近日，由北京大學與明尼蘇達大學領銜的國際研究團隊，在《Nature Geoscience》雜志發表了題為“Climate-driven global cropland changes and consequent feedbacks”的研究論文。該研究首次揭示并量化了一個令人擔憂的氣候反饋循環：氣候變化降低了全球農業生產效率，導致更多的土地被開墾來生產糧食，而農田擴張又進一步釋放溫室氣體，加劇氣候變化。北京大學城環學院金哲儂研究員為論文通訊作者，前團隊成員尤南山博士（現為中科院地理所助理研究員）和Jessica Till博士（明尼蘇達大學副研究員）為論文共同第一作者。合作者還包括美國科學院院士、斯坦福大學David Lobell教授，香港大學朱鵬助理教授，明尼蘇達大學PaulWest博士等國內外知名學者。

研究背景

過去30年，全球耕地面積擴張了約5%至10%，這一過程直接或間接釋放了大量溫室氣體，占全球農食系統排放的三分之一左右。提升農業生產效率被廣泛認為是保障糧食安全、抑制耕地擴張、減緩環境壓力的關鍵途徑。然而，氣候變化正在逐步削弱農業生產效率，從而迫使更多土地被開墾用于維持現有的糧食產量，加劇了糧食生產與生態保護之間的矛盾。這一趨勢已成為全球關注的焦點問題。然而，目前學界對氣候變化驅動耕地擴張的影響路徑及其反饋效應仍缺乏系統研究和量化分析，尚無科學應對的基礎。

研究方法

本研究的核心是利用全要素生產率（Total Factor Productivity; TFP，即農業生產的總投入與產出比）這一指標，量化了氣候變化對全球耕地面積的影響（圖1）。在此需構建兩個回歸模型。第一個模型利用氣候變化與TFP之間的統計關系，估算過去30年真實的TFP與沒有氣候變化情景下的TFP差值。第二個模型基于FAO統計的各國耕地面積相對其他國家TFP變化的響應規律，估算了各國之間基于糧食貿易而決定的TFP變化與耕地面積變化的雙邊彈性（elasticity）。

基于國家尺度的耕地變化數據，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動的耕地擴張格點。耕地面積擴張所導致的排放計算，考慮了地上生物量的移除和地下土壤有機碳庫的分解釋放兩部分。耕地面積擴張引起的地表溫度變化估算，使用了一個由MODIS觀測到的地表溫度對不同植被類型轉變的響應數據集。進一步，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系起來，從而估算耕地面積變化對年降水量的影響。

圖1. 氣候變化和耕地擴張的正向反饋過程和量化框架。

主要結果

研究表明，盡管農業技術持續進步在總體上提升了全球的TFP，但氣候變化對各國TFP增速產生了普遍的抑制作用，從而推動了全球范圍內的耕地擴張（圖2）。對110個有貿易數據的國家分析顯示，過去30年，全球耕地面積增長了約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，相當于中國耕地總面積的70%。

圖2. 1992-2020年農業全要素生產率（TFP）和耕地面積的變化。a, 氣候變化對TFP的抑制作用；b, 國家尺度由氣候變化驅動的耕地擴張面積； c, 格點尺度由氣候變化驅動的耕地擴張面積；d, FAO統計的逐年耕地面積變動及其驅動因子分解

進一步估算顯示，這一由氣候變化驅動的耕地擴張，通過擠占自然植被，累計釋放了約22 Gt CO2（220億噸二氧化碳），相當于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，耕地擴張還改變了局地氣候系統。在受氣候變化驅動而耕地擴張的區域中，63%的區域現出升溫效應，地表溫度平均上升0.06°C。降水減少的幅度不大，但在中國、巴西和印度的一些主要糧食產區出現了降幅超過10%的熱點地區。這種“變暖變干”的局地氣候反饋可能進一步降低農業生產效率，推動耕地持續擴張，加劇全球變暖的惡性循環。

圖3. 耕地擴張在過去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-農業生產率下降-耕地面積擴張-氣候反饋”的邏輯鏈路，揭示了氣候變化和耕地擴張的強化反饋機制，并強調了氣候變化導致的TFP變化不僅影響本國的耕地面積，還會通過國際糧食貿易和市場競爭“溢出”作用于其他國家。研究進一步指出，盡管這種反饋循環在未來可能進一步加劇，農食仍然應對有道。通過改變飲食結構、減少糧食浪費和改進耕作方式，我們可以減少對土地的需求，遏制這個破壞性的反饋機制。