Världens befolkning förväntas växa till nästan 10 miljarder år 2050. Med 3,4 miljarder fler munnar att mätta, och medelklassens växande önskan om kött och mejeriprodukter i utvecklingsländerna, den globala efterfrågan på mat skulle kunna öka med mellan 59 och 98 procent. Det betyder att jordbruket runt om i världen behöver öka produktionen och öka avkastningen. Men forskare säger att effekterna av klimatförändringar - högre temperaturer, extremt väder, torka, ökande halter av koldioxid och höjning av havsnivån – hotar att minska mängden och äventyra kvaliteten på vår livsmedelsförsörjning.

En nyligen genomförd studie av den globala produktionen av grönsaker och baljväxter drog slutsatsen att om utsläppen av växthusgaser fortsätter på sin nuvarande bana, avkastningen kan minska med 35 procent till år 2100 på grund av vattenbrist och ökad salthalt och ozon.

En annan ny studie fann att amerikansk produktion av majs (a.k.a. majs), varav mycket används för att utfodra boskap och göra biobränsle, skulle kunna halveras genom en 4˚C ökning av den globala temperaturen – vilket kan hända till 2100 om vi inte minskar våra utsläpp av växthusgaser. Om vi ​​begränsar uppvärmningen till under 2˚C, målet för klimatavtalet i Paris, Den amerikanska majsproduktionen kan fortfarande minska med cirka 18 procent. Forskare fann också att risken för världens fyra främsta majsexportörer (USA, Brasilien, Argentina och Ukraina) som drabbas av samtidiga missväxter på 10 procent eller mer är cirka 7 procent med en temperaturökning på 2˚C. Om temperaturen stiger 4˚C, oddsen skjuter upp till svindlande 86 procent.

"Vi är mest oroade över de kraftigt minskade avkastningarna, sade Peter de Menocal, Dekan för vetenskap vid Columbia University och chef för Center for Climate and Life. "Vi har redan problem med att föda världen och denna ytterligare påverkan på skördarna kommer att påverka världens fattigaste och förstärka klyftan mellan rika och fattiga som redan finns."

Men klimatförändringarna kommer inte bara att påverka grödor – det kommer också att påverka köttproduktionen, fiske och andra grundläggande aspekter av vår livsmedelsförsörjning.

Extrema väder

Åttio procent av världens grödor är regnfodrade, så de flesta bönder är beroende av det förutsägbara väder som jordbruket har anpassat sig till för att kunna producera sina grödor. Dock, klimatförändringar förändrar nederbördsmönster runt om i världen.

När temperaturen stiger, den varmare luften håller mer fukt och kan göra nederbörden mer intensiv. Extrema nederbördshändelser, som blir allt vanligare, kan direkt skada grödor, vilket resulterar i minskade skördar.

Översvämningar till följd av den ökande intensiteten av tropiska stormar och höjning av havsnivån kommer sannolikt också att öka med klimatförändringarna, och kan dränka grödor. Eftersom översvämningsvatten kan transportera avloppsvatten, gödsel eller föroreningar från vägar, gårdar och gräsmattor, fler patogener och toxiner kan hitta vägen till vår mat.

Varmare väder kommer att leda till snabbare avdunstning, vilket resulterar i mer torka och vattenbrist – så det blir mindre vatten för bevattning precis när det behövs som mest.

Cirka 10 procent av grödorna som odlas i världens stora livsmedelsregioner bevattnas med grundvatten som inte är förnybart. Med andra ord, akviferer dräneras snabbare än de fylls på – ett problem som bara kommer att bli värre när världen fortsätter att värmas upp, förklarade Michael Puma, chef för Columbias Center for Climate Systems Research.

Detta händer i stora livsmedelsproducerande regioner som USA:s Great Plains och Kaliforniens Central Valley, och i Pakistan, Indien, nordöstra Kina, och delar av Iran och Irak.

"Utarmning av grundvatten är ett långsamt byggande tryck på vårt matsystem, ", sa Puma. "Och vi har ingen effektiv policy på plats för att hantera det faktum att vi utarmar våra stora resurser i våra stora livsmedelsproducerande regioner, vilket är ganska oroande."

Klimatprognoser visar att torka kommer att bli vanligare i stora delar av USA, speciellt sydväst. I andra delar av världen, torka och vattenbrist förväntas påverka produktionen av ris, vilket är en basföda för mer än hälften av människorna på jorden. Under svåra torka år, Skörden av regnmat ris har minskat med 17 till 40 procent. I Syd- och Sydostasien, 23 miljoner hektar regnfodrade risproduktionsområden är redan utsatta för vattenbrist, och återkommande torka påverkar nästan 80 procent av de regnfodrade risodlingsområdena i Afrika.

Extremt väder, inklusive kraftiga stormar och torka, kan också störa mattransporten. Om inte maten förvaras på rätt sätt, detta kan öka risken för förstörelse och kontaminering och resultera i fler livsmedelsburna sjukdomar. En allvarlig sommartorka 2012 minskade sjöfartstrafiken på Mississippifloden, en viktig väg för att transportera grödor från Mellanvästern. Minskningen av pråmtrafiken resulterade i betydande mat- och ekonomiska förluster. Översvämningar som följde under våren orsakade ytterligare förseningar i livsmedelstransporterna.

Stigande temperaturer

Global uppvärmning kan gynna vissa grödor, såsom potatis i norra Europa och ris i Västafrika, och gör det möjligt för vissa bönder att odla nya grödor som bara trivs i varmare områden idag. I andra fall, klimatförändringar skulle kunna göra det omöjligt för jordbrukare att odla sina traditionella grödor; idealiska odlingsförhållanden kan skifta till högre breddgrader, där terrängen eller jorden kanske inte är lika bördig, vilket resulterar i mindre mark tillgänglig för produktivt jordbruk.

Den slutliga effekten av stigande värme beror på varje grödas optimala temperaturintervall för tillväxt och reproduktion. Om temperaturen överstiger detta intervall, avkastningen kommer att sjunka eftersom värmestress kan störa en växts pollinering, blommande, rotutveckling och tillväxtstadier.

Enligt en rapport från National Academy of Sciences från 2011, för varje grad Celsius som den globala termostaten stiger, det kommer att ske en minskning med 5 till 15 procent av den totala växtproduktionen.

Värmevågor, som förväntas bli vanligare, göra boskapen mindre bördiga och mer sårbara för sjukdomar. Mjölkkor är särskilt känsliga för värme, så mjölkproduktionen kan minska.

Parasiter och sjukdomar som riktar sig till boskap trivs i varma, fuktiga förhållanden. Detta kan leda till att djuruppfödare behandlar parasiter och djursjukdomar genom att använda fler kemikalier och veterinärmedicinska läkemedel, som sedan kan komma in i näringskedjan.

Klimatförändringar kommer också att möjliggöra ogräs, skadedjur och svampar för att utöka sitt utbud och antal. Dessutom, tidigare vårar och mildare vintrar gör att fler av dessa skadedjur och ogräs kan överleva under en längre tid.

Växtsjukdomar och skadedjur som är nya i ett område kan förstöra grödor som inte har hunnit utveckla försvar mot dem. Till exempel, nya virulenta mutantstammar av veterost, en svampinfektion som inte har setts på över 50 år, har spridit sig från Afrika till Asien, Mellanöstern och Europa, förödande skördar.

Högre nivåer av koldioxid

Eftersom växter använder koldioxid för att göra sin mat, mer CO2 i atmosfären kan öka skördarna i vissa områden under andra förhållanden - näringsmängder, markfuktighet och vattentillgång — är rätt. Men de gynnsamma effekterna av stigande koldioxidnivåer på växternas tillväxt kan kompenseras av extremt väder, torka eller värmestress.

Medan högre CO2-nivåer kan stimulera växttillväxt och öka mängden kolhydrater som växten producerar, detta sker på bekostnad av protein, vitamin- och mineralinnehåll. Forskare fann att växternas proteininnehåll sannolikt kommer att minska avsevärt om koldioxidnivåerna når 540 till 960 delar per miljon, som vi beräknas nå år 2100. (Vi ligger för närvarande på 409 ppm.) Studier visar att korn, vete, potatis och ris har 6 till 15 procent lägre koncentrationer av protein när de odlas på dessa nivåer av CO2. Proteininnehållet i majs och sorghum, dock, minskade inte nämnvärt.

Dessutom, koncentrationerna av viktiga grundämnen – som järn, zink, kalcium, magnesium, koppar, svavel, fosfor och kväve – förväntas minska med mer CO2 i atmosfären. När CO2-nivåerna stiger, öppningarna i växtens skott och blad krymper, så de förlorar mindre vatten. Forskning tyder på att när växter förlorar vatten långsammare, deras cirkulation saktar ner, och de drar in mindre kväve och mineraler från jorden. Vitamin B-nivåer i grödor kan också sjunka eftersom kväve i växter är avgörande för att producera dessa vitaminer. I en studie, ris som odlats med förhöjda CO2-koncentrationer innehöll 17 procent mindre vitamin B1 (tiamin), 17 procent mindre vitamin B2 (riboflavin), 13 procent mindre vitamin B5 (pantotensyra), och 30 procent mindre vitamin B9 (folat) än ris som odlas under nuvarande CO2-nivåer.

En varmare, surare hav

540 miljoner människor runt om i världen är beroende av fisk för sitt protein och sin inkomst – men skaldjur kommer att påverkas av klimatförändringar, för. Sedan 1955, haven har absorberat över 90 procent av överskottsvärmen som fångas av växthusgasutsläpp i atmosfären. Som ett resultat, havet är varmare idag än det någonsin varit sedan registreringen började 1880.

När haven värms upp, många fiskar och skaldjur rör sig norrut på jakt efter kallare vatten.

Utanför USA:s nordöstra kust, amerikansk hummer, röd kummel och svart havsabborre har flyttat sin räckvidd i genomsnitt 119 miles norrut sedan slutet av 1960-talet. I Portugal, fiskare har nyligen fångat 20 nya arter, de flesta migrerade från varmare vatten. Och Chinook lax, finns vanligtvis runt Kalifornien och Oregon, går nu in i arktiska floder. Flytta in på nytt territorium, dock, dessa arter kan möta konkurrens med andra arter om mat, vilket kan påverka deras överlevnadsgrad. Räckviddsförskjutningarna påverkar fiskare, för, som måste välja om de ska följa fisken de är vana vid att fånga när de flyttar norrut eller fiskar olika arter. När dessa ekosystem förändras, fiskereglerna har svårt att hänga med, äventyra försörjningen för fiskare vars kvoter för vissa fiskarter kanske inte längre är relevanta.

Varmare vatten kan ändra tidpunkten för fiskens migration och reproduktion, och kan påskynda fiskens ämnesomsättning, vilket resulterar i att deras kroppar tar upp mer kvicksilver. (kvicksilverföroreningar, från förbränning av fossila bränslen, hamnar i havet och byggs upp i marina varelser.) När människor äter fisk, de får i sig kvicksilvret, som kan ha toxiska effekter på människors hälsa.

Högre vattentemperaturer ökar förekomsten av patogener och marina sjukdomar hos arter som ostron, lax och abalone. Vibrio bakterier, som kan förorena skaldjur och, när det intas av människor, orsaka diarré, feber och leversjukdom, är vanligare när havsytans temperaturer stiger, för.

Förutom att värma upp, havet har tagit upp nästan en tredjedel av den koldioxid som människor har genererat, som har förändrat sin kemi. Havsvatten är nu 30 procent surare än det var under den industriella revolutionen.

När havets surhet ökar, det finns färre karbonatjoner i havet för de marina arterna som behöver kalciumkarbonat för att bygga sina skal och skelett. Några skaldjur, som musslor och pterapoder (små marina sniglar vid basen av näringskedjan) börjar redan skapa tunnare skal, vilket gör dem mer sårbara för rovdjur. Havsförsurning kan också störa utvecklingen av fisklarver och störa luktsinnet som fiskar är beroende av för att hitta mat, livsmiljöer och undvik rovdjur. Dessutom, Det stör de ekosystem som det marina livet är beroende av.

Enligt forskning som görs vid Columbias Center for Climate and Life, havets uppvärmning och försurning kan leda till att mikrobiella samhällen i havet omstruktureras. Eftersom dessa känsliga mikrober är grunden för den globala näringskedjan, vad som händer med dem kan få oförutsedda och enorma effekter på vår livsmedelsförsörjning.

Höjning av havsnivån

Vissa experter förutspår att havsnivån kan stiga en meter till år 2100 på grund av smältande polarisar och glaciärer. I Asien, där mycket av riset odlas i kustområden och låglänta deltan, stigande hav kommer sannolikt att störa risproduktionen, och saltvatten som rör sig längre in i landet skulle kunna minska avkastningen.

Vattenbruk av sötvattensarter påverkas också av höjning av havsnivån eftersom saltvatten kan röra sig uppströms i floder. Till exempel, i Mekongdeltat och Irawaddy-regionen i Vietnam och Myanmar, det blomstrande havskattvattenbruket kan påverkas av saltvattenintrång. Om detta inträffar, fiskodlingar skulle behöva flyttas längre uppströms eftersom havskatt har liten tolerans för salthaltiga förhållanden.

Vem kommer att känna effekterna?

Klimatförändringarna kommer inte bara att påverka livsmedelsproduktionen och konsumenterna; när optimala odlingsförhållanden förändras med klimatet, samhällen som är beroende av fiske eller jordbruk för sin försörjning kommer att störas.

Vissa områden med högre latitud kan gynnas och bli mer produktiva, men om utsläppen fortsätter att öka, utsikterna för livsmedelsproduktion från 2050 till 2100 är inte bra. Rika nationer och tempererade regioner kommer förmodligen att kunna motstå de flesta effekterna, tropiska regioner och fattiga befolkningar kommer att stå inför de största riskerna. Barn, gravid kvinna, de äldre, låginkomstsamhällen och de med försvagat immunförsvar eller kroniska medicinska tillstånd kommer att vara mest mottagliga för förändringar i mattillgång, säkerhet och näring.

Dessutom, eftersom mat är en global handelsvara idag, klimathändelser i en region kan höja priserna och orsaka brister över hela världen. Från och med 2006, torka i stora veteproducerande länder var en nyckelfaktor i en dramatisk ökning av livsmedelspriserna. Många länder upplevde matupplopp och politisk oro.

Hur vetenskap kan motverka effekter

"Livsmedelssäkerhet kommer att bli en av de mest pressande klimatrelaterade frågorna, främst för att större delen av världen är relativt fattig och mat kommer att bli alltmer knapphändig och dyrare, " sa de Menocal. "Så vilken typ av lösningar kan vetenskapen tillhandahålla för att hjälpa?"

Självklart, det bästa sättet att minska dessa risker för vår livsmedelsförsörjning är att implementera policyer för att minska utsläppen av växthusgaser. Earth Institute forskare, dock, arbetar med några ambitiösa och potentiellt långtgående projekt för att minska riskerna för livsmedelssystemet.

Columbias internationella forskningsinstitut för klimat och samhälle leder ett projekt som heter Adapting Agriculture to Climate Today, för morgondagen, eller ACToday. En del av Columbia World Projects, ACToday kommer att hjälpa till att maximera livsmedelsproduktionen och minska skördförlusterna genom att mer exakt förutsäga och hantera risken för översvämningar och torka, förbättra ekonomiska metoder, och, när en matkris utspelar sig, identifiera behovet av hjälpinsatser tidigare. Projektet introducerar toppmoderna verktyg för klimatinformation och förutsägelse i sex länder:Etiopien, Senegal, Colombia, Guatemala, Bangladesh och Vietnam.

I händelse av en betydande störning i det globala livsmedelssystemet, det finns ingen byrå inom den amerikanska regeringen vars ansvar det är att ta ansvar, sa Puma. Hans fokus har varit att försöka förstå potentiella störningar, som kan relateras till extremt väder, elnätet, konflikt, eller andra faktorer. "Vi vill förstå matsystemet mer på djupet så att vi kan identifiera sårbarheter och anpassa systemet för att hantera dessa, " sa han. Att arbeta med kollegor vid Potsdam Institute for Climate Impact Research i Tyskland, han bygger kvantitativa ekonomiska modeller för att undersöka sårbarheter i livsmedelssystemet under olika scenarier; de kommer att använda verktyget för att utforska hur förändringar av vissa policyer kan minska livsmedelssystemets sårbarhet för störningar.

Center for Climate and Life lägger sina ansträngningar på att bygga broar mellan näringslivet och vetenskapssamhället i New York, för att hjälpa investerare att klargöra de finansiella riskerna och möjligheterna med klimatförändringar. Stora värdepappersföretag med långsiktiga åsikter har biljoner dollar i tillgångar som kan äventyras av klimatförändringarna. De Menocal tror att mer intelligenta investeringsstrategier kan eftersträvas med en vetenskapsbaserad strategi. "Om du engagerar dig i de största utplaceringarna av pengar på planeten, det är det som kommer att forma beteendet, " sa han. "Om vi ​​kan utbilda dem om hur klimatförändringar kommer att påverka saker som betyder något för människor, då kan de agera på den kunskapen innan dessa saker händer."

Den här historien är återpublicerad med tillstånd av Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu.