《Agronomy for Sustainable Development》：Limits to adaptation: Agroforestry buffers but does not offset climate change impacts on maize yields in Dodoma, Tanzania
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坦桑尼亚中部半干旱地区农业生产率低下，预计将因气候变化进一步下降，加剧农村人口本已严重的粮食不安全状况。农林复合系统因其多方面的生物物理和社会经济益处在该地区被积极推广为一种适应策略，但其能否缓冲未来气候变化对玉米产量的影响尚未得到量化评估。此前坦桑尼亚中部的
坦桑尼亚中部半干旱地区农业生产率低下，预计将因气候变化进一步下降，加剧农村人口本已严重的粮食不安全状况。农林复合系统因其多方面的生物物理和社会经济益处在该地区被积极推广为一种适应策略，但其能否缓冲未来气候变化对玉米产量的影响尚未得到量化评估。此前坦桑尼亚中部的模拟研究仅关注玉米单作或当前气候条件下的农林复合系统。此外，农林复合系统带来的产量增益是否构成真正的适应仍不明确。本研究首次展示如何运用综合评估框架将预测产量变化分解为四个不同指标：气候变化影响、农林复合系统影响、农林复合系统适应效应以及适应条件下的气候变化影响。研究人员使用农业生产系统模拟器（APSIM）模拟了多多马六个站点在当前气候条件以及低排放和高排放情景（共享社会经济路径SSP1-2.6和SSP5-8.5）下以2030年（2016–2045年）和2050年（2036–2065年）为中心的两个时期的玉米产量。地上部农林复合系统效应通过10%和20%遮荫、相关温度降低以及树木凋落物输入来表征。无适应措施情况下，气候变化预计将使玉米产量减少23–33%。农林复合系统在所有气候条件下均提高了产量，且农林复合系统适应效应向2050年增强，其中20%遮荫最为有效。然而，适应条件下的气候变化影响表明，农林复合系统能够缓冲但不能抵消产量损失：在高排放情景下，两种遮荫水平的产量均低于基线，且损失向2050年增加。这些结果证明了农林复合系统作为半干旱坦桑尼亚适应策略的潜力与局限。
研究背景方面，气候变化对撒哈拉以南非洲的农业和粮食安全构成重大威胁，该地区约70%人口的生计依赖雨养农业。坦桑尼亚高温和变率大的降雨已导致显著作物产量损失，坦桑尼亚中部玉米产量预计到世纪末将下降5–25%。坦桑尼亚约60%的总人口已处于中度或严重粮食不安全状态。这些挑战在坦桑尼亚中部半干旱农业生态系统中最为突出，低而多变的降雨叠加高温胁迫使小农户应对气候变化的能力极为有限。因此，半干旱农业生态系统适应当前和未来气候条件十分必要。在此背景下，农林复合系统被提出作为适应策略，其潜在的生物物理和社会经济益处包括创造平均气温较低的微气候、减少土壤侵蚀和改善土壤肥力、增强生物多样性、通过食物和木材生产提供收入以及通过碳固存与气候变化减缓产生协同效应。然而，树木与作物竞争水分和养分或树木减少作物可利用光照量时也可能产生负面影响。尽管农林复合系统被推广为潜在的气候变化适应策略，但非洲农业系统中模拟树-作物相互作用的研究相对较少。此前坦桑尼亚中部的模拟研究关注玉米单作或当前气候下的农林复合系统 profitability，尚无研究量化农林复合系统能否缓冲多多马未来气候变化影响，也未评估其产量益处是否构成Lobell（2014）意义上的真正适应。本研究通过首次应用综合评估框架填补这些空白，将气候变化和农林复合系统对玉米产量的综合效应分解为四个不同组成部分：气候变化影响、农林复合系统影响、农林复合系统适应效应以及适应条件下的气候变化影响。研究旨在回答以下问题：气候变化对坦桑尼亚多多马玉米产量的影响是什么，农林复合系统如何帮助减缓这些影响？
研究人员开展的研究方面，研究区域为坦桑尼亚中部多多马地区，覆盖面积41,310 km2，大部分地区为热半干旱气候，年均降水量570 mm，年均最高和最低气温分别为31°C和18°C。主要土地覆盖类型为草地、灌丛和农田，仅8.5%面积被树木覆盖。多多马拥有坦桑尼亚最大的农业用地份额，但生产力低下，玉米产量比全国平均水平低30%。研究选取了多多马非城市地区的六个站点进行作物生长和农林复合系统模拟，每个区贡献一个站点。农林复合系统方面，多多马约10%的农民积极种植树木或实践农林复合系统，常见系统包括树间作、等高种植、边界树、林地和农民管理自然再生。研究选择模拟Grevillea robusta（G. robusta）的效果，该树种自1970年代以来被政府林业项目推广，被农村家庭视为与环境改善、土地所有权和财富相关的创新。G. robusta为常绿速生树种，可高达12–25米，早期树冠相对开阔，虽不固氮但深根系与浅根作物竞争少，适用于农林复合系统。模型选择方面，研究使用农业生产系统模拟器下一代版本（APSIMX, v2022.11.7125.0）模拟气候变化和农林复合系统对多多马玉米产量的影响。在可模拟农林复合系统的多个模型中（如Hi-sAFe、EPIC和WaNuLCAS），选择APSIMX因其覆盖与气候变化和农林复合系统评估相关的最多生态系统属性。研究选用Katumani玉米品种，因其为多多马种植最广泛的品种之一，且此前已在坦桑尼亚和东非地区针对APSIM进行了校准。模型性能通过将模拟产量与坦桑尼亚农业部提供的2009–2019年多多马行政级别玉米产量数据以及坦桑尼亚政府公布的2003年和2008年数据进行比较评估，共包含13条记录。计算了均方根误差（RMSE）、归一化均方根误差（nRMSE）、平均绝对误差（MAE）、模型效率（EF）、Willmott一致性指数（d）和百分比偏差（pbias）等统计指标。
关键技术方法方面，研究使用APSIMX（v2022.11.7125.0）作物模型模拟玉米产量；气象数据来自W5E5v2.0数据集（0.5°分辨率）和CHIRPS降水数据（0.05°分辨率）；土壤数据来自SoilGrids（250×250 m分辨率，深度达2米）；未来气候数据来自ISIMIP3b的三个全球气候模型（MRI-ESM2-0、IPSL-CM6A-LR、MPI-ESM1-2-HR），SSP1-2.6和SSP5-8.5情景；农林复合系统效应通过将天气文件中入射太阳辐射减少10%和20%来模拟遮荫，并用随机森林回归量化遮荫对气温的冷却效应；凋落物输入基于埃塞俄比亚G. robusta凋落物实测数据（325 kg ha?1 yr?1，N添加1.84 kg ha?1）代表10%遮荫情景，20%遮荫情景假设凋落物翻倍（650 kg ha?1）；采用四指标分解框架（气候变化影响、农林复合系统影响、农林复合系统适应效应、适应条件下的气候变化影响）量化各效应。
研究结果方面，模型性能评估表明，APSIMX在模拟多多马无农林复合系统的玉米产量方面表现可接受（d > 0.75且EF > 0），Willmott指数（d）为0.77，模型效率（EF）为0.12，RMSE为247 kg/ha，nRMSE为31.9%，MAE为183 kg/ha，pbias为?0.1%，表明模型满意地再现了多多马玉米平均产量水平。多多马预测气候变化方面，与基线期（1990–2019年，年降水量623 mm，平均最低气温16.5°C，平均最高气温28.3°C）相比，所有未来情景均显示温度升高和降水模式多变。取决于SSP，到2050年最低气温预计升高0.8–2.0°C，最高气温预计升高0.5–2.2°C，SSP5-8.5下增温最高可达30.5°C。年降水量变化不确定性较大，预测范围约572 mm至725 mm。模拟气候变化对玉米产量的影响方面，三个GCM平均而言，基线长期平均产量763 kg ha?1预计减少23–24%，但SSP5-8.5下2050年减少达33%。三个GCM一致预测气候变化对玉米产量产生负面影响。模拟农林复合系统对玉米产量的影响方面，基线气候条件下10%和20%遮荫分别使玉米产量增加15%和14%。未来气候条件下，农林复合系统正向影响持续并增强，相对基线管理产量增益达25–42%。20%遮荫益处更大。农林复合系统影响一般从2030年到2050年以及从低排放到高排放情景增加。模拟农林复合系统适应效应方面，所有农林复合系统气候变化模拟均显示正适应效应，集合均值表明适应效应为4–13%，取决于遮荫水平、排放情景和时期。20%遮荫适应效应更大且向2050年增加。模拟适应条件下的气候变化影响方面，集合均值范围为?8%至+6%，表明农林复合系统可缓冲但不能完全逆转负面气候变化影响。低排放情景20%遮荫下适应条件下的气候变化影响转为正值（2030年+3%，2050年+6%），表明农林复合系统益处可超过气候变化负面影响使产量超过基线。高排放情景下，两种遮荫水平残余气候变化影响均为负值（10%遮荫2030年?6%、2050年?8%；20%遮荫2030年?1%、2050年?5%），表明严重增温下仅靠农林复合系统不足以防止产量损失。
讨论部分总结，气候变化对玉米产量的影响方面，模拟结果表明气候变化可能对玉米产量产生负面影响，范围为?23%至?33%。这与其他模拟研究一致但略为悲观。温度升高可能是模拟玉米产量损失的主要驱动因素，因为升温加速作物发育、缩短灌浆期并放大干旱和热胁迫。农林复合系统对玉米产量的影响方面，模拟地上部农林复合系统效应在基线气候下使玉米平均产量增益14–15%，与全球荟萃分析报告的热带和亚热带地区16%中位数增长一致。但模拟增益应解释为最佳情景，因为使用的遮荫水平较低（10%和20%）不太可能造成光照限制，且模拟未考虑地下部水分和养分竞争。农林复合系统缓冲但不能抵消气候变化影响方面，两个关键发现：第一，模拟结果显示正农林复合系统适应效应为10%遮荫下4–9%、20%遮荫下8–13%；第二，适应条件下的气候变化影响表明农林复合系统可缓冲但不能完全抵消气候变化对玉米产量的影响。低排放情景20%遮荫下产量超过基线，但高排放情景下即使采用农林复合系统仍存在显著产量损失。农林复合系统协同效益和政策启示方面，农林复合系统适应有其局限性，在多数未来气候条件下不足以维持多多马玉米产量，凸显气候变化减缓仍不可或缺。农林复合系统可发挥重要作用，因其提供远超作物产量改善的协同效益，包括可观的碳固存潜力（平均3.5–9.8 Mg CO2 ha?1 yr?1）。政策建议包括：继续加强小农户农林复合系统采用推广；更多关注本土和固氮树种（如Faidherbia albida、Albizia gummifera）；仔细管理树间距和修剪实践确保遮荫水平在有益范围内；考虑将果树如芒果、鳄梨、香蕉和猴面包树纳入农林复合系统。局限性与未来研究方向方面，主要局限是模拟框架中农林复合系统的简化和静态表征，树木生长未动态模拟，树木对土壤性质和水动力学的若干重要影响被省略，树木效应被视为静态。气候变化预测本身存在不确定性，尽管使用了三个GCM，使用更多GCM和集合均值可提高确定性；依赖单一作物模型也带来不确定性。未来研究应优先对农林复合系统中作物和树木组分进行动态模拟，明确表征地下部水分和养分竞争，收集土壤健康指标的田间实测数据，测试更广泛的遮荫水平和树木管理情景，并整合树木对气候变化的响应。
研究结论部分翻译：本研究旨在评估气候变化对坦桑尼亚多多马玉米产量的影响，并评价农林复合系统抵消这些负面影响的潜力。APSIM作物模型模拟结果表明，若无适当适应措施，玉米产量可能下降23–33%，取决于排放情景（SSP1-2.6、SSP5-8.5）和时间范围（2030年、2050年）。通过将气候变化和农林复合系统的综合效应分解为四个不同指标，研究揭示农林复合系统在所有模拟气候条件下均持续提高玉米产量，并在未来气候下产生正适应效应。产量增加和正适应效应均有助于保障多多马及类似半干旱环境的玉米产量，前提是农民采用适当的管理实践如定期修剪和受控遮荫管理，在本模拟中20%遮荫最为有效。然而，适应条件下的气候变化影响表明，农林复合系统能够缓冲但不能完全抵消气候变化影响，强调适应存在极限，气候变化减缓对于将影响控制在可管理范围内仍不可或缺。这在高排放情景（SSP5-8.5）下尤为明显，两种遮荫水平下产量损失持续存在并向2050年增加。最后，研究强调及时行动的重要性：由于建立农林复合系统是一项长期工作，早期实施对于确保其益处在最需要时可用至关重要，无论是在当前气候条件下还是在面对未来气候变化时。
