2024年1月2日，《自然-食品》（Nature Food）在线发表了公司王海鲲教授课题组题为“Air quality improvements can strengthen China’s food security”的研究论文。研究综合分析了大气细颗粒物和臭氧污染对中国玉米、水稻、小麦等三大粮食作物产量的影响，首次定量评估了空气质量达标对提升我国粮食安全保障能力的贡献。
粮食产量面临着气候变化、空气污染损害、水资源短缺等诸多环境挑战。中国以不到全球10%的耕地，承载着全球近五分之一的人口，并且实现了主要粮食的自给自足。在全球变化加剧和我国大气污染依旧严峻的形势下，深入了解粮食产量的驱动因素、量化大气污染对粮食产量的影响具有重要意义，可以为制定粮食安全和大气污染治理政策提供科学依据。
研究团队融合了大气、环境、生态、管理等多学科理论与方法，基于长时间序列的高时空分辨率遥感植被生长数据、作物种植信息和空气污染浓度数据，应用非线性函数关系和双向固定效应统计模型，全面分析了大气细颗粒物和臭氧对作物生长的影响。研究结果显示，臭氧污染对作物生长具有一致性的负面影响，但细颗粒物的影响还与作物类型和地理位置有关。通过建立作物生长与污染物浓度的计量反应关系，研究团队发现，当细颗粒物浓度达到35µg/m3的标准（环境空气质量二级标准）时，全国玉米、水稻、小麦的平均产量将分别变化0.45±0.8%、0.70±0.22%、−5.28±2.97%（图1）；当暖季臭氧浓度在60µg/m3（世界卫生组织空气质量指导值）以下时，将使三大粮食作物分别增产7.40±1.32%、3.40±0.56%、8.71±1.85%；如果中国能同时达到两项空气质量标准，每人每天总可摄入卡路里（三大粮食作物）将增加4.51%（图2）。研究进一步指出，相比减少细颗粒物，降低臭氧污染可以更加有效地增加国内粮食供给，提升国家粮食安全保障能力。
公司王海鲲教授为该论文通讯作者，课题组硕士研究生刘翔为第一作者，丁爱军教授、黄昕教授、邱博副教授，以及威斯康星大学麦迪逊分校Ankur Desai教授、新罕布什尔大学肖劲锋教授和香港浸会大学高蒙教授等为主要合作者。该工作得到国家自然科学基金、中央高校基金、江苏省气候变化协同创新中心、bwin必赢关键地球物质循环前沿科学中心支持。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s43016-023-00882-y
图1 降低细颗粒物或臭氧污染对我国不同地区三大粮食作物生长的影响。细颗粒物浓度达到35µg/m3对玉米（a）、水稻（b）和小麦（c）的影响。暖季臭氧达到60µg/m3对玉米（d）、水稻（e）和小麦（f）的影响。地图周围的图表显示了作物生长（SIF）在不同的反事实空气污染情景下在区域和全国范围内的总体变化。
图2 降低细颗粒物和臭氧污染对我国粮食安全的协同影响。反事实和观测情景下三大粮食作物总的人均热量年际变化（a）； 反事实和观测情景下2005-2019平均可获得三大粮食作物热量和总热量值（b）；达到不同细颗粒物和臭氧空气质量目标时的平均热量变化热图（c）。
参考阅读：
Liu, X., Chu, B., Tang, R., Liu, Y., Qiu, B., Gao, M., Li, X., Xiao, J., Sun, H.Z., Huang, X., Desai, A.R., Ding, A., Wang, H. (2024). Air quality improvements can strengthen China’s food security. Nature Food. https://doi.org/10.1038/s43016-023-00882-y
Liu, X., Zhu, Y., Xue, L., Desai, A. R., Wang, H. (2022). Cluster-enhanced ensemble learning for mapping global monthly surface ozone from 2003 to 2019. Geophysical Research Letters, 49(11), e2022GL097947. https://doi.org/10.1029/2022GL097947