氣候變化對我國農業和糧食生產的影響

氣候變化研究是20世紀中后期發展起來的一個跨學科領域。其研究遠遠超過了氣候科學研究的范疇，包括宇宙系統科學和社會經濟科學的各個方面。氣候變化及其可能導致的后果和影響是多方面的和廣泛的,1988年建立的政府間氣候變化專門委員會(IPCC)在推動評估與理解人為引起的氣候變化、這種變化的潛在影響以及提出適應和減緩對策方面發揮了重要作用(秦大河等,2007;林爾達等,2007)。國際地圈與生物圈計劃(IGBP)、世界氣候研究計劃(WCRP)、人類與發展計劃(IHDP)及美國的對地觀測計劃(EOS)等全球性研究計劃從不同角度開展了氣候變化及其影響研究。影響力較大的《Science》雜志1992~2004年就有480篇有關氣候變化的科學事實、影響及其應對方案的報道(鄭新奇等,2005)。農業尤其是糧食生產是以作物生長為基礎,直接依賴于水熱土等自然要素,因此對氣候變化非常敏感。可以說,農業是我國受氣候變化影響較大的行業(周義等2011)。我國是一個人口大國,經濟發展加速,生活水平不斷提高,需要確保國內糧食等大宗農產品穩定供給。積極應對氣候變化的不利影響,保持我國糧食生產健康發展,穩定糧食產量,確保國家糧食安全,是我國的基本國策(Simelton,2011;朱曉禧,2012)。目前,國內外圍繞氣候變化對農業的影響已開展了很多研究。該文將從水熱資源、作物品種資源、農業災害、作物布局等角度綜合分析現有氣候變化對農業尤其是糧食生產影響的研究進展。在此基礎上,進一步提出深入研究的主要發展方向,以推動氣候變化對我國農業和糧食生產影響研究的發展。1氣候變化對土壤肥力的影響農業是自然再生產和社會再生產重合的產業部門,是以農作物生長發育為基礎。光、熱、水和土壤等資源要素是決定農業生產的基本自然要素。氣候變化,無論是變暖還是變冷以及溫室氣體濃度變化,將會直接導致輻射、光照、熱量、溫度、濕度、風速等氣候要素時空格局發生變化,從而對農業生產形成全方位、多層次的影響。我國面積超過全國50%的西部干旱半干旱地區,生物量僅占全國的13%;面積不到全國一半的東部地區,生物量占全國的87%。這種東西部土地資源自然生產力的差異主要由于東西部水分條件的差異引起的。此外,東部地區生物量從熱帶向寒溫帶遞減,南北相差5~6倍,這種南北差異主要是南北熱量條件的差異所造成的(唐華俊和周清波,2009)。氣候變化對土壤的影響雖然復雜,但可以歸結為是通過土壤與環境要素尤其是光、熱、水等要素之間的聯系來發生作用,進而影響土壤有機質、土壤氣體、土壤水分、礦物質、土壤微生物活動和繁殖而影響土壤肥力(Vanetal.,1993;肖輝林和鄭習健,2001)。很多學者利用模擬模型分析研究了氣候變化對土壤肥力的影響,高魯鵬等(2005)利用CEN-TURY模型對草原化草甸植被下黑土在環境要素變化背景下的演化趨勢進行定量模擬,結果表明:氣溫升高或降水量減少將會導致土壤有機碳含量的降低;相反,氣溫降低或降水量增加則有利于土壤有機碳的增多,但以氣溫變化的作用為主導。秦小光等(2001)利用陸地生態模型開展黃土高原土壤生物地球化學過程的定量模擬,深入研究了不同氣候條件下黃土高原土壤有機碳變化的敏感性試驗,結果表明降水變化是影響該地區土壤有機碳變化的主要因素。白人海(2005)利用土壤調查數據,分析了松嫩流域黑土地有機碳含量的分布狀況和近50年來的變化趨勢,并結合該地區氣溫和降水等氣候要素的變化,分析了氣候變化對該地區土壤碳含量變化的影響。土壤有機質是土壤肥力的重要構成要素。為了提高農業生產對氣候變化的適用性,深入研究不同氣候要素時空變化對土壤有機質和土壤肥力的影響顯得越來越重要。2氣候變化對農業的影響農業的自然再生產特性決定了農業生產受自然條件尤其是光熱水要素的直接制約。不同地區適宜生長的作物品種與種類和當地的氣候條件有密切關聯(郭建平等,2001;Keelingetal.,1982)。氣候變化,也即主要氣象要素的變化,將在很大程度上對農作物品種資源尤其是種類及其適生性等產生影響。氣候變暖,氣溫升高,將改變作物生長季節的長短,可能會加劇對光熱敏感作物的吸收作用,降低作物干物質積累,最終導致作物產量降低。氣候變暖大大增強我國多數區域的有效積溫,有效延長了作物生長周期,為培育晚播早熟小麥品種與晚熟玉米品種提供了可能,可以大大提高光熱資源的利用率。因此,氣候變化對農業的影響有雙重表現,一方面,氣候變化可能會加劇農業生產的逆境(包括生物逆境與非生物逆境),另一方面它又增加了寶貴的光熱資源,有利于作物生長發育。陳宜瑜等(2005)指出,加快培育和種植較為“強悍”的農作物,合理改變農作物種植方式,是應對全球氣候變化、保障糧食生產的有效途徑之一。國際水稻研究所(IRRI)一直致力于研究開發新的耐逆水稻新品種,同時認為還應發展作物生產管理技術。我國在應對全球氣候變化的主要農作物多樣性布局、基因資源發掘和新品種培育方面比較滯后,相關的理論和技術儲備薄弱,應進一步加強氣候變化對我國主要農作物品種資源影響的研究,提出應對未來可能氣候變化的我國主要農作物品種育種改良策略。3氣候突變對雙季稻產量的影響雖然農業生產受自然適宜性的制約,但同時它也是一種社會經濟再生產過程。區域農業發展,是農業生產活動適應自然條件的結果,直接表現為不同地區之間的作物種植制度和生產布局差異。因此,氣候變化對作物種植制度、生產結構和區域布局都有較大的影響(李祎君和王春乙,2010)。金之慶等(2002)利用模型的方法評價了氣候變暖對研究區域作物布局和品種布局的階段性影響,分析了我國冬小麥安全種植北界在研究地區可能出現的地理位移。楊曉光等(2010)的最新研究表明,隨著溫度的升高,1981~2007年間中國一年兩熟制、一年三熟制的種植北界都較之1950~1980年有不同程度北移,我國北方遼寧省、河北省、山西省、陜西省、內蒙古、寧夏、甘肅省和青海省冬小麥的種植北界不同程度北移西擴。氣候變暖也使雙季稻的種植北界不同程度北移。張厚瑄(2000)指出,氣候變暖對我國作物種植制度將有較大的影響,我國主要農區光熱量資源在氣候變化作用下將有不同程度的增加,有利于農業豐產,一年二熟和一年三熟的種植北界將有所北移。但是,降水變化的影響可能對我國農業生產構成不利影響,因此,種植制度在氣候變化背景下的演變仍具有較大的不確定性。云雅如等(2005)研究指出,黑龍江省過去20年水稻播種范圍向北和向東擴展,種植面積比重顯著增加,小麥種植范圍大幅向北退縮,與氣候變暖帶來的積溫增加與積溫帶北移東擴密切相關。熊偉等(2006)運用兩種溫室氣體排放方案下模擬了氣候變化對我國小麥生產發展變化的可能影響。林而達(1997)認為,在大氣CO2濃度倍增的情況下,我國水稻主產區熱量資源趨于豐富,但溫度升高使作物發育速率加快,生育期縮短,若品種和播種、移栽期不變,水稻產量將下降。李玉娥和張厚瑄(1992)預測了CO2濃度增加對我國北方春玉米和夏玉米都將有增產作用。王修蘭和徐師華(1994)采用半封閉式同化箱測量裝置進行的盆栽大豆在不同CO2濃度下的生物量與經濟產量變化研究也支持了CO2濃度增大對大豆產量增長有積極作用的觀點。李虎等(2012)指出,我國農業適應氣候變化在技術上與發達國家相比仍有較大差距,迫切需要從種植制度、作物布局、品種選育和農業基礎設施等方面加強研究。4稻作區主要害蟲區域范圍國外很早就對氣候變化對農作物病蟲害發生流行趨勢的影響開展了研究(Jhoraretal.,1998;Meinkeetal.,1998;Cannonetal.,1998)。農業病蟲害實際上也是一種生物過程,有利的氣象條件,是農業病蟲害發生、流行暴發的基礎。農業病蟲害的大范圍流行暴發,都直接與有利氣象條件的影響有關。氣候變暖,尤其是暖冬,將十分有利于北方農區各種農作物病蟲源(菌)安全越冬(張厚瑄,2000)。在暖冬作用下,主要農作物病蟲越冬基數將會增加、越冬死亡率降低、安全越冬的地理范圍擴大,直接導致來年度病蟲害發生頻度和危害程度加劇(葉彩玲和霍治國,2001)。氣候變暖可使水稻黏蟲越冬北界北移約3個緯度、稻飛虱越冬北界北移約2.5~3.5個緯度,有效擴大黏蟲和稻飛虱的遷飛范圍和增加繁殖代數,直接導致我國稻作區這兩種主要蟲害區域范圍擴大(李淑華,1993;張潤杰和何新鳳,1997)。另一方面,從生態系統的角度來看,氣候變暖將會引起生物種間關系變化,氣溫升高將會擾亂生態系統中害蟲-捕食者、害蟲寄生天敵等種群間的平衡關系,有些害蟲的天敵可能因適應不了氣候變化而縮減甚至消亡,相反在缺少天敵的有效控制條件下一些害蟲則會迅速繁殖,形成流行暴發,直接威脅農業穩產豐產(李祎君等,2010;劉雨芳和古德祥,1997)。我國氣候的形成與變化受太平洋、印度洋、北冰洋等全球性地理單元的重要影響(Qinetal.,2013)。這些全球性地理單元的動態變化,尤其是異常變化,是我國農業災害發生與發展的大氣環流成因(安芷生等,2004;覃志豪等,2005)。全球氣候變化,將會導致厄爾尼諾和南方濤動(ENSO)動態變化,進而造成西太平洋暖池海水熱力、青藏高原上空熱力場、亞洲季風環境和西太平洋副熱帶高壓異常變化,是我國華北、長江中下游、華南和西南地區農業旱澇等氣象災害發生與發展的大氣環流起因(葉篤正和黃榮輝,1996;黃榮輝等,1999)。李克讓等(1997)指出,中國氣候獨特,大范圍的氣候干旱成因是中國氣候形成基礎的大氣環流尤其是東亞夏季風、副熱帶高壓、西風帶環流和熱帶高空環流的異常變化。青藏高原對我國西北干旱氣候形成有不可推卸的作用。在ENSO事件處于活躍發展的時段,我國江淮流域夏季的降水量就會相應地異常偏多,往往造成較大范圍的洪澇災害;相反,當ENSO活躍時,我國黃河流域和華北地區的降雨量明顯偏少,導致嚴重干旱。當東太平洋海溫處于下降階段,我國淮河流域的降雨往往會偏少,發生干旱;而黃河流域和華南地區降雨量則偏多,造成洪澇災害;當西太平洋暖池的海溫偏低時,長江中下游地區和淮河流域往往出現較強的降雨,造成嚴重的洪澇災害(符淙斌和騰星林,1988;HuangandWu,1989)。2008年初中國南方遭遇嚴重的冰雪災害、2009年初中國北方小麥集中產區發生極大干旱災害、2010年初我國新疆內蒙等北方地區發生嚴重的雪災凍害和西南地區持續干旱,很大程度上和氣候變化導致我國大氣環流產生季節性和區域性振蕩有關。未來全球氣候變化仍將持續加劇,對我國氣象災害發生的頻率、強度和區域分布產生作用,進而影響到糧食主產區農業旱災、洪澇、臺風、低溫冷害、高溫災害等氣象災害時空格局的變化,威脅糧食生產持續穩定發展,影響國家糧食安全(Qinetal.,2013)。5氣候變化對南北方農業生產刑事的影響氣候變化對農業(尤其是糧食產量和糧食安全)和農村社會經濟發展的影響已成為氣候變化研究的一個重點領域(SchmidhuberandTubiello,2007;Taoetal.,2009)。肖國舉(2007)認為,氣候變暖將會導致我國部分地區的農作物產量下降,1980~2000年氣候變暖引起黃淮海農業區雨養小麥全面減產,其中西部減產幅度大于東部。張建平等(2005,2006)表明,在水稻結實期,溫度上升1~2℃將會使水稻產量下降10%~20%;溫度每增加1℃,我國玉米平均產量將減少3%。在未來100年內,氣候變化將會使我國華北地區冬小麥產量會有不同程度的下降,平均減產10.1%。張明偉等(2011)指出,未來90年內氣候變化可能導致華北地區冬小麥發育速度加快,生長期變短,使小麥平均減產8%左右。秦大河(2002)和林而達等(2006)的模擬研究表明,未來30年內我國種植業產量在總體上將因全球變暖而可能會減少5%~10%,其中小麥、水稻和玉米三大作物均以減產為主。當降水在適宜范圍內,氣候變暖可使旱作區農作物產量增加(鄧振鏞等,2008)。同時,Wangetal.(2009)以全國28個省8405個雨養農戶和灌溉農戶的截面調查數據為基礎,以溫度和降水為自變量,以農戶農作物凈收益為因變量,進行了相關分析,結果表明,氣候變暖不利于雨養農業,但有利于灌溉農業。Morton(2007)通過典型調查和歸納推理法研究了全球氣候變化對小農戶經濟的影響,并指出,小農戶對氣候變化尤其是氣候變化介導的農業災害較敏感,并且應對災害的能力較弱。從全球角度來看,這些小農戶群體主要分布在亞熱帶地區,這些地區農業災害頻繁,由于生產力水平低,生產規模不大,這些小農戶的生產投入通常不足,適應氣候變化的能力較低。6作物機理模型氣候變化驅動的糧食生產發展變化模型常用的做法是,以氣候變化數據(即氣溫、降水等氣候因子數據)作為模型輸入數據,通過模型的復雜函數過程和狀態變量運算過程,最終得到氣候變化模擬結果(Taoetal.,2008;Xiaoetal.,2008)。這些模型從早期簡單的統計經驗模型,發展到現在廣泛應用的復雜作物機理模型。經驗模型多是基于歷史數據和氣象要素之間的相關關系,其建模的方法包括簡單回歸、多元線性回歸、偏最小二乘法回歸,以及神經網絡等(任建強等,2006;Lobelletal.,2008)。作物機理模型,如EPIC,DSSAT等,是以大氣—作物—土壤之間的物質和能量傳輸和轉化為基礎,建立作物生長模型,用來模擬大氣、作物、土壤、管理等因子變化對作物生長發育和產量的影響,以及作物生長對大氣、土壤的反饋作用,因而是一種面向過程的動態模型,在氣候變化對農業影響方面有較廣泛的應用(楊鵬等,2008)。作物機理模型多是單點模型,適于小區域的模擬分析研究,但是通過與GIS的集成,作物模型能被應用于區域甚至全球農作物單產模擬研究(Tanetal.,2003;JonesandThornton,2003)。唐國平等(2000)利用3個大氣環流模型來構建中國未來氣候變化6種情景模式,利用IIASA的農業生態地帶AEZ模型評估分析了氣候對中國不同區域的復種指數、可耕種土地面積、潛在歷史產量及其土地生產潛力的影響。熊偉等(2008)采用區域氣候模式與CERES-Maize模型相結合的方法,模擬了基準氣候(1961~1990年)和A2、B2兩種溫室氣體排放方案下2011~2100年我國雨養和灌溉玉米產量,初步預測了未來不同氣候情景下玉米產量的變化狀況。Reidsma等(2009)利用WOFOST模型對歐盟15國的玉米產量進行了模擬分析,并通過比較分析模擬產量和實際觀測產量的差異性,進一步分析氣候變化因素之外的其他因子對作物產量變化的影響。張建平等(2005,2006)利用WOFOST作物模型,結合氣候模式輸出的氣候情景資料,定量模擬了未來100年氣候變化對我國南方雙季稻發育和產量和華北地區冬小麥生產的影響。7氣候變化與糧食生產系統的相互作用綜上所述,可以看到,全球氣候變化及其影響研究已經成為了一個全球廣泛關注的科學問題,成為一個融合大氣科學、地理科學、環境科學等眾多自然科學和社會科學的前沿研究領域。雖然有關氣候變化對農業和糧食生產影響的研究已經得到了關注(李虎等,2012),但這方面的研究與其他領域相比,還是比較薄弱,整體水平落后。從將來發展趨勢看,深入開展氣候變化對我國糧食生產系統的影響機理及適應機制研究,具有重大的科學價值和現實意義。圍繞糧食生產系統,開展氣候變化與糧食生產之間的相互作用的系統研究,是未來發展的主要方向。以往的全球氣候變化研究只是圍繞糧食生產系統的某一方面,并未將糧食生產作為一個有機的整體系統來開展研究。事實上,全球變化會導致糧食主產所需要的水熱資源要素的發生時空分布格局變化,促使糧食生產依存的土壤肥力動態變化,誘導作物品種資源及其抗逆性改變,加劇區域性的災害要素形成,這些因素綜合影響和共同作用,對我