Nästan 25 procent av världens undernärda befolkning bor i Afrika söder om Sahara, där mer än 300 miljoner människor är beroende av majs, eller majs, som deras huvudsakliga födokälla. Majs är den mest skördade jordbruksprodukten i Afrika och odlas av småbönder som är mycket beroende av regnvatten snarare än bevattning. Grödan är därför extremt känslig för torka, och sedan 2015 har dess produktion minskat dramatiskt som ett resultat av rekordstora torkaförhållanden i södra och östra Afrika.

Nu har MIT-forskare funnit att klimatförändringarna sannolikt kommer att ytterligare förvärra torkan i delar av kontinenten, dramatiskt omformar produktionen av majs i hela Afrika söder om Sahara när den globala temperaturen stiger under nästa århundrade.

I en artikel publicerad online denna vecka i tidskriften Earth's Future, forskarna rapporterar att om världens medeltemperaturer stiger med 4 grader Celsius till år 2100, stora delar av södra Afrika och Sahel-regionen strax söder om Saharaöknen – regioner som bidrar med en betydande del av Afrikas majsproduktion – kommer att uppleva ökad torrhet, vilket i sin tur förutspås minska majsskördarna i vissa länder med över 20 procent.

"[Majs] är en relativt torkkänslig gröda i en region där jordbruksproduktionen mestadels regnar, " säger huvudförfattaren Amy Dale, en postdoc vid MIT:s Department of Earth, Atmosfärs- och planetvetenskap (EAPS). "Om vi ​​under klimatförändringarna har förändringar i temperatur och nederbörd, detta är utan tvekan ett av de värsta områdena i världen där vi kommer att se riktigt negativa effekter på växtodling och undernärda befolkningar."

Forskarnas analys visar också att klimatförändringarnas inverkan är mindre säker för de mest torra regionerna i Afrika söder om Sahara, inklusive de halvtorra regioner som producerar över 40 procent av afrikansk majs söder om Sahara.

Kenneth Strzepek, en medförfattare på uppsatsen och forskare i MIT:s gemensamma program för vetenskap och politik för global förändring, säger att studiens resultat ger en karta för hur jordbruksförhållandena kommer att förändras under nästa århundrade, samt var klimatförändringarnas inverkan är ännu mindre tydlig. All denna information, han säger, är avgörande för statliga planerare som syftar till att bygga upp Afrikas ekonomi och infrastruktur.

"De står inför ett stort problem med hur man ska utforma utvecklingspolitik under risken för klimatförändringar, " Strzepek säger. "Regeringar vill vara djärva och bygga infrastruktur i vissa regioner, men om 30 år har vi råd att ha [dessa strukturer] strandsatta? Den typ av resultat som kommer ut från den här studien är värdefulla för hur [utveckling] går framåt."

Strzepek och Dales medförfattare inkluderar Charles Fant, en före detta postdoc; Megan Lickley, en EAPS doktorand; och Susan Solomon, Lee och Geraldine Martin professor i miljöstudier i EAPS.

Kör siffrorna

För att bedöma klimatförändringens inverkan på majsproduktion, forskarna använde en multimodellstrategi, fungerande kombinationer av förutsägelser av globala klimatmodeller till en skördmodell med öppen källkod som simulerar skördar under på varandra följande växtsäsonger.

De anpassade grödemodellen för att simulera majsproduktion i Afrika, först dela kontinenten i ett rutmönster, med varje rutnätscell som mäter cirka 200 kvadratkilometer. De tillämpade grödamodellen för att simulera majsväxt för varje rutnätscell, mata in i modellen olika indata för varje lokalt nät, såsom egenskaperna hos jorden och området för skördade grödor i en viss region – alla data de erhållit från allmänt tillgängliga datauppsättningar.

Teamet körde grödmodellen under 122 framtida klimatscenarier, eller prognoser av temperatur och nederbörd. Medianprojektioner beräknades för var och en av fem klimatmodell "ensembler" - uppsättningar av simuleringskörningar som representerar antingen kombinationer av olika klimatmodeller eller en enda modell som körs flera gånger.

Att jämföra resultaten för varje ensembletyp belyser de viktigaste källorna till osäkerhet i modellförutsägelser. Denna analys visade att klimatsystemets "kaotiska" natur, eller dess extrema känslighet för det initiala tillståndet för klimatsystemet som antas i varje modell, var en stor källa till osäkerhet.

En osäker framtid

Genom att kombinera klimat- och växtmodeller, teamet simulerade majsskörd i Afrika för åren 2030, 2050, och 2090, under två klimatförändringsscenarier där den globala genomsnittliga årstemperaturen skulle stiga med 2 grader eller 4 grader Celsius år 2100 under olika växthusgaskoncentrationsbanor. Dessa scenarier beskrivs i den femte utvärderingsrapporten från den mellanstatliga panelen för klimatförändringar, som "Representativ koncentrationsväg 4.5 och 8.5."

Över större delen av kontinenten, forskarna fann att de flesta klimatmodellerna var överens om riktningen för förändringen av majsproduktionen på grund av klimatförändringarna. Under det värsta scenariot, där den globala temperaturen kommer att stiga med 4 grader Celsius, dessa modeller uppskattar att Sahel och södra Afrika kommer att uppleva omfattande avkastningsförluster, med vissa rutnätsceller som visar förluster på upp till 50 procent. De mest pessimistiska simuleringskörningarna förutspår en 30-procentig minskning av majsproduktionen i södra Afrika till 2090, med förluster i Zambia som nådde 40 procent.

Modellerna är också överens om klimatförändringens effekt i subregioner i östra Afrika, förutspår att det etiopiska höglandet och Afrikas horn kommer att uppleva något högre majsskörd. Majsproduktionen i Centralafrika kommer att förbli ungefär densamma, eftersom tropiska regnskogar där får regelbunden nederbörd och är i allmänhet motståndskraftiga mot klimatförändringar.

Dale och hennes kollegor observerade att klimatmodellerna producerade ett mycket bredare utbud av förutsägelser – och därför en högre grad av osäkerhet – i de mest torra regionerna i Afrika. Vissa modeller förutspådde positiva förändringar i skörden, medan andra uppskattade mer negativa effekter i öken- och savannregioner.

"Vad detta innebär är, vi behöver förvaltningsstrategier som är robusta mot osäkerhet, " säger Dale. "Förändringar i gårdsskala som att byta kultivarer, utökad bevattning och näringshantering, förändringar i planteringsdatum, och ökad institutionell kapacitet som försäkringsprogram, forskningsstöd, och förbättringar av livsmedelstransporter. Vi måste tänka på mångfacetterade tillvägagångssätt för att anpassa oss till klimatförändringarna."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.