氣候變化對我國農(nóng)業(yè)和糧食生產(chǎn)的影響

氣候變化對我國農(nóng)業(yè)和糧食生產(chǎn)的影響

氣候變化研究是20世紀中后期發(fā)展起來的一個跨學(xué)科領(lǐng)域。其研究遠遠超過了氣候科學(xué)研究的范疇，包括宇宙系統(tǒng)科學(xué)和社會經(jīng)濟科學(xué)的各個方面。氣候變化及其可能導(dǎo)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(yīng)和減緩對策方面發(fā)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(fā)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(guān)氣候變化的科學(xué)事實、影響及其應(yīng)對方案的報道(鄭新奇等,2005)。農(nóng)業(yè)尤其是糧食生產(chǎn)是以作物生長為基礎(chǔ),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(nóng)業(yè)是我國受氣候變化影響較大的行業(yè)(周義等2011)。我國是一個人口大國,經(jīng)濟發(fā)展加速,生活水平不斷提高,需要確保國內(nèi)糧食等大宗農(nóng)產(chǎn)品穩(wěn)定供給。積極應(yīng)對氣候變化的不利影響,保持我國糧食生產(chǎn)健康發(fā)展,穩(wěn)定糧食產(chǎn)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(nèi)外圍繞氣候變化對農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)災(zāi)害、作物布局等角度綜合分析現(xiàn)有氣候變化對農(nóng)業(yè)尤其是糧食生產(chǎn)影響的研究進展。在此基礎(chǔ)上,進一步提出深入研究的主要發(fā)展方向,以推動氣候變化對我國農(nóng)業(yè)和糧食生產(chǎn)影響研究的發(fā)展。1氣候變化對土壤肥力的影響農(nóng)業(yè)是自然再生產(chǎn)和社會再生產(chǎn)重合的產(chǎn)業(yè)部門,是以農(nóng)作物生長發(fā)育為基礎(chǔ)。光、熱、水和土壤等資源要素是決定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(dǎo)致輻射、光照、熱量、溫度、濕度、風(fēng)速等氣候要素時空格局發(fā)生變化,從而對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(qū),生物量僅占全國的13%;面積不到全國一半的東部地區(qū),生物量占全國的87%。這種東西部土地資源自然生產(chǎn)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(qū)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(fù)雜,但可以歸結(jié)為是通過土壤與環(huán)境要素尤其是光、熱、水等要素之間的聯(lián)系來發(fā)生作用,進而影響土壤有機質(zhì)、土壤氣體、土壤水分、礦物質(zhì)、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(xí)健,2001)。很多學(xué)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(huán)境要素變化背景下的演化趨勢進行定量模擬,結(jié)果表明:氣溫升高或降水量減少將會導(dǎo)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(dǎo)。秦小光等(2001)利用陸地生態(tài)模型開展黃土高原土壤生物地球化學(xué)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(jié)果表明降水變化是影響該地區(qū)土壤有機碳變化的主要因素。白人海(2005)利用土壤調(diào)查數(shù)據(jù),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(jié)合該地區(qū)氣溫和降水等氣候要素的變化,分析了氣候變化對該地區(qū)土壤碳含量變化的影響。土壤有機質(zhì)是土壤肥力的重要構(gòu)成要素。為了提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(zhì)和土壤肥力的影響顯得越來越重要。2氣候變化對農(nóng)業(yè)的影響農(nóng)業(yè)的自然再生產(chǎn)特性決定了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受自然條件尤其是光熱水要素的直接制約。不同地區(qū)適宜生長的作物品種與種類和當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件有密切關(guān)聯(lián)(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(nóng)作物品種資源尤其是種類及其適生性等產(chǎn)生影響。氣候變暖,氣溫升高,將改變作物生長季節(jié)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(zhì)積累,最終導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低。氣候變暖大大增強我國多數(shù)區(qū)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(nóng)業(yè)的影響有雙重表現(xiàn),一方面,氣候變化可能會加劇農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(fā)育。陳宜瑜等(2005)指出,加快培育和種植較為“強悍”的農(nóng)作物,合理改變農(nóng)作物種植方式,是應(yīng)對全球氣候變化、保障糧食生產(chǎn)的有效途徑之一。國際水稻研究所(IRRI)一直致力于研究開發(fā)新的耐逆水稻新品種,同時認為還應(yīng)發(fā)展作物生產(chǎn)管理技術(shù)。我國在應(yīng)對全球氣候變化的主要農(nóng)作物多樣性布局、基因資源發(fā)掘和新品種培育方面比較滯后,相關(guān)的理論和技術(shù)儲備薄弱,應(yīng)進一步加強氣候變化對我國主要農(nóng)作物品種資源影響的研究,提出應(yīng)對未來可能氣候變化的我國主要農(nóng)作物品種育種改良策略。3氣候突變對雙季稻產(chǎn)量的影響雖然農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受自然適宜性的制約,但同時它也是一種社會經(jīng)濟再生產(chǎn)過程。區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展,是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動適應(yīng)自然條件的結(jié)果,直接表現(xiàn)為不同地區(qū)之間的作物種植制度和生產(chǎn)布局差異。因此,氣候變化對作物種植制度、生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和區(qū)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(qū)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(qū)可能出現(xiàn)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(nèi)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(nóng)區(qū)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(nóng)業(yè)豐產(chǎn),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(nóng)業(yè)生產(chǎn)構(gòu)成不利影響,因此,種植制度在氣候變化背景下的演變?nèi)跃哂休^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(guān)。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(chǎn)發(fā)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(chǎn)區(qū)熱量資源趨于豐富,但溫度升高使作物發(fā)育速率加快,生育期縮短,若品種和播種、移栽期不變,水稻產(chǎn)量將下降。李玉娥和張厚瑄(1992)預(yù)測了CO2濃度增加對我國北方春玉米和夏玉米都將有增產(chǎn)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(jīng)濟產(chǎn)量變化研究也支持了CO2濃度增大對大豆產(chǎn)量增長有積極作用的觀點。李虎等(2012)指出,我國農(nóng)業(yè)適應(yīng)氣候變化在技術(shù)上與發(fā)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(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施等方面加強研究。4稻作區(qū)主要害蟲區(qū)域范圍國外很早就對氣候變化對農(nóng)作物病蟲害發(fā)生流行趨勢的影響開展了研究(Jhoraretal.,1998;Meinkeetal.,1998;Cannonetal.,1998)。農(nóng)業(yè)病蟲害實際上也是一種生物過程,有利的氣象條件,是農(nóng)業(yè)病蟲害發(fā)生、流行暴發(fā)的基礎(chǔ)。農(nóng)業(yè)病蟲害的大范圍流行暴發(fā),都直接與有利氣象條件的影響有關(guān)。氣候變暖,尤其是暖冬,將十分有利于北方農(nóng)區(qū)各種農(nóng)作物病蟲源(菌)安全越冬(張厚瑄,2000)。在暖冬作用下,主要農(nóng)作物病蟲越冬基數(shù)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(dǎo)致來年度病蟲害發(fā)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(shù),直接導(dǎo)致我國稻作區(qū)這兩種主要蟲害區(qū)域范圍擴大(李淑華,1993;張潤杰和何新鳳,1997)。另一方面,從生態(tài)系統(tǒng)的角度來看,氣候變暖將會引起生物種間關(guān)系變化,氣溫升高將會擾亂生態(tài)系統(tǒng)中害蟲-捕食者、害蟲寄生天敵等種群間的平衡關(guān)系,有些害蟲的天敵可能因適應(yīng)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(fā),直接威脅農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)豐產(chǎn)(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(tài)變化,尤其是異常變化,是我國農(nóng)業(yè)災(zāi)害發(fā)生與發(fā)展的大氣環(huán)流成因(安芷生等,2004;覃志豪等,2005)。全球氣候變化,將會導(dǎo)致厄爾尼諾和南方濤動(ENSO)動態(tài)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(fēng)環(huán)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(qū)農(nóng)業(yè)旱澇等氣象災(zāi)害發(fā)生與發(fā)展的大氣環(huán)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(chǔ)的大氣環(huán)流尤其是東亞夏季風(fēng)、副熱帶高壓、西風(fēng)帶環(huán)流和熱帶高空環(huán)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(fā)展的時段,我國江淮流域夏季的降水量就會相應(yīng)地異常偏多,往往造成較大范圍的洪澇災(zāi)害;相反,當(dāng)ENSO活躍時,我國黃河流域和華北地區(qū)的降雨量明顯偏少,導(dǎo)致嚴重干旱。當(dāng)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(fā)生干旱;而黃河流域和華南地區(qū)降雨量則偏多,造成洪澇災(zāi)害;當(dāng)西太平洋暖池的海溫偏低時,長江中下游地區(qū)和淮河流域往往出現(xiàn)較強的降雨,造成嚴重的洪澇災(zāi)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(zāi)害、2009年初中國北方小麥集中產(chǎn)區(qū)發(fā)生極大干旱災(zāi)害、2010年初我國新疆內(nèi)蒙等北方地區(qū)發(fā)生嚴重的雪災(zāi)凍害和西南地區(qū)持續(xù)干旱,很大程度上和氣候變化導(dǎo)致我國大氣環(huán)流產(chǎn)生季節(jié)性和區(qū)域性振蕩有關(guān)。未來全球氣候變化仍將持續(xù)加劇,對我國氣象災(zāi)害發(fā)生的頻率、強度和區(qū)域分布產(chǎn)生作用,進而影響到糧食主產(chǎn)區(qū)農(nóng)業(yè)旱災(zāi)、洪澇、臺風(fēng)、低溫冷害、高溫災(zāi)害等氣象災(zāi)害時空格局的變化,威脅糧食生產(chǎn)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展,影響國家糧食安全(Qinetal.,2013)。5氣候變化對南北方農(nóng)業(yè)生產(chǎn)刑事的影響氣候變化對農(nóng)業(yè)(尤其是糧食產(chǎn)量和糧食安全)和農(nóng)村社會經(jīng)濟發(fā)展的影響已成為氣候變化研究的一個重點領(lǐng)域(SchmidhuberandTubiello,2007;Taoetal.,2009)。肖國舉(2007)認為,氣候變暖將會導(dǎo)致我國部分地區(qū)的農(nóng)作物產(chǎn)量下降,1980~2000年氣候變暖引起黃淮海農(nóng)業(yè)區(qū)雨養(yǎng)小麥全面減產(chǎn),其中西部減產(chǎn)幅度大于東部。張建平等(2005,2006)表明,在水稻結(jié)實期,溫度上升1~2℃將會使水稻產(chǎn)量下降10%~20%;溫度每增加1℃,我國玉米平均產(chǎn)量將減少3%。在未來100年內(nèi),氣候變化將會使我國華北地區(qū)冬小麥產(chǎn)量會有不同程度的下降,平均減產(chǎn)10.1%。張明偉等(2011)指出,未來90年內(nèi)氣候變化可能導(dǎo)致華北地區(qū)冬小麥發(fā)育速度加快,生長期變短,使小麥平均減產(chǎn)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(nèi)我國種植業(yè)產(chǎn)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(chǎn)為主。當(dāng)降水在適宜范圍內(nèi),氣候變暖可使旱作區(qū)農(nóng)作物產(chǎn)量增加(鄧振鏞等,2008)。同時,Wangetal.(2009)以全國28個省8405個雨養(yǎng)農(nóng)戶和灌溉農(nóng)戶的截面調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),以溫度和降水為自變量,以農(nóng)戶農(nóng)作物凈收益為因變量,進行了相關(guān)分析,結(jié)果表明,氣候變暖不利于雨養(yǎng)農(nóng)業(yè),但有利于灌溉農(nóng)業(yè)。Morton(2007)通過典型調(diào)查和歸納推理法研究了全球氣候變化對小農(nóng)戶經(jīng)濟的影響,并指出,小農(nóng)戶對氣候變化尤其是氣候變化介導(dǎo)的農(nóng)業(yè)災(zāi)害較敏感,并且應(yīng)對災(zāi)害的能力較弱。從全球角度來看,這些小農(nóng)戶群體主要分布在亞熱帶地區(qū),這些地區(qū)農(nóng)業(yè)災(zāi)害頻繁,由于生產(chǎn)力水平低,生產(chǎn)規(guī)模不大,這些小農(nóng)戶的生產(chǎn)投入通常不足,適應(yīng)氣候變化的能力較低。6作物機理模型氣候變化驅(qū)動的糧食生產(chǎn)發(fā)展變化模型常用的做法是,以氣候變化數(shù)據(jù)(即氣溫、降水等氣候因子數(shù)據(jù))作為模型輸入數(shù)據(jù),通過模型的復(fù)雜函數(shù)過程和狀態(tài)變量運算過程,最終得到氣候變化模擬結(jié)果(Taoetal.,2008;Xiaoetal.,2008)。這些模型從早期簡單的統(tǒng)計經(jīng)驗?zāi)Ｐ?發(fā)展到現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的復(fù)雜作物機理模型。經(jīng)驗?zāi)Ｐ投嗍腔跉v史數(shù)據(jù)和氣象要素之間的相關(guān)關(guān)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(zhì)和能量傳輸和轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ),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(fā)育和產(chǎn)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(tài)模型,在氣候變化對農(nóng)業(yè)影響方面有較廣泛的應(yīng)用(楊鵬等,2008)。作物機理模型多是單點模型,適于小區(qū)域的模擬分析研究,但是通過與GIS的集成,作物模型能被應(yīng)用于區(qū)域甚至全球農(nóng)作物單產(chǎn)模擬研究(Tanetal.,2003;JonesandThornton,2003)。唐國平等(2000)利用3個大氣環(huán)流模型來構(gòu)建中國未來氣候變化6種情景模式,利用IIASA的農(nóng)業(yè)生態(tài)地帶AEZ模型評估分析了氣候?qū)χ袊煌瑓^(qū)域的復(fù)種指數(shù)、可耕種土地面積、潛在歷史產(chǎn)量及其土地生產(chǎn)潛力的影響。熊偉等(2008)采用區(qū)域氣候模式與CERES-Maize模型相結(jié)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(yǎng)和灌溉玉米產(chǎn)量,初步預(yù)測了未來不同氣候情景下玉米產(chǎn)量的變化狀況。Reidsma等(2009)利用WOFOST模型對歐盟15國的玉米產(chǎn)量進行了模擬分析,并通過比較分析模擬產(chǎn)量和實際觀測產(chǎn)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(chǎn)量變化的影響。張建平等(2005,2006)利用WOFOST作物模型,結(jié)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(fā)育和產(chǎn)量和華北地區(qū)冬小麥生產(chǎn)的影響。7氣候變化與糧食生產(chǎn)系統(tǒng)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(jīng)成為了一個全球廣泛關(guān)注的科學(xué)問題,成為一個融合大氣科學(xué)、地理科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等眾多自然科學(xué)和社會科學(xué)的前沿研究領(lǐng)域。雖然有關(guān)氣候變化對農(nóng)業(yè)和糧食生產(chǎn)影響的研究已經(jīng)得到了關(guān)注(李虎等,2012),但這方面的研究與其他領(lǐng)域相比,還是比較薄弱,整體水平落后。從將來發(fā)展趨勢看,深入開展氣候變化對我國糧食生產(chǎn)系統(tǒng)的影響機理及適應(yīng)機制研究,具有重大的科學(xué)價值和現(xiàn)實意義。圍繞糧食生產(chǎn)系統(tǒng),開展氣候變化與糧食生產(chǎn)之間的相互作用的系統(tǒng)研究,是未來發(fā)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(chǎn)系統(tǒng)的某一方面,并未將糧食生產(chǎn)作為一個有機的整體系統(tǒng)來開展研究。事實上,全球變化會導(dǎo)致糧食主產(chǎn)所需要的水熱資源要素的發(fā)生時空分布格局變化,促使糧食生產(chǎn)依存的土壤肥力動態(tài)變化,誘導(dǎo)作物品種資源及其抗逆性改變,加劇區(qū)域性的災(zāi)害要素形成,這些因素綜合影響和共同作用,對我