氣候變化對農(nóng)業(yè)影響評價研究進(jìn)展

馬銳　江敏　石春林

摘要：農(nóng)業(yè)在我國的國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有重要的地位，氣候變化是影響農(nóng)業(yè)最直接的環(huán)境因素。近些年我國平均氣溫升高，氣候異常，極端天氣頻發(fā)，對我國氣候資源的分配及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了嚴(yán)重影響。對氣候變化和農(nóng)業(yè)影響評價的研究方法進(jìn)行了綜述，并對研究方法的3個不同階段進(jìn)行闡述，總結(jié)了3個階段的研究特點和發(fā)展過程，提出了氣候變化影響農(nóng)業(yè)的評價研究中存在的問題并進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：氣候變化；農(nóng)業(yè)影響；極端天氣

中圖分類號： P467；S16 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）10-0016-04

農(nóng)業(yè)在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)著基礎(chǔ)地位，為工業(yè)發(fā)展提供大量原材料，為國民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展提供保障。雖然現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)在很大程度上可以促進(jìn)農(nóng)業(yè)豐產(chǎn)豐收，但農(nóng)業(yè)生產(chǎn)仍然擺脫不了靠天吃飯的困境。氣候變化成為影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素。全球近100年（1906—2005）的溫度線性趨勢為0.74°C。與1850—1900年相比，2003—2012年這10年的全球地表平均溫度上升了0.78 ℃。近百年來，全球平均降水量變化不明顯，但區(qū)域差異明顯，極端干旱洪澇事件頻發(fā)[1]。1985年以來，我國出現(xiàn)了多次全國大范圍暖冬天氣，其中以西北、華北、東北地區(qū)氣候變暖最為明顯，華北地區(qū)同期降水量也明顯減少，出現(xiàn)暖干化趨勢。氣候變暖不但對我國生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展等造成重大影響，而且給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了巨大損失。本研究探討氣候變化對農(nóng)業(yè)影響評價研究進(jìn)展，旨在為促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

1 氣候變化對農(nóng)業(yè)影響的研究方法

氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響的研究方法主要有觀測試驗、模型模擬2種。觀測試驗又可分為田間試驗、溫室或人工氣候室試驗2種。模型模擬主要分為經(jīng)驗?zāi)Ｐ?、機理模型[2]。

1.1 氣候變化對農(nóng)業(yè)影響的觀測試驗

國外多采用氣室試驗、田間試驗方法。氣室試驗是由人為設(shè)置密閉的或者最上端開放的溫室，通過改變CO2濃度來影響作物生長[3]。田間試驗主要是在田間設(shè)置FACE處理圈，即在田間設(shè)置一定面積的處理圈，直接輸入一定濃度的CO2，觀測在開放式富集CO2情況下，作物生長發(fā)育、物質(zhì)分配、產(chǎn)量等的變化[4]。短期作用時，高濃度CO2有利于C3作物光合效率提升；長期作用下，C3作物光合效率會低于或者接近普通大氣的對照水平，這是由于葉片氣孔導(dǎo)度減小所致[5]。氣室試驗的優(yōu)點是可以人為增加溫度及CO2濃度，觀察作物生長情況，但氣室無法模擬自然環(huán)境的狀態(tài)且?guī)в泻芏嗳藶橐蛩?。采用自由大氣CO2增高（FACE）設(shè)置可以在一定程度上克服上述缺陷，但難以實現(xiàn)同時進(jìn)行增溫處理[6]。

1.2 氣候變化對農(nóng)業(yè)影響的模型模擬研究

20世紀(jì)80年代以來，很多學(xué)者采用模擬試驗方法評價氣候變化對作物生產(chǎn)的影響，因此，成本低、時效高、變量易于控制的作物模型模擬成為評估氣候變化的主要方法[7]。按照模擬原理，可以分為經(jīng)驗?zāi)Ｐ湍M、機理模型模擬，其中作物模型按照開發(fā)者不同可以分為三大學(xué)派。經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀纸谢貧w統(tǒng)計模型，早期研究多采用回歸統(tǒng)計方法建立氣象產(chǎn)量模型或氣候生產(chǎn)力模型，分析氣候波動與作物產(chǎn)量或氣候生產(chǎn)力之間的數(shù)量關(guān)系；或假定未來氣候有一定溫度增幅和降水量變幅，利用上述模型或借助某些農(nóng)業(yè)氣候指標(biāo)就氣候變化對糧食產(chǎn)量的影響進(jìn)行估算[8]?；貧w統(tǒng)計模型以大數(shù)定律、統(tǒng)計假設(shè)檢驗為基礎(chǔ)[9]。經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷膬?yōu)點是所需的參數(shù)少，不分作物種類品種，可以考慮作物自適應(yīng)性響應(yīng)。但這些研究一方面對未來氣候的可能變化考慮得較為簡單，另一方面，統(tǒng)計方法不能闡明氣候變化影響作物生長發(fā)育的機理[10]，特別是未來氣候變化幅度之大可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出統(tǒng)計模型所使用的歷史資料范圍，因此基于回歸統(tǒng)計方法的各種經(jīng)驗性模型能否適用于未來氣候變化影響評價分析受到普遍質(zhì)疑。此外，統(tǒng)計模型無法描述CO2濃度增高對作物光合作用、蒸散作用的直接影響也是其重要缺陷之一。

機理模型主要根據(jù)作物基礎(chǔ)學(xué)科、專業(yè)基礎(chǔ)學(xué)科以及專業(yè)學(xué)科相關(guān)原理建模，研究比較系統(tǒng)深入[11]。它可以動態(tài)地定量模擬作物生長發(fā)育過程，并能人為設(shè)定一些管理要素。機理模型主要被應(yīng)用在區(qū)域氣候變化評價研究中[12]，但它需要較多的作物品種參數(shù)，參數(shù)調(diào)試過程相對麻煩，且作物模型仍然不夠合理，在處理極端氣候方面能力有限[13]。

目前，作物模擬模型已形成三足鼎立之勢[14]。荷蘭學(xué)派的特點是強調(diào)作物過程的機理表達(dá)，國際水稻研究所和荷蘭瓦赫寧根大學(xué)共同研發(fā)了水稻生長模擬模型ORYZA2000。該模型已被聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）和亞洲多數(shù)國家農(nóng)業(yè)部門用于水稻生長情況評估及預(yù)測。美國學(xué)派則更注重綜合考慮天氣-土壤-作物之間的相互作用，開發(fā)了CERES模型系列。中國學(xué)派更注重將作物生長模型、栽培優(yōu)化模型或知識模型與專家知識相結(jié)合，形成了以江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高亮之為代表開發(fā)的中國作物模型系列—水稻（RCSODS）、小麥（WCSODS）、玉米（MCSODS）、棉花（CCSODS）、油菜（OCSODS）、大豆（SCSODS）栽培模擬優(yōu)化決策系統(tǒng)[15]。

2 氣候變化對農(nóng)業(yè)影響評價方法研究

初始階段，學(xué)者人為改變氣候參數(shù)，對天氣數(shù)據(jù)進(jìn)行一定范圍的加減從而生成一定的氣候情景，然后輸入作物模型進(jìn)行模擬，進(jìn)而觀察未來氣候變化對作物生長產(chǎn)生的影響[16]。這種方法以實測的天氣數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，在氣溫或者降水量等方面人為給定變化范圍。此種方法具有效率高、操作簡便、能較好地反映參數(shù)敏感性等優(yōu)點，但不能反映空間、時間的動態(tài)變化，且人為設(shè)置的天氣數(shù)據(jù)比較隨意，與實際情況差異較大。一些學(xué)者在借助大氣環(huán)流模式（GCM）生成未來氣候變化情景方面取得了進(jìn)展，即根據(jù)GCM輸出的網(wǎng)格點值，結(jié)合當(dāng)?shù)貧v史氣候資料，設(shè)置未來氣候變化情景，或利用天氣發(fā)生器（WGEN）生成未來氣候變化情景，進(jìn)而分析未來氣候變化情況[17]。近些年比較流行的方法是將GCM與作物生長模型相結(jié)合，用以評價氣候變化對農(nóng)作物生長、產(chǎn)量的影響，即利用GCM生成的未來氣候變化情景，假設(shè)今后的種植制度、作物品種、栽培技術(shù)維持在現(xiàn)有水平，分別模擬現(xiàn)有品種在當(dāng)前氣候（baseline）以及在未來氣候變化情景下的生長狀況，通過兩相比較，分析氣候變化對作物生長發(fā)育的影響[18]。1990年以來，江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院金之慶領(lǐng)導(dǎo)的項目組采用GISS、GFDL、UKMO 3種GCMs在我國各有關(guān)網(wǎng)格點上的輸出值，結(jié)合各樣點近30年或40年的逐日歷史氣候資料生成我國在CO2倍增以及CO2漸變時各種氣候變化情景，進(jìn)而將CERES、SOYGRO、RCSODS（水稻栽培模擬優(yōu)化決策系統(tǒng)）等作物模型在上述情景下運行，系統(tǒng)評價了氣候變化對我國南方水稻、華北平原冬小麥以及玉米、大豆、花生等糧食生產(chǎn)的潛在影響，并在模擬試驗的基礎(chǔ)上，提出適應(yīng)氣候變化的若干糧食生產(chǎn)對策[19-21]。這樣做的好處是便于和當(dāng)前生產(chǎn)狀況進(jìn)行比較，但此種方法的缺點主要來源于大氣環(huán)流模型的不確定性，大氣環(huán)流模型分辨率低，輸出的粗網(wǎng)格月均值不容易直接被作物模型所利用，且大多是以CO2平衡態(tài)為基礎(chǔ)，不符合實際。大氣環(huán)流模型只能應(yīng)用在有實測天氣資料的站點，不能大范圍應(yīng)用[22]。另外，氣候變化后農(nóng)民必然會選擇一些有別于現(xiàn)在的生產(chǎn)方式進(jìn)行糧食生產(chǎn)，種植制度、品種類型、田間管理等都會有所變化。

近年來，學(xué)者在氣候變化對農(nóng)業(yè)的影響方面有了新的研究進(jìn)展[23]。用區(qū)域氣候模式結(jié)合作物模型來模擬氣候變化對農(nóng)業(yè)的影響成為新的發(fā)展方向[24]。使用區(qū)域氣候模式可以直接模擬逐日天氣數(shù)據(jù)，然后輸入到作物模型中。它是對大氣環(huán)流模式的一大改進(jìn)，可以降低天氣數(shù)據(jù)的不確定性以及模擬高分辨率的逐日天氣數(shù)據(jù)[25]。一方面模型輸出的分辨率提高（0.25°×0.25°），另一方面模式考慮了CO2漸變過程的影響。相對來說，區(qū)域氣候模式的適用性更好，但是區(qū)域氣候模式的輸出是逐年逐日的氣象要素資料。一般將未來情景與當(dāng)前模擬情景進(jìn)行比較，當(dāng)模擬情景與實況存在差異，會帶來參數(shù)調(diào)試難的問題。區(qū)域氣候變化情景的建立需要氣候模式，氣候變化影響研究的基礎(chǔ)是氣候情景。情景的模擬主要基于未來大氣溫室氣體情景濃度預(yù)測。英國Hadley氣候中心研制的區(qū)域氣候模式PRECIS預(yù)測了IPCC在排放情景特別報告（SRES）中給出的各種CO2排放濃度下的氣候變化。A2情景假設(shè)未來全球發(fā)展不均衡，其主要特征是人口持續(xù)增長、經(jīng)濟(jì)發(fā)展緩慢、CO2排放濃度較高；B2情景假設(shè)未來全球經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，其主要特征是人口持續(xù)增長，但增速比A2情景慢，經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度中等，CO2排放濃度處于中下水平[26]。A2情景與我國的發(fā)展?fàn)顩r有差異，B2情景與我國未來的發(fā)展情況最為接近[27]。

3 應(yīng)對氣候變化采取的措施

氣候變化影響農(nóng)業(yè)，人們可以通過采取一定的措施來適應(yīng)氣候變化所帶來的不利影響。李虎等指出，我國農(nóng)業(yè)對氣候變化的適應(yīng)技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國家相比仍有較大差距，迫切需要在種植制度、作物布局、品種選育、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施等方面加強研究[28]。

3.1 擴(kuò)大復(fù)種面積，調(diào)整種植布局

氣候變化導(dǎo)致作物生長季的光能、熱量資源增加，復(fù)種面積擴(kuò)大，部分作物的種植北界北移[29]。王春乙等認(rèn)為，要合理安排農(nóng)作物布局，適度將冬季越冬作物北移，通過發(fā)展冬季麥棉兩熟、小麥玉米間作、發(fā)展雙季稻等途徑提高復(fù)種指數(shù)[30]。金之慶等利用模型評價氣候變暖對研究區(qū)域作物布局、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[19]。

3.2 加強農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)可以有效提高作物抗旱、抗?jié)衬芰?，增強作物?yīng)對氣候變化的適應(yīng)能力。錢鳳魁等提倡推廣膜下滴水、地膜等節(jié)水灌溉技術(shù)，在干旱缺水山區(qū)興建一批蓄水塘庫，普及集雨設(shè)施與補灌技術(shù)，開展坡改梯、溝壩地等農(nóng)田基本建設(shè)，提高農(nóng)業(yè)應(yīng)對氣候變化的能力[31]。

3.3 改良品種

改良作物品種使之適應(yīng)氣候變化，保證增產(chǎn)增收。科研機構(gòu)已經(jīng)有計劃地選育農(nóng)作物新品種，農(nóng)作物選育的首要目標(biāo)是增強農(nóng)作物的抗逆性，選育耐高溫、耐干旱、抗病蟲害的農(nóng)作物新品種，以應(yīng)對氣候變暖導(dǎo)致的病蟲草害。同時改善農(nóng)作物的生理特性，包括選育高光合效能及低呼吸消耗的品種[32]。

3.4 調(diào)整農(nóng)田管理措施

通過調(diào)整農(nóng)田管理措施來適應(yīng)和減輕氣候變化導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的影響。對干旱地區(qū)，可加強對水資源的管理，如利用保水劑作種子包衣、播種及移栽后噴灑土壤結(jié)構(gòu)改良劑，用抗旱劑抑制地面蒸發(fā)，用抗蒸騰劑減少植物蒸騰，開發(fā)活性促根劑促根抗旱[32]。

3.5 加強對農(nóng)業(yè)氣候災(zāi)害的防控措施

農(nóng)業(yè)整治管理對于糧食增產(chǎn)增收起著重要作用，但對農(nóng)業(yè)氣候災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測防控同樣不可忽視。錢鳳魁等認(rèn)為，開展農(nóng)業(yè)氣候災(zāi)害預(yù)測，建立農(nóng)業(yè)災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，特別是建立干旱、洪澇、低溫災(zāi)害、重大植物病蟲害等防控減災(zāi)體系，并建立農(nóng)業(yè)災(zāi)害保險機制，可有效規(guī)避農(nóng)業(yè)氣候災(zāi)害風(fēng)險[31]。

4 氣候變化作物生產(chǎn)影響評價存在的問題

4.1 作物生長模型

當(dāng)前的作物生長模型可以模擬正常情況下作物生長情況，對異常氣候下的響應(yīng)能力不足，近年來異常氣候發(fā)生頻率有增加的趨勢，異常氣候?qū)r(nóng)作物的影響越來越大。作物模型對CO2濃度的響應(yīng)與實際情況有差異。CO2濃度增強時，作物光合效率增加，現(xiàn)有的模型一般用系數(shù)進(jìn)行CO2訂正，但CO2濃度增加后，作物的光合產(chǎn)量亦同步增加，從而降低了作物含氮量，導(dǎo)致模型模擬過程中考慮CO2的直接增益效益過高。另外，現(xiàn)有作物生長模型大都在無病蟲害情況下進(jìn)行模擬，隨著氣溫變暖，病蟲害可能加重，這也是模型可改進(jìn)之處。

4.2 栽培管理技術(shù)

作物生長都是按照當(dāng)前栽培的管理模式，確?，F(xiàn)在的技術(shù)與當(dāng)前氣候環(huán)境相適應(yīng)。在氣候變化情況下，農(nóng)民必定會采取一系列管理措施適應(yīng)變化的氣候，如更換品種、調(diào)整播期、提高復(fù)種指數(shù)等。應(yīng)該將栽培管理技術(shù)適應(yīng)性考慮在內(nèi)，使之與實際情況相符合，增加氣候變化影響評價研究的準(zhǔn)確性。

4.3 輻射變化影響存在的問題

影響作物的氣象要素主要有溫度、降雨、輻射[33]。氣候變化對農(nóng)作物影響的研究側(cè)重于討論溫度、降水變化的影響，溫度對農(nóng)作物影響的研究側(cè)重于對作物發(fā)育速率、同化物形成、呼吸消耗的影響。降雨對農(nóng)作物影響的研究側(cè)重于降雨對土壤水分、養(yǎng)分運移的調(diào)節(jié)，進(jìn)而影響作物光合作用[34]。但是對輻射這個重要因素的影響考慮相對不足。輻射變化主要從3個方面影響作物生長，包括光合有效輻射變化、關(guān)鍵發(fā)育期作物適宜群體變化及光合同化量變化[35]。

4.4 在適應(yīng)對策研究方面存在的問題

唐國平等應(yīng)用HadCM2、CGCM1、ECHAM4 這3個模型模擬未來中國氣候變化情況，建立了未來氣候變化的6種方案，評估了中國不同區(qū)域復(fù)種指數(shù)，但沒有對周年作物生產(chǎn)進(jìn)行綜合考慮，詳細(xì)分析了降水、溫度對作物生長的影響，但對輻射因素的影響考慮相對不足，此外，作者沒有提出有效的改進(jìn)措施，來適應(yīng)和減輕氣候變化所導(dǎo)致的不利影響[36]。趙錦等研究表明，氣候變化對我國南方地區(qū)種植制度界限影響較大，造成多熟種植界限的向北、向西推進(jìn)，多熟種植區(qū)域擴(kuò)大，總體上有利于單位面積周年作物產(chǎn)量的增加，對新品種的適應(yīng)性、水資源、土壤、經(jīng)濟(jì)政策等因素對種植制度變化影響考慮不足[37]。應(yīng)充分考慮合理平衡的種植結(jié)構(gòu)，根據(jù)農(nóng)作物的優(yōu)勢種植區(qū)，充分利用氣候資源，減少氣候變化對農(nóng)業(yè)造成的經(jīng)濟(jì)損失。如黑龍江地區(qū)大面積擴(kuò)種水稻，原來的玉米優(yōu)勢種植區(qū)為水稻所替代就是應(yīng)對氣候變化的重要措施[38]。

5 結(jié)語

氣候變化打亂了我國氣候資源的分布格局，這些氣候資源的重新分配對我國農(nóng)業(yè)造成了重大影響，大體上是熱量資源總體增加，但分布不均勻[39]。北方增溫幅度大于南方，冬季和夜間增溫分別大于夏季和白天[40]。作物生長都有最適溫度，高緯度地區(qū)天氣寒冷，雖然白天增溫可以接近最適溫，但夜間溫度增加，作物呼吸作用加強，不利于有機物積累；低緯度地區(qū)盡管增溫幅度不如北方，但由于其基礎(chǔ)溫度已較高，繼續(xù)增溫將不利于作物生長[41-42]。降水資源分布總量變化不大，我國西部地區(qū)、華南地區(qū)降水量增加，華北地區(qū)、東北地區(qū)降水減少[40]。降水變化亦會影響溫度、輻射變化及土壤水分平衡，對干旱和雨養(yǎng)地區(qū)的影響尤為明顯；濕潤地區(qū)的溫度和太陽輻射變化對作物的影響更為顯著[42]。近年來，我國部分地區(qū)極端天氣頻發(fā)，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不利[43]。因此，氣候變化研究的意義在于對氣候變化進(jìn)行預(yù)測。氣候變化對農(nóng)業(yè)的影響不是單方面的，還涉及土壤、水資源、氣溫、栽培管理技術(shù)、經(jīng)濟(jì)政策等諸多方面。各種研究方法都有各自的優(yōu)勢和不足，因此在研究過程中要因地制宜、揚長避短，選擇合適的研究方法，還可以使用多種方法進(jìn)行模擬研究，比較各種方法的研究結(jié)果并加以修正，確保氣候變化對農(nóng)業(yè)影響的評價結(jié)果更客觀，減少結(jié)果的不確定性。

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