气候变化对我国主要粮食作物产量的影响及适应措施

赵彦茜, 肖登攀, 唐建昭, 柏会子

(河北省科学院 地理科学研究所 河北省地理信息开发应用工程技术研究中心, 石家庄 050011)

中国是一个粮食生产大国，也是一个粮食消费大国。因此，粮食安全一直以来是国家高度关注的课题[1]。近百年来，地表平均温度上升了0.7℃以上，而自1950年以来温度上升速率更是达到了0.13℃/10 a，全球气候变暖趋势越来越明显[2]。伴随着气温升高，许多地区地表太阳辐射呈显著减弱趋势[3-6]，同时降雨年际变化增大，极端降水事件频繁发生[7]。气候变化对自然环境以及人类的生产与生活行为等方方面面都会产生重要影响，其中对农业生产的影响尤为明显。以气候变暖为主要特征的气候变化可能导致作物生长速度加快，从而缩短作物的生长过程，影响作物产量。研究气候变化对作物产量的影响有利于改进农业管理措施，提高作物对气候变化的适应能力，进而保障粮食生产安全[8]。因此，气候变化对农业生产的影响受到了全球众多学者的广泛关注[9-11]。

随着研究方法的日趋完善，气候变化影响作物产量的相关研究逐步增多，在区域尺度及全球尺度上均有涉及[12-15]。Chmielewski等[16]根据田间试验结果并结合多年气象数据对英国南部的作物与气候的关系进行回归分析，结果表明，该地区作物产量波动趋势同气温、降水等气候因子密切相关。在基于统计产量的研究中，通常需要将技术、管理等人为因素分离，以量化气候变化对作物产量的影响，Nicholls等[17]利用残差法计算了自1952年以来气候变化对澳大利亚小麦产量的贡献率，研究期内澳大利亚小麦产量持续增长，气候变化的贡献率在30%～50%。全球尺度上，气温上升对于小麦、大麦和玉米等作物的产量都有消极影响[18]，但对水稻生产较为有利，在1980—2008年，气候变化导致全球玉米、小麦分别减产3.8%，2.5%，而水稻则增产2.9%[19]。气候变暖并不意味着全年每一阶段气温均呈上升态势，Lobell等[20]通过研究发现，在1982—1998年，美国夏季气温呈下降趋势，但玉米和大豆产量均有所增加。CO2肥效是研究气候变化对作物产量的影响中不确定性和敏感性最大的参数[21]，但大气CO2浓度升高对作物生长的积极效应具有广泛的共识[22-23]，Wang等[24]利用APSIM模型模拟研究了澳大利亚东南部气候变化对小麦产量的影响，结果显示，气温每升高1℃和降水减少10%所造成的产量损失可以由CO2浓度增加266 mg/kg对产量的影响抵消。

中国在这方面的研究主要集中在小麦、玉米、水稻等主要粮食作物上[25-27]。前人对国内气候变化影响作物产量的研究已有综述，但论述主要集中在单个作物的单个生产区对气候变化的响应，而未对全国范围内不同区域不同作物对气候变化的响应与适应的差异进行比较。因此，本文论述国内气候变化对小麦、玉米、水稻等粮食作物的影响相关研究，分析我国不同区域不同作物对气候变化的响应及适应对策，以期为我国农业生产安全提供科学依据。

1 气候变化影响作物产量的主要研究方法

1.1 田间试验观测方法

田间试验观测可以获得作物产量的原始数据，是研究作物产量变化最直观的方法。自20世纪80年代开始，我国近800个农业气象站点对作物产量进行了定点观测，这些观测数据为研究学者们统计分析作物产量变化特征提供了数据支持[28]。另外，根据研究目的可以进行特定田间定位试验，通过气温、降水、辐射等气象因素以及CO2浓度的控制试验量化气候变化对作物的影响。田间增温试验系统的常用方法是红外线辐射增温[29-30]。参考国际增温系统[31]，田云录等[32]设计了中国首个麦田开放式增温系统(FATI)，进行冬小麦增温试验。肖国举等[33]利用红外线辐射器进行田间增温试验，模拟温度升高情况下西北半干旱区马铃薯产量的变化。控制土壤水分条件试验可以用来研究降水对作物产量的影响，韩晓增[34]和王鹤龄[35]等通过水分控制装置设置降水量，分别对降水变化条件下的大豆和春小麦产量变化进行了试验模拟。对辐射的控制试验可以通过遮荫网进行，郑有飞等[36]利用改进的开顶式气室(OTC)和遮荫网研究辐射减弱对冬小麦产量的影响。开放式CO2富集系统(FACE)是常用的CO2浓度控制系统，Cai等[37]利用该系统进行温度和CO2浓度控制试验，研究发现气温上升对小麦和水稻产量增加不利，而CO2浓度增加则有利于产量增加。

田间试验所得到的观测数据是作物产量研究的第一手资料，比较精确可靠。但是，田间观测试验通常情况下需要耗费大量人力、财力、物力和时间，不适合作为长期研究作物产量变化的方法。同时，田间试验观测是单点观测，其结果往往针对的是特定地域、品种以及管理措施等，在更大区域上不具代表性。

1.2 统计分析方法

统计分析可以获取大范围、长时间序列的作物产量变化趋势，适用于较大的时空尺度，是研究气候变化对作物产量影响的基本方法之一[38]。长序列的作物产量变化受到了气候变化和管理措施的综合影响，为研究气候因子对作物产量的影响，需要对作物产量进行趋势分离然后单独分析气候因子对作物产量的影响[17]，常用的趋势分离方法有滑动平均法[39]、三次指数平滑法[40]以及一阶差分法[41]等。不同的气候因子对作物产量影响不同，为量化作物生长对不同气候因子的敏感度，可以建立统计模型进行评估[42]。统计模型主要有3种类型[38]：时间序列模型(基于单点/区域时间序列)、截面模型(基于空间)和面板模型(基于时空变化)。时间序列模型易受多重共线性影响，统计结果误差较大；截面模型在研究中有很大局限性，例如对降水影响的评估受降水时间等因素影响，效果较差；面板模型克服了多重共线性的影响，在研究作物生长对温度、降水等气候因子的响应上综合效果较好[43]。时间序列模型[38]可以根据区域或站点的多年时间序列数据构建，公式如下：

logYt=β0+β1Tt+β2Pt+β3St+…+εt

(1)

式中：Yt，Tt，Pt，St，…分别为年份t时的产量、生育期平均气温、平均降水、平均辐射以及其他气候要素；β0，β1，β2，β3，…分别为模型的拟合参数；εt为误差项。

根据多个区域或站点的平均产量、气象因素等数据构建截面模型[38]，公式如下：

(2)

构建面板模型[38]需将所有区域或站点的产量和气象因素综合起来，公式如下：

(3)

统计分析方法可操作性强，研究周期长，范围广，信息量大，因此是了解区域和整体上作物产量变化有效的研究方法。但该方法机理性不足，对许多影响因素考虑不充分。同时，统计模型在预测未来气候情景下作物产量的变化趋势方面有很大局限性。

1.3 作物模型模拟方法

自20世纪90年代开始，随着作物模型发展的日趋完善，利用作物模型量化气候变化对作物的影响的研究也在逐步增多[44-46]。Mo等[47]利用VIP模型模拟华北平原地区过去50 a冬小麦—夏玉米种植模式下的作物产量，评估气候和农业管理水平对作物产量的影响。Zhang等[48]基于水稻专用模型ORYZA 2000模拟了1980—2010年气候变化影响下中国主要水稻种植区的产量变化情况。Xiao等[49]利用APSIM模型和CERES模型模拟了华北平原1971—2013年CO2浓度变化对灌溉和雨养小麦产量的影响。聂江文等[50]利用DSSAT 4.5模型对荆州市1971—2006年中稻生长季内高温热害和低温冻害的变化规律及灾害对水稻产量的影响进行了模拟分析，并根据研究结果提出调整播期以降低该区域水稻生产的高低温灾害风险。Huang等[51]利用Hybrid-Maize模型研究分析了华北平原地区近60年间气候变化对玉米产量的影响。作物模型面向作物生长过程，对于作物生长动态变化趋势模拟效果较好，在预测未来产量变化研究上应用前景广阔。Tao等[52]结合MCWLA—Rice与Super EPPS模型研究发现，未来平均温度、太阳辐射以及CO2浓度的增加对华东地区水稻生长较为有利。

作物模型基于作物生长过程建立，机理性很强，对于气候变化和作物生长过程之间的关系可以进行定量描述，准确度较高，同时外推效果好，预测未来作物产量可信度较高。但作物模型结构复杂，需要大量的作物生长发育过程、土壤条件以及管理措施等详细输入数据。

2 主要粮食作物产量对过去几十年气候变化的响应和适应

2.1 主要粮食作物产量对过去几十年气候变化的响应

2.1.1 小麦 过去几十年气候变化对我国不同地区小麦产量产生了较大影响(表1)。在气温、降水和辐射综合影响下，我国北方地区小麦产量呈现增加趋势，1981—2009年小麦产量增加了0.9%～12.9%，但春小麦除外[28,45]。气温上升对西北地区小麦产量增加具有促进作用[53]。在华北地区，研究期内最低温上升，尤其是越冬返青期内最低温上升可减少冻害对小麦生长的不利影响，使小麦产量增加14.5%，太阳辐射下降，导致产量减少3%，最高温和降水的变化对产量影响较小[54]。1961—2010年，在西南地区减产严重区域，生长季辐射降低、气温升高、昼夜温差减小对潜在产量降低的贡献率分别为45%，36%，2%，对雨养产量降低的贡献率分别为36%，39%，8%，而降水减少对雨养产量降低的贡献率为7%[55]。相对于气候平均态而言，极端气候事件对作物产量影响更为显著，其中高温热害和干旱对小麦影响较大[56-57]。

我国小麦产量对气候变化的响应并未呈现出统一的趋势，空间特征差异明显：气候变化对北方小麦生长有利，对南方小麦生长则较为不利。不同的气候因子对作物的影响机制不同，对作物生长的影响程度差别较大。气温升高对北方地区的小麦生长较为有利，对南方小麦则有消极影响[28]。小麦生育期内降水变化不明显，对小麦影响较小[58]。辐射与小麦产量呈正相关，生育期内辐射减弱对小麦生长不利[59]。极端气候事件(干旱、强降水、高温热害以及低温冻害等)对农业生产的影响要远远大于气候平均状态变化所带来的影响。农作物拥有自己的适宜生长条件，当气温(降水)超过或低于作物适宜生长温度(降水)时，都会对作物生长产生不利影响，例如，高温、弱降水和强辐射对干旱区和半干旱区的小麦产量影响较大[60]。

表1 国内小麦产量变化特征及影响因子研究

2.1.2 玉米 气候变化对我国玉米产量有明显不利影响(表2)。1961—2010年，生育阶段内日照时数的下降是东北地区潜在产量下降的主要气候因素，气候变化导致玉米潜在产量下降超过20%[65]。气候变化对华北平原玉米减产的贡献率为15%～30%，其中，太阳辐射减弱贡献率为12%～24%，气温升高贡献率为3%～9%，降水变化幅度较小，对产量变化影响不显著[66]。气温和辐射在气候影响因子中作用较为突出。在西南地区减产显著的研究站点中，春玉米生长季内太阳辐射减弱、气温升高和降水减少对作物减产的贡献率分别为32%，40%，1%，昼夜温差降低对玉米产量增加有微弱的作用[67]。

我国玉米产量对气候变化的响应呈现出了统一的特征：气候变化对玉米产量影响不利，气候产量减少趋势显著。在玉米生育期内东北、华北以及西南地区等气温上升和辐射减弱趋势显著，对玉米产量增加较为不利。此外，高温、弱降水和强辐射等极端气候事件导致的干旱对干旱区和半干旱区的玉米产量也有很大不利影响[60]。

2.1.3 水稻 气温和辐射对我国水稻产量变化起主导作用，辐射减弱是南方地区和长江流域产量减少的主要原因，昼夜温差减小是北方地区水稻产量下降的主要原因，降水则对北方地区和西北地区灌溉水资源量较少地区的水稻产量影响较大[76-77]。气候变化对水稻产量的影响有较明显的地域特征，气温升高有利于东北地区水稻产量增加，但对南方区域水稻生产造成了一定的消极影响[78]。不同地区、不同种植模式下水稻产量对气候变化的响应存在较大差异，过去30 a(1981—2009年)里，气温升高和辐射减弱共同作用不利于长江流域早熟稻和单季稻产量增加，产量变化幅度分别在-0.59%～2.4%，-9.68%～-7.14%，气候变暖对长江流域的晚熟稻和东北地区的单季稻产量增加则有明显的积极效果，产量变化幅度分别在8.38%～9.56%，1.01%～3.29%[79]。气候变暖可以增加东北地区水稻生长季的有效积温，延长作物播种窗口，减少低温冷害对水稻生长的伤害，提高作物产量，但降水则对该区域水稻生长较为不利[80-81]。随着气候变暖，南方地区有效积温增加和低温指数减少，水稻产量分别增加1.71%～8.73%，0.01%～1.61%，高温指数增加和太阳辐射减弱，导致水稻分别减产0.14%～0.34%，0.13%～9.34%，有效积温增加的积极影响和太阳辐射减弱的消极影响对于产量的变化起到主导作用，但随着未来气候变暖，有效积温增加和低温冷害日数减少的积极影响可能被高温热害日数的增加的不利影响抵消[82]。

我国水稻产量对气候变化的响应呈现出较为显著的空间分布特征：气候变化有利于东北地区水稻产量增加，对长江流域等南方主要水稻种植区的水稻产量(长江流域晚熟稻除外)则有消极作用(表3)。高降水和弱辐射对东南地区水稻影响较大，这主要是因为高温导致的热压对作物生长不利，但高温和弱降水对东部和东北地区的水稻生产是较为有利的[60]。

2.1.4 其他作物 国内对农作物产量的研究主要集中于小麦、玉米、水稻3大主要粮食作物上，对大豆、棉花、马铃薯等经济作物产量研究相对较少。气候变暖对我国大豆生长较为有利，尤其是在东北地区，气温升高可以延长作物生长期，减少冻害对大豆的影响，在1979—2002年研究阶段内中国大豆产量增产速率为7万t/10 a[84]。棉花种植区域主要分布在西北地区、黄河流域以及长江流域等，在1961—2010年，平均气温上升对西北地区和黄河流域的棉花生产较为有利，对长江流域棉花产量则有消极效果，气温上升导致整体研究区域棉花产量减少0.1%，昼夜温差减小和降水减少对棉花生长是不利的，分别导致研究区域内棉花产量下降5.5%，1.1%，气候变化总体上仅在西北地区对棉花生长表现为正效应[85]。作物不同生育阶段对气候响应是不同的，气候对马铃薯影响较大的生育阶段是结薯期和淀粉积累期，其中，降水、气温和风速等气候因子对作物产量影响最大，导致区域内作物产量在年际间会产生一定波动[86]。

2.2 典型作物应对气候变化的适应措施

气候变化对农业生产影响较大，为保证作物产量，需要采取一些适应性农业管理措施以弥补气候变化带来的不利影响，措施主要包括品种更新、播期调整和改善施肥和灌溉条件，以及改变耕作方式等。

2.2.1 品种 通常情况下，气候变暖会加快作物生长速度，缩短作物生育期，减弱作物光合作用，减少干物质的积累时间，导致作物产量下降。种植晚熟的长生育期品种可以延长作物的生殖生长期，增加作物的灌浆时间，有利于作物的干物质积累和产量增加[69,87]。杜春英等[88]在黑龙江省的研究表明，随着地区热量资源的增加，玉米、水稻和大豆中熟、中晚熟品种正逐步取代极早熟、早熟品种。Bai等[89]通过研究发现水稻和小麦品种更新对产量影响显著，产量提升贡献率达14.4%～27.2%。

表3 国内水稻产量变化特征及影响因子研究

品种更替对玉米产量贡献率较大，华北平原近几十年来品种更新对玉米产量的贡献率为23.9%～40.3%[66]，东北地区则在46%～79%[65]，耐高温和延长生殖生长期是应对温度升高的品种更替方向。Zhang等[90]通过APSIM模型研究发现，气温升高会减弱华北平原冬小麦的春化作用，不利于冬小麦生长，种植对春化作用要求低的半冬性和弱冬性品种可以有效抵消气温升高对冬小麦的不利影响。品种更新对华北平原小麦产量增长贡献率在12.2%～22.6%，是产量增加的主要因素[59]。小麦品种逐渐向对辐射和降水变化更为敏感的趋势发展，为应对气候变化，培育新品种需要从增加谷粒数量、提高收获指数和水分利用效率以及延长生育期等方面入手。品种更新在过去30年里对我国水稻产量增长贡献率为16%～52%，同期施肥的水稻产量增长贡献率为0～16%，气候变化为的水稻产量增长贡献率为-16%～10%，品种更新对水稻产量增加影响巨大[46]。随着气候变暖，我国极端高温事件也呈现增强态势，对积温需求较高的耐高温品种成为我国水稻品种更新的主要方向[79]。

2.2.2 播种期 调整作物播种期可以改变各生育阶段的辐射、气温和降水等气候条件，进而影响作物的生长过程。华北平原春玉米开花期内光照充足和降水少有利于玉米的开花授粉，确定华北平原春玉米的播种期的首要考虑因素就是开花期要避开雨季[91]。旱作和灌溉种植系统对于播种期的响应机制是有差异的，北方地区旱作条件下，推迟播种期可以增加作物降水资源利用量，提升春小麦产量，而提前播种期则可以增加灌溉条件下的小麦产量[45]。气候变暖对调整作物播种期有导向作用，华北平原越冬期气温上升可以推迟小麦播种期和玉米收获期，小麦玉米总产量提升了4%～6%[92]，而提前播种期则使东北地区玉米产量增加超过4%[93]。单季稻和双季稻的播种期调整主要考虑水稻灌浆期，提前播种单季稻和推迟播种晚熟稻可以有效延长水稻灌浆阶段，提高作物产量[94]。Bai等[89]通过研究发现水稻和小麦播种期/移栽期变化趋势和变化幅度在各地并不一致，调整水稻和小麦播种期/移栽期对于产量提升贡献率在-4.7%～-0.1%，相对于品种更新(14.4%～27.2%)和优化施肥措施(2.3%～22.2%)，其对水稻和小麦产量的影响并不显著。

2.2.3 施肥等其他管理措施 施肥是适应气候变化的一项重要措施。近20年来，施肥对于东北地区作物产量增加的贡献率为40%，华东地区为36%，华北地区为9%，中部和西南地区为6.8%[95]。Xiao等[59,66]根据气象数据和观测数据分析了过去30年里华北平原施肥对小麦和玉米产量的影响，发现施肥措施下，小麦、玉米产量增加分别2.1%～3.6%，3.3%～8.6%。Zhang等[46]通过研究发现我国施肥管理水平提高对水稻产量增加的贡献率为0～16%。Bai等[89]的研究结果显示施肥对我国水稻和小麦产量提升贡献率为2.3%～22.2%。

灌溉水平的提升对作物生长也有一定影响。适量灌溉可以减少水分胁迫对作物生长的不利影响，但过度灌溉则会降低作物水分利用效率，并且不利于产量增加[96]。此外，在北方地区，免耕相比于传统耕作方式有利于玉米增产，平均增产率达到3.1%，尤其是在年降水量较少或年均气温较低的区域，轮作或秸秆还田条件下，有利于发挥免耕的增产效应，而东北地区较华北地区和西北地区更适宜推行免耕技术[97]。西北干旱地带推行全膜双垄沟耕作技术来抵抗干旱对作物的威胁，全膜双垄沟耕作技术相对于露地、单垄等方式，产量波动较小，适应气候变化能力更强[98]。田间留茬对土壤有增肥效果，水稻在田间留茬情况下相对于不留茬情况增产大约5.2%[99]。农业管理水平和农业技术的进步对作物影响巨大，以中国玉米为例，过去30 a里，农业管理水平提高和技术进步对玉米产量的贡献率为99.6%～141.6%，远高于气候变化(-41.4%～0.4%)[68]。

3 结 论

(1) 作物产量对气候变化响应的研究方法主要包括田间试验观测方法、统计分析方法和模型模拟方法等，其中田间观测法最直观，但局限性较大，不适合长周期研究；统计分析法可操作性强，应用最为普遍，缺点是机理性不足，外推效果差；作物模型模拟方法机理性强，可以定量描述气候因子对作物产量的影响，外推效果好，不足之处是结构复杂，输入数据繁多。

(2) 过去几十年里，小麦生育期内气温升高和辐射变化使我国北方小麦增产0.9%～12.9%，南方小麦减产1.2%～10.2%；气候变暖对玉米产量贡献率为-41.4%～0.4%，使我国玉米产量呈显著下降的趋势；水稻生育期内气温升高和辐射增强有利于东北地区水稻产量增加，增产贡献率为1.01%～3.29%，而辐射减弱对长江流域等南方主要水稻种植区的水稻产量(长江流域晚熟稻除外)产生不利影响。总体上，气温、辐射和降水等气候因子的变化以及极端气候事件对我国粮食作物生产造成了一定的不利影响，气温和辐射是其中主要影响因素。

(3) 品种更替是应对气候变化的关键技术措施。未来气候变化情境下小麦应从延长生殖生长期、增加籽粒数量和提高收获指数等方面培育新品种应对气候变暖对作物产量的不利影响；耐高温和长生殖生长期的玉米品种可以用来应对气温、降水等气候因子的变化；水稻则应选育对积温需求较高的耐高温品种应对气温和辐射等因子的变化所带来作物生产上的风险。