限度地減少儲(chǔ)存損失和維護(hù)食品安全以實(shí)

9、現(xiàn)糧食安全起至關(guān)重要的作用。盡管在儲(chǔ)存方面已經(jīng)開展了大量的研究和開發(fā)工作，但在很多情況下，小農(nóng)戶尚未采用先進(jìn)的儲(chǔ)存技術(shù)。這是因?yàn)檫@些技術(shù)中的許多設(shè)備不適合農(nóng)民的需求，或者無(wú)法以合適的價(jià)格和合適的時(shí)間獲得。氣候變化引起的降水模式變化將增加短期作物歉收和長(zhǎng)期減產(chǎn)的可能性。預(yù)計(jì)氣候變化將在未來(lái)幾十年內(nèi)加劇水資源短缺。預(yù)計(jì)缺水將成為糧食短缺比土地短缺更重要的決定因素，由此造成的全球人均糧食產(chǎn)量下降將威脅到未來(lái)的糧食安全。氣候模型還顯示，到本世紀(jì)末，生長(zhǎng)季節(jié)溫度將超過(guò)上個(gè)世紀(jì)記錄的最極端季節(jié)性溫度的可能性很高（90%）。Hulme等人（2001）建議，到2100年，非洲的變暖將在2000年之間達(dá)到2至6

10、C，而Ruosteenoja等人（2003年）預(yù)測(cè)，在2070年至2099年期間，北非變暖9C，南部非洲變暖7C。雖然預(yù)計(jì)溫度升高幾度將增加溫帶地區(qū)的作物產(chǎn)量，但在許多熱帶地區(qū)，溫度升高可能對(duì)糧食生產(chǎn)有害，因?yàn)楸┞队诟邷兀ɡ?5C）會(huì)導(dǎo)致作物產(chǎn)量下降，影響大量生理， 生化和分子過(guò)程。對(duì)超最佳溫度的敏感性和耐受機(jī)制取決于熱應(yīng)激的嚴(yán)重程度、持續(xù)時(shí)間和植物的發(fā)育階段。較高的溫度最終會(huì)降低產(chǎn)量，同時(shí)鼓勵(lì)一些雜草和害蟲的繁殖。高溫和干旱等脅迫組合對(duì)作物性能的影響將大于每個(gè)脅迫單個(gè)的影響。在氣候變化下預(yù)期的極端天氣事件也將影響玉米病害的發(fā)病率，嚴(yán)重程度和地理分布，特別是玉米穗腐病將呈嚴(yán)重發(fā)生趨勢(shì)。氣候變

11、化可能導(dǎo)致急性黃曲霉毒素中毒增加，如2004年在肯尼亞因食用劣質(zhì)作物而死亡的事件。據(jù)報(bào)告，肯尼亞黃曲霉毒素的發(fā)病率很高，特別是在嚴(yán)重干旱的年份，在收獲或接近收獲時(shí)，降雨也可能導(dǎo)致溫暖地區(qū)許多作物中黃曲霉毒素的濃度超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)。作物易受蟲害侵襲的程度也受到當(dāng)前氣候條件的影響。較高的溫度和干旱條件通常更有利于害蟲的繁殖，在干燥條件下，昆蟲的生命周期縮短，導(dǎo)致每個(gè)生長(zhǎng)周期產(chǎn)生的代數(shù)增加。氣候變化可能會(huì)影響許多地區(qū)的糧食生產(chǎn)能力。雖然有些地區(qū)可能會(huì)經(jīng)歷作物產(chǎn)量下降，但其他地區(qū)也可能會(huì)受益。氣候變化對(duì)熱帶和亞熱帶農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響最大，多重壓力對(duì)低適應(yīng)能力的非洲影響更大。預(yù)計(jì)到2050年，氣候變化將使全球玉米產(chǎn)

12、量減少3-10%。由于氣溫升高和降雨量減少，估計(jì)到2050年，非洲的作物產(chǎn)量可能會(huì)下降10-20%。然而，這一數(shù)字掩蓋了一些變化，即在一些地區(qū)，作物減產(chǎn)幅度更大（烏干達(dá)北部、蘇丹南部以及肯尼亞和坦桑尼亞的半干旱地區(qū)），而在其他地區(qū)，作物產(chǎn)量可能會(huì)增加。氣候風(fēng)險(xiǎn)分析確定南部非洲的玉米是適合投資的最重要作物之一。南亞也將受到氣候變化影響的嚴(yán)重打擊，所有作物的灌溉產(chǎn)量都將大幅下降。如果按目前的趨勢(shì)持續(xù)到2050年，由于氣候變化引起的高溫和水資源壓力，南亞灌溉地區(qū)的玉米產(chǎn)量可能會(huì)下降17%。在最近一項(xiàng)使用來(lái)自非洲20，000多個(gè)歷史玉米試驗(yàn)的CIMMYT區(qū)域數(shù)據(jù)并結(jié)合每日天氣數(shù)據(jù)的研究中，Lobell

13、等人（2011）表示在最佳降雨條件下，每天保持在30C以上最終會(huì)減產(chǎn)1%，在干旱條件下則減產(chǎn)1.7%。在干旱和最佳生長(zhǎng)條件下，1C升溫對(duì)玉米產(chǎn)量的影響也不同。平均低于23C的玉米生長(zhǎng)往往會(huì)因變暖而受益，而在基線溫度以上地區(qū)種植的玉米產(chǎn)量往往會(huì)隨著變暖而下降。由于經(jīng)常暴露在30C以上的溫度下，平均溫度高于25C的地區(qū)下降的非常快，每升溫1C，產(chǎn)量損失超過(guò)10%。在干旱條件下，即使是最冷的試驗(yàn)也會(huì)受到1C變暖的損害，在最熱的地方損失超過(guò)40%。在最佳的雨水灌溉管理下，非洲目前大約65%的玉米種植區(qū)在變暖1C時(shí)會(huì)經(jīng)歷產(chǎn)量損失，100%的地區(qū)在干旱條件下會(huì)受到變暖的損害。氣候變化的影響還包括環(huán)境難民潛

14、在的流離失所。關(guān)于環(huán)境危機(jī)將如何影響全球安全和地緣政治現(xiàn)狀，大眾的預(yù)測(cè)令人沮喪。與氣候變化有關(guān)的環(huán)境問(wèn)題可能在造成遷徙方面發(fā)揮作用，從而導(dǎo)致接收地區(qū)的沖突：“環(huán)境移民”的到來(lái)會(huì)給接收地區(qū)的經(jīng)濟(jì)和基礎(chǔ)資源帶來(lái)負(fù)擔(dān)，促進(jìn)土著移民對(duì)農(nóng)田和淡水等資源的爭(zhēng)奪。氣候變化還可能破壞各國(guó)提供就業(yè)機(jī)會(huì)和服務(wù)的能力，這些就業(yè)機(jī)會(huì)和服務(wù)有助于人們維持生計(jì)，并有助于維護(hù)和建設(shè)和平。在某些情況下，氣候變化對(duì)人類安全和國(guó)家的這些直接和間接影響可能反過(guò)來(lái)增加暴力沖突的風(fēng)險(xiǎn)。所有地區(qū)的農(nóng)民都制定了不同的應(yīng)對(duì)機(jī)制，以適應(yīng)氣候多變性的影響。然而，氣候變化是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)，它將考驗(yàn)他們適應(yīng)和改善生計(jì)的能力，以擺脫貧困和營(yíng)養(yǎng)不足。在預(yù)計(jì)受災(zāi)最嚴(yán)重的區(qū)域以及體制、財(cái)政和技術(shù)能力有限的區(qū)域（如非洲），適應(yīng)氣候變化將是困難和復(fù)雜的。鑒于氣候變化對(duì)糧食安全的預(yù)期影響，需要更加關(guān)注培育高抗性和廣泛適應(yīng)的作物品種以及改進(jìn)耕作方式。玉米研究在促進(jìn)脆弱地區(qū)適應(yīng)和減緩氣候變化方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。對(duì)非生物脅迫（干旱、高溫和淹水）的耐受性提高以及對(duì)病蟲害的抵抗