气候变化对中国主要粮食作物单产影响的文献计量Meta分析

解伟　魏玮　崔琦

摘要 气候变化对粮食安全的影响越来越受到各级政府和学界的关注。然而，已有研究在评估气候变化对粮食单产的影响时，因情景设定、模型方法、参数设定或作物种类等不同，得出的结果存在差异，甚至出现正负截然相反的评估结果，给气候变化经济学者在评估气候变化对粮食供需、价格和贸易的影响时选用哪篇文献的结果作为依据进一步评估造成困扰。本文研究目的是以已有文献中有关气候变化对中国未来粮食单产影响的评估结果为统计样本，构建气候变化对粮食单产影响的损失函数，给出统一情景下气温、降水变化对中国主要粮食作物单产的影响。本文从1 366篇文献中通过层层筛选，找到34篇高度相关的文献，基于此获得了288个研究样本，采用统计描述分析和文献计量Meta分析方法估计气候变化关键变量对主要粮食作物单产的影响。研究结果表明，气候变化对主要粮食作物单产的影响大小与气候变化情景、作物种类、种植地区、是否考虑C02肥效等有关。综合不同气候变化情景的结果，发现：气温每提高1℃，中国三大粮食作物的单产整体下降约2.6%;降水每增加1%.中国三大粮食作物的单产整体约增加0.4%;C02肥效的影响存在较大争议。综合气温和降水对粮食单产的影响，本研究表明气候变化将对中国粮食安全造成一定的冲击，可能部分抵消技术进步等带来的正面效应。本研究综合相关文献结果，提供了统一情景下气温、降水变化对中国主要粮食作物单产的影响，将为气候变化的农产品供需市场模型或者气候变化综合评估模型（1AM）研究提供可靠的数据基础。

关键词 温度;降水;C02肥效;粮食单产;损失函数;Meta分析

中图分类号 F062.1;F062.2 文献标识码 A文章编号1002 - 2104（2019） 01 - 0079 - 07

DOI：10.12062/cpre.20181014

近年来，粮食安全相关政策和研究高度重视气候变化影响这一要素。粮食安全事关国家全局，不仅引起全球关注，更是各国政府工作的重中之重。传统的“粮食安全”相关政策和研究中，多关注诸如价格、收入等对需求的影响，以及科技、基础设施投入、生产要素等对供给的影响。然而，“粮食安全”最新政策和研究越来越重视气候变化这一非传统要素。国际上，世界粮食安全委员会粮食安全与营养问题高级别专家组（HLPE）于2012年出版专刊讨论气候变化与粮食安全。之后，2014、2018年国际农业经济学会（IAAE）和近年美国农业经济学会（AAEA）举行的年会都特别设置了气候变化与粮食安全的主题论坛。在中国，近些年中央一号文件都指出气候变化对农业生产的影响日益加深。

准确评估气候变化对主要粮食作物单产的影响是回答气候变化与粮食安全关系的前提，然而已有研究在评估气候变化对粮食单产的影响时，因影响要素和模型方法不同，得出的结果存在差异，甚至出现正负截然相反的两类评估结果。已有研究注意到模型不同对评估结果会造成影响，并通过开展国际上7个典型作物生长模型、5个全球大气模式的比较以期找到差异提高评估准确度。即便这样，常因输入的气候情景不同，以及是否考虑适应措施、CO，肥效和技术进步，也还常常有多个评估结果。如，与1961-1990年比，全球平均气温升高1℃，如果不考虑C02肥效，中国水稻单产变化- 18.6%～-6.1%，如果考虑CO2肥效，水稻单产变化-10.1%～3.3%。也有研究结果认为，与1961-1990年比，A2情景下到2020s如果不考虑CO2肥效，中国水稻单产将增加6.3%，如果考虑C02肥效，水稻单产将增加15.8%。显然，是否考虑C02肥效会导致多个结果。另外，由于气候情景不同，前者是升高l℃，后者是A2情景，所以出现不同的评估结果，甚至同在不考虑C02肥效情况下出现正负相反的结果。从其他文献看，是否考虑适应措施和技术进步，是否区分灌溉农业和雨养农业评估，研究区和研究时间是否相同，这些都会得出不同的评估结果。

由于不同文献得出的气候变化对粮食单产的影响存在差异，气候变化经济学者在评估气候变化对粮食供需、价格和贸易的影响时究竟选用哪类单产影响参数常比较困惑。众所周知，大量研究评估了气候变化对粮食单产的自然影响，但气候变化经济学家所发展的综合评估模型（IAM）仍没有使用现有研究中的信息构建气候变化对粮食单产影响的损失函数。如DICE/RICE模型从20世纪90年代开始一直沿用气温升高2.5℃导致中国农业产值上升0.02%，美国农业产值上升0.03%，俄罗斯农业产值下降0. 82%;如FUND模型构建了全球各国一样的农业产值与最佳温度、实际温度以及肥效之间的经验公式，其中参数的估计没有依据已有文献评估的气候变化对作物单产的影响结果。

文献计量Meta分析恰恰可以充分利用现有文献中的信息，基于源自文献的气候变化对粮食单产的影响结果这一样本，控制气候变化影响主要粮食作物单产的各个因素，获取已有研究中温度、降水、C02肥效等关键变量对于作物单产的平均影响。本文基于此研究目的，对气候变化领域相关文献进行梳理，汇总与单产变化相关的样本统计量及相关控制变量，重点研究以下几个问题：①气温变化对于单产变化的定量分析;②降水变化百分比对于单产变化的定量分析;③C02肥效是否对作物单产产生影响以及影响程度如何。以期这一研究能帮助进一步认识气候变化对粮食单产的自然影响。

1 数据收集与样本

为了分析气候变化对中国主要粮食作物单产的影响，对国内外相关研究进行了细致搜索和收集。文献搜索的具体方法如图1所示：首先，以“气候变化（暖）”“产量/单产”“作物/玉米/小麦/水稻”“气候情景/模拟”等为关键词在中国知网全文期刊数据库（CNKI）、万方数据库等全文数据库进行相关文献检索。同时以“Climate changescenario”“Crop/rnaize/rice/wheat”“Yield change”等關键词在Web of Science、Science Direct、Google Scholar等外文数据库进行文献检索。最终获得相关文献1 366篇。同时本文将中国作为研究区域，只选取文献中涉及中国或中国某一区域研究结论的文献。剔除掉不涉及中国的文献，进一步筛选后，获得文献298篇。

本文重点研究预估年代下，不同情景下气候变化对单产的影响，因此，在研究中国气候变化对作物单产影响的298篇文献中进一步筛选，要求文献必须是评估未来年份的单产变化情况，针对玉米、小麦、水稻三大粮食作物，不符合任意一条原则的剔除，得到55篇文献。进一步详细阅读文献并根据作物类型进行数据分类梳理，对于定性分析以及关键变量（气温、降水）缺失的文献进一步剔除，最终得到文献34篇。值得说明的是，本文层层筛选出的文献样本必须确保符合如下原则：①必须是对中国整体或某区域进行评估的文献，不包括对国外和全球評估的文献;②必须是评估气候变化对未来作物单产影响的文献，不包括评估气候变化对历史单产影响的文献;③必须是对三大类作物单独开展评估的文献，不包括对农业整体评估的文献，也不包括对病虫害、耕地、种植制度等其他方面开展评估的文献;④必须是基于各类作物模型（文献中主要使用的定量评估方法）的定量评估，不包括各类定性论述文献。尽管根据直觉，应该有大量气候变化对农业影响的文献，甚至不少杂志还出专刊讨论这一问题，但不符合上述原则的文献都不在本文样本中。2016年出版的《第三次气候变化国家评估报告》对符合上述条件的文献也进行了梳理，文献数为26篇，比本文样本文献少8篇。Challinor对全球及主要国家符合上述条件的文献也进行了梳理，文献数也仅89篇，同时包括了全球总体及分国别结果。

我们将每篇文章中不同预估年代、不同情景下的粮食作物单产变化作为一个观测样本（例如，如果一篇文献中，针对玉米、小麦、水稻三种主要粮食作物，在RCP2.6与RCP8.5情景下，分别预估2020，2050，2080三个年代的产量情况，则该文献提供了3 x2 x3 =18个样本观测值）。同时再将每个样本观测值针对气温变化情况、降水变化百分比、是否考虑CO2肥效、作物类型等等进行归纳整理，这样将每篇文章拓展为包含以上信息的多个样本观测值。根据上述样本处理方式，本文对最终选取的34篇文献进行分类汇总，最终得到样本统计量288个。其中，玉米作物的样本量为108个，小麦的样本量为106个，水稻的样本量为74个。

2 温度、降水变化与主要粮食作物单产的统计关系

通过文献梳理得到以下关键研究变量：气候变化情景、作物种类、种植地区、灌溉条件、是否考虑C02肥效等，目前研究最多的要素是气温变化、降水变化和CO2肥效。气温越高，农作物的生长发育就越快，当活动温度积累到一定水平时，作物完成了整个发育周期。在气候变暖的情况下，高温使得农作物的发育周期缩短，减少了通过光合作用积累物质的时间，从而使得产量直接减少，品质也会下降。中国地域广、跨度大，气候变化背景下降水的区域差异显著，南方地区出现明显的降水减少，使得南方地区雨养作物出现减产情况;东北地区东南部、华北降水出现小幅增加趋势，使得灌溉作物的单产适当增加。降水对于作物单产的影响具有明显的地域差异。C02是作物光合作用的基本要素，也是气候变化情景构建的主要指标。C02含量增加可以提高作物的光合速率，直接刺激作物生长，提高干物质的含量，使得产量增加。这三者是本文研究气候变化下影响单产变化的主要考察因素，利用文献整理数据，分析这三者与作物单产之间的相关关系。

由图2可以看出，在未考虑CO2肥效的情况下，随着温度升高，粮食作物单产呈明显的下降趋势，在温度升高超过4℃时单产下降比例超过10%;在考虑CO2肥效的情况下，拟合曲线出现明显的增长趋势，单产变化明显高于未考虑C02肥效时的估计结果，统计显著为正。这说明了C02肥效对于气温升高造成的单产损失具有一定的抵消作用。同时，在变化相同温度时，考虑肥效后的产量变化比例明显低于未考虑肥效的变化比例，这意味着在考虑C02肥效情况下，气温升高造成的减产只能抵消部分负影响。

由图3可以看出，未来作物单产变化随着降水变化百分比的增加出现小幅增加的趋势，但是趋势不明显。降水变化百分比在20%以内时，作物单产的波动较大;降水变化比例超过20%时，单产的估计值较少。根据文献整理发现，水稻的研究区域主要来自南方地区，少量是来自于东北地区，而玉米、小麦的研究区域主要来自北方地区。从图中可知，现有文献对于未来降水变化百分比的估计普遍认为是增加的，这种增加能够提高南方地区水稻、北方地区玉米和小麦的产量;从整体趋势看，未来降水增加，三大作物的总产量还是会出现上涨的趋势。

3 Meta回归结果及稳定性检验

从前述统计描述中，可以发现温度、降水变化均与主要粮食作物单产百分比变化存在明显的相关关系。然而，统计描述具有一定的局限性：①只能分析三者之间的相关关系，难以考虑温度与降水变化的相互作用以及二者与单产变化之间的定量关系;②难以定量分析C02肥效对作物单产的影响。因此，本节利用Meta回归模型，定量分析温度、降水变化、C02肥效等因素对小麦、玉米和水稻等主要粮食作物单产的影响。

根据Challinor等，Meta回归的基本模型具体设定如下：域气候模式（RegCM4.0）测算中国区域气候变化情况，认为到21世纪末，在RCP4.5、RCP8.5情景下，平均气温分别增加1.8℃和3.8℃（第三次气候变化国家评估报告）。基于我们的回归分析结果，在RCP4.5情景下，到2100年中国主要粮食作物单产将会下降约4.6%（2.568×1.8=4.6），大体相当于过去4年中国粮食单产提高的水平（从2011年到2014年，三大类粮食作物单产从5166kg/hm2提高到5385kg/hm2，提高了约4.2%）。进一步，在RCP8.5情景下，中国主要粮食作物的单产将会下降约9.8% （2.568 x3.8 =9.8）。这超过了过去7年中国主要粮食作物单产提高的水平（从2008年到2014年，三大类粮食作物单产从4 951 kg/hm2提高到5385 kg/hm2，提高了8.8%）。考虑到水土资源、劳动力成本等制约因素之后，气候变化对未来中国主要粮食生产将会带来更大的威胁。

第二，降水的增多将提高粮食作物的单产。根据表1的结果，降水变化的系数显著为正（0.371，第2行），即降水每增加1%，粮食作物的单产约增加0.4%。利用区域气候模式（RegCM4. 0）测算到21世纪末，在RCP4.5与RCP8.5情景下，降水分别增加6.3%与8.0%。基于现有降水与产量的相关分析统计（见图3），也发现未来降水变化呈现增长趋势。结合回归分析结果，认为降水的增加将提高未来中国粮食作物单产，但增长幅度不大（<3%）。

第三，C02肥力显著增加三大粮食作物单产，甚至抵消气温升高造成的损失。从表1中可以看到，C02肥效的系数显著为正（16.48，第3行）。估计结果表明，在考虑C02肥效的影响下，未来粮食作物的单产会增加约16%。我们有关CO2肥效与粮食作物单产的计量分析也印证了已有研究结论，在不同情景下的未来预估年代下，C02肥效能够降低温度变化造成的产量损失。同时，CO2肥效不仅能够弥补温度升高造成的损失，甚至带来产量的增加。尽管CO2肥效对于作物产量的影响在自然学科领域存在很大的争议，但是基于本研究的Meta分析结果看，C02肥效对于作物产量还是具有显著正影响。

在Meta回归分析的基础上，我们利用多因素方差分析（ANOVA）进一步探讨各类变量的组间方差对主要粮食作物单产总方差的影响，分析导致研究结论差异的主要影响因素。表3中的平方和表示基于均值水平的各类变量组件方差估计的平方和，将其除以总平方和得到各变量组间方差的贡献率。显著性基于F检验，表明各组变量的组间方差是否显著影响总体方差。结果表明气候变化对主要粮食作物单产影响的差异主要来自C02肥效、作物品种、温度和降水的差异，分别可以解释结论差异的51.0%、20.4%、11.5%和5.7%，四个变量可以解释模型部分的88.6%。这与Meta回归结果一致，正是不同研究在以上方面的差异，最终导致了关于气候变化对主要粮食作物单产影响的不同结论。

4 结论

为进一步认识气候变化对粮食单产的自然影响，利用已有文献中有关气候变化对三大粮食作物单产影响的评估结果作为样本，通过层层筛选确定了34篇高度相关的文献，最终获得288个样本，采用文献计量Meta分析方法开展统计分析和计量估计。研究结果表明：气候变化对主要粮食作物单产的影响因素包括气候变化情景、作物种类、种植地区、是否考虑C02肥效等，目前研究最多的是气温、降水和C02肥效。气温每提高1℃，中国主要粮食作物的单产将下降2.6%;降水每增加1%，粮食作物的单产约增加约0.4%;在考虑C02肥效的影响下，粮食作物的单产平均增加约16%。有关气候变化对三大粮食作物单产影响的差异主要来自不同研究在C02肥效、作物品种、温度和降水方面的差异。

综合气温和降水对粮食单产的综合影响，本研究表明气候变化将对中国粮食安全造成一定的冲击。根据第三次国家气候变化评估报告，在RCP8.5情景下到2100年中国气温将上升3.8℃，同时降水将提高8.0%，两方面影响共同作用导致中国粮食单产将下降约6.7%。这也正是本研究能够服务政策制定的方面，本研究綜合相关文献结果，提供了统一情景下气温、降水变化对中国主要粮食作物单产的影响，将为气候变化的农产品供需市场模型或者气候变化综合评估模型（IAM）研究提供可靠的数据基础。

在不考虑粮食播种面积调整和气候变化适应措施下，未来气候变化带来的粮食作物产量变化比较显著。现有研究还较少考虑粮食播种面积调整和气候变化适应行为。尽管气候变化将在一定程度上降低中国粮食单产，但粮食产出减少同时会提高粮食的价格，在一定程度上会刺激粮食播种面积的扩大。气候变化对粮食产量的影响最终要取决于粮食单产与播种面积的双重影响，未来研究应当进一步考虑气候变化对粮食播种面积的影响。另一方面，政府与农户均可实施气候变化的适应措施，包括加强田间管理、水利建设、调整耕作时间等，将在一定程度上抵消气候变化的影响。但是现有研究还很少在研究气候变化的农业影响时考虑政府与农户的适应行为，未来的研究也应在该方面加以改进。最后，气候变化对不同粮食作物单产的影响也可能存在差异，需要在未来的研究中深入研究气候变化对不同区域、不同作物单产的影响。