气候变化对我国粮食生产系统影响的研究前沿*

覃志豪，唐华俊，李文娟

(中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081)

气候变化与我国农业关系密切，彼此之间客观上存在着相互影响和相互作用的关系［1-3］。一方面，气候变化的逐渐加剧必将给我国未来粮食生产带来许多严峻的挑战［4-5］。另一方面，我国粮食生产也对气候变化产生积极的作用与适应［6-7］。通过深入研究，认识并揭示气候变化对我国粮食生产的影响途径和作用过程，模拟分析不同气候变化情景下我国粮食生产发展变化趋势，摸清气候变化对我国粮食安全、粮食区域产需平衡、粮食主产区农村经济发展和农民生产生活的影响程度，提出我国粮食生产应对气候变化的政策与行动，是我国经济社会发展和现代化进程中迫切需要认真对待并加以解决的重大课题［8-9］。该文试图分析气候变化与我国粮食安全的关系，探讨气候变化对我国粮食生产的影响，讨论开展气候变化对我国粮食生产影响研究的重要性，从系统相互作用和相互关系角度，提出气候变化对我国粮食生产和粮食安全影响的前沿学术问题，为深入开展气候变化对农业影响研究和制定我国应对气候变化的农业政策与行动提供参考。

1 气候变化与国家粮食安全

我国粮食生产受气候变化的影响较大，气温升高已导致主要农区作物物候期变化，华北地区冬小麦生长期缩短，造成减产［10-11］。气候变化与我国粮食生产关系复杂，不仅存在相互作用，而且存在相互影响，深入认识这种相互影响和相互作用关系，具有重要的现实意义［9］。

我国地域辽阔，地形复杂，气候多样，农业尤其是粮食生产是以作物种植为基础，因此，对气候变化的响应非常敏感。事实上，农业是我国受气候变化影响最大的产业部门［12，9］。2006年夏季长江中上游地区尤其是四川重庆发生重旱;2008年我国南方遭遇冰雪灾害影响，大片越冬蔬菜作物损失惨重;2009年我国北方冬小麦主产区遭遇严重干旱，影响深远，首次实施了国家抗旱应急预案;2010年我国西南地区发生严重干旱和华北平原倒春寒;2013年8月我国东北地区尤其是三江平原地区遭受近50多年来的洪涝大灾害和我国长江流域近3个星期的高温酷暑，这些农业灾害给人印象深刻，影响巨大。实际上，这些严重自然灾害的发生与发展，都与气候变化所导致的我国大气环流局部振动有密切的关系。气候变化已经对我国农业和粮食生产产生了明显的影响［13-15］。我国农业和粮食生产受气候变化的影响远不止是这些灾害。气候变化对我国粮食生产系统已经产生了较复杂广泛的影响，并且这种影响还将持续下去。

光、温、水、热等气候资源条件是农业尤其是粮食生产的基本条件。气候变化直接导致这些气候资源条件的变化，导致农作物物候发生变化［16-17］。在气温升高情况下，作物生长期间土壤温度也会随着升高。同时降水量季节分布不均，也导致土壤水分发生的变化，从而使土壤微生物活动也会发生相应的改变［18］。这种变化将改变土壤微生物对土壤有机质和养分的分解速度［19］，加速土壤养分变化和土壤肥力变化。在长期变暖趋势情景下，农田土壤有机质含量将会减少，土壤肥力也会有所下降［20］。因此，加强农田秸秆还田和增施有机肥，是积极应对气候变化的重要农作措施之一。大气CO2含量升高，对作物呼吸、土壤肥力供给、作物有效光合辐射量和光合作用效率、作物干物质形成与存储、作物产量形成与产品品质等都产生许多明显的影响［21-22］。全国范围内的近地表气温多年持续升高，使各主要农区农业气候资源尤其是光温热条件得到了不同程度的改善，促进了我国农作物种植制度、生产经营方式和结构布局的演变，喜温高产作物的种植区域向北和向高海拔地区推移，使现行的多熟制北界北移，复种面积可以有较大幅度的提高［23］。由于气温升高引起的干旱化，又在一定程度上影响整个农业生产的布局［24-25］。

农业生态系统不仅包括农作物，同时还包括对农作物高度依赖的农业病虫害。气候变化对农业病虫害流行暴发也有很大影响改变。气候变暖尤其是暖冬，将有利于许多昆虫 (如稻飞虱和玉米螟)安全越冬，并且安全越冬的范围也在扩大，进而会加重来年病虫害发生的机会和程度［26-27］。暖冬对稻飞虱等作物害虫安全越冬十分有利，使他们在来年能够迅速繁殖，产生危害［28］。春暖有利于害虫提早苏醒、发育和繁殖，增加害虫的繁殖代数，进而加剧其危害程度。叶彩玲等人［29］发现，春季干旱少雨对麦蚜和麦蜘蛛等害虫十分有利，使这些害虫提前发育繁殖，增加幅度达到10%以上。在温度偏高情况下，华北早春经常干旱少雨，在这种条件下，麦蚜和麦蜘蛛等害虫的种群世代数量呈明显的上升趋势，繁殖数量剧增，是华北地区冬小麦虫害大发生的根本原因。在气候变暖情况下，一些病菌和虫卵就会提前进入生长旺盛期，生长发育周期缩短，繁殖代数增加，对农作物的危害时期相对延长［30］。

气候变暖不是均匀地发生，而是有些地方表现得更加明显，有些而可能表现较弱。这种区域异质性增温，往往会导致极端气候事件发生，形成农业旱涝等灾害。叶笃正等人［31］认为，我国农业旱涝灾害的发生与发展，与青藏高原热力异常和西太平洋暖池有密切关系。1990～2011年我国农业旱灾强度为13%左右，农业旱灾造成的粮食减产损失约为2 600万t/年，比一个中等省份 (如河北)的粮食总产量还多，占全国粮食总产量的大约5．2%，全国每年有2 400万hm2农作物播种面积受到不同程度的旱灾危害［32-33］。研究表明，气候变化导致大气环流时空变动造成的我国各地降雨季节差异，是我国主要粮食集中产区农业旱灾的主要原因［25，34］。近30多年来虽然我国农业发生了巨大变化，但仍以农户经营为主要方式，种植规模相对较小，抗灾减灾能力比较弱，极易受到极端气候气象灾害的影响。此外，气候变化造成的干旱也是我国西北干旱区农田盐碱化危害的重要原因。在气候干旱加剧的作用下，农田土壤地下水沿毛细管上升蒸发，把下层的许多盐碱带到了耕作层上来形成积聚，造成了农田盐碱化，对农田生产能力的破坏很大。

气候变化尤其是气温升高和降雨异常，将直接影响到农作物生长发育所依赖的光、温、热、水等资源因素时空分布的变化［35］，导致粮食产出发生波动，增加农业生产成本，进而影响到国家粮食安全、粮食价格变化、农村经济发展和农民收入提高［36-37］。气候变化带来的气候要素变率大尤其是极端气候事件，如持久无雨、暴雨和异常高温，是发生农业旱、涝、风、雹、低温、冷害等自然灾害的直接原因［38］，因而也是导致我国粮食生产波动性增长的重要原因［39］。熊伟等人［14］的研究表明，我国粮食产量变异系数达到8．3%，与气候要素的异常变化有密切关系。Tao et al．［10］指出，我国东北、西北和华北地区气象灾害较多，粮食生产受到较大影响，是这些地区粮食产量波动较大的直接原因。沈小波和曹芳萍［40］指出，气候变化对我国西北地区小麦生产有较大影响。1978～2007年间，年平均气温每上升1%，小麦产量下降0．23%。因此，气候变化对西北干旱地区冬麦产生负面影响。You et al．［41］的研究也指出，生长季节气温每提高1%，我国小麦平均产量会下降0．3%。气候变暖导致我国部分地区如华南稻作地区的农作物生长周期缩短，作物呼吸作用增加，最终使产量下降［10，42］。但气温升高特别是冬季气温升高，将有利于长江中下游地区冬季作物 (油菜)的安全越冬、分蘖，同时暖冬也有利于冬种面积扩大，增加冬种农业开发潜力［43］。由于气候变暖，东北地区尤其是黑龙江水稻种植面积近30多年来有了明显的增加，单产水平也相应地不断提高［44］。有研究表明，气候变暖将使我国小麦、玉米生产潜力分别可提高20%和5%，但水稻的气候生产潜力将因气候变暖产生不利影响。气温升高将会使水稻呼吸消耗加快和光合作用减弱，生育期缩短，最终影响其产量［45，10］。Zhang and Huang［46］的研究表明，如果不采取积极的应对策略和措施，由于气候变暖，我国种植业总体生产能力到2030年将可能比2010年下降5%～10%，减弱粮食等大宗农产品的供给能力，而这种下降趋势在本世纪中后期将更加明显。Wang［37］认为，气候变化可能会严重影响到我国中长期的粮食安全，造成大宗农产品生产成本增加，粮食价格波动，减弱农业获利性和竞争性，加剧大宗农产品供需矛盾，进而影响到主要农区农村经济可持续发展和农民收入的稳定增长。

2 粮食问题在我国气候变化国际谈判中的重要性

积极参与国际气候变化谈判，履行我国在减缓气候变化上的国际职责。2008年10月29日国务院发布了《中国应对气候变化的政策与行动》白皮书［47］，全面介绍了气候变化对中国的影响、中国减缓和适应气候变化的政策与行动。白皮书指出，中国政府以高度负责任的态度，积极参与应对气候变化国际谈判，加强与各国在气候变化领域的多层次磋商和对话，努力推动各方就气候变化问题凝聚共识，为推动建立公平合理的应对气候变化国际制度作出了积极贡献。承诺把积极应对全球气候变化作为经济社会发展的一项重要任务，坚持以科学发展为主题，以加快转变经济发展方式为主线，牢固树立绿色、低碳发展理念，把积极应对气候变化作为经济社会发展的重大战略、作为调整经济结构和转变经济发展方式的重大机遇，坚持走新型工业化道路，合理控制能源消费总量，综合运用优化产业结构和能源结构、节约能源和提高能效、增加碳汇等多种手段，有效控制温室气体排放，提高应对气候变化能力，广泛开展气候变化领域国际合作，促进经济社会可持续发展。国家发展和改革委员会分别发表了《中国应对气候变化政策与行动》2012年度报告和2013年度报告［48-49］。

2009年底的哥本哈根全球气候变化大会，各国就减少温室气体排放达成了初步意见，在一定时段内，将大气CO2浓度控制在某个适当的水平之内，已经成为全球政治共识［51］。我国作为最大的发展中国家，在确保本国自身发展权的同时，认真遵守《联合国气候变化框架公约》、《京都议定书》以及《巴厘路线》，积极承担气候变化责任，实现自己的承诺。国务院总理温家宝2009年11月主持召开国务院常务会议，会议决定，到2020年我国单位国内生产总值CO2排放量比2005年下降40%～45%。由于CO2排放主要来自交通、冶炼、建筑、电力、日常生活等领域，而低碳技术难以在今后一段较长时期内大范围应用，加之我国还没有完成工业化和城市化，高消耗高排放的发展模式在一段时期内成为必然，寻求该模式下的减排途径是我国应对气候变化所面临的重大挑战。

3 气候变化与我国粮食生产系统之间的相互作用

我国南北跨越7个气候带，东西地形呈三级台阶状，不同地区粮食生产对区域气候条件和水热要素时空分布的依赖性很大［10，7］。全球气候变化，主要表现为气温升高和温室气体浓度增加，将明显地促进我国粮食主产区光温水等气候资源要素时空分布格局发生变化，导致土壤有机质、土壤微生物以及土壤肥力的变化，加剧局部地区生物灾害 (农业病虫害)流行暴发和气象灾害 (主要是农业旱涝灾害)频发，并通过环境要素的变化诱导粮食作物品种生理生态特性变化，因而对我国粮食产量、种植制度、生产方式、结构布局将产生较深远广泛的影响。虽然不同学者对我国近100年来我国平均气温提高程度有不同的观点，但气温升高是不争的事实。秦大河等人［51］认为，近100年来我国气温升高的0．8℃。《中国应对气变化的政策与行动》白皮书［47］指出，根据最新气象观测数据，我国近百年来 (1908～2007年)地表平均气温升高了1．1℃，自1986年以来经历了21个暖冬，2007年是自1951年有系统气象观测以来最暖的一年。气候变暖趋势在全国各地区尤其是在东北、华北和西北地区都比较明显［2，35］。在气候变暖条件下，我国降雨类型复杂多变，年际变化、季节分配不均和区域差异将更加显著，粮食生产所需要的灌溉用水资源量更加不定，作物病虫害和牲畜疾病严重，土壤肥力更易于下降，对粮食生产面临更大的挑战［5］。在时空分布上，我国降水量减少主要在夏季，并且呈北旱南涝的特征，但近20～30年来暴雨强度增大，年内年际变动大，南方干旱加剧，对我国粮食生产产生深远的影响［31，52-53］。

我国粮食生产客观上形成南方稻田湿地和北方旱作农田两大生态系统，对气候变化也产生很大的作用［15］。我国粮食主产区耕作强度大，人口密集，对气候变化所依赖的陆地表面下垫面性质影响很大，导致陆地-大气之间的能量平衡与物质交换和陆地生态系统地球物理和地球化学循环过程的改变，进而诱发区域或全球气变化［54］。研究表明，农业尤其是粮食生产已经构成了全球大气温室气体深度加速升高的重要来源［15，24］。近150年来全球农田土壤呼吸和秸秆燃烧等向大气层排放的CO2占人类总排放量的35%，与工业发展过程中化石燃料使用的结果相当。我国南方稻田是大气温室气体甲烷排放的重要来源之一;粮食生产中大量使用农药、化肥和灌溉，也会导致农田水热、能量和碳循环的改变，对区域乃至全球生态环境、气候变化产生积极的作用。因此，我国在区域尺度上应对气候变化，实现国际气候谈判承诺的减排目标，不仅需要考虑城市生活方式和国民经济尤其是工业增长方式的改变来减少温室气体的排放，同时还需要考虑农业生产方式的改善来减少农业对气候变化的可能影响［55］。

4 气候变化对我国粮食生产影响的研究前沿

全球气候变化，主要是气温变暖和温室气体CO2浓度逐渐增加，将引起我国粮食主产区光温水等气候资源要素时空分布格局发生变化，进而导致土壤有机质、土壤微生物以及土壤肥力的变化，加剧局部地区的农业病虫害暴发和气象灾害形成;同时气候变化也通过改变环境要素导致粮食作物品种生理生态特征变化，因而对我国粮食产量、种植制度、生产方式、结构布局、品种质量将产生深远影响。气候变化与粮食生产之间的相互影响和相互作用是一个多学科的前沿科学问题。从系统角度出发，深入研究气候变化与我国粮食生产系统之间的相互关系，揭示其内在的影响机理和适应机制，不仅能认清气候变化对我国农业发展和粮食安全的影响程度，也是我国应对气候变化的粮食生产发展策略和粮食主产区农村经济社会发展对策、促进全球气候变化研究领域理论方法发展的需要。因此，深入研究气候变化对我国粮食生产系统的影响机理和适应机制，具有重大的现实意义和科学价值。

客观上，气候变化与我国粮食生产系统之间存在着相互影响和相互作用。目前对于这种相互影响和相互作用，还有许多重大科学问题需要尚未得到彻底解答。我国粮食生产是一个复杂的系统，不仅拥有多个粮食作物和不同品种，同时还包括不同的栽培方式和种植制度，各地的粮食生产面临的地理气候环境差异也很大。气候变化和我国粮食生产系统之间相互影响和相互作用，十分复杂多样。目前虽然已有许多研究探讨了气候变化对我国农业和粮食生产的影响，但还有许多重大的科学问题尚未得到彻底解答。

在不同气候变化情景下，未来我国粮食主产区，尤其是东北、华北、长江中下游和华南地区光热水等气候资源条件时空格局将发生什么样的变化?这种变化有何规律?这种变化如何对未来我国粮食生产结构与区域布局产生影响?影响有多大?

农田土壤肥力是农业生产的基础。气候变化对我国粮食主产区农田土壤生物物理化学特征尤其是土壤有机质、微生物活性、土壤呼吸作用、土壤肥力供给等有什么样的作用?不同气候变化背景下，各主产区农田土壤生物物理化学特征如何变化?有什么规律?农田土壤特征的这种变化将对我国未来粮食生产结构、种植制度、区域布局和生产方式将产生什么样的影响?

品种的适应能力是获得农业丰收的前提。我国粮食主导品种在不同气候变化条件下的适应性，将在很大程度上决定着我国粮食生产的收成。因此，在气候变化背景下，我国粮食品种培育如何提高品种适应性?现有粮食作物主导品种在抗逆基因、生长发育、光合效率、产品形成与品质性状等生理生态特征将可能有什么样的变化?这些变化对于未来我国粮食生产发展尤其是粮食品种改良和品质提高有何积极意义?

气候变化对未来我国粮食作物栽培管理、技术措施、种植制度、生产方式、结构布局将有什么样的影响?在宏观政策层面，我国粮食生产管理如何适应气候变化的影响?这种影响与适应将对我国粮食生产发展产生什么样的作用?

气候变化对我国粮食主产区主要病虫害 (如稻飞虱、小麦白粉病和玉米螟)生长发育、繁殖传播和流行暴发危害将有什么样的影响?有何规律?可能造成的粮食损失有多大?

气候变化对粮食主产区农业旱涝等气象灾害时空格局变化有什么作用?这种时空格局变化有何规律?对粮食生产发展有什么影响?

不同气候变化背景下，全国及各地区未来粮食生产发展 (尤其是产量和产品结构)将发生什么样的变化趋势?受那些关键因素作用?这些变化趋势对我国粮食安全、区域粮食产需平衡、粮食区域流通、粮食储备、农村经济发展、农民收入增长将产生怎样影响?未来我国粮食生产发展应采取何种对策应对可能的气候变化影响?

近几十年来，在气候变化的大背景下，我国主要粮食生产发展的方方面面已经显现出许多渐进性的变化。在未来气候变化的大趋势下，我国粮食生产活动仍将持续发生变化。集成应用气候学、农学、灾害学、地学、经济学等多门学科理论方法，从系统间相互作用角度出发，把气候变化视作我国粮食生产系统发展变化的重要驱动力，以我国粮食主产区尤其是东北、华北、长江中下游和华南地区为重点区域，综合运用典型粮食主产区调研分析、农业野外台站定点观测试验、实验室检测分析、多元统计分析、关键参数遥感定量反演、地理信息系统GIS空间模型模拟等技术方法与手段，对上述重大科学问题开展深入的基础研究，进一步认识气候变化对我国粮食生产系统的影响，揭示其内在的机理与机制，提出我国农业适应气候变化的技术途径，是全球气候变化前沿研究领域和众多相关学科理论方法发展的迫切需要［56］。

5 结论

我国粮食生产受气候变化的影响很大，以气候变化为驱动因素，把粮食生产视作一个有机的系统，以气候学、农学、地学、经济学等多门学科的理论为基础，深入开展气候变化对我国粮食生产系统的影响机理和适应机制研究，摸清气候变化对我国粮食生产的影响途径和作用过程，认清我国粮食生产对气候变化的适应能力，定量分析确定气候变化对我国粮食产量变化趋势及其区域差异、国家粮食安全、粮食主产区农村社会经济发展和农民收入增长的影响程度，将能够为国家制定应对气候变化的粮食生产发展策略和促进粮食主产区农村社会经济发展提供重要的科学依据。

气候变化与我国粮食生产之间的关系错综复杂。从生态系统角度来，不仅有南方水田和北方旱地两大农田生态系统，对气候变化产生重要作用，而且粮食生产也因地域广阔、作物多样、品种众多、栽培方式、种植制度和生产结构差别而受到气候变化的不同影响，产生影响途径、作用机理和影响程度等方面的巨大差异。虽然目前已有许多相关研究，但还有许多重要科学问题还没有得到解答，集中体现在气候变化导致的粮食生产资源要素 (水、热、土、品种等)变化规律及其对粮食生产发展的影响、气候变化对我国粮食作物种植制度、生产结构和空间布局的影响过程及适应机制，气候变化造成的农业灾害 (生物灾害尤其是病虫害、农业旱涝等气象灾害)时空演变规律及其对粮食生产发展的影响等方面。因此，这些方面将构成这一研究领域的重点方向，促进全球气候变化前沿研究领域和众多相关学科理论方法发展。

致谢:中国农业科学院作物科学研究所景蕊连博士、中国农业科学院植物保护研究所侯茂林博士、中国农业大学杨晓光博士、中国农业科学院农业资源与农业区划研究所吴文斌博士、毛克彪博士和罗其友博士等人在论文形成过程中提出了许多建议和观点，特此感谢。

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