近日，由北京大學(xué)與明尼蘇達(dá)大學(xué)領(lǐng)銜的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)，在《自然?地球科學(xué)》（Nature Geoscience）雜志發(fā)表了題為“Climate-driven global cropland changes and consequent feedbacks”的研究論文（doi：10.1038/s41561-025-01724-1）。該研究首次揭示并量化了一個(gè)令人擔(dān)憂的氣候反饋循環(huán)：氣候變化降低了全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，導(dǎo)致更多的土地被開墾來生產(chǎn)糧食，而農(nóng)田擴(kuò)張又進(jìn)一步釋放溫室氣體，加劇氣候變化。北京大學(xué)城環(huán)學(xué)院金哲儂研究員為論文通訊作者，前團(tuán)隊(duì)成員尤南山博士（現(xiàn)為中科院地理所助理研究員）和Jessica Till博士（明尼蘇達(dá)大學(xué)副研究員）為論文共同第一作者。合作者還包括美國(guó)科學(xué)院院士、斯坦福大學(xué)David Lobell教授，香港大學(xué)朱鵬助理教授，明尼蘇達(dá)大學(xué)PaulWest博士等國(guó)內(nèi)外知名學(xué)者。

研究背景

過去30年，全球耕地面積擴(kuò)張了約5%至10%，這一過程直接或間接釋放了大量溫室氣體，占全球農(nóng)食系統(tǒng)排放的三分之一左右。提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率被廣泛認(rèn)為是保障糧食安全、抑制耕地?cái)U(kuò)張、減緩環(huán)境壓力的關(guān)鍵途徑。然而，氣候變化正在逐步削弱農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，從而迫使更多土地被開墾用于維持現(xiàn)有的糧食產(chǎn)量，加劇了糧食生產(chǎn)與生態(tài)保護(hù)之間的矛盾。這一趨勢(shì)已成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)問題。然而，目前學(xué)界對(duì)氣候變化驅(qū)動(dòng)耕地?cái)U(kuò)張的影響路徑及其反饋效應(yīng)仍缺乏系統(tǒng)研究和量化分析，尚無科學(xué)應(yīng)對(duì)的基礎(chǔ)。

研究方法

本研究的核心是利用全要素生產(chǎn)率（Total Factor Productivity; TFP，即農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的總投入與產(chǎn)出比）這一指標(biāo)，量化了氣候變化對(duì)全球耕地面積的影響（圖1）。在此需構(gòu)建兩個(gè)回歸模型。第一個(gè)模型利用氣候變化與TFP之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，估算過去30年真實(shí)的TFP與沒有氣候變化情景下的TFP差值。第二個(gè)模型基于FAO統(tǒng)計(jì)的各國(guó)耕地面積相對(duì)其他國(guó)家TFP變化的響應(yīng)規(guī)律，估算了各國(guó)之間基于糧食貿(mào)易而決定的TFP變化與耕地面積變化的雙邊彈性（elasticity）。

基于國(guó)家尺度的耕地變化數(shù)據(jù)，本研究通過空間降尺度算法，推斷了最有可能由歷史氣候變化驅(qū)動(dòng)的耕地?cái)U(kuò)張格點(diǎn)。耕地面積擴(kuò)張所導(dǎo)致的排放計(jì)算，考慮了地上生物量的移除和地下土壤有機(jī)碳庫(kù)的分解釋放兩部分。耕地面積擴(kuò)張引起的地表溫度變化估算，使用了一個(gè)由MODIS觀測(cè)到的地表溫度對(duì)不同植被類型轉(zhuǎn)變的響應(yīng)數(shù)據(jù)集。進(jìn)一步，本研究使用廣義加性模型（GAMs）將降水量與土地覆蓋類型的比例聯(lián)系起來，從而估算耕地面積變化對(duì)年降水量的影響。

圖 1. 氣候變化和耕地?cái)U(kuò)張的正向反饋過程和量化框架。

主要結(jié)果

研究表明，盡管農(nóng)業(yè)技術(shù)持續(xù)進(jìn)步在總體上提升了全球的TFP，但氣候變化對(duì)各國(guó)TFP增速產(chǎn)生了普遍的抑制作用，從而推動(dòng)了全球范圍內(nèi)的耕地?cái)U(kuò)張（圖2）。對(duì)110個(gè)有貿(mào)易數(shù)據(jù)的國(guó)家分析顯示，過去30年，全球耕地面積增長(zhǎng)了約3.9%；而在沒有氣候變化影響的情景下，得益于效率提升，耕地面積本可減少2.4%。換言之，氣候變化額外增加了全球耕地面積6.3%，約為8800萬公頃，相當(dāng)于中國(guó)耕地總面積的70%。

圖 2. 1992-2020年農(nóng)業(yè)全要素生產(chǎn)率（TFP）和耕地面積的變化。a, 氣候變化對(duì)TFP的抑制作用；b, 國(guó)家尺度由氣候變化驅(qū)動(dòng)的耕地?cái)U(kuò)張面積； c, 格點(diǎn)尺度由氣候變化驅(qū)動(dòng)的耕地?cái)U(kuò)張面積；d, FAO統(tǒng)計(jì)的逐年耕地面積變動(dòng)及其驅(qū)動(dòng)因子分解

進(jìn)一步估算顯示，這一由氣候變化驅(qū)動(dòng)的耕地?cái)U(kuò)張，通過擠占自然植被，累計(jì)釋放了約22 Gt CO2（220億噸二氧化碳），相當(dāng)于50多億輛燃油汽車一年的排放總量，占同期毀林排放的27%、土地利用變化排放的19%。

此外，耕地?cái)U(kuò)張還改變了局地氣候系統(tǒng)。在受氣候變化驅(qū)動(dòng)而耕地?cái)U(kuò)張的區(qū)域中，63%的區(qū)域現(xiàn)出升溫效應(yīng)，地表溫度平均上升0.06°C。降水減少的幅度不大，但在中國(guó)、巴西和印度的一些主要糧食產(chǎn)區(qū)出現(xiàn)了降幅超過10%的熱點(diǎn)地區(qū)。這種“變暖變干”的局地氣候反饋可能進(jìn)一步降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，推動(dòng)耕地持續(xù)擴(kuò)張，加劇全球變暖的惡性循環(huán)。

圖 3. 耕地?cái)U(kuò)張?jiān)谶^去30年間引起的地表溫度和降水反饋。

本研究刻畫了“氣候變化-農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率下降-耕地面積擴(kuò)張-氣候反饋”的邏輯鏈路，揭示了氣候變化和耕地?cái)U(kuò)張的強(qiáng)化反饋機(jī)制，并強(qiáng)調(diào)了氣候變化導(dǎo)致的TFP變化不僅影響本國(guó)的耕地面積，還會(huì)通過國(guó)際糧食貿(mào)易和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)“溢出”作用于其他國(guó)家。研究進(jìn)一步指出，盡管這種反饋循環(huán)在未來可能進(jìn)一步加劇，農(nóng)食仍然應(yīng)對(duì)有道。通過改變飲食結(jié)構(gòu)、減少糧食浪費(fèi)和改進(jìn)耕作方式，我們可以減少對(duì)土地的需求，遏制這個(gè)破壞性的反饋機(jī)制。

供稿|科研外事辦公室