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在气候变化背景下，为探究其对农业和林业的影响，研究人员利用 EcoYield-SAFE 模型，以英国北爱尔兰为案例展开研究。结果显示，未来气候情景下，作物和树木产量呈增加趋势，土壤有机碳变化因系统而异。该研究为农业应对气候变化提供参考。
气候变化与农业、林业的关系一直是全球关注的焦点。一方面，农业和土地利用变化是温室气体（GHG）的重要来源；另一方面，气候变化和二氧化碳（
CO2）浓度改变又影响着作物、草地和树木的生长。全球约 22% 的温室气体排放与农业、土地利用变化及林业（LULUCF）相关，在欧盟，2016 - 2018 年期间，农业和 LULUCF 每年平均净排放约 118 Mt
CO2e 。与此同时，极端天气事件的频率和强度不断增加，给陆地生态系统及其提供的服务带来了不利影响。在这样的大环境下，探究气候变化对不同农业和林业系统的影响变得尤为重要，这不仅关乎粮食安全，还关系到生态系统的稳定和可持续发展。
为了深入了解气候变化对作物产量、木材产量和土壤有机碳的影响，英国克兰菲尔德大学（Cranfield University）等机构的研究人员开展了此项研究。他们利用并进一步开发了生物物理农林 Yield-SAFE 模型，创建了 EcoYield-SAFE 模型，以英国北爱尔兰的案例研究地点为对象，对比了草地、耕地、林地和农林复合系统的生产力，并通过虚拟实验探究了气候变化和不同树木密度的影响。该研究成果发表在《Agronomy for Sustainable Development》上，为农业和林业适应气候变化提供了重要的科学依据。
研究人员采用了多种关键技术方法。首先，开发 EcoYield-SAFE 模型并纳入CO2施肥效应，该模型基于生物物理 Yield-SAFE 模型改进，能模拟作物和树木生长对环境因素的响应 。其次，收集英国北爱尔兰两个实验站点 1989 - 2021 年的实测数据，包括土壤、作物、树木及气象数据等 。然后，利用区域大气气候模型（RACMO）模拟未来气候情景，并通过量化映射法校正数据偏差。最后，运用模型开展虚拟实验，设置不同树木密度，分析其对系统的影响。
1. 模型校准结果
研究人员使用基线气象数据对 EcoYield-SAFE 模型进行校准。结果表明，该模型预测的单作牧场产量（9.1tDMha?1）与实测值（9.3tDMha?1）相近；林地木材产量和 silvopastoral 系统的木材产量及草地产量预测值也与实测值相符；同时，模型对单作春大麦产量、杨树人工林木材产量和 silvoarable 系统相关产量的预测也较为准确。这表明 EcoYield-SAFE 模型在模拟不同农业和林业系统产量方面具有较高的可靠性。
2. 气候变化对产量的影响
- 草地、林地和 silvopastoral 系统：校准后的模型预测，在未来气候变化和CO2浓度增加的情况下，单作草地的平均草产量将从9.6tha?1 增加到11.0?12.7tha?1；林地 40 年的木材总产量将从429m3ha?1 增加到458?514m3ha?1；silvopastoral 系统 40 年后的木材产量将从272m3ha?1 增加到302?366m3ha?1，林下草产量也有所增加，但木材增长幅度大于草增长幅度，导致草地部分的土地当量比（LER）下降。
- 耕地、杨树人工林和 silvoarable 系统：模型预测，气候变化和CO2浓度增加将使单作耕地系统的平均产量从6.2tha?1 增加到6.4?7.3tha?1；杨树人工林 40 年的木材总产量将从429m3ha?1 增加到429?473m3ha?1；silvoarable 系统 40 年后的收获木材产量将从297m3ha?1 增加到298?324m3ha?1，同时，间作作物产量也有所增加。若仅基于作物（大麦）和树木产量计算土地当量比，silvoarable 系统的 LER 小于 1.0；若包含草产量，则 LER 会更高。
3. 土地利用和气候变化对土壤有机碳的影响
模型预测，单作草地系统在基线气候下，40 年内土壤有机碳（0 - 23 cm）平均每年净减少0.48tha?1yr?1 ；林地系统在种植后的最初几年土壤有机碳储量下降，但从第 11 年到 40 年开始增加，40 年内平均每年增加0.85tCha?1yr?1 ；silvopastoral 系统则在最初 13 年下降，20 年至 40 年增加。在与 silvoarable 实验相关的系统中，仅种植大麦的系统土壤有机碳平均每年下降1.02tChayr?1，大麦后种植草的单作系统下降0.51tCha?1yr?1，杨树系统增加0.19tCha?1yr?1，silvoarable 系统则有中等程度的损失（0.29tCha?1yr?1 ）。总体而言，未来四种气候情景下土壤有机碳的变化与基线系统相似，RCP4.5 2020 - 2060 情景下土壤有机碳增加最多（或减少最少），RCP 8.5 2060 - 2100 情景下增加最少或减少最多。
4. 不同树木密度的虚拟实验结果
在 RCP 8.5（2060 - 2100）情景下，对不同树木密度的虚拟实验表明，在 silvopastoral 实验中，无树木时草产量最高，高树木密度时每公顷木材产量最高；在 silvoarable 实验中，无树木时作物产量最高，高树木密度时每公顷木材产量最高。增加树木密度会导致作物产量下降，但木材产量增加。此外，不同树木密度对土壤有机碳也有影响，在 silvopasture 系统中，降低树木密度可减少前期土壤有机碳的下降幅度；在 silvoarable 系统中，不同树木密度间土壤有机碳差异较小。
研究结论和讨论部分表明，该研究首次在欧洲同一地点验证了生物物理模型，并利用校准后的模型预测了 IPCC 代表性浓度路径（RCP 4.5 和 RCP 8.5）对不同土地利用系统产量和土壤碳的影响。研究发现，虽然将树木整合到农田和草地中在 40 年后会增加土壤有机碳，但这种积极影响在树木建立至少 10 年后才会显现，此前土壤有机碳会下降。虚拟实验为农业系统适应未来气候变化提供了指导，农林复合系统的土地当量比对气候变化具有相对弹性，但不同树木密度会影响系统各组成部分和效益。此外，研究还强调了在预测树木、作物、水和土壤对气候变化的响应时，纳入大气CO2施肥效应对植物生长的重要性，同时指出管理干预措施（如间伐和修剪）可减轻气候变化对产量的影响。然而，该研究也存在局限性，如对CO2施肥效应的模拟较为保守，未考虑养分限制和病虫害风险增加等因素，未来研究可在此基础上进一步完善。
