氣候變化對農(nóng)業(yè)影響的研究進展

氣候變化對農(nóng)業(yè)影響的研究進展

作為自然資源和自然環(huán)境的重要組成部分，氣候是人類生存、經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的基本條件之一。氣候的任何變化都將對自然生態(tài)系統(tǒng)、社會經(jīng)濟部門產(chǎn)生重大影響。全球氣候變化是指由于人類活動向大氣排放了過量的二氧化碳等溫室氣體,導致大氣中的溫室氣體濃度過高,從而在全球平均氣溫基礎上產(chǎn)生了以增溫為主要特征的全球范圍的氣候變化現(xiàn)象。全球氣候變化是人類迄今面臨的最重大也是最為嚴重的全球環(huán)境問題,是21世紀人類面臨的最復雜的挑戰(zhàn)之一,引起了世界各國政府和公眾的廣泛關注。IPCC(政府間氣候變化專門委員會)第二工作組第四次評估報告指出,全球氣候變暖,對自然生態(tài)和人類生存環(huán)境產(chǎn)生顯著影響,并將對未來自然生態(tài)和經(jīng)濟社會的發(fā)展產(chǎn)生長期的影響,其中對農(nóng)牧業(yè)、生態(tài)系統(tǒng)、水資源及沿海岸帶社會經(jīng)濟的影響最為嚴重。而農(nóng)業(yè)則是受氣候和天氣制約最大的領域。中國是農(nóng)業(yè)大國,農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎,因此氣候變化將直接影響到糧食安全和可持續(xù)發(fā)展。近幾十年來,中國科學界在氣候變化對農(nóng)業(yè)的影響方面,特別是氣候變化對農(nóng)作物生長發(fā)育、產(chǎn)量、品質(zhì)、種植布局、農(nóng)業(yè)成本等方面開展了大量的科學研究工作,取得了一系列科學成果。本文擬從這些方面對研究成果進行綜述,以期為準確評價氣候變化對中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響、制訂相應對策、采取適應措施等提供理論依據(jù)。1氣候變化對社會可行性的影響評價綜合國內(nèi)外文獻,研究氣候變化的影響通常有三類方法。一是實驗室模擬或現(xiàn)場觀測實驗方法;二是歷史相似或類比法,即在歷史上尋求氣候在時間或空間上的相似年作為未來的佐證;三是利用計算機進行數(shù)值模擬和預測的方法,是當前最有前途、進展最為迅速的方法。就農(nóng)業(yè)而言,目前氣候變化的研究主要集中在觀測實驗和模型模擬影響兩方面。觀測試驗多采用田間試驗和環(huán)境控制實驗兩種方法,其中環(huán)境控制試驗室在野外設立封閉或頂部開放溫室,通過人為控制CO2濃度來研究對作物的影響,通過各種實驗模擬裝置和技術,可再現(xiàn)氣候變化情景下的作物生長環(huán)境。直接實驗方法可以獲取許多重要數(shù)據(jù),用來檢驗假設或評價因果關系等,是一種重要的研究方法,但鑒于時空尺度和問題的復雜性,該方法有很大的局限性。而利用計算機進行數(shù)值模擬和預測研究,是目前定量化研究氣候變化及其影響的較科學和理想的方法。模型模擬可以分為統(tǒng)計分析(回歸模型)和動態(tài)數(shù)值模擬(氣候模式和農(nóng)業(yè)評價模式相嵌套)兩種方法。統(tǒng)計學方法是根據(jù)生物量與氣候因子的統(tǒng)計相關建立數(shù)學模型,其基礎是大數(shù)定律和統(tǒng)計假設檢驗。80年代以來,隨著長期觀測試驗的進行和人們對作物生長過程認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)接成為評價氣候變化對農(nóng)業(yè)影響的最基本方法。目前大多數(shù)作物模型是基于站點的小尺度機理模型,而大氣環(huán)流模型一般僅提供大范圍(200km以上)的平均氣候信息,當用大氣環(huán)流模型的結果進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)評價時,不可避免地存在空間和時間尺度差異問題。目前一般有兩種解決方法,即大氣環(huán)流模型的降尺度和作物模型的升尺度連接。在農(nóng)業(yè)影響評價中常采用降尺度方法的有3種:一是動力學模型降尺度,該方法可以利用復雜的動力學方程(如區(qū)域氣候模型),把GCM模型的模擬結果降尺度到更小的網(wǎng)格(20~50km)和時間尺度(1d)上;二是統(tǒng)計降尺度,該方法是利用多年的實測資料,建立大尺度氣候狀況和區(qū)域氣候要素之間的統(tǒng)計關系,并用獨立的觀測資料檢驗這種關系,最后再把這種關系應用于GCM輸出的氣候信息中,來預估未來局地的氣候變化情景;三是統(tǒng)計-動力降尺度相結合方法,該方法兼顧統(tǒng)計和動力兩種降尺度方法的優(yōu)點,是未來氣候情景降尺度的發(fā)展方向,但目前研究尚少。目前作物模型的升尺度主要從3個方面展開:一是輸入取樣,通過輸入變量的歸并來解決環(huán)境信息的空間變異問題;二是模擬參數(shù)的區(qū)域校正,用實測的區(qū)域信息對模擬參數(shù)進行校正,使其反映出地區(qū)環(huán)境因子的平均狀態(tài);三是模型本身的區(qū)域化處理或?qū)δM結果的處理。2氣候變化對農(nóng)業(yè)的影響2.1對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響研究表明:當年平均溫度增加1℃時,全國≥10℃積溫的持續(xù)日數(shù)平均可延長約15d。氣候變暖使寧夏各地無霜期平均延長6.8d。氣候變暖對冬小麥生產(chǎn)影響較顯著,普遍表現(xiàn)為全生育期與越冬期縮短,返青期與成熟期提前。段金省等對歷史實測資料分析認為,氣候變化使隴東塬區(qū)玉米生育期縮短,玉米主要發(fā)育期(出苗、拔節(jié)、開花、乳熟、成熟)較歷年均提前,提前幅度最大的是乳熟和成熟期。可見,氣候變暖背景下中國的年平均氣溫上升、活動積溫增加,從而使得霜期縮短、作物的主要發(fā)育期提前、生育期縮短。從氣候變化影響的結果看,氣候變化對農(nóng)業(yè)的影響最終會表現(xiàn)在農(nóng)作物產(chǎn)量的變化上。氣候變化對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響,在一些地區(qū)是正效應,在另一些地區(qū)是負效應,且氣候變化導致作物產(chǎn)量波動幅度很大。對產(chǎn)量的影響可能主要來自于極端氣候事件頻率的變化,而不是平均氣候狀況的變化。研究結果表明,過去20多年的氣候變暖對東北地區(qū)糧食總產(chǎn)增加有明顯的促進作用,但是對華北、西北和西南地區(qū)的糧食總產(chǎn)增加有一定抑制作用,而對華東和中南地區(qū)的糧食產(chǎn)量的影響不明顯。雖然近50a的全國平均降水量沒有表現(xiàn)出顯著的變化趨勢,但是存在著顯著的區(qū)域差異。由于中國糧食產(chǎn)量的2/3以上來自灌溉,而灌溉的作物主要是水稻、小麥。據(jù)估算,水分減少1%,灌溉面積將減少1%以上,糧食產(chǎn)量減少75億kg,對于旱地作物而言,降水減少造成的產(chǎn)量損失將更大。來自野外環(huán)境控制試驗和模型模擬的研究結果均表明,隨著CO2濃度增加,作物產(chǎn)量呈增加趨勢,但CO2濃度增加對不同類型作物產(chǎn)量的影響有明顯差異,C3類作物增長率明顯大于C4類作物,在CO2濃度增加50μmol·mol-1時,C3和C4類作物的產(chǎn)量將分別增加10%~20%和0~10%,這可能是由于C3和C4類作物對CO2的同化途徑和CO2濃度飽和點不同決定的。未來氣候變化情景下,研究作物產(chǎn)量變化是一個相當復雜的問題。直接采用現(xiàn)有研究成果,利用各種作物產(chǎn)量統(tǒng)計式來分析氣候變化對農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的影響,可信度較低,原因是未來的氣候變化有可能超出氣候自然振動的范圍。因此,大多數(shù)學者都采用數(shù)值模式來估算氣候變化后的農(nóng)作物產(chǎn)量。王馥棠等利用三種大氣環(huán)流模式預測未來氣候情景下中國主要作物水稻、小麥和玉米產(chǎn)量的可能變化,并指出大氣中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是作物產(chǎn)量下降的主要原因。林而達等通過區(qū)域氣候模式預測,在CO2濃度加倍條件下,氣候變化對國內(nèi)作物產(chǎn)量有較大的影響,其中,小麥、玉米和水稻最高產(chǎn)量變化幅度在-21%~55%,大豆在-44%~80%,棉花在13%~93%,其變化幅度隨不同的氣候情景和地點而不同;如果不采取任何適應措施,到2030年,國內(nèi)種植業(yè)產(chǎn)量在總體上因全球變暖可能會減少5%~10%,其中小麥、水稻和玉米三大作物均以減產(chǎn)為主;2050年后受到的沖擊會更大。熊偉等利用最新溫室氣體和SO2排放方案,即政府間氣候變化委員會(IPCC)排放情景特別報告(SRES)的A2和B2方案,通過區(qū)域氣候模式和區(qū)域作物模型,模擬了未來2080s(2071-2100年)中國小麥產(chǎn)量變化,結果表明,兩種溫室氣體排放方案下,到2080s雨養(yǎng)小麥均表現(xiàn)出顯著的減產(chǎn)趨勢,灌溉可緩解小麥減產(chǎn)趨勢,但不能阻止產(chǎn)量下降。張建平等利用WOFOST作物模型,結合氣候模型BCC-T63輸出的未來氣候情景資料,分別模擬分析了未來氣候變化情景下(2011-2070年,2001-2050年)東北地區(qū)玉米產(chǎn)量、重慶地區(qū)冬小麥變化情況,結果顯示,2011-2070年,東北玉米產(chǎn)量整體呈下降趨勢,中熟玉米平均減產(chǎn)3.3%,晚熟玉米平均減產(chǎn)2.7%;2001-2050年,重慶大部分地區(qū)冬小麥處于減產(chǎn)狀況,減產(chǎn)幅度在2.0%~5.0%,平均減產(chǎn)3.0%。這也說明未來的50~100a內(nèi),氣候變化將嚴重影響糧食產(chǎn)量。2.2小麥代謝品質(zhì)與o2的關系近年來氣候變化對作物品質(zhì)的影響備受關注。作物品質(zhì)的形成是品種遺傳特性和環(huán)境條件綜合作用的結果,在一定遺傳基礎上,環(huán)境作用至關重要。水稻、小麥、玉米等作物一般從籽粒灌漿到蠟熟期,環(huán)境因子的差異(包括CO2濃度、溫度、水分等)對籽粒品質(zhì)影響最大。目前環(huán)境因素與作物品質(zhì)關系的研究多集中在溫度、光照、水分和肥力等因子上,并取得了相應的進展。高素華、王春乙等通過OTC-1型開頂式氣室試驗研究,結果均表明,在CO2濃度加倍條件下,大豆、冬小麥和玉米的氨基酸和粗蛋白含量均呈下降趨勢。王春乙等利用同化箱與開頂式氣室分別對中麥3號和京東6號小麥從拔節(jié)到抽穗期進行處理,發(fā)現(xiàn)CO2濃度增加使小麥籽粒的蛋白質(zhì)、賴氨酸、脂肪含量增高,淀粉含量下降,品質(zhì)得到提高;CO2濃度為700μmol·mol-1時小麥籽粒粗蛋白、賴氨酸、粗脂肪、粗淀粉比350μmol·mol-1時分別增加了3.0%、3.0%、8.5%和-2.3%,500μmol·mol-1時比300μmol·mol-1時分別增加了4.4%、9.1%、11.3%和-1.7%。郭建平等采用人工氣候室加日光燈照射的方法,研究了高溫、高CO2濃度和水分脅迫等氣象條件變化對農(nóng)作物籽粒品質(zhì)的影響,結果表明,在相同的水分條件下,高溫和高濃度使籽粒中粗蛋白的含量減少,在水分適宜情況下,小麥粗蛋白含量減少4.82%,玉米減少4.22%;在水分脅迫情況下,高溫、高濃度使小麥的粗蛋白含量減少8.49%;而在相同的溫度和濃度情況下,水分脅迫使小麥籽粒的粗蛋白含量增加。表明高CO2濃度不利于提高作物品質(zhì),而水分脅迫可以提高作物籽粒的粗蛋白含量,有利于提高籽粒品質(zhì),但高CO2濃度限制了水分脅迫提高籽粒蛋白質(zhì)含量的作用。郭建平等同時也指出,高溫和高CO2濃度不利于小麥氨基酸含量的提高,而水分脅迫能提高氨基酸含量,并且與CO2濃度相比,水分脅迫作用占主導地位。原因可能在于CO2濃度升高導致小麥呼吸速率降低,減緩了其營養(yǎng)吸收,隨之光合作用下調(diào),同化作用相應調(diào)節(jié)以滿足庫需,引起小麥葉片氮素減少。白莉萍等人的研究顯示,CO2濃度升高對品質(zhì)影響亦因作物品種而異,如水稻籽粒直鏈淀粉含量(決定蒸煮品質(zhì)的一個主要因素)將隨CO2濃度升高而增加,對人體營養(yǎng)很重要的Fe和Zn元素則會下降;溫度和CO2濃度均增加的環(huán)境中水稻籽粒蛋白含量降低;CO2濃度倍增環(huán)境下,大豆籽粒粗脂肪增加1.22%,飽和與不飽和脂肪酸分別增加0.34%和2.02%,而粗蛋白含量下降0.83%;玉米籽粒氨基酸、直鏈淀粉、粗蛋白、粗纖維以及總糖含量均呈下降趨勢;冬小麥籽粒粗淀粉含量增加2.2%,而蛋白質(zhì)和賴氨酸含量卻分別下降12.8%和4%。楊連新等通過分析近10a中國水稻FACE(FreeAirCO2Enrichment,開放式空氣中CO2濃度增高)系統(tǒng)的試驗結果發(fā)現(xiàn),高CO2濃度使稻米的惡白粒率、惡白度極顯著提高,稻米的糊化溫度和最高粘度顯著提高,整精米率極顯著降低,蛋白質(zhì)和氨基酸含量明顯下降,而對稻米直鏈淀粉含量、膠稠度和堿消值影響較小。氮磷肥可以改變稻米品質(zhì)對高CO2濃度的響應。2.3水稻品種在氣候突變中的穩(wěn)定性變化氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局與結構調(diào)整的影響主要表現(xiàn)在種植制度的變化上。種植制度指一個地區(qū)作物種類選擇和相互搭配組合的總體安排。一個地區(qū)多年所形成的種植制度是當?shù)氐臍夂?、土壤等自然條件和經(jīng)濟文化、種植習慣等一系列社會經(jīng)濟條件綜合平衡的結果,其中氣候條件的影響最為明顯,而氣候條件中又以溫度影響最為顯著。溫度升高對種植業(yè)的影響主要表現(xiàn)在春季土壤解凍期提前,凍結期推遲,作物生長季熱量增加,從而使得復種面積擴大,復種指數(shù)提高,多熟制向北、向高海拔推進,中晚熟品種種植面積不斷擴大。研究表明:氣候變暖使中國年平均氣溫上升、積溫增加、生長期延長,從而導致種植區(qū)成片北移,冬小麥的安全種植北界將由目前的長城一線北移到沈陽-張家口-包頭-烏魯木齊一線。水稻的種植北界從20世紀80年代前期的小興安嶺地區(qū)中部偏南,約為48°N的位置,北移到20世紀90年代中后期大興安嶺地區(qū)的漠河和塔河,較之20世紀80代初顯著北移大約4°,且隨著溫度的升高,許多作物的種植界線總體表現(xiàn)為向高緯度和高海拔移動的趨勢。在氣候變化與技術進步的共同作用下,1986-1995年的10a內(nèi),全國耕地復種指數(shù)增加了9.7%,增加復播面積850×104hm2。在品種和生產(chǎn)水平不變的前提下,氣候變化后全國一熟制種植面積由當前的63%下降為34%,二熟制種植面積由24.2%變?yōu)?4.9%,三熟制種植面積由當前的13.5%提高到35.19%。預計到2050年,氣候變暖將使農(nóng)作物三熟制的北界從長江流域移至黃河流域,兩熟制地區(qū)將北移至目前一熟制地區(qū)的中部,三熟制的面積可能擴大1.5倍,一熟制的面積將減少23%。氣候變化背景下,除了作物復種指數(shù)和種植制度發(fā)生改變外,主要作物品種的布局也將發(fā)生變化。王長燕等的研究結果顯示:華北目前推廣的冬小麥品種(強冬性),因冬季無法經(jīng)歷足夠的寒冷期而不能滿足春化作用對低溫的要求,將不得不被其它類型的冬小麥品種(如半冬性)所取代;比較耐高溫的水稻品種將在南方占主導地位,而且還將逐漸向北方稻區(qū)發(fā)展;東北地區(qū)玉米的早熟品種逐漸被中、晚熟品種取代。2.4氣候變色,加劇農(nóng)業(yè)成本的提高在氣候變化的大背景下,異常氣候出現(xiàn)的概率將大大增加,尤其是極端天氣現(xiàn)象的增多,區(qū)域氣候災害、荒漠化、沙塵暴的加劇,勢必導致世界糧食生產(chǎn)的不穩(wěn)定,從而提高農(nóng)業(yè)成本。氣候變化尤其是氣溫升高后,土壤有機質(zhì)的微生物分解將加快,化肥釋放周期縮短,在高CO2濃度下,雖然光合作用的增強能夠促進根生物量增加,在一定程度上補償了土壤有機質(zhì)的減少,但土壤一旦受旱,根生物量的積累和分解都將受到限制。這意味著需要施用更多的肥料以滿足作物的需要,而施肥量的增加不僅使農(nóng)民投入增加,而且揮發(fā)、分解、淋溶流失的增加對土壤和環(huán)境也十分有害。氣候變暖后,農(nóng)藥的施用量將增大。隨著氣候變暖,作物生長季延長,昆蟲在春、夏、秋三季繁衍的代數(shù)將增加,而冬溫較高也有利于幼蟲安全越冬,溫度高還為各種雜草的生長提供了優(yōu)越的條件,因此,氣候變暖將會加劇病蟲害的流行和雜草蔓延。另外,氣候變暖后各種病蟲出現(xiàn)的范圍也可能擴大并向高緯地區(qū)延伸,目前局限在熱帶的病原和寄生組織將會蔓延到亞熱帶甚至溫帶地區(qū)。所有這些都意味著,氣候變暖后將不得不增加施用農(nóng)藥和除草劑,而這將增大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。此外,氣候變暖還影響了整個水循環(huán)過程,使蒸發(fā)相應加大,改變了降水分布格局和降水量,加劇了水資源的不穩(wěn)定性和供需矛盾,使農(nóng)業(yè)灌溉成本提高,進行土壤改良和水土保持的費用增大。據(jù)預測,未來氣候變化情景下幾大玉米種植區(qū)將會加大對肥水的投入。3作物生長模型研究的展望氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響的研究成果,對準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、制訂適應與減緩氣候變化不良影響的對策與措施起到了重要作用。然而,目前關于氣候變化對農(nóng)業(yè)影響評估方法和結果方面還存在很大的不確定性和許多亟待解決的問題,尚需進一步深入研究。(1)氣候變化對農(nóng)業(yè)影響評價的不確定性主要來自評估模型的不確定性和氣候變化情景的不確定性。全球氣候模式本身分辨率較低,且模式本身存在諸多不確定性。絕大部分氣候變化影響、適應性和脆弱性評估模型是以定量的氣候和非氣候情景包括社會經(jīng)濟和環(huán)境情景作為輸人參數(shù),因而,氣候變化影響評估最主要的不確定性來源之一,就是各種情景假設的不確定性。氣候變化情景的不確定性主要來源于氣候模式的不完善和未來溫室氣體排放情景的不確定。后者主要來源于不能準確地描述未來幾十、上百年社會經(jīng)濟、環(huán)境變化、土地利用變化和技術進步等非氣候情景。這些都將使最后評價結果有較大的不確定性,因此,尚需進一步加強和改進相關的研究工作。相信隨著科學技術水平的發(fā)展以及人們對溫室效應原理的進一步認識,這些不確定性能有效解決。(2)目前作物生長模型還存在諸多不足,有待進一步深入研究。作物生長模型現(xiàn)在或今后都將成為農(nóng)業(yè)研究和資源研究的有效工具,但是,目前所研制的作物模型存在諸多不足。主要表現(xiàn)在:1)作物模型研究的總趨勢是朝向基于過程的動態(tài)機理模型,而已有的作物模型即使是機理模型,模型中作物生長或環(huán)境動態(tài)的某些過程(如LAI的發(fā)展動態(tài)、葉片衰老過程、干物質(zhì)分配等)仍然是建立在經(jīng)驗關系之上的。2)作物模型本身大部分是單點模型,還沒有完全普遍適用的用于大尺度模擬的作物模型。3)與實際生產(chǎn)密切相關的部分模塊考慮的不夠全面,如病蟲害模塊、經(jīng)濟人文因素模塊、土壤的生理生化過程模塊等。因此,從以往作物模型研究開發(fā)的經(jīng)驗看,今后的作物生長模型無論是從研究還是開發(fā)應用角度都有要注意和加強的地方,使作物生長模型能更好地應用于大田生產(chǎn)實踐。對于中國這樣一個發(fā)展中國家而言,開發(fā)相對簡單而應用目標明確,市場需