新阶段农业气象学发展面临的形势与研究展望*

潘志华

新阶段农业气象学发展面临的形势与研究展望*

潘志华

（中国农业大学资源与环境学院/中国气象局-中国农业大学农业应对气候变化联合实验室，北京 100193）

当前，中国进入了建设农业强国的新阶段，农业气象面临前所未有的挑战与发展机遇。针对农业生产智慧化、粮食安全、气候变化、绿色可持续发展等新形势，农业气象迫切需要建立气候要素与农业生产的定量关系，科学合理利用和提高气候资源利用率。农业气象学的重要任务包括深化研究内容、拓展研究视野、创新理论方法；重要研究方向在农业气象基础、气候变化适应、温室气体减排、农业气候资源高效利用、农业气象灾害与风险应对、农业小气候调控、气候智慧型农业等方面。作为一门农业基础学科，农业气象学需要加快发展，走在其他农业科学的前面。

农业强国；农业气象学；主要任务；重点研究方向；气候智慧型农业

中国共产党第二十次代表大会在擘画全面建设社会主义现代化国家宏伟蓝图时，提出要加快建设农业强国[1]。随后，2022年中央农村工作会议对农业强国建设进行了明确规划与部署[2]。农业强国建设对推进中国农业现代化具有重大战略意义，将成为今后一段时期的重大任务，意味着中国农业发展进入了新阶段。

农业强国的重要特征之一是农业科技创新能力强[3]。农业气象是农业科技的重要组成部分，也是农业科学的基础学科[4]。新中国成立以来，农业气象学得到了快速发展，为农业生产做出了重要贡献[4]。然而，进入新发展阶段，随着农业生产形势与生态环境演变及现代信息、生物技术的发展，在2035年基本实现社会主义现代化的国家宏观战略要求下，农业气象学面临着前所未有的新挑战，同时也迎来了难得的发展机遇。农业气象学的发展要随着农业生产的发展而发展，随着环境条件的变化而不断创新。近几十年来，中国农业生产发生了重大变化，农业生产与气象环境条件的关系也发生了重大变化，客观上要求农业气象学加快发展。

1 农业气象学发展面临的形势

1.1 农业生产与粮食安全的新形势

确保粮食安全与主要农产品供给是发展农业的首要任务。近几十年来，随着中国社会经济的快速发展，农业生产方式发生了深刻变化：大面积的机械化播种与收获有效节约了农时，争取到更多的可利用光温资源；灌溉面积与化肥施用量大幅度增加，有效改善了农田水分和养分状况，改变了农业生产对水分和温度的敏感性；高产品种推广面积不断增加，极大地提高了土地产出率和资源利用率；覆膜、耕作（垄沟耕作、深松、免耕）等技术措施，有效改善了农田水热状况，改善了农田小气候。农业生产方式的改变极大地提高了农业气候资源利用率，提高了农业生产力和生产效率，有效促进了粮食生产大幅提升。2022年，全国粮食总产达到68655万t，连续8a稳定在65000万t以上[5]。但中国人口众多，粮食产能仍不能满足国内需求，部分粮食仍需进口，2022年粮食进口总量达到14687.2万t[6]。随着人口增加与社会经济的发展，粮食安全形势愈加紧张，提高粮食产量和产能的任务愈加紧迫，这就要求进一步扩大农业种植面积或提高单位面积粮食产量。随着农村人口的城镇化和生态环境建设的需求，中国可耕地面积仍在继续减少，粮食增产将主要依靠提高单位面积产量和复种指数来补偿，这就对提高气候资源利用率与利用效率提出了新的更高的要求。

与此同时，伴随着信息技术的快速发展，农业与人工智能技术的有效融合，促使智慧农业迅速兴起，农业生产效率与自动化程度大规模提高。当前，中国农业逐步向机械化农业、智慧农业转变，一家一户的小规模经营方式逐步向集约化规模经营方式转变。这样的发展形势客观上要更加精细化、精准化明确作物生长发育与环境条件的定量关系，尤其是与气象环境条件之间的关系，为智慧化农业生产提供农业气象模式。为此，进一步加强农业气象基础研究是农业科学发展的基础与迫切要求。农业气象学的发展水平直接影响着农业现代化生产的发展进程，农业气象应该走在其他农业科学的前面[7]。

1.2 气候变化的新形势

2021年联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布第六次评估报告指出，2011−2020年比1850−1900年全球地表平均温度增加1.09℃，预计未来20a增温将达到或超过1.5℃[8]。2022年中国气候变化蓝皮书指出，1951−2021年中国地表年平均气温升温速率为0.26℃·10a−1，高于全球同期平均升温水平（0.15℃·10a−1），是全球气候变化的敏感地区之一；近20a是20世纪初以来中国最暖时期[9]。农业生产暴露性强，应对气候变化的能力非常脆弱。温度和降水等气候要素的波动，意味着热量、水和光照等资源的空间格局随之变化，对农业生产布局产生直接且重要的影响。随着气候变化，农业气候资源、作物种植界限、作物布局与种植结构、作物熟制和农业气象灾害发生特点都将随之发生显著变化。据研究，当温度上升1.4℃、降水增加4.2%的情况下，中国一熟作物种植面积可由当前62.3%下降为39.2%，两熟作物种植面积可由24.2%变为24.9%，三熟作物种植面积则由当前13.5%提高到35.9%[10]。值得注意的是，随着气候变暖，高温、强降水、季节性干旱等极端天气气候事件也随之增多增强，气候风险水平趋于上升，1961−2020年中国气候风险指数较1961−1990年提高了58%[9]。未来一段时期内，气温升高，极端天气气候事件增加，区域性农业气象灾害和病虫害偏重发生的可能性加大[9]。气候风险已成为影响粮食安全的重要因素之一[11]，中国必须在适应气候风险与气候资源新格局的前提下合理调整粮食种植布局与生产，确保粮食生产安全和2035年基本实现农业现代化的目标实现。

另一方面，气候变暖的主要原因是由于人为排放温室气体，农业是温室气体排放的主要贡献者之一[12]。据IPCC估算，全球农业源温室气体占总温室气体排放量的13.5%，且比例不断增大，农业生产排放甲烷（CH4）和N2O的贡献量分别占人类活动总贡献量的50%和84%[12]。据估算，中国农业温室气体占全国排放总量的8.7%，农业生产所产生的CH4和N2O排放分别占全国总排放量的40.5%和65.4%[13]。其中，中国水稻种植面积和总产居世界第一，是甲烷的重要排放源；中国氮肥用量也居世界第一，是农田N2O的主要排放源[13]。2015年，联合国气候变化大会达成的《巴黎协定》提出，要在21世纪末将全球增温控制在2℃范围内，并力争控制在1.5℃范围内[14]。为此，减少温室气体排放成为人类社会保护地球的共同目标。2020年中国向全球宣布，将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，力争二氧化碳（CO2）排放于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和[15]。农业发展同样面临着巨大的减排、固碳压力与挑战。

1.3 农业绿色可持续发展的新形势

绿色可持续发展是农业强国的重要特征[3]。近年来，虽然中国农业粮食产量连年增加，但资源环境压力越来越大。部分地区为了追求高产，超额利用热量、水分等气候资源，引起生态系统退化。这些地区主要集中在农业生产强度较大的北方农区。改革开放以来，中国北方农区农业生产强度不断加大，对全国粮食生产贡献度不断提高。基于国家统计局的数据分析表明，2004年以来中国北方耕地面积、化肥施用量和灌溉面积大幅增加，增产贡献率达到85%以上，成为粮食增产的主要贡献者。20世纪80年代−2015年，北方农区部分地区农田土壤湿度趋于下降，0−50cm土壤体积含水量每10年下降趋势达0.011～0.015m3·m−3[16]，尤其是黄土高原部分地区已出现深层土壤干层，农田质量趋于下降，严重威胁着种植业的可持续发展[17]。随着气候变暖，东北黑土地的有机质含量和保水保肥能力也趋于下降[18]。气候变化与超强度人类活动还导致农业生物多样性减少、病虫害增加和农药污染加重。这表明，中国未来粮食生产的环境压力将不断加大。

以上形势的变化，客观上对新阶段农业气象学的发展提出了新的要求。

2 农业气象学发展的新要求

2.1 建立气候要素与农业生产的定量关系是新阶段农业生产发展的核心要求

农业气象是智慧农业发展的关键。智慧农业的核心是农业生产与环境条件的定量关系，其中由于气象条件的复杂性与多变性，气象条件与农业生产的关系是农业生产与环境条件关系的难点与关键。生产实践与科学实验充分表明，机械播种和收获在省时省工的同时，会引起热量资源的富余，对作物布局产生影响；作物播期、灌溉施肥措施等的变化会引起农业生产对气候资源利用程度的变化；当前发生的气候变化具有全局性的影响，一个要素的变化会引起其他要素发生相应的变化。几十年来，中国农业种植品种、技术措施发生了重大变化，随着气候变化和农业系统自身的演变，许多农业气象指标已经不适应农业生产的发展。农业生产要素之间存在协同性，农业气象指标具有动态性，农业生产的某个要素发生变化，会引起其他要素发生相应变化，除修订和健全单要素农业气象指标外，还需构建多要素复合指标和各种作物的气象模式。由此可见，农业生产与气候要素之间的关系随着技术条件、气候要素的变化而变化，非常复杂，加强农业气象指标、农业生产与气象条件的关系等研究在新形势下非常迫切。

2.2 提高气候资源利用率与利用效率是新阶段农业生产发展的本质要求

提高单位面积的粮食产量本质上要求提高单位面积的气候资源利用率与利用效率。总结农业生产发展的历程可以发现，品种改良和培育的共同目标是提供气候资源利用率与利用效率；机械化作业生产节省了农时，压缩了农耗积温，增加了可利用气候资源；温室大棚技术高效利用了作物非适宜生长期的光温水等小气候资源等。随着农业生产的发展，施肥、灌溉等常规技术提高农业产量的空间越来越小，为了提高农业生产潜力，充分且高效利用气候资源，并与其他农业资源优化配置将成为新阶段农业发展的主攻方向。中国农业生产进入了提高气候资源利用率与利用效率的新阶段。

2.3 气候要素是自然要素，也是生产要素，科学合理利用气候资源是新阶段农业生产发展的内在要求

一方面，气候要素是自然环境要素，是自然生态系统状况的综合反映，气候环境条件决定了自然生态系统的基本格局。如中国200mm、400mm和800mm年降水量等值线分别对应着干旱区与半干旱区、半干旱区和半湿润区及半湿润区与湿润区的分界线。在农业生产布局中，应根据气候环境条件，宜草则草、宜林则林、宜耕则耕。另一方面，气候要素也是生产要素，具有资源特征。农业自然资源主要包括气候资源、土壤资源、水资源、生物资源等，其中水资源主要关注对象是降水资源，也是气候资源的重要组成部分。合理利用光、温、水等气候资源，能够促进区域可持续发展；过度利用，则会影响甚至阻碍区域农业可持续发展。如北方地区长期过度开发利用降水资源，已经导致部分地区生态退化和下游地区农业可利用水分的亏缺。气候要素的资源特性决定其具有稀缺性，气候资源的利用程度深刻影响着农业生产发展布局与发展状况。在农业生产布局中，要根据气候资源条件，宜旱则旱、宜灌则灌，不合理安排将对生态环境产生不利影响。农作物种植的合理布局、结构配置直接影响着粮食最终产量，影响资源利用程度与环境质量。在生态退化的威胁下，如何进一步布局好农业生产是农业科学面临的主要挑战，也是农业气象面临的主要任务。

2.4 积极应对气候变化是新阶段农业生产发展的客观要求

农业生产过程主要是暴露在自然条件下进行，气候和土壤条件是最基本、最重要的自然环境资源因素。土壤的形成、水热状况和微生物活动等在很大程度上也受气候条件的制约。可以说，农业是对环境气象条件最为敏感和依赖性最强的产业。不仅农作物生长发育和产量、品质形成高度依赖于气象环境条件，现代化农业技术和农事活动也需遵循气象环境的变化。当前，农业高产稳产增产的客观需求与全球气候变化、极端事件多发频发重发严峻形势间的矛盾日益突出[11]。积极应对气候变化是农业强国的迫切要求与战略任务，减损增产将成为今后一段时期农业生产的重要工作目标。

值得注意的是，农业生产活动是历史最长、规模最大的人类活动，对地球表面能量与水分平衡及大气中温室气体的含量影响较大，是影响气候变化的重要因素之一。在重视气候变化对农业生产影响的同时，也要关注农业生产对气候变化的影响，农业生产对气候变化的反馈效应是当前气候变化机理研究不可忽视的重要方面。

3 新阶段农业气象的重要任务

3.1 深化农业气象的研究内容

要深化农业气象的研究内容，适应和促进农业科学的快速发展。一方面，农业生产智慧化迫切需要深化农业气象指标、农业生产与气象条件之间的关系等内容的再分析研究。一是气候变化对农业生物的影响和生产条件的改变使得原有的农业气象指标体系不完全适用，需要补充和修订；二是基因技术培育的新品种对气象环境的要求很可能与原有物种的生物学特性有较大差异，需要重新鉴定指标并构建新的农业气象模式；三是现代化智能化农事作业对气象条件提出的新要求，也需以农业气象指标或模式来表示。另一方面，粮食安全的新形势迫切要求提高气候资源利用率与利用效率。一是不断优化时空布局，提高粮食生产的气候适宜度，调整种植结构；二是不断推进耐高温、耐干旱、耐渍涝等优良品种选育，增强农作物的适应性，以应对气候变暖及其带来的高温、干旱、洪涝等影响；三是分区域、分作物构建应变栽培技术体系，改善农业生产的气候环境条件。另外，现代农业已经演变为涵盖一、二、三产业的综合性大产业，除原有的传统第一产业种养业外，有机农业、生物燃料农业、工厂化种养业、白色农业、蓝色农业、观光农业和农业文化等许多新业态以及日益丰富层出不穷的特种种养业，这些新业态与气象条件关系的研究存在大量空白，需要深入研究以填补空白。

3.2 创新农业气象的理论方法

当前，农业减排固碳技术、绿色低碳循环生产技术、农光互补等低碳农业模式发展迅速，针对气候变化带来的气候资源与气候风险新格局，相应的适应技术研发和适应技术体系构建正在逐步开展，这些都对农业气象的发展提出了新的要求。农业气象需要重新审视农业气候资源的不同利用方式，充分挖掘气候资源的利用潜力，多途径、多视角开发利用农业产品的潜力，发展农业气象工程技术，提升农业气象的应用价值，促进农业气象的发展。需要特别指出的是，当前农业生产面对气候变化适应、温室气体减排与生产能力提升等多重挑战，集成创新农业气象理论与技术方法也非常迫切。

3.3 拓展农业气象的研究视野

传统农业气象主要关注温度、水分、光照与农业生产之间的相互关系，已经不能适应新时期农业生产发展的要求。一方面，伴随着全球CO2等温室气体浓度的升高，关注温室气体对农业生产的影响非常迫切。CO2是气候资源的重要组成，也是重要的温室气体，对农业生产有着重要影响。研究CO2浓度的变化对农业生产的影响、农业生产过程与CO2排放特征是农业气象的重要研究内容之一。另一方面，农业气象除了关注农业气候资源的利用数量，还要关注农业气候资源的利用质量，关注不同农业气候资源要素之间及其与其他环境要素之间的优化组合，关注区域气候资源承载力，关注农业生产的生态影响，保障区域生态平衡健康发展。

4 新阶段农业气象研究的重要方向

（1）农业气象基础。深化农业气象学基础理论构建与农业气象指标及模式研究，开展农业生产要素及农事活动与气象要素的协同性研究，不断阐明气候变化与农业生产的相互关系。

（2）气候变化适应。针对全球变化的新特点与新趋势，加强气候变化影响识别技术、影响评估与风险预估技术研究，深化气候变化适应机制研究，研发采用基于自然的气候风险化解办法，不断提高农业生产适应气候变化的能力和水平，促进农业生产可持续发展。

（3）农业固碳减排。加强农业生产全过程温室气体排放特征与减排潜力研究；与此同时，加强农业生产过程中的碳汇规律研究，建立“粮食安全”+“碳中和”的农业减排增汇体系，在促进粮食生产的同时最大限度地减少温室气体排放；在不影响粮食与其他主要农产品供给的前提下，开展非耕地生产生物燃料潜力评估与技术途径研究。

（4）农业气候资源高效利用理论与技术。开展农业气候资源高效利用基础理论与技术创新研究，提高气候资源利用率与利用效率；开展农业气候资源利用与生态演变关系研究及生态平衡视角下的气候资源利用潜力（农业气候资源承载力）研究，优化农业生产布局，促进生态安全。

（5）农业气象灾害与风险应对理论与技术。深化农业气象灾害与风险管理研究，尤其是气候变化情景下农业气象灾害的新特点、新趋势和应变减灾对策；充分利用现代天气预报、数值模拟及人工智能等技术，提升农业气象灾害预测预警时效，加强农业气象灾害影响与风险快速动态评估技术研发，突破风险评估技术瓶颈。

（6）农业小气候调控理论与技术。从农田尺度增益不足资源、削减过量资源能够有效促进作物增产。当前农业小气候调控与不同产量目标下的农田小气候特征与作物群体构建是作物增产的重要路径。现代工厂化农业与特种种养业也有大量的小气候调控问题有待研究。

（7）气候智慧型农业。针对农业生产面临的气候变化适应、温室气体减排与生产能力提升等挑战，2010年联合国粮农组织首次提出“气候智慧型农业”的概念[19]。气候智慧型农业从农业与气候的紧密关系出发，遵循可持续发展理念，是一种农业气象理论与技术的集成创新模式。当前，要深入探讨高新信息技术引入农业气象领域的途径与潜力，尤其是应用于气候变化减缓增汇及适应气候变化技术研发与示范，集成面向气候智慧的农业发展战略与技术体系，推进农业转型，保障中国农业可持续发展。

[1] 习近平.高举中国特色社会主义伟大旗帜为全面建设社会主义现代化国家而团结奋斗:在中国共产党第二十次全国代表大会上的报告[N].人民日报,2022-10-16(001).

Xi J P.Hold high the great banner of socialism with Chinese characteristics and strive in unity to build a modern socialist country in all respects:report at the 20th National Congress of the Communist Party of China [N].People's Daily,2022-10-16(001).(in Chinese)

[2] 唐仁健.加快建设农业强国:认真学习宣传贯彻党的二十大精神[J].中国种业,2023,334(1):1-3.

Tang R J.Accelerate the construction of a powerful agricultural country:earnestly study, publicize and implement the spirit of the 20th National Congress of the Communist Party of China[J]. China Seed Industry,2023,334(1):1-3.(in Chinese)

[3] 魏后凯,崔凯.农业强国的内涵特征、建设基础与推进策略[J].改革,2022(12):1-11

Wei H K,Cui K.Agricultural powerhouse's connotation characteristics,construction,foundation and promotion strategies [J]. Reform,2022(12):1-11.(in Chinese)

[4] 梅旭荣.农业气象学发展现状及展望[J].农学学报,2018, 8(1):61-66.

Mei X R.The progress and prospect of agrometeorology[J]. Journal of Agriculture,2018,8(1):61-66.(in Chinese)

[5] 国家统计局.关于2022年粮食产量数据的公告[N].中国信息报,2022-12-13(001).

National Bureau of Statistics.Announcement on grain production data for 2022[N].China Information Daily, 2022-12-13(001).(in Chinese)

[6] 中华人民共和国海关总署.2022年我国进口粮食14687.2万吨同比降低10.7%[N].中华粮网,2023-01-13.

General Administration of customs. P. R. China.China imported 146.872 million tons of grain in 2022,a decrease of 10.7 percent year-on-year[N].China Food Network, 2023-01-13.(in Chinese)

[7] 陈凤桐.农业气象应走在其他农业科学的前边[J].中国农业气象,1979,1(1):7-9.

Chen F T.Agrometeorology should be ahead of other agricultural sciences[J].Chinses Journal of Agrometeorology, 1979,1(1):7-9.(in Chinese)

[8] IPCC.Climate change 2021:the physical science basis. contribution of working group I to the Sixth assessment report of the intergovernmental panel on climate change [R].Cambridge University Press,2021.

[9] 中国气象局气候变化中心.中国气候变化蓝皮书(2021)[M].北京:科学出版社,2022.

Climate Change Center of China Meteorological Administration. China climate change blue book(2021) [M].Beijing:Science Press,2022.(in Chinese)

[10] 张厚瑄.中国种植制度对全球气候变化响应的有关问题I.气候变化对我国种植制度的影响[J].中国农业气象, 2000,21(1):9-13.

Zhang H X.The problems concerning the response of China’s cropping systems to global climatic changes I.The effect of climatic changes on cropping systems in China[J]. Chinese Journal of Agrometeorology,2000,21(1):9-13. (in Chinese)

[11] 潘志华.科学应对长期气候风险[N].经济日报,2022- 09-26.

Pan Z H.Scientific response to long-term climate risks[N]. Economic Daily,2022-09-26.(in Chinese)

[12] IPCC.Climate change 2014:mitigation of climate change. Contribution of working group III to the fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change [R].USA:Cambridge University Press,2014.

[13] 中华人民共和国气候变化第三次国家信息通报[R].北京:中国计划出版社,2018:13-22.

The third national climate change bulletin of the People's Republic of China[R].Beijing:China Planning Publishing House,2018:13-22.(in Chinese)

[14] United Nations.The Paris Agreement[R].2015.

[15] 习近平.在第七十五届联合国大会一般性辩论上的讲话[N].人民日报,2020-09-23(003).

Xi J P.Address at the general debate of the seventy-fifth session of the United Nations general assembly[N]. People’s Daily,2020-09-23(003).(in Chinese)

[16] Liu Y L,Pan Z H,Zhuang Q L,et al.Agriculture intensifies soil moisture decline in Northern China[J].Scientific Reports, 2015(5):11261.

[17] 邵明安,贾小旭,王云强,等.黄土高原土壤干层研究进展与展望[J].地球科学进展,2016,31(1):14-22.

Shao M A,Jia X X,Wang Y Q,et al.A review of studies on dried soil layers in the Loess Plateau[J].Advances in Earth Science,2016,31(1):14-22.(in Chinese)

[18] 韩晓增,李娜.中国东北黑土地研究进展与展望[J].地理科学,2018,38(7):1032-1041.

Han X Z,Li N.Research progress of black soil in northeast China[J].Scientia Geographica Sinica,2018,38(7):1032-1041. (in Chinese)

[19] Taylor M.Climate-smart agriculture:what is it good for [J].The Journal of Peasant Studies,2018,45(1):89-107.

Current Situation and Research Prospect of Agrometeorology in the New Stage

PAN Zhi-hua

(College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University/CMA-CAU Jointly Laboratory of Agriculture Addressing Climate Change, Beijing 100193, China)

At present, China has been entering a new stage of building an agricultural power, and agrometeorology is facing unprecedented challenges and opportunities for development. In view of the new situation of smart agricultural production, food security, green development and climate change, it is urgent for agrometeorology to establish the quantitative relationship between climate factors and agricultural production, make scientific and rational use of climate resources, and improve the utilization rate of climate resources. The major tasks of agrometeorology are to deepen the research content, expand the research field and innovate the theory and method, and the key research directions include agrometeorological basis, climate change adaptation, greenhouse gas emission reduction, efficient utilization of agro-climatic resources, agro-microclimate regulation, and climate-smart agriculture. Agrometeorology needs to accelerate its development and stay ahead of other basic agricultural disciplines.

Agricultural power; Agrometeorology; Main tasks; Key research direction; Climate smart agriculture

10.3969/j.issn.1000-6362.2023.04.007

潘志华.新阶段农业气象学发展面临的形势与研究展望[J].中国农业气象,2023,44(4):327-332

2022−12−26

国家重点研发计划项目“京津冀地区适应增暖路径及社会经济代价综合评估研究”（2018YFD0606303）

潘志华，教授，研究方向为气候变化影响与适应、旱地农业可持续发展，E-mail：panzhihua@cau.edu.cn