郭建平

（中國氣象科學(xué)研究院，北京100081）

氣候變化對中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響研究進(jìn)展

郭建平*

（中國氣象科學(xué)研究院，北京100081）

氣候變化已成為當(dāng)今科學(xué)界、各國政府和社會公眾普遍關(guān)注的環(huán)境問題之一，氣候變化可能對生態(tài)系統(tǒng)和社會經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生災(zāi)難性影響，農(nóng)業(yè)是受氣候變化影響最直接的脆弱行業(yè)。因此，氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響研究一直是氣候變化研究領(lǐng)域中的熱點問題之一。該文系統(tǒng)介紹了有關(guān)全球氣候變化對中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響研究的現(xiàn)狀與進(jìn)展，包括氣候變化對農(nóng)業(yè)影響的研究方法、大氣中溫室氣體濃度增加對農(nóng)作物的影響試驗、氣候變化對農(nóng)業(yè)氣候資源的影響、氣候變化對農(nóng)作物生長發(fā)育和產(chǎn)量的影響、氣候變化對農(nóng)業(yè)種植制度和品種布局的影響、氣候變化對農(nóng)作物氣候生產(chǎn)潛力和氣候資源利用率的影響等，指出當(dāng)前在研究氣候變化對農(nóng)業(yè)影響評估中存在的問題，提出了今后應(yīng)加強(qiáng)對氣候變化情景和預(yù)測模式不確定性的研究、氣候變化對農(nóng)業(yè)影響的方法研究。此外，氣候變化背景下極端天氣氣候事件對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響以及氣候變化對農(nóng)業(yè)病蟲害的影響研究等仍較薄弱，有待進(jìn)一步加強(qiáng)和深入。

氣候變化；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；影響評估；研究進(jìn)展

引 言

以全球變暖為主要特征的氣候變化已經(jīng)成為當(dāng)今世界重要的環(huán)境問題之一。最近幾十年，關(guān)于氣候變化的問題一直是學(xué)術(shù)界研究的熱點［1］。在過去的100年里，全球平均表面溫度上升了0.74℃［2］，而最近50年的升溫幾乎是過去100年的2倍［3］。IPCC第5次評估報告指出，氣候變化比原來認(rèn)識的要更加嚴(yán)重，在過去的30年里，每10年的表面溫度要高于人類有記錄以來的任何10年，且2000年以來的十幾年氣溫最高［4］。許多區(qū)域的作物研究表明，氣候變化對糧食產(chǎn)量的不利影響比有利影響更為顯著［5-6］。在全球變暖的情景下，近50年來，我國增暖明顯，全國年平均表面溫度增加了1.1℃，明顯高于全球或北半球同期的平均增溫速率［7］。尤其是20世紀(jì)80年代中期以來，升溫速率顯著加快，北方地區(qū)增溫趨勢顯著［8］。近50年我國年降水變化趨勢不明顯，但年代際波動較大，區(qū)域間存在明顯差異，極端天氣氣候事件的頻率和強(qiáng)度出現(xiàn)了明顯增強(qiáng)，霜凍日、寒潮事件減少，長江中下游地區(qū)和東南地區(qū)洪澇加重。我國東北和華北、西北東部的干旱日趨嚴(yán)重［8］。未來20～100年我國表面溫度仍將繼續(xù)上升，趨勢明顯，北方增暖大于南方，內(nèi)陸大于沿海。降水量的年際變化較大，但隨著溫室氣體濃度的持續(xù)增加，未來降水量可能呈增加趨勢［9］。

全球氣候變化帶來一系列問題，變化幅度已超出地球本身自然變動范圍，對人類生存和社會經(jīng)濟(jì)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。農(nóng)業(yè)是受全球氣候變化影響最大、最直接的行業(yè)之一，尤其是作為農(nóng)業(yè)主體的作物生產(chǎn)與糧食安全［10］。根據(jù)中國國家氣候變化方案，農(nóng)業(yè)是應(yīng)對氣候變化4個主要領(lǐng)域之一。氣候變化背景下我國的糧食安全也已受到嚴(yán)重威脅，2020—2050年我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)將受到氣候變化的嚴(yán)重沖擊［11］。大氣中CO2濃度增加及氣候變暖，通過影響作物生育進(jìn)程、適宜種植區(qū)和災(zāi)害性因子等的變化，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生很大影響?？茖W(xué)預(yù)測氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，探討應(yīng)對氣候變化的農(nóng)業(yè)發(fā)展策略，已成為實施全球可持續(xù)農(nóng)業(yè)與農(nóng)村發(fā)展（SARD）戰(zhàn)略需要研究解決的重大問題［12］。本文系統(tǒng)回顧了近幾十年氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響評估的研究進(jìn)展，以期為今后該領(lǐng)域的研究工作提供參考。

1 氣候變化對農(nóng)業(yè)影響的研究方法

綜合國內(nèi)外文獻(xiàn)，研究氣候變化的影響通常有3類方法：一是實驗室模擬或現(xiàn)場觀測試驗方法，二是歷史相似或類比法，三是利用計算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬和預(yù)測的方法。第3類方法是當(dāng)前最有前途、進(jìn)展最為迅速的方法［13］。從氣候變化對農(nóng)業(yè)影響來看，目前采用的方法主要集中在觀測試驗和模型模擬影響兩方面［11］。觀測試驗多采用田間試驗和環(huán)境控制試驗兩種方法，其中環(huán)境控制試驗是在野外設(shè)立封閉或頂部開放溫室，通過人為控制CO2濃度研究對作物的影響［14］。國外早期的研究多采用環(huán)境控制試驗［15］，因為這種方法重復(fù)性好，能為研究者提供穩(wěn)定的環(huán)境［16］。我國有關(guān)CO2濃度增加對農(nóng)作物直接影響的研究起步較晚［17］，20世紀(jì)90年代一些學(xué)者開展了通過田間試驗進(jìn)行CO2濃度和光合作用關(guān)系的試驗研究［18-19］。直接田間試驗的方法可以獲取許多重要數(shù)據(jù)，用來檢驗假設(shè)或評價因果關(guān)系等，是一種重要的研究方法。但該方法耗時、耗財力，特別是對模擬未來氣候變化后環(huán)境溫度和降水等條件發(fā)生變化情況下多作物品種的長期試驗非常困難，因此，在使用中存在很大的局限性［20］。

鑒于田間試驗方法的局限性，利用計算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬和預(yù)測研究是目前定量化研究氣候變化及其影響的較科學(xué)和理想的方法。模型模擬包括統(tǒng)計分析（回歸模型）和動態(tài)數(shù)值模擬（氣候模式與農(nóng)業(yè)評價模式相嵌套）兩種方法。統(tǒng)計學(xué)方法在大數(shù)定律和統(tǒng)計假設(shè)檢驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)生物量與氣候因子的統(tǒng)計相關(guān)建立數(shù)學(xué)模型。20世紀(jì)80年代以來，隨著長期觀測試驗的進(jìn)行和人們對作物生長過程認(rèn)識的不斷深化以及作物模式研究的不斷發(fā)展和完善，大氣環(huán)流模型（GCM）和作物模式相聯(lián)接逐漸發(fā)展成為評價氣候變化對農(nóng)業(yè)影響的最基本、最有效的方法［20］。

國外學(xué)者研究氣候變化與作物的關(guān)系多采用作物模型，結(jié)合不同的氣候或天氣模式，評價氣候變化對作物影響并給出建議和對策。目前，國外具有代表性的作物模型有美國農(nóng)業(yè)部開發(fā)的CERES（Crop Environment Resource Synthesis）［21］系列以及荷蘭的 WOFOST（World Food Studies）［22］系列模型，國內(nèi)則有RCSODS（Rice Cultivational Simulaton，Optimization and Decision-Making System ）［23］和WheatGrow［24］等模型。國內(nèi)外在這方面已有大量報道，Christian等［25］將GCM模擬的天氣數(shù)據(jù)及觀測站的天氣數(shù)據(jù)分別輸入到作物模型SARRA-H（System for Regional Analysis of Agro-Climatic Risks-Habille）中，建立了比較合理的作物模型；Easterling等［26］在 EPIC（Erosion-Productivity Impact Calculator）模型中加入CO2對作物光合作用和蒸散作用的影響，探討美國 MINK（Missouri-Iowa-Nebraska-Kansas）氣候變化對地區(qū)作物影響；Gregory等［27］利用作物模型研究了氣候變化對希臘玉米生育期和產(chǎn)量的潛在影響；David等［28］利用多種氣候模式和作物統(tǒng)計模式研究了氣候變化對美國加利福尼亞多年生作物的影響。

近年來，我國在應(yīng)用作物模型進(jìn)行氣候變化對農(nóng)作物影響的研究領(lǐng)域也取得了顯著成果。王馥棠［29］利用3種大氣環(huán)流模式預(yù)測未來氣候情景下我國主要作物水稻、小麥和玉米產(chǎn)量的可能變化，并指出作物產(chǎn)量下降的主要原因是大氣中CO2濃度倍增時，溫度升高、作物發(fā)育速度加快和生育期縮短。張建平等［30］利用 WOFOST作物模型，結(jié)合氣候模型BCC-T63輸出的未來氣候情景資料，模擬分析了未來氣候變化對東北地區(qū)玉米產(chǎn)量的影響，表明氣候變化將嚴(yán)重影響東北糧食產(chǎn)量。金之慶等［31］利用CERES-Maize模擬了全球氣候變化對我國玉米生產(chǎn)的可能影響，并評價了當(dāng)CO2倍增時，氣候變化對我國各地玉米產(chǎn)量和灌溉需要的可能影響。尚宗波［32］利用玉米生長生理生態(tài)學(xué)模擬模型（MPESM），模擬評價了沈陽地區(qū)玉米生長對各種氣候因子變化的敏感性，全球氣候變化背景下沈陽地區(qū)春玉米的生長趨勢以及產(chǎn)量變化情況，研究表明，在未來氣候變化背景下沈陽地區(qū)玉米平均產(chǎn)量會有5%～30%的降幅。馮利平等［33］建立了氣候變化背景下我國華北冬小麥生產(chǎn)影響評估模型，探討氣候異常對華北冬小麥的可能影響。

2 大氣中溫室氣體濃度增加對農(nóng)作物的影響試驗

大氣CO2濃度升高除了通過溫室效應(yīng)導(dǎo)致的全球氣候變化并對植物產(chǎn)生間接影響外，還直接影響植物的生長發(fā)育［34］。

CO2濃度升高對植物影響的田間試驗主要手段有3種：控制環(huán)境試驗（controlled environment，CE）、開頂式測定箱（open-top chambers，OTC）和自由CO2氣體施肥試驗（free-air CO2enrichment，F(xiàn)ACE）［35］。國外早期研究多采用環(huán)境控制試驗［15-16］，因為這種方法重復(fù)性好，能為研究者提供穩(wěn)定的環(huán)境。缺點是光照通常減少，溫度升高，晝夜溫差減少，光溫不能同步，且風(fēng)速相對靜止。最大的缺陷是大部分植物種在花盆中，植物根系生長空間受限。另外，這種試驗通常以植物幼苗為試驗材料，所得結(jié)論能否應(yīng)用于田間狀態(tài)下的成熟植株值得懷疑，因此，近年來這種方法的應(yīng)用逐漸減少［17］。而OTC試驗優(yōu)點是生長環(huán)境基本接近于自然狀態(tài)，可自動控制CO2濃度，并使之與溫度變化同步。如果利用自然植物作為試驗對象，可以避免根系受限制和只能研究幼苗等不足之處，其結(jié)果具有說服力。而FACE在自然狀態(tài)下進(jìn)行CO2濃度升高對植物影響的試驗，其結(jié)果有很強(qiáng)的代表性，是另外兩種方法不能比擬的。因而，這是公認(rèn)的研究植物對高CO2濃度響應(yīng)的最理想的手段之一。

我國有關(guān)CO2濃度增加對作物直接影響研究起步較晚，20世紀(jì)90年代一些學(xué)者通過田間試驗進(jìn)行 CO2濃度和光合作用關(guān)系研究［18-19，36-38］。其中，王修蘭［37］于1992—1995年在人工控制環(huán)境條件下分別對我國幾種主要作物（小麥、玉米、大豆等）進(jìn)行了不同CO2濃度反應(yīng)的試驗研究，在作物生物量、產(chǎn)量、光合速率、蒸騰系數(shù)方面獲得了大量系統(tǒng)數(shù)據(jù)。試驗結(jié)果表明，在人工控制環(huán)境條件下隨著CO2濃度增加，作物的生物量、產(chǎn)量、光合速率等增加，而作物的蒸騰系數(shù)減少。王春乙等［39］于1992—1996年利用OTC-1型開頂式氣室研究CO2濃度增加對我國6種主要作物的生長發(fā)育、產(chǎn)量形成、光合作用、蒸騰等的影響，并研究CO2濃度增加對一些作物品質(zhì)的影響。結(jié)果表明：CO2濃度增加，作物發(fā)育進(jìn)程加快，株高增加，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和生物產(chǎn)量增加明顯，且C3作物的增長幅度大于C4作物；冬小麥、棉花品質(zhì)呈良性變化，玉米品質(zhì)可能有所下降，大豆品質(zhì)變化不明顯。O3對農(nóng)作物影響的研究也有了新的進(jìn)展，利用OTC-1型開頂式氣室研究O3濃度增加對冬小麥、水稻、菠菜、油菜生長發(fā)育和產(chǎn)量的影響，O3濃度達(dá)到100×10－9情況下作物產(chǎn)量降低20% ～30%；在此基礎(chǔ)上進(jìn)行CO2和O3的復(fù)合影響試驗和模型研究，從生理生態(tài)、土壤微生物及碳氮循環(huán)角度出發(fā)，探討空氣質(zhì)量變化對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)功能的可能影響，為評估近地層大氣CO2和O3濃度變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)功能的可能影響提供科學(xué)依據(jù)［39-40］。此外，鄭有飛等［41-42］研究了大氣中氣溶膠的增加對我國主要作物小麥、玉米的影響，發(fā)現(xiàn)氣溶膠增加引起太陽輻射減少，進(jìn)而影響小麥、玉米生育期和籽粒產(chǎn)量。

由此可見，CO2濃度增加導(dǎo)致作物光合作用增強(qiáng)，蒸騰速率減小是最終導(dǎo)致生物量和產(chǎn)量提高的根本原因。O3濃度增加引起作物傷害是導(dǎo)致生物量和產(chǎn)量下降的原因，而大氣氣溶膠增加，阻擋了太陽輻射，進(jìn)而影響作物產(chǎn)量。

3 氣候變化對農(nóng)業(yè)氣候資源的影響

農(nóng)業(yè)氣候資源的數(shù)量及其配置直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程，并為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供必要的物質(zhì)和能量。農(nóng)業(yè)氣候資源主要包括光資源、熱量資源和水分資源。氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，首先表現(xiàn)為對農(nóng)業(yè)氣候資源的影響，由于農(nóng)業(yè)氣候資源在數(shù)量和配置上發(fā)生了變化，導(dǎo)致對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的影響，并最終影響農(nóng)業(yè)種植制度、品種布局以及生長發(fā)育和產(chǎn)量形成。因此，系統(tǒng)分析氣候變化背景下農(nóng)業(yè)氣候資源演變趨勢及空間分布格局，不僅有利于合理利用農(nóng)業(yè)氣候資源，還將為調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)和種植制度提供一定的科學(xué)依據(jù)。研究表明：近50年我國大于等于0℃和大于等于10℃積溫和持續(xù)時間總體呈增加趨勢，但增溫幅度區(qū)域間存在差異。1961—2007年華南地區(qū)年平均氣溫以0.20℃／10 a的趨勢上升，溫度生長期內(nèi)積溫的氣候傾向率（平均為98℃·d／10 a）由北向南遞增［43］。西南地區(qū)年平均氣溫呈上升趨勢，平均增速為0.18℃／10 a；溫度生長期內(nèi)大于等于10℃和大于等于15℃積溫均呈增加趨勢，平均增速分別為55.3℃·d／10 a和37℃·d／10 a［44］。西北干旱地區(qū)年平均氣溫呈上升趨勢，其氣候傾向率為0.35℃／10 a；喜涼作物和喜溫作物溫度生長期內(nèi)積溫總體呈升高趨勢，氣候傾向率分別為67℃·d／10 a和50℃·d／10 a［45］。與1961—1980年的平均狀況相比，1981—2007年黃淮海平原喜涼作物和喜溫作物溫度生長期均呈延長趨勢，分別延長了7.4 d和6.9 d；大于等于0℃和大于等于10℃積溫總體表現(xiàn)為增加趨勢，其氣候傾向率分別為4.0～137.0℃·d／10 a和1.0～142.0℃·d／10 a［46］。與1961—1980年相比，1981—2007年我國年平均氣溫增加了0.6℃，喜涼作物生長期內(nèi)大于等于0℃積溫和喜溫作物生長期內(nèi)大于等于10℃積溫分別平均增加123.3℃·d和125.9℃·d；1961—2007年年平均氣溫增幅最大的區(qū)域是東北地區(qū)，喜溫作物生長期內(nèi)大于等于10℃積溫增幅最大的是華南地區(qū)［47］。長江中下游地區(qū)雙季稻的安全種植北界北推［48］，華東地區(qū)和華北平原在1961—2005年氣溫也出現(xiàn)明顯的上升趨勢［49-50］，西北地區(qū)大于等于0℃和大于等于10℃積溫均從1986年開始增加，在1995年后增加趨勢更加明顯。大于等于0℃積溫和大于等于10℃積溫的平均氣候傾向率區(qū)域間存在差異，其中于田、庫車、阿拉爾等地區(qū)積溫呈減少趨勢［51］；1961—2007年東北三省的年平均氣溫總體上升，氣候傾向率為0.38℃／10 a，溫度生長期內(nèi)大于等于10℃的積溫帶北移東擴(kuò)［52］。未來我國氣溫變化趨勢較一致，大部分地區(qū)大于等于0℃、大于等于10℃積溫的持續(xù)日數(shù)、無霜期延長，大于等于0℃、大于等于10℃積溫呈增加趨勢［11］。河套地區(qū)初霜日日期推后，終霜日日期提前，無霜期逐步延長，霜凍災(zāi)害呈逐年減少趨勢［53］。雖然熱量資源表現(xiàn)出總體增加趨勢，但表現(xiàn)出時空分布極不均勻的顯著特點：一是北方地區(qū)增溫幅度大于南方，二是冬季大于夏季，三是夜間大于白天，從而導(dǎo)致日較差減?。?4］；同時，南方地區(qū)的增溫趨勢不明顯［55］。

近50年我國降水量總體變化趨勢不顯著，區(qū)域差異明顯，長江中下游地區(qū)、東南地區(qū)、西部大部分地區(qū)、東北北部和內(nèi)蒙古大部分地區(qū)年降水量呈增加趨勢，但華北、西北東部、東北南部年降水量呈下降趨勢［7］。近50年黑龍江省和吉林省絕大部分區(qū)域在溫度生長期內(nèi)的參考作物蒸散量呈逐年增加趨勢，而遼寧省絕大部分區(qū)域則有所減少［52］。長江中下游地區(qū)生長期內(nèi)參考作物蒸散量呈略微減少趨勢，低值區(qū)擴(kuò)大，高值區(qū)減小［48］。我國未來降水量總的變化趨勢仍為增加，但降水量增加中心因模式不同而有所差異。加拿大CCCma模式預(yù)估未來我國降水量增加中心位于青海、西藏一帶，21世紀(jì)末華南地區(qū)降水量有所減少［56］。區(qū)域氣候模式PRECIS預(yù)測未來氣溫持續(xù)升高，導(dǎo)致參考作物蒸散量普遍增加，降水量增加最多的地區(qū)分布在長江以南、海南以北的中、南亞熱帶地區(qū)［9］。

1960年以來，我國大部分地區(qū)太陽輻射降低，出現(xiàn)日照時數(shù)減少的現(xiàn)象。近50年在氣候變暖背景下，相對濕度和云量增加導(dǎo)致西北大部分地區(qū)日照時數(shù)顯著減少，西北地區(qū)平均減少速率為19.92 h／10 a［45，57］。東北三省年日照時數(shù)顯著下降，且以松嫩平原東部、吉林省中西部平原、遼河平原西部的減少尤為明顯，日照時數(shù)高值區(qū)西退、日照時數(shù)減少［52］。長江中下游地區(qū)日照時數(shù)普遍表現(xiàn)為減少趨勢，其中1980年以來比1961—1980年溫度生長期內(nèi)平均日照時數(shù)減少了8.1%［48］。華南地區(qū)年日照時數(shù)呈由西向東逐漸減少的特征，且東部減少趨勢較西部更顯著，但空間差異較大［44］，全年和溫度生長期日照時數(shù)分別以－57 h／10 a和－38 h／10 a的速率遞減［43］。對全國而言，與1961—1980年相比，1981—2007年在全年、喜涼和喜溫作物生長期內(nèi)日照時數(shù)分別減少了125.7，32.2 h和53.6 h。1961—2007年長江中下游地區(qū)年日照時數(shù)的減幅最大，喜涼和喜溫作物生長期內(nèi)日照時數(shù)減少量最大的地區(qū)分別是華北和華南地區(qū)［47］。

由此可見，氣候變化背景下，我國農(nóng)業(yè)氣候資源總體表現(xiàn)為熱量資源顯著增加，輻射資源減少，而降水資源的變化不顯著，區(qū)域差異明顯。

4 氣候變化對農(nóng)作物生長發(fā)育的影響

溫度是影響作物發(fā)育速度的關(guān)鍵因子，溫度高低決定了生育期長短。溫度升高，作物生育期普遍縮短。研究表明：平均氣溫升高1℃，水稻生育期日數(shù)平均縮短7.6 d，溫度增加導(dǎo)致一季稻、早稻的生育期縮短［58］。但氣溫升高對不同熟性的水稻品種生長發(fā)育的影響不一致。近20年廣東省潮州水稻生育期積溫增加，早稻各發(fā)育期均有不同程度的提早，晚稻的發(fā)育期持續(xù)推遲，早稻、晚稻的全生育期日數(shù)均在逐漸縮短［59］。且影響主要表現(xiàn)在生育前期，1961—2008年河南省信陽地區(qū)水稻生長季內(nèi)4—5月變暖趨勢最為顯著，使得水稻播種、移栽日期顯著提前，移栽—抽穗長度顯著延長［60］。

氣候變暖對冬小麥影響較大的時期主要在生育前期，對生育后期的影響較小，春季發(fā)育期（從返青期到成熟期）普遍提前［61-62］，拔節(jié)期提前最明顯，抽穗以后各生育期提前程度較少，冬季生育期、全生育期明顯縮短［63］。生態(tài)學(xué)模式SUCROS模擬冬小麥生長發(fā)育狀況表明，在無土壤水分虧缺的情況下，黃淮海地區(qū)秋冬季溫度升高，播種期到開花期日數(shù)減少，開花期到成熟期日數(shù)稍有延長，播種期到成熟期整個生育期的持續(xù)日數(shù)縮短［64］。

在氣候變暖的形勢下，河南省6—9月降水量減少，夏玉米生長減緩，各生育期有推遲的趨勢，成熟期推遲程度較大，全生育期日數(shù)顯著增加［63］。隴東塬區(qū)隨氣候變暖，積溫增加，日照時數(shù)和降水量相對減少，春玉米生長發(fā)育速度加快，生育期日數(shù)縮短，主要發(fā)育期較歷年均提前，提前幅度最大的是乳熟期和成熟期［65］。

總體而言，氣候變化使作物生育期縮短，且對生育前期的影響大于對生育后期的影響。

5 氣候變化對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響

氣候變化對作物的影響最終表現(xiàn)在產(chǎn)量上，氣候變化的正負(fù)效應(yīng)全球分布不均勻。高緯度地區(qū)將從氣候變暖中受益，可耕作土地面積增加，國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）隨之增長；低緯度地區(qū)氣候變化將減少土壤水分，降低農(nóng)業(yè)和林業(yè)的生產(chǎn)力，商品生產(chǎn)受到影響，GDP降低；而氣候變化對中緯度地區(qū)的影響是混合的，隨地區(qū)或氣候變化情景的改變而改變［66］。目前研究方法主要是采用氣候模型與作物模式相嵌套，對作物產(chǎn)量可能受到的影響進(jìn)行分析評價［67］。在未來氣候情景下，溫度升高，作物生長加快，生育期縮短，不同品種水稻產(chǎn)量會有不同程度下降，早稻平均減產(chǎn)幅度為3.7%，中稻為10.5%，晚稻為10.4%［68］。氣候變暖導(dǎo)致小麥發(fā)育加快，生育期縮短，春小麥生育期日數(shù)縮短比例大于冬小麥，春小麥的減產(chǎn)幅度也大于冬小麥，無論是冬小麥還是春小麥，雨養(yǎng)條件下減產(chǎn)幅度均略大于水分適宜條件（灌溉條件下）。區(qū)域間產(chǎn)量變化趨勢也有所不同，未來降水量增加，華北和長江中下游地區(qū)的雨養(yǎng)冬小麥有增產(chǎn)趨勢，而東北地區(qū)和西北地區(qū)春小麥、西南地區(qū)冬小麥有減產(chǎn)趨勢［69］。氣候變化將導(dǎo)致石羊河、大凌河流域灌溉玉米穩(wěn)產(chǎn)風(fēng)險及低產(chǎn)出現(xiàn)的概率增大，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來一定的經(jīng)濟(jì)損失，其中A2情景對玉米產(chǎn)量的負(fù)面影響大于B2情景。CO2肥效作用可以一定程度上緩解這種負(fù)面影響［70］。若不采取其他措施，未來A2和B2兩種溫室氣體排放情景下，2021—2050年河南省冬小麥產(chǎn)量平均約減少5%［71］。但也有研究表明：2012—2050年在A2和B2情景下，河北省和河南省冬小麥氣象產(chǎn)量均表現(xiàn)出以減產(chǎn)為主、而山東省冬小麥氣象產(chǎn)量以增產(chǎn)為主的趨勢［72］。但如果考慮CO2的肥效作用，減產(chǎn)幅度會明顯減小［73］。氣候變化將導(dǎo)致我國玉米主產(chǎn)區(qū)玉米單產(chǎn)普遍降低，總產(chǎn)下降。A2氣候變化情景對我國玉米產(chǎn)量的負(fù)面影響大于B2情景。CO2肥效作用可以在一定程度上緩解這種負(fù)面影響，其緩解作用對雨養(yǎng)玉米更明顯［74］。受3種氣象因子（平均溫度、日較差、太陽輻射）變化趨勢的綜合影響，約有30%的水稻產(chǎn)區(qū)對1981—2007年的氣候變化趨勢敏感，少部分地區(qū)表現(xiàn)為脆弱，但對水稻主產(chǎn)區(qū)影響不大，且在東北地區(qū)還集中表現(xiàn)出產(chǎn)量增加的趨勢，為我國水稻發(fā)展提供了契機(jī)［75］。綜合研究表明：氣候變化將影響未來三大作物（玉米、水稻、小麥）單產(chǎn)，如果不考慮CO2肥效作用，未來雨養(yǎng)作物單產(chǎn)將受到更大沖擊；當(dāng)灌溉條件保障后，水稻受到?jīng)_擊更大，單產(chǎn)降低最多，尤其是A2情景；如果考慮CO2肥效作用，未來玉米平均單產(chǎn)變化不大，小麥單產(chǎn)明顯增加，尤其是雨養(yǎng)小麥，水稻單產(chǎn)也有所增加［76］。

但氣候變化對作物產(chǎn)量影響還有很大不確定性：首先，CO2的肥效作用還有很大爭議；其次，在模型中也未考慮病蟲害和水資源供應(yīng)減少的可能性、臭氧層空洞等因素對作物產(chǎn)量的影響；再次，未來適應(yīng)的可能性帶來不確定性，若很好地利用農(nóng)業(yè)科技可以減少氣候變化的不利影響［77］。

6 氣候變化對種植制度的影響

氣溫升高增加了各地的農(nóng)業(yè)熱量資源，從而使當(dāng)前多熟制的北界向北、向西推移，復(fù)種指數(shù)呈波動式增長，全國復(fù)種指數(shù)由1985年的143%增加到1995年的165.1%后，又緩慢下降為2001年的163.8%［78］。在只考慮溫度的情況下，1981—2007年與1950—1980年相比，一年兩熟制種植北界空間位移變化最大的區(qū)域在陜西東部、山西、河北、北京和遼寧，一年三熟制種植北界空間位移變化最大的區(qū)域為浙江、江蘇、安徽、湖北、湖南地區(qū)［79］。與1951—1980年相比，2011—2040年和2041—2050年的一年兩熟制和一年三熟制種植北界均不同程度向北移動，其中一年一熟區(qū)和一年二熟區(qū)分界線空間位移最大的省（市）為陜西省和遼寧省，且2041—2050年種植北界北移情況更為明顯；一年兩熟區(qū)和一年三熟區(qū)分界線空間位移最大的區(qū)域在云南省、貴州省、湖北省、安徽省、江蘇省和浙江省境內(nèi)，且2041—2050年種植北移情況更為明顯［80］。若考慮溫度和水分的綜合影響，南方地區(qū)一年兩熟區(qū)北界無明顯變動，一年三熟區(qū)北界向西推進(jìn)了約0.25個經(jīng)度，向北移動了0.20個緯度［81］；北方地區(qū)東北部種植界限發(fā)生了空間位移，北移西擴(kuò)顯著［82］。對未來種植制度如何變動，學(xué)者多采用模型模擬未來氣候變化情景，對種植制度可能受到的影響進(jìn)行分析評價。若未來CO2增加1倍，在品種和生產(chǎn)水平不變的前提下，僅考慮熱量條件，我國一熟制面積減少而三熟制面積會明顯增加。但由于水分變化可能產(chǎn)生的不利影響，種植制度的變化仍具有較大的不確定性［83］。在大于等于10℃積溫指標(biāo)下，1986—2009年我國潛在的不可耕地面積平均值相對1961—1985年減少約34.33%，一年一熟區(qū)面積有所減少，但仍約占50%，一年兩熟和一年三熟地區(qū)面積均呈增加趨勢；綜合大于等于10℃和大于等于0℃兩個積溫指標(biāo)，我國潛在播種面積緩慢增加，與實際播種面積的變化趨勢一致，其他綜合因子則在總體上對潛在播種面積的增長有微弱抑制作用［84］。

幾乎所有研究結(jié)果表明：氣候變化有利于多熟制種植的發(fā)展，可有效擴(kuò)大作物播種面積，提高復(fù)種指數(shù)，在一定程度上彌補(bǔ)氣候變化對作物單產(chǎn)的不利影響。

7 氣候變化對品種布局的影響

在氣候變暖背景下，人們可能通過改變種植結(jié)構(gòu)、更換相對高產(chǎn)的中晚熟品種等適應(yīng)措施，以期獲得更高生產(chǎn)效益。氣候變暖背景下，在不考慮CO2濃度升高對作物生長發(fā)育影響的前提下，東北三省春玉米不同熟型品種種植北界不同程度向北移動，在界限敏感區(qū)域內(nèi)中晚熟品種替代早熟品種，使玉米生育期延長；干物質(zhì)積累增加，可以提高東北三省春玉 米 產(chǎn) 量［85］。與 1951—1980 年 相 比，1981—2007年在80%氣候保證率下我國熱帶作物安全種植北界北移0.86個緯度［86］。冬小麥強(qiáng)冬性品種種植北界在寧夏—甘肅及河北—遼寧北移趨勢最明顯，分別北移200 km和100 km；冬性品種種植北界在山東—河北變化明顯，向北移動310 km；弱冬性品種種植北界在安徽、江蘇、河南和山東交界處變化明顯，北移120～370 km［87］。東北地區(qū)不同熟性的玉米品種可種植北界明顯北移東擴(kuò)，小興安嶺可以種植極早熟玉米品種，長白山地帶可以種植早熟玉米品種，三江平原成為中熟和中晚熟玉米品種區(qū)域，松嫩平原的南部亦可種植晚熟玉米品種［88］。與1951—1980年相比，1981—2010年長江中下游地區(qū)雙季稻安全種植區(qū)增加11.5×104km2［89］。目前華北推廣的強(qiáng)冬性冬小麥品種將被半冬性冬小麥品種所取代，比較耐高溫的水稻品種將在我國南方地區(qū)占主導(dǎo)地位［90］。福建省當(dāng)年平均氣溫升高0.5℃時，水稻各熟性品種種植高度提高50 m，相當(dāng)于北界北移0.25個緯度［91］。氣候變化背景下，河南省冬小麥品種更新特征是營養(yǎng)生長期縮短，生殖生長期延長，千粒重增加，從而提高了產(chǎn)量［92］。

因此，氣候變化背景下，有利于喜溫和晚熟品種的種植，從而可以在一定程度上提高作物產(chǎn)量。

8 氣候變化對作物生產(chǎn)潛力和氣候資源利用率的影響

農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力是評價農(nóng)業(yè)氣候資源優(yōu)劣的依據(jù)之一，農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力的大小取決于光、溫、水三要素的數(shù)量及其相互配合協(xié)調(diào)的程度。研究表明：氣候變暖對熱量充足地區(qū)表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng)，遼寧地區(qū)未來由于熱量資源的增加超出了玉米生長發(fā)育的適宜溫度，2010年開始?xì)夂蛏a(chǎn)潛力明顯下降；而吉林省和黑龍江省隨晚熟品種的應(yīng)用，氣候生產(chǎn)潛力不斷增加，氣候生產(chǎn)潛力的高值區(qū)向東北方向移動［93］。目前我國小麥單產(chǎn)最高潛力主要分布在黃土高原南部，總產(chǎn)潛力主要分布在環(huán)渤海山東半島、江淮江漢平原及黃淮平原南陽盆地［94］。氣候變化背景下，光、熱、水資源的不匹配是限制資源利用率的主要因素。北京市房山和昌平部分區(qū)域氣候資源總量豐富，但水分限制使光、熱、水配合程度較差，資源利用率較低［95］。1960—2005年河北地區(qū)降水資源不斷減少，盡管光熱資源能滿足作物生長需求，但冬小麥氣候適宜度仍呈下降趨勢［96］。寧夏春玉米溫度生產(chǎn)潛力呈逐年增加、降水和氣候生產(chǎn)潛力呈波動中減少的趨勢。未來氣候變化顯著影響春玉米氣候生產(chǎn)潛力，其中降水量變化對春玉米氣候生產(chǎn)潛力的影響遠(yuǎn)大于氣溫變化影響，降水量及其變率對其限制作用將更明顯［97］。

目前世界上大部分地區(qū)農(nóng)業(yè)氣候資源利用效率不高，我國光能利用率、熱量利用效率、水分利用效率以及綜合利用效率在世界上均屬于中等水平。其中平均光資源利用效率為0.08%～0.22%，大于等于0℃期間的光能利用率為0.18%，低于世界陸地植物的平均光能利用率0.3%，更低于高產(chǎn)地區(qū)農(nóng)田平均光能利用率0.4%的水平。世界高產(chǎn)地區(qū)的降水利用效率比我國平均降水利用效率高33.30%～67.60%［98］。但即便是利用效率高的國家，也蘊藏巨大開發(fā)潛力，因此提高農(nóng)業(yè)氣候資源利用效率成為亟待解決的重點課題［99］。前人已經(jīng)結(jié)合模糊數(shù)學(xué)的概念，考慮適應(yīng)性措施對氣候資源利用率的影響。Yuan等［93］認(rèn)為調(diào)整播種期可以有效提高資源利用率，但這種效果因地、因時而異，熱量豐富地區(qū)推遲播種期，可以避開生長后期的高溫天氣，氣候資源利用率增加明顯，但對于熱量不足地區(qū)調(diào)整播種期的影響不大。在未來氣候暖干化背景下，增強(qiáng)品種的抗逆性能可有效提高作物氣候生產(chǎn)潛力，提高氣候資源利用率。玉米品種的抗逆性越強(qiáng)，增加的氣候生產(chǎn)潛力值愈高。具備雙重抗逆性（抗旱、耐高溫）的品種在增加氣候生產(chǎn)潛力方面的作用要優(yōu)于只具備單一抗逆性（抗旱或耐高溫）的玉米品種，而抗旱性的玉米品種對氣候生產(chǎn)潛力影響大于耐高溫性品種［100］。

綜合研究結(jié)果表明：氣候變化對不同作物氣候生產(chǎn)潛力的影響趨勢不同，但在未來氣候變化趨勢下，水分可能是影響氣候生產(chǎn)潛力的主要氣候要素。農(nóng)業(yè)適應(yīng)氣候變化的措施對提高農(nóng)業(yè)氣候資源利用率有一定補(bǔ)償作用，從而證實了農(nóng)業(yè)適應(yīng)氣候變化措施的有效性。

9 問題與展望

氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響的研究成果，在準(zhǔn)確評價氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可能影響及其發(fā)展趨勢、制定適應(yīng)與減緩氣候變化不良影響的對策與措施中起重要作用。然而，目前關(guān)于氣候變化對農(nóng)業(yè)影響評估方法和結(jié)果方面還存在很大的不確定性和許多亟待解決的問題，需進(jìn)一步深入研究。

1）氣候變化情景的不確定性。2000年IPCC排放情景特別報告（The Special Report on Emissions Scenario）中提出了SRES排放方案，在對已有排放情景進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上設(shè)計了4種世界發(fā)展模式。主要分為4個情景“家族”，包含6個溫室氣體排放參考情景，其中A1和A2強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，但在經(jīng)濟(jì)和社會收斂程度上有所不同；B1和B2強(qiáng)調(diào)可持續(xù)發(fā)展，但在有關(guān)收斂程度上同樣存在不同。2011年發(fā)布了新一代情景稱為“典型濃度目標(biāo)”（Representative Concentration Pathways，RCPs）。同樣給出了4種情景，分別稱為RCP8.5，RCP6，RCP4.5及RCP2.6。其中前3個情景大體同2000年方案中的SRES A2，A1B和B1相對應(yīng)［101］。由此也可以看出，未來溫室氣體排放情景仍處于討論和研究中，最終結(jié)論存在不確定性。因此，如何選擇適合本國的未來氣候情景是準(zhǔn)確模擬未來氣候可能變化最重要的問題。

2）氣候模式對氣候變化模擬存在不確定性。目前，全球用于開展未來氣候變化模擬的全球氣候模式和區(qū)域氣候模式有數(shù)十個，不同模式輸出結(jié)果相差甚遠(yuǎn)，雖然在溫度的模擬方面趨勢一致，但增溫幅度也相差幾倍。如第4次評估報告結(jié)果顯示，與1980—1999年相比，21世紀(jì)末全球平均地表溫度可能會升高1.1～6.4℃，最大值約為最小值的5倍；第5次評估報告結(jié)果顯示，盡管升溫的最大幅度小于第4次評估報告，但不同模式模擬的升溫最大值與最小值之間的差距反而更大。而對于降水的模擬在不同區(qū)域間差異更大，甚至出現(xiàn)完全相反的結(jié)果。因此，如何選擇合理的氣候模式是開展氣候變化影響評估的重要基礎(chǔ)和前提。

3）評估方法存在不確定性。氣候變化對農(nóng)業(yè)的影響評估通常使用3種方法：一是試驗?zāi)M方法，二是統(tǒng)計模擬方法，三是數(shù)值模擬方法。試驗?zāi)M方法的主要問題是精度難以控制，無論是開頂式氣室還是FACE都不能很好控制環(huán)境變量的精度，模擬結(jié)果實際上僅僅反映了影響結(jié)果的一種趨勢。而統(tǒng)計模擬方法通常是利用歷史數(shù)據(jù)建立氣候要素與作物產(chǎn)量之間的相關(guān)關(guān)系，輸入模擬的未來氣候情景，得到氣候變化背景下的影響。因此，統(tǒng)計模擬方法存在統(tǒng)計模式外推的風(fēng)險。數(shù)值模擬方法主要利用已有的作物生長模型輸入未來氣候情景模擬對作物的影響，但事實上，現(xiàn)有的大部分作物模型中的許多過程仍建立在統(tǒng)計關(guān)系上，未真正解決作物生長的機(jī)理過程，因此，同樣也存在外推風(fēng)險。其次，現(xiàn)有的作物模型對極端氣候事件的響應(yīng)不足，難以全面反映氣候變化對農(nóng)業(yè)的影響。第三，基于單點建立的作物模型如何解決空間變異性從而應(yīng)用于大范圍區(qū)域的問題目前尚未很好解決。因此，如何將試驗方法、統(tǒng)計方法和數(shù)值模擬方法結(jié)合，建立能完整反映氣候要素對農(nóng)作物綜合影響的模擬模型才有可能真正解決氣候變化對農(nóng)作物的影響評估。

4）極端天氣氣候?qū)r(nóng)業(yè)影響的研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)。農(nóng)業(yè)是對氣候變化響應(yīng)最為敏感的領(lǐng)域之一。氣候變化背景下，全球范圍異常氣候出現(xiàn)的概率將大大增加，這些極端天氣氣候事件將對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生重要影響，尤其是極端天氣事件的增多勢必導(dǎo)致世界糧食生產(chǎn)的不穩(wěn)定。因此，氣候變化背景下該方面相關(guān)問題將是未來研究的重要課題之一。

5）氣候變化背景下農(nóng)業(yè)病蟲害的影響評估較少。歷史資料分析表明：氣候變暖可使大部分病蟲害發(fā)育歷期縮短、危害期延長，害蟲種群增長力增加、繁殖世代數(shù)可比常年增加1個代次，發(fā)生界限北移、海拔界限高度增加，危害地理范圍擴(kuò)大，危害程度呈明顯加重趨勢。但也使一些對高溫敏感的病蟲害呈減弱趨勢，致使小麥條銹病、蚜蟲等病蟲由低海拔地區(qū)向高海拔地區(qū)遷移危害［102］。一定區(qū)域、時段的降水偏少、高溫干旱有利于部分害蟲的繁殖加快、種群數(shù)量增長，降水量、雨日偏多有利于部分病害發(fā)生程度和害蟲遷入數(shù)量的明顯增加，病蟲危害損失加重；暴雨洪澇可使部分病害發(fā)生突增，危害顯著加重；暴雨可使部分遷入成蟲數(shù)量突增、田間幼蟲數(shù)量銳減［103］。暖冬可使病蟲進(jìn)入越冬階段推遲，延長病菌冬前侵染、冬中繁殖時間，降低害蟲越冬死亡率，增加冬后菌源和蟲源基數(shù)；病蟲害發(fā)生期、遷入期、危害期提前；越冬北界北移、海拔上限高度升高；持續(xù)暖冬可使冬后蟲源基數(shù)顯著增加［104］。因為對未來氣候變化預(yù)估的可靠性，特別是對降水預(yù)估的可靠性不足，所以未來病蟲害的影響程度仍難以估計。因此，深入研究農(nóng)業(yè)病蟲害的發(fā)生發(fā)展規(guī)律及其對氣候變化的響應(yīng)是未來十分重要的研究內(nèi)容之一。

本文主要回顧了氣候變化對農(nóng)作物（糧食作物為主）的影響研究。但氣候變化對農(nóng)業(yè)的影響涉及內(nèi)容十分豐富，如氣候變化對經(jīng)濟(jì)作物、經(jīng)濟(jì)林果、畜牧業(yè)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)等的影響，以及氣候變化背景下農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害、病蟲害等極端氣候事件變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，有待以后進(jìn)一步完善。

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Advances in Impacts of Climate Change on Agricultural Production in China

Guo Jianping
（Chinese Academy of Meteorological Sciences，Beijing100081）

Climate change，the main feature of which is global warming，has become one of the important environmental problems in the world.Also，it is a matter of general concern by the scientific community，governments and the social public.Climate change has brought a series of problems that beyond the range of nature changes in the earth itself，which poses a serious threat to human survival and social economy.Agriculture，especially crop production and food security，is one of the largest and the most direct industry affected by climate change.Therefore，the impact of climate change on agricultural production is always one of the hottest issues in the field of climate change.The present situation and progress in the research field of climate change impact on agricultural production in China is summarized systematically，introducing research methods，the progress in the experiment of greenhouse gases concentration enrichment in the atmosphere impact on crops，impacts and future trends of climate change on agricultural climate resources，the possible impact of climate change on crop growth and yield，impacts and future trends of climate change on agricultural planting system and varieties distribution，impact of climate change on crop potential productivity，impact of measures of adapting to climate change to increase the utilization ratio of agricultural climate resources and so on.On the basis，current problems in the impact assessment of climate change on agriculture is proposed too.In order to improve the reliability and rationality of the impact assessment for climate change on agriculture，more attention needs to be paid to the research of uncertainty of future climate change scenarios，model prediction and evaluation method.In addition，further researches are also needed about the impact of extreme weather events under climate change on agricultural production，the impact of climate change on agricultural plant diseases and insect pests，impacts of climate change on cash crops，fruit，animal husbandry and farmland ecosystem.

climate change；agricultural production；impact assessment；research advance

郭建平.氣候變化對中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響研究進(jìn)展.應(yīng)用氣象學(xué)報，2015，26（1）：1-11.

10.11898／1001-7313.20150101

2014-09-03收到，2014-10-28收到再改稿。

國家自然科學(xué)基金項目（31371530），公益性行業(yè)（氣象）科研專項（GYHY201106020）

*email：gjp＠cams.cma.gov.cn