生物和非生物胁迫对全球玉米产量的影响

1、在非洲、亚洲和拉丁美洲等世界上一些最贫困地区，玉米是粮食安全的基础，但产量往往极低，平均每公顷约1.5吨，约为发达国家平均产量的20%。低生产力雨养环境中的产量受到一系列因素的严重限制，包括非生物和生物胁迫。经常性干旱、化肥使用水平低以及改良品种采用率低都会导致产量低。非生物胁迫干旱是提高热带和亚热带地区玉米产量和生产力的最重要制约因素。十年前，在认识到气候变化之前，Heisey和Edmeades（1999年）估计，在撒哈拉以南非洲，低地热带地区1040万公顷玉米中约有四分之一，中海拔/亚热带地区760万公顷玉米中的22%经常受到干旱的威胁。在非洲大多数玉米种植环境中，土壤肥力可能是一个更严重

2、的制约因素，因为化肥的使用量非常低，而且土壤肥力补充的灌木休耕系统已经不复存在。尽管存在这些制约因素，非洲在玉米生产方面仍具有巨大的潜力。据估计，即使排除了保护区和森林地区，仍有8800万公顷的土地适合种植目前尚未种植的玉米（世界银行，2010年）。这几乎是目前播种面积的三倍，超过一半的可用土地适合全球玉米生产。扩大区域的大部分潜力在欧空局，特别是苏丹、莫桑比克、安哥拉和坦桑尼亚（见表）。鉴于对玉米的需求迅速增长，在农业用水日益稀缺和成本日益上升的背景下，需要加强种植系统，而且可能出现不利的气候变化情况，玉米耐旱性的价值肯定会增加。在南部非洲，2002-2003年期间的干旱导致330万吨粮食短

3、缺，大约有1400万人面临饥饿的危险。在2005-06年和2009年，严重的干旱袭击了东非的玉米田；干旱还经常影响墨西哥和中美洲干旱地区以及南亚和东南亚部分地区的玉米。受经常性干旱影响的农民往往不通过投资来提高产量，而是通过扩大种植面积的低投入来获取收益，以确保家庭粮食安全。面对干旱可以通过提高土壤管理和种植不同作物来提高生产力和提高收益。氮无论是作为肥料施用还是来自有机来源如粪便或豆类，是植物最重要的营养素之一，但小规模玉米种植户往往承担不起高昂的化肥。非洲农民主要是以小农户为主，平均每公顷农田使用不到10公斤的肥料。因此，耐旱的玉米品种可以降低农民的风险，土壤贫瘠促使农户在化肥等上面的投入

4、，可以实现在较小的面积就能产出足够使用的粮食，这样就可以在多余的土地上种植经济价值更高的作物，减少开荒的压力。酸化、重金属和土壤贫瘠等相互影响的问题制约全球大约400万公顷农田的产量。此外，由于玉米主要作为雨养作物种植，气候变化增加了降雨的可变性将导致由于干旱和洪水而造成的更大产量损失，因此造成玉米价格频繁波动。但对消费者价格影响最大的是来自相对有利的生产地区，例如平均降雨量为500-800毫米的地区，那里的意外干旱可能会大幅减产。降雨过多和排水不良是玉米生产力的另一个严重制约因素，特别是在严重依赖季风降雨的亚洲地区的雨季。在这种情况下，玉米产量通常比旱季的灌溉产量低约一半至三分之一。更多的胁

5、迫会对玉米造成更大的危害。随着全球气候变化在一些区域，特别是在撒哈拉以南非洲和亚洲，频繁出现的干旱、热风、水涝和新的病虫害时刻威胁着玉米的生产。CIMMYT（国际玉米小麦改良中心）研究人员观察到，许多仅耐旱的自交/杂交/开放授粉品种在干旱和高温条件下表现不佳。这表明需要同时对两种性状进行联合筛选以识别耐受性材料，并且无法通过对每个性状的反应来预测组合的耐受性。季节早期的水涝阻碍了根系发育，而晚季干旱在南亚和东南亚的一些地区很常见。生物胁迫非生物胁迫造成的损失往往因疾病、害虫和杂草的高发病率而加剧，平均可使产量减少30%以上。据估算每年在非洲大约有54%的玉米产量由于病害（16%）、动物和害虫（

6、20%）以及杂草（18%）的影响造成损失。中美洲、南美洲和亚洲通过宿主控制的抗性（抗生物胁迫品种）减少病虫害对玉米产量的损失，为提高产量稳产提供了巨大的市场机会。具有全球或区域重要性的玉米病害包括玉米小斑病、玉米锈病、玉米大斑病、普通锈病、灰斑病茎穗腐病，其中由几种镰刀菌和曲霉菌引起的籽粒和穗腐病，这种病害的霉菌具有毒素，严重危害食用和饲用的安全性。在亚洲特别重要的病害是霜霉病、茎腐病、灰斑病、叶斑病。对于拉丁美洲来说瘤黑粉病特别重要。仅限于非洲的主要生物胁迫包括玉米条纹病毒病和寄生杂草。病害流行的频率和严重程度是动态的，虽然随着抗性品种的开发和部署，一些目前主要的病害可能变得不那么重要。但随

7、着气候的变化、耕种方式的变化和新品种的引入，目前被认为不重要的其他病害可能会变得更加普遍。例如，采用免耕和秸秆还田导致灰斑病的发病率和严重程度增加。在非洲由于品种和气候环境灰斑病可使产量减少30-60%。灰斑病现已成为全球一种重要疾病，尼泊尔、中国、哥伦比亚、墨西哥、巴西和非洲几个国家报告了高发病率。害虫通过直接危害根系（根虫、线虫、白蛆和种子玉米蛆）、叶子（蚜虫、粘虫、茎螟、蓟马、蜘蛛螨和蚱蜢）、茎秆（茎螟和白蚁）、喇叭和雌穗（茎螟、耳虫、成根虫和粘虫）以及储存期间的谷物（谷物象鼻虫和谷物螟）来减少玉米产量。除了收获前的损失外，在热带地区，谷物象鼻虫和大谷物螟在收获后也可造成80%的产量损失

8、。尽量减少这种损失将大大有助于营养和粮食安全。储存害虫主要有玉米象鼻虫、大谷物螟、谷物蛾小谷物象鼻虫可以造成估计20-30%的损失，从而对粮食安全和创收产生负面影响。由多种真菌引起的玉米穗腐病和玉米粒腐烂病在温暖潮湿的热带和亚热带玉米生长环境中普遍存在。亚热带、中海拔、过渡带和高原地区约55.9%的玉米种植面积因穗腐病而遭受经济损失，热带低地种植的玉米中高达44%因穗腐病造成产量受损。谷物质量下降造成的经济损失主要是由霉菌毒素污染（特别是黄曲霉菌和黄曲霉菌分别产生的黄曲霉毒素和伏马菌素），使谷物用于食品和动物饲料不安全而引起。充足的储存设施对于保质保量、最大限度地减少储存损失和维护食品安全以实

9、现粮食安全起至关重要的作用。尽管在储存方面已经开展了大量的研究和开发工作，但在很多情况下，小农户尚未采用先进的储存技术。这是因为这些技术中的许多设备不适合农民的需求，或者无法以合适的价格和合适的时间获得。气候变化引起的降水模式变化将增加短期作物歉收和长期减产的可能性。预计气候变化将在未来几十年内加剧水资源短缺。预计缺水将成为粮食短缺比土地短缺更重要的决定因素，由此造成的全球人均粮食产量下降将威胁到未来的粮食安全。气候模型还显示，到本世纪末，生长季节温度将超过上个世纪记录的最极端季节性温度的可能性很高（90%）。Hulme等人（2001）建议，到2100年，非洲的变暖将在2000年之间达到2至6

10、C，而Ruosteenoja等人（2003年）预测，在2070年至2099年期间，北非变暖9C，南部非洲变暖7C。虽然预计温度升高几度将增加温带地区的作物产量，但在许多热带地区，温度升高可能对粮食生产有害，因为暴露于高温（例如35C）会导致作物产量下降，影响大量生理， 生化和分子过程。对超最佳温度的敏感性和耐受机制取决于热应激的严重程度、持续时间和植物的发育阶段。较高的温度最终会降低产量，同时鼓励一些杂草和害虫的繁殖。高温和干旱等胁迫组合对作物性能的影响将大于每个胁迫单个的影响。在气候变化下预期的极端天气事件也将影响玉米病害的发病率，严重程度和地理分布，特别是玉米穗腐病将呈严重发生趋势。气候变

11、化可能导致急性黄曲霉毒素中毒增加，如2004年在肯尼亚因食用劣质作物而死亡的事件。据报告，肯尼亚黄曲霉毒素的发病率很高，特别是在严重干旱的年份，在收获或接近收获时，降雨也可能导致温暖地区许多作物中黄曲霉毒素的浓度超过标准。作物易受虫害侵袭的程度也受到当前气候条件的影响。较高的温度和干旱条件通常更有利于害虫的繁殖，在干燥条件下，昆虫的生命周期缩短，导致每个生长周期产生的代数增加。气候变化可能会影响许多地区的粮食生产能力。虽然有些地区可能会经历作物产量下降，但其他地区也可能会受益。气候变化对热带和亚热带农业生产的影响最大，多重压力对低适应能力的非洲影响更大。预计到2050年，气候变化将使全球玉米产

12、量减少3-10%。由于气温升高和降雨量减少，估计到2050年，非洲的作物产量可能会下降10-20%。然而，这一数字掩盖了一些变化，即在一些地区，作物减产幅度更大（乌干达北部、苏丹南部以及肯尼亚和坦桑尼亚的半干旱地区），而在其他地区，作物产量可能会增加。气候风险分析确定南部非洲的玉米是适合投资的最重要作物之一。南亚也将受到气候变化影响的严重打击，所有作物的灌溉产量都将大幅下降。如果按目前的趋势持续到2050年，由于气候变化引起的高温和水资源压力，南亚灌溉地区的玉米产量可能会下降17%。在最近一项使用来自非洲20，000多个历史玉米试验的CIMMYT区域数据并结合每日天气数据的研究中，Lobell

13、等人（2011）表示在最佳降雨条件下，每天保持在30C以上最终会减产1%，在干旱条件下则减产1.7%。在干旱和最佳生长条件下，1C升温对玉米产量的影响也不同。平均低于23C的玉米生长往往会因变暖而受益，而在基线温度以上地区种植的玉米产量往往会随着变暖而下降。由于经常暴露在30C以上的温度下，平均温度高于25C的地区下降的非常快，每升温1C，产量损失超过10%。在干旱条件下，即使是最冷的试验也会受到1C变暖的损害，在最热的地方损失超过40%。在最佳的雨水灌溉管理下，非洲目前大约65%的玉米种植区在变暖1C时会经历产量损失，100%的地区在干旱条件下会受到变暖的损害。气候变化的影响还包括环境难民潜

14、在的流离失所。关于环境危机将如何影响全球安全和地缘政治现状，大众的预测令人沮丧。与气候变化有关的环境问题可能在造成迁徙方面发挥作用，从而导致接收地区的冲突：“环境移民”的到来会给接收地区的经济和基础资源带来负担，促进土著移民对农田和淡水等资源的争夺。气候变化还可能破坏各国提供就业机会和服务的能力，这些就业机会和服务有助于人们维持生计，并有助于维护和建设和平。在某些情况下，气候变化对人类安全和国家的这些直接和间接影响可能反过来增加暴力冲突的风险。所有地区的农民都制定了不同的应对机制，以适应气候多变性的影响。然而，气候变化是一项巨大的挑战，它将考验他们适应和改善生计的能力，以摆脱贫困和营养不足。在预计受灾最严重的区域以及体制、财政和技术能力有限的区域（如非洲），适应气候变化将是困难和复杂的。鉴于气候变化对粮食安全的预期影响，需要更加关注培育高抗性和广泛适应的作物品种以及改进耕作方式。玉米研究在促进脆弱地区适应和减缓气候变化方面发挥着关键作用。对非生物胁迫（干旱、高温和淹水）的耐受性提高以及对病虫害的抵抗