全球变暖下农业边界能否持续北移?跨学科研究揭示多年冻土的重要限制作用

发表期刊：Communications Earth & Environment

主要作者：Song Xu, Cunde Xiao*, Jonas Jägermeyr, Vladimir E. Romanovsky, Zhao Zhang, Jianping Duan, Bo Su & Tong Zhang

原文标题：Northern permafrost represents a limit on the northward shift of climatically feasible agricultural frontiers under future warming

原文链接：https://doi.org/10.1038/s43247-026-03702-w（点击底部“原文链接”查看全文）

随着全球气候变暖，高纬度寒冷地区逐渐具备作物生长条件，农业气候适宜区呈现明显向北扩张趋势。然而，北半球广泛分布的多年冻土是否会制约这一过程，仍缺乏系统评估。

近期，由北京师范大学、NASA戈达德空间研究所、阿拉斯加大学、斯德哥尔摩大学等机构组成的国际研究团队，基于全过程优化的MaxEnt模型、MAAT-permafrost模型以及CMIP6气候模式数据，系统评估了未来北半球农业气候适宜区向北扩张的范围及多年冻土退化对这一过程的潜在影响。研究发现，虽然气候变暖将显著推动农业边界向北移动，但多年冻土退化及其引发的地表扰动将成为限制农业北扩的重要因素。该研究有助于深入理解气候变化背景下高纬度农业发展的机遇与挑战，为未来农业适应和土地利用规划提供科学依据。

研究基于175种作物的种植面积、产量贡献和热量贡献等指标，筛选出7种代表性作物，用于评估未来农业气候适宜区（一季和有限双季种植区）的北扩范围。结果表明，到21世纪末，在SSP1-2.6（低排放）情景下，农业气候适宜区北界平均向北移动约331公里；在SSP5-8.5（高排放）情景下，这一距离增加至约739公里。与此同时，新增农业气候适宜区面积分别达到486万平方公里（SSP1-2.6）和1164万平方公里（SSP5-8.5），相当于当前全球农业用地面积的10%和24%。

图1 21世纪末SSP5-8.5情景下农业气候适宜区（一季和有限双季种植区）北移范围

在气候变暖背景下，预测的未来农业适宜区不断向北扩张，多年冻土也同步向北退缩。研究发现：当前约有5%的农业气候适宜区与多年冻土区重叠；到本世纪末，该比例在不同多年冻土退化假设下的变化区间为3%–19%；重叠区域主要位于多年冻土南缘的零散和岛状多年冻土区。这意味着未来部分新增农业适宜区仍将受到多年冻土持续存在的影响。

图2 21世纪末农业气候适宜区与多年冻土区的空间重叠格局

多年冻土融化会产生一系列的地表扰动现象，其中关键的因素为地下含冰量的多少。高含冰量多年冻土融化后可能引发严重地面沉降，零散多年冻土区仍会持续发生冻融扰动，热融塌陷、积水和排水问题可能增加农业开发成本，同时农业基础设施建设和机械化作业也将受到影响。因此，研究进一步分析了新增农业适宜区历史上土壤含冰量特征。在高排放情景（SSP5-8.5）下：北美地区高含冰量区占2%、中含冰量区占16%、低含冰量区占51%。欧亚地区高含冰量区占15%、中含冰量区占6%、低含冰量区占52%。结果表明，未来大部分新增农业适宜区实际上建立在多年冻土退化后的土地基础之上。

图3 新增农业适宜区土壤含冰量及其纬向分布

研究构建了一种基于分类框架的综合评价体系，整合了七种代表性作物的气候适宜性、近地表多年冻土动态以及土壤含冰量三个维度的信息，在有限观测数据条件下，系统评估了多年冻土融化对农业适宜区北扩的潜在影响。结果表明，多年冻土退化并不意味着土地能够立即转变为适宜农业开发的区域：在SSP5-8.5情景下，约18%的新增农业适宜区可能因持续的多年冻土扰动而不适宜耕作；在SSP1-2.6情景下，由于多年冻土退化速度较慢，这一比例进一步上升至约29%。

图4 考虑多年冻土约束后的新增农业适宜区综合适宜性评价

该研究在半球尺度上系统整合农业适宜性变化与多年冻土退化过程，揭示了气候变暖背景下农业北扩面临的重要地表约束。研究表明：全球变暖将持续推动农业气候适宜区向北扩张，但多年冻土其退化过程及引发的地表扰动将成为未来高纬度农业发展的重要限制因素。未来仍需结合区域尺度模型、实地观测以及当地社区经验，进一步评估多年冻土退化背景下农业开发的实际可行性，为北极及亚北极地区的农业适应和土地利用规划提供科学支撑。

供稿：徐松

编辑：冯海鹏

审核：效存德，苏勃