应用气象学报:气候变化对中国农业生产的影响研究进展

应用气象学报，２０１５１-１１．ｄｏｉ１００１-７３１３．２０１５０１０１气候变化对中国农业生产的影响研究进展郭建平（中国气象科学研究院，北京１０００８１气候变化已成为当今科学界、各国政府和社会公众普遍关注的环境问题之一，气候变化可能对生态系统和社会经济产生灾难性影响，农业是受气候变化影响最直接的脆弱行业。因此，气候变化对农业生产的影响研究一直是气候变化研究领域中的热点问题之一。该文系统介绍了有关全球气候变化对中国农业生产影响研究的现状与进展，包括气候变化对农业影响的研究方法、大气中温室气体浓度增加对农作物的影响试验、气候变化对农业气候资源的影响、气候变化对农作物生长发育和产量的影响、气候变化对农业种植制度和品种布局的影响、气候变化对农作物气候生产潜力和气候资源利用率的影响等，指出当前在研究气候变化对农业影响评估中存在的问题，提出了今后应加强对气候变化情景和预测模式不确定性的研究、气候变化对农业影响的方法研究。此外，气候变化背景下极端天气气候事件对农业生产的影响以及气候变化对农业病虫害的影响研究等仍较薄弱，有待进一步加强和深入。关键词：气候变化；农业生产；影响评估；研究进展以全球变暖为主要特征的气候变化已经成为当今世界重要的环境问题之一。

最近几十年，关于气候变化的问题一直是学术界研究的热点１００年里，全球平均表面温度上升了０．７４而最近５０年的升温几乎是过去１００次评估报告指出，气候变化比原来认识的要更加严重，在过去的３０年里，每１０年的表面温度要高于人类有记录以来的任何１０。许多区域的作物研究表明，气候变化对粮食产量的不利影响比有利影响更为显著［５-６］。在全球变暖的情景下，近５０年来，我国增暖明显，全国年平均表面温度增加了１．１，明显高于全球或北半球同期的平均增温速率。尤其是２０世纪８０年代中期以来，升温速率显著加快，北方地区增温趋势显著５０年我国年降水变化趋势不明显，但年代际波动较大，区域间存在明显差异，极端天气气候事件的频率和强度出现了明显增强，霜冻日、寒潮事件减少，长江中下游地区和东南地区洪涝加重。我国东北和华北、西北东部的干旱日趋严重。未来２０～１００年我国表面温度仍将继续上升，趋势明显，北方增暖大于南方，内陆大于沿海。降水量的年际变化较大，但随着温室气体浓度的持续增加，未来降水量可能呈增加趋势全球气候变化带来一系列问题，变化幅度已超出地球本身自然变动范围，对人类生存和社会经济构成严重威胁。农业是受全球气候变化影响最大、最直接的行业之一，尤其是作为农业主体的作物生产与粮食安全［１０］。

根据中国国家气候变化方案，农业是应对气候变化个主要领域之一。气候变化背景下我国的粮食安全也已受到严重威胁，２０２０２０５０年我国农业生产将受到气候变化的严重冲［１１］。大气中ＣＯ２浓度增加及气候变暖，通过影响作物生育进程、适宜种植区和灾害性因子等的变化，对农业生产产生很大影响。科学预测气候变化对农业生产的影响，探讨应对气候变化的农业发展策略，２０１４-０９-０３收到，２０１４-１０-２８收到再改稿。资助项目：国家自然科学基金项目（３１３７１５３０），公益性行业（气象）科研专项（ＧＹＨＹ２０１１０６０２０Ｎｏ．１Ｊａｎｕａｒｙ２０１５已成为实施全球可持续农业与农村发展（ＳＡＲＤ略需要研究解决的重大问题［１２］。本文系统回顾了近几十年气候变化对农业生产影响评估的研究进展，以期为今后该领域的研究工作提供参考。气候变化对农业影响的研究方法综合国内外文献，研究气候变化的影响通常有类方法：一是实验室模拟或现场观测试验方法，二是历史相似或类比法，三是利用计算机进行数值模拟和预测的方法。第类方法是当前最有前途、进展最为迅速的方法［１３］。从气候变化对农业影响来看，目前采用的方法主要集中在观测试验和模型模拟影响两方面［１１］。

观测试验多采用田间试验和环境控制试验两种方法，其中环境控制试验是在野外设立封闭或顶部开放温室，通过人为控制ＣＯ２浓度研究对作物的影响［１４］。国外早期的研究多采用环境控制试验［１５］，因为这种方法重复性好，能为研究者提供稳定的环境［１６］。我国有关ＣＯ２浓度增加对农作物直接影响的研究起步较晚［１７］２０世纪９０代一些学者开展了通过田间试验进行ＣＯ２浓度和光合作用关系的试验研究［１８-１９］。直接田间试验的方法可以获取许多重要数据，用来检验假设或评价因果关系等，是一种重要的研究方法。但该方法耗时、耗财力，特别是对模拟未来气候变化后环境温度和降水等条件发生变化情况下多作物品种的长期试验非常困难，因此，在使用中存在很大的局限鉴于田间试验方法的局限性，利用计算机进行数值模拟和预测研究是目前定量化研究气候变化及其影响的较科学和理想的方法。模型模拟包括统计分析（回归模型）和动态数值模拟（气候模式与农业评价模式相嵌套）两种方法。统计学方法在大数定律和统计假设检验的基础上，根据生物量与气候因子的统计相关建立数学模型。２０世纪８０年代以来，随着长期观测试验的进行和人们对作物生长过程认识的不断深化以及作物模式研究的不断发展和完善，大气环流模型（ＧＣＭ）和作物模式相联接逐渐发展成为评价气候变化对农业影响的最基本、最有效的方法［２０］国外学者研究气候变化与作物的关系多采用作物模型，结合不同的气候或天气模式，评价气候变化对作物影响并给出建议和对策。

目前，国外具有代表性的作物模型有美国农业部开发的ＣＥＲＥＳＣｒｏｐＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＲｅｓｏｕｒｃｅＳｙｎｔｈｅｓｉｓ［２１］系列以及荷兰［２２］系列模型，国内则有ＲＣＳＯＤＳＯｐ-ｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＤｅｃｉｓｉｏｎ-ＭａｋｉｎｇＳｙｓｔｅｍＷｈｅａｔＧｒｏｗ［２４］等模型。国内外在这方面已有大量报道，ＣｈｒｉｓｔｉａｎＧＣＭ模拟的天气数据及观测站的天气数据分别输入到作物模型ＳＡＲＲＡ-ＨＳｙｓｔｅｍｆｏｒＲｅｇｉｏｎａｌＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＡｇｒｏ-ＣｌｉｍａｔｉｃＲｉｓｋｓ-Ｈａｂｉｌｌｅ）中，建立了比较合理的作物模型；ＥａｓｔｅｒｌｉｎｇＥｒｏｓｉｏｎ-ＰｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙＩｍ-ｐａｃｔＣａｌｃｕｌａｔｏｒ）模型中加入ＣＯ２对作物光合作用和蒸散作用的影响，探讨美国ＭＩＮKＭｉｓｓｏｕｒｉ-Ｉｏ-ｗａ-Ｎｅｂｒａｓｋａ-Kａｎｓａｓ）气候变化对地区作物影响；Ｇｒｅｇｏｒｙ［２７］利用作物模型研究了气候变化对希腊玉米生育期和产量的潜在影响；Ｄａｖｉｄ［２８］利用多种气候模式和作物统计模式研究了气候变化对美国加利福尼亚多年生作物的影响。近年来，我国在应用作物模型进行气候变化对农作物影响的研究领域也取得了显著成果。

王馥［２９］利用种大气环流模式预测未来气候情景下我国主要作物水稻、小麦和玉米产量的可能变化，并指出作物产量下降的主要原因是大气中ＣＯ２浓度倍增时，温度升高、作物发育速度加快和生育期缩短。张建平等 ［３０］ 利用 ＷＯＦＯＳＴ 作物模型，结合气 候模型 ＢＣＣ-Ｔ６３ 输出的未来气候情景资料，模拟分 析了未来气候变化对东北地区玉米产量的影响，表 明气候变化将严重影响东北粮食产量。金之庆 ［３１］利用 ＣＥＲＥＳ-Ｍａｉｚｅ 模拟了全球气候变化对我 国玉米生产的可能影响，并评价了当 ＣＯ２ 倍增时， 气候变化对我国各地玉米产量和灌溉需要的可能影 ［３２］利用玉米生长生理生态学模拟模型 ＭＰＥＳＭ），模拟评价了沈阳地区玉米生长对各种 气候因子变化的敏感性，全球气候变化背景下沈阳 地区春玉米的生长趋势以及产量变化情况，研究表 明，在未来气候变化背景下沈阳地区玉米平均产量 会有 ５％～３０％ 的降幅。冯利平等 ［３３］ 建立了气候变 化背景下我国华北冬小麦生产影响评估模型，探讨 气候异常对华北冬小麦的可能影响。 大气中温室气体浓度增加对农作物的影响试验 大气ＣＯ２ 浓度升高除了通过温室效应导致的 全球气候变化并对植物产生间接影响外，还直接影 响植物的生长发育 ［３４］ ＣＯ２浓度升高对植物影响的田间试验主要手 种：控制环境试验（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ＣＥ）、开顶式测定箱（ ｏｐｅｎ-ｔｏｐｃｈａｍｂｅｒｓ ＣＯ２气体施肥试验（ ｆｒｅｅ-ａｉｒＣＯ２ ｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔ ［３５］。

国外早期研究多采用环境控制试 ［１５-１６］，因为这种方法重复性好，能为研究者提供稳 定的环境。缺点是光照通常减少，温度升高，昼夜温 差减少，光温不能同步，且风速相对静止。最大的缺 陷是大部分植物种在花盆中，植物根系生长空间受 限。另外，这种试验通常以植物幼苗为试验材料，所 得结论能否应用于田间状态下的成熟植株值得怀 疑，因此，近年来这种方法的应用逐渐减少 ［１７］ ＯＴＣ试验优点是生长环境基本接近于自然状态，可 自动控制 ＣＯ２ 浓度，并使之与温度变化同步。如果 利用自然植物作为试验对象，可以避免根系受限制 和只能研究幼苗等不足之处，其结果具有说服力。 ＦＡＣＥ在自然状态下进行 ＣＯ２ 浓度升高对植物 影响的试验，其结果有很强的代表性，是另外两种方 法不能比拟的。因而，这是公认的研究植物对高 ＣＯ２ 浓度响应的最理想的手段之一。 我国有关 ＣＯ２ 浓度增加对作物直接影响研究 起步较晚， ２０ 世纪 ９０ 年代一些学者通过田间试验 进行 ＣＯ２ 浓度和光合作用关系研究 ［１８-１９，３６-３８］ １９９５年在人工控制环境条 件下分别对我国几种主要作物（小麦、玉米、大豆等） 进行了不同 ＣＯ２ 浓度反应的试验研究，在作物生物 量、产量、光合速率、蒸腾系数方面获得了大量系统 数据。

试验结果表明，在人工控制环境条件下随着 ＣＯ２ 浓度增加，作物的生物量、产量、光合速率等增 加，而作物的蒸腾系数减少。王春乙等 ［３９］ １９９６年利用 ＯＴＣ-１ ＣＯ２浓度增 加对我国 种主要作物的生长发育、产量形成、光合作用、蒸腾等的影响，并研究 ＣＯ２ 浓度增加对一些 作物品质的影响。结果表明： ＣＯ２ 浓度增加，作物 发育进程加快，株高增加，经济产量和生物产量增加 明显，且 Ｃ３ 作物的增长幅度大于 Ｃ４ 作物；冬小麦、 棉花品质呈良性变化，玉米品质可能有所下降，大豆 品质变化不明显。 Ｏ３ 对农作物影响的研究也有了 新的进展，利用 ＯＴＣ-１ Ｏ３浓度 增加对冬小麦、水稻、菠菜、油菜生长发育和产量的 影响， Ｏ３ 浓度达到 １００１０ －９ 情况下作物产量降低 ２０％ ～３０％ ；在此基础上进行 ＣＯ２ Ｏ３的复合影 响试验和模型研究，从生理生态、土壤微生物及碳氮 循环角度出发，探讨空气质量变化对农业生态系统 功能的可能影响，为评估近地层大气 ＣＯ２ 度变化对农业生产及农业生态系统功能的可能影响提供科学依据 ［３９-４０］ 。此外，郑有飞等 ［４１-４２］ 研究了大 气中气溶胶的增加对我国主要作物小麦、玉米的影 响，发现气溶胶增加引起太阳辐射减少，进而影响小 麦、玉米生育期和籽粒产量。

由此可见， ＣＯ２ 浓度增加导致作物光合作用增 强，蒸腾速率减小是最终导致生物量和产量提高的 根本原因。 Ｏ３ 浓度增加引起作物伤害是导致生物 量和产量下降的原因，而大气气溶胶增加，阻挡了太 阳辐射，进而影响作物产量。 气候变化对农业气候资源的影响农业气候资源的数量及其配置直接影响农业生 产过程，并为农业生产提供必要的物质和能量。农 业气候资源主要包括光资源、热量资源和水分资源。