氣候變化對農業影響評價研究進展

馬銳　江敏　石春林

摘要：農業在我國的國民經濟發展中占有重要的地位，氣候變化是影響農業最直接的環境因素。近些年我國平均氣溫升高，氣候異常，極端天氣頻發，對我國氣候資源的分配及農業生產造成了嚴重影響。對氣候變化和農業影響評價的研究方法進行了綜述，并對研究方法的3個不同階段進行闡述，總結了3個階段的研究特點和發展過程，提出了氣候變化影響農業的評價研究中存在的問題并進行展望。

關鍵詞：氣候變化；農業影響；極端天氣

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

農業在我國經濟發展中占據著基礎地位，為工業發展提供大量原材料，為國民經濟穩定發展提供保障。雖然現代科學技術在很大程度上可以促進農業豐產豐收，但農業生產仍然擺脫不了靠天吃飯的困境。氣候變化成為影響農業生產的重要因素。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，但區域差異明顯，極端干旱洪澇事件頻發[1]。1985年以來，我國出現了多次全國大范圍暖冬天氣，其中以西北、華北、東北地區氣候變暖最為明顯，華北地區同期降水量也明顯減少，出現暖干化趨勢。氣候變暖不但對我國生態環境、社會經濟發展等造成重大影響，而且給農業生產帶來了巨大損失。本研究探討氣候變化對農業影響評價研究進展，旨在為促進我國農業可持續發展提供依據。

1 氣候變化對農業影響的研究方法

氣候變化對農業生產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驗模型、機理模型[2]。

1.1 氣候變化對農業影響的觀測試驗

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置FACE處理圈，即在田間設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，作物生長發育、物質分配、產量等的變化[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度減小所致[5]。氣室試驗的優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境的狀態且帶有很多人為因素。采用自由大氣CO2增高（FACE）設置可以在一定程度上克服上述缺陷，但難以實現同時進行增溫處理[6]。

1.2 氣候變化對農業影響的模型模擬研究

20世紀80年代以來，很多學者采用模擬試驗方法評價氣候變化對作物生產的影響，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，可以分為經驗模型模擬、機理模型模擬，其中作物模型按照開發者不同可以分為三大學派。經驗模型又叫回歸統計模型，早期研究多采用回歸統計方法建立氣象產量模型或氣候生產力模型，分析氣候波動與作物產量或氣候生產力之間的數量關系；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業氣候指標就氣候變化對糧食產量的影響進行估算[8]?；貧w統計模型以大數定律、統計假設檢驗為基礎[9]。經驗模型的優點是所需的參數少，不分作物種類品種，可以考慮作物自適應性響應。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，統計方法不能闡明氣候變化影響作物生長發育的機理[10]，特別是未來氣候變化幅度之大可能遠遠超出統計模型所使用的歷史資料范圍，因此基于回歸統計方法的各種經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疑。此外，統計模型無法描述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。

機理模型主要根據作物基礎學科、專業基礎學科以及專業學科相關原理建模，研究比較系統深入[11]。它可以動態地定量模擬作物生長發育過程，并能人為設定一些管理要素。機理模型主要被應用在區域氣候變化評價研究中[12]，但它需要較多的作物品種參數，參數調試過程相對麻煩，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]。荷蘭學派的特點是強調作物過程的機理表達，國際水稻研究所和荷蘭瓦赫寧根大學共同研發了水稻生長模擬模型ORYZA2000。該模型已被聯合國糧農組織（FAO）和亞洲多數國家農業部門用于水稻生長情況評估及預測。美國學派則更注重綜合考慮天氣-土壤-作物之間的相互作用，開發了CERES模型系列。中國學派更注重將作物生長模型、栽培優化模型或知識模型與專家知識相結合，形成了以江蘇省農業科學院高亮之為代表開發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）栽培模擬優化決策系統[15]。

2 氣候變化對農業影響評價方法研究

初始階段，學者人為改變氣候參數，對天氣數據進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行模擬，進而觀察未來氣候變化對作物生長產生的影響[16]。這種方法以實測的天氣數據為基準，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、能較好地反映參數敏感性等優點，但不能反映空間、時間的動態變化，且人為設置的天氣數據比較隨意，與實際情況差異較大。一些學者在借助大氣環流模式（GCM）生成未來氣候變化情景方面取得了進展，即根據GCM輸出的網格點值，結合當地歷史氣候資料，設置未來氣候變化情景，或利用天氣發生器（WGEN）生成未來氣候變化情景，進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合，用以評價氣候變化對農作物生長、產量的影響，即利用GCM生成的未來氣候變化情景，假設今后的種植制度、作物品種、栽培技術維持在現有水平，分別模擬現有品種在當前氣候（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育的影響[18]。1990年以來，江蘇省農業科學院金之慶領導的項目組采用GISS、GFDL、UKMO 3種GCMs在我國各有關網格點上的輸出值，結合各樣點近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，進而將CERES、SOYGRO、RCSODS（水稻栽培模擬優化決策系統）等作物模型在上述情景下運行，系統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、花生等糧食生產的潛在影響，并在模擬試驗的基礎上，提出適應氣候變化的若干糧食生產對策[19-21]。這樣做的好處是便于和當前生產狀況進行比較，但此種方法的缺點主要來源于大氣環流模型的不確定性，大氣環流模型分辨率低，輸出的粗網格月均值不容易直接被作物模型所利用，且大多是以CO2平衡態為基礎，不符合實際。大氣環流模型只能應用在有實測天氣資料的站點，不能大范圍應用[22]。另外，氣候變化后農民必然會選擇一些有別于現在的生產方式進行糧食生產，種植制度、品種類型、田間管理等都會有所變化。

近年來，學者在氣候變化對農業的影響方面有了新的研究進展[23]。用區域氣候模式結合作物模型來模擬氣候變化對農業的影響成為新的發展方向[24]。使用區域氣候模式可以直接模擬逐日天氣數據，然后輸入到作物模型中。它是對大氣環流模式的一大改進，可以降低天氣數據的不確定性以及模擬高分辨率的逐日天氣數據[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，區域氣候模式的適用性更好，但是區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前模擬情景進行比較，當模擬情景與實況存在差異，會帶來參數調試難的問題。區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測。英國Hadley氣候中心研制的區域氣候模式PRECIS預測了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情景假設未來全球發展不均衡，其主要特征是人口持續增長、經濟發展緩慢、CO2排放濃度較高；B2情景假設未來全球經濟、社會、環境可持續發展，其主要特征是人口持續增長，但增速比A2情景慢，經濟發展速度中等，CO2排放濃度處于中下水平[26]。A2情景與我國的發展狀況有差異，B2情景與我國未來的發展情況最為接近[27]。

3 應對氣候變化采取的措施

氣候變化影響農業，人們可以通過采取一定的措施來適應氣候變化所帶來的不利影響。李虎等指出，我國農業對氣候變化的適應技術水平與發達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、農業基礎設施等方面加強研究[28]。

3.1 擴大復種面積，調整種植布局

氣候變化導致作物生長季的光能、熱量資源增加，復種面積擴大，部分作物的種植北界北移[29]。王春乙等認為，要合理安排農作物布局，適度將冬季越冬作物北移，通過發展冬季麥棉兩熟、小麥玉米間作、發展雙季稻等途徑提高復種指數[30]。金之慶等利用模型評價氣候變暖對研究區域作物布局、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可能出現的地理位移[19]。

3.2 加強農田水利基礎設施建設

農田水利基礎設施建設可以有效提高作物抗旱、抗澇能力，增強作物應對氣候變化的適應能力。錢鳳魁等提倡推廣膜下滴水、地膜等節水灌溉技術，在干旱缺水山區興建一批蓄水塘庫，普及集雨設施與補灌技術，開展坡改梯、溝壩地等農田基本建設，提高農業應對氣候變化的能力[31]。

3.3 改良品種

改良作物品種使之適應氣候變化，保證增產增收?？蒲袡C構已經有計劃地選育農作物新品種，農作物選育的首要目標是增強農作物的抗逆性，選育耐高溫、耐干旱、抗病蟲害的農作物新品種，以應對氣候變暖導致的病蟲草害。同時改善農作物的生理特性，包括選育高光合效能及低呼吸消耗的品種[32]。

3.4 調整農田管理措施

通過調整農田管理措施來適應和減輕氣候變化導致的農業氣象災害的影響。對干旱地區，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構改良劑，用抗旱劑抑制地面蒸發，用抗蒸騰劑減少植物蒸騰，開發活性促根劑促根抗旱[32]。

3.5 加強對農業氣候災害的防控措施

農業整治管理對于糧食增產增收起著重要作用，但對農業氣候災害進行監測防控同樣不可忽視。錢鳳魁等認為，開展農業氣候災害預測，建立農業災害監測與預警系統，特別是建立干旱、洪澇、低溫災害、重大植物病蟲害等防控減災體系，并建立農業災害保險機制，可有效規避農業氣候災害風險[31]。

4 氣候變化作物生產影響評價存在的問題

4.1 作物生長模型

當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能力不足，近年來異常氣候發生頻率有增加的趨勢，異常氣候對農作物的影響越來越大。作物模型對CO2濃度的響應與實際情況有差異。CO2濃度增強時，作物光合效率增加，現有的模型一般用系數進行CO2訂正，但CO2濃度增加后，作物的光合產量亦同步增加，從而降低了作物含氮量，導致模型模擬過程中考慮CO2的直接增益效益過高。另外，現有作物生長模型大都在無病蟲害情況下進行模擬，隨著氣溫變暖，病蟲害可能加重，這也是模型可改進之處。

4.2 栽培管理技術

作物生長都是按照當前栽培的管理模式，確?，F在的技術與當前氣候環境相適應。在氣候變化情況下，農民必定會采取一系列管理措施適應變化的氣候，如更換品種、調整播期、提高復種指數等。應該將栽培管理技術適應性考慮在內，使之與實際情況相符合，增加氣候變化影響評價研究的準確性。

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]。氣候變化對農作物影響的研究側重于討論溫度、降水變化的影響，溫度對農作物影響的研究側重于對作物發育速率、同化物形成、呼吸消耗的影響。降雨對農作物影響的研究側重于降雨對土壤水分、養分運移的調節，進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、關鍵發育期作物適宜群體變化及光合同化量變化[35]。

4.4 在適應對策研究方面存在的問題

唐國平等應用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，評估了中國不同區域復種指數，但沒有對周年作物生產進行綜合考慮，詳細分析了降水、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措施，來適應和減輕氣候變化所導致的不利影響[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，多熟種植區域擴大，總體上有利于單位面積周年作物產量的增加，對新品種的適應性、水資源、土壤、經濟政策等因素對種植制度變化影響考慮不足[37]。應充分考慮合理平衡的種植結構，根據農作物的優勢種植區，充分利用氣候資源，減少氣候變化對農業造成的經濟損失。如黑龍江地區大面積擴種水稻，原來的玉米優勢種植區為水稻所替代就是應對氣候變化的重要措施[38]。

5 結語

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業造成了重大影響，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；低緯度地區盡管增溫幅度不如北方，但由于其基礎溫度已較高，繼續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、華南地區降水量增加，華北地區、東北地區降水減少[40]。降水變化亦會影響溫度、輻射變化及土壤水分平衡，對干旱和雨養地區的影響尤為明顯；濕潤地區的溫度和太陽輻射變化對作物的影響更為顯著[42]。近年來，我國部分地區極端天氣頻發，對農業生產不利[43]。因此，氣候變化研究的意義在于對氣候變化進行預測。氣候變化對農業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、經濟政策等諸多方面。各種研究方法都有各自的優勢和不足，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行模擬研究，比較各種方法的研究結果并加以修正，確保氣候變化對農業影響的評價結果更客觀，減少結果的不確定性。

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