全球气候正经历前所未有的剧烈变动，极端高温、干旱、洪涝等灾害频发，与此同时，核战争的潜在威胁如阴影般笼罩着人类社会。这双重危机对全球农业系统和粮食安全构成了严峻挑战。联合国粮农组织（FAO）和世界粮食计划署（WFP）的数据显示，目前全球超过 30% 的人口面临中度或重度粮食不安全，而气候变化预计将使 2050 年全球作物产量减少 25%。更令人担忧的是，大规模核战争引发的 “核冬天” 可能导致全球平均卡路里产量暴跌 90%，因为战争产生的大量烟尘将遮蔽阳光，造成长期寒冷和黑暗的恶劣气候条件。在这样的背景下，寻找一种能够在极端气候条件下稳定生产的作物，成为保障全球粮食安全的当务之急。
来自美国宾夕法尼亚州立大学（The Pennsylvania State University）的研究人员 P. V. Femeena 和 R. A. Brennan 开展了一项具有重要现实意义的研究。他们将目光投向了浮萍（Lemnaceae，俗称 “duckweed”），这种看似普通的水生植物具有高蛋白含量（高达 45%）和极强的环境适应能力，能在 5–33°C 的温度范围和 pH 5.5–8.5 的水质条件下生长，甚至在低光照强度下也能存活，这使得它在极端气候条件下具有独特的优势。研究团队的目标是评估浮萍在未来全球变暖和核战争后的冷却场景下的生长潜力，以确定其作为气候韧性粮食来源的可行性。这项研究成果发表在《Agriculture & Food Security》上，为应对气候变化和极端灾害提供了新的思路和解决方案。
为了实现这一研究目标，研究人员采用了先进的植物生长模型，并结合了气候数据来预测全球 20 个地点的浮萍年产量。具体来说，他们考虑了两种全球变暖情景：一种是乐观的低温室气体排放可持续路径（SSP126/RCP2.6），另一种是以化石燃料为主的中高温室气体排放路径（SSP585/RCP8.5）。同时，他们还研究了三种不同大气碳注入量的核战争后情景，包括印度 - 巴基斯坦小规模核冲突（5 Tg 和 47 Tg soot injection）和美国 - 俄罗斯大规模核战争（150 Tg soot injection）的模拟数据。通过将气候数据（如温度、光照强度）输入到浮萍生长模型中，模拟不同情景下浮萍的生长周期和生物量生产，从而分析其在各种极端气候条件下的适应性和产量变化。
研究结果
全球变暖情景下的浮萍产量表现
在低纬度赤道地区，无论是低排放还是高排放的全球变暖情景，浮萍产量的变化都很小（与基线相比变化小于 6%）。这是因为赤道地区原本的气候条件就接近浮萍生长的最佳温度范围，因此温度升高对其影响有限。而在高纬度地区，情况则截然不同。随着全球变暖，这些地区的温度升高使得气候条件更适合浮萍生长，产量显著增加，增幅最高可达 90%。例如，在俄罗斯的一些地区，原本寒冷的气候限制了浮萍的生长，但全球变暖后，温度的升高延长了生长季节，增加了积温（Growing Degree Days, GDD），从而促进了浮萍的大量繁殖。这一结果与植物物种随全球变暖向极地迁移的趋势一致，表明浮萍在高纬度地区具有巨大的增产潜力。
核战争后冷却情景下的浮萍产量表现
核战争后，随着烟尘注入量的增加，全球气温显著下降，浮萍产量在各纬度地区均呈现下降趋势，但不同地区的降幅差异明显。在赤道地区，即使是最高排放的核战争情景（150 Tg soot injection），浮萍年产量仍能保持在 19–20 公吨 / 公顷，显示出极强的韧性。这是因为赤道地区的温度下降幅度相对较小，仍在浮萍能够适应的范围内。而在高纬度的北方地区，情况则要严重得多。例如，加拿大和俄罗斯的部分地区在大规模核战争后，由于极端寒冷和黑暗的气候条件，浮萍产量大幅下降，甚至在战争后的前几年几乎无法达到收获阈值，导致年产量为零。不过，随着时间的推移，随着大气中烟尘的逐渐消散，气候条件逐渐恢复，浮萍产量也逐渐回升。此外，研究还发现，浮萍在低排放核战争情景（5 Tg soot injection）下的产量变化与全球变暖情景相似，赤道地区受影响较小，而高纬度地区的产量下降幅度也相对较小。
生长季节和积温的影响
通过分析浮萍的生长季节和积温变化，研究人员发现，全球变暖导致高纬度地区的生长季节提前开始，积温增加，从而促进了浮萍的生长和产量提高。而在核战争后的冷却情景下，高纬度地区的生长季节则显著延迟，积温大幅减少，导致浮萍生长缓慢甚至停滞。积温与浮萍产量之间存在显著的正相关关系，积温越高，产量也越高，但当积温超过一定阈值（7500–8000 单位）时，产量增长趋于平缓甚至下降，这可能是由于极端高温对浮萍生长的抑制作用。
研究结论与讨论
这项研究首次利用浮萍生长模型预测了其在不同气候情景下的产量变化，为评估浮萍作为气候韧性作物的潜力提供了科学依据。研究结果表明，浮萍在全球变暖和核战争后的冷却情景下都表现出了较强的适应性和韧性，尤其是在赤道和低纬度地区，能够稳定生产，为这些地区在极端气候条件下的粮食安全提供了保障。在高纬度地区，虽然核战争对浮萍产量的影响较大，但全球变暖情景下的增产潜力使得浮萍有望成为这些地区未来农业的重要补充。
浮萍的优势不仅在于其气候适应性，还包括高蛋白质含量、快速生长周期和低土地需求等特点。与传统作物相比，浮萍可以在非耕地（如池塘、废水系统）中生长，减少了对耕地的竞争，同时还能利用废水中的养分，实现废物管理和粮食生产的双重效益。此外，浮萍还可以在室内垂直农场中种植，进一步提高土地利用效率，这对于应对未来可能出现的耕地短缺和粮食危机具有重要意义。
然而，研究也指出了一些局限性。例如，模型中假设养分浓度恒定，没有考虑实际环境中养分波动对浮萍生长的影响；此外，模型没有明确考虑大气 CO₂浓度对浮萍生长速率和产量的影响。未来的研究需要进一步完善模型，纳入更多的环境变量，并通过田间试验验证模型的预测结果。
总之，这项研究为全球粮食安全提供了一种新的解决方案，浮萍有望成为应对气候变化和极端灾害的重要韧性作物。通过推广浮萍的种植和利用，可以减少对传统作物的依赖，提高农业系统的稳定性和可持续性，为保障人类在未来极端气候条件下的粮食供应奠定基础。
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