氣候變化對作物生產潛力的影響研究進展

張耀耀 劉建剛 楊萌 褚慶全

摘 ?要：作物生產潛力的研究對提高作物產量、評價地區糧食的生產能力和人口承載能力，以及為合理進行農業生產規劃提供依據。氣候變化（包括溫度、降水、日照時數等）和極端天氣（如干旱、洪澇和暴風雨等）已經對農業產生了深刻的影響。綜述了目前國內外氣候變化對作物生產潛力的影響的研究方法，以及氣候變化對中國小麥、水稻、玉米等主要糧食作物的生產潛力的影響，分析了目前研究中存在的問題與展望，以期為提高中國主要糧食作物的生產潛力和適應氣候變化提供理論依據。

關鍵詞：作物生產潛力;氣候變暖;研究方法;影響

中圖分類號：S3 ? ?文獻標志碼：A ? ?論文編號：2014-0508

Summary of the Effects of Climate Change on Crop Production Potential

Zhang Yaoyao， Liu Jiangang， Yang Meng， Chu Qingquan

（College of Agronomy and Biotechnology， China Agricultural University， Beijing 100193， China）

Abstract： The study of the crop production potential can provide the basis for increasing crop yields， evaluating food production capacity and population carrying capacity of the region， as well as rational agricultural production planning. Climate change （including temperature， precipitation， and sunshine hours） and extreme weather （such as drought， floods and storms etc.） has exerted a profound impact on agriculture. This article summarized the research methods of climate change on crop production potential domestic and foreign， and the effects of climate change on Chinas major grain crop （wheat， rice and maize） potential production， and analyzed the existing problems and prospect in the present studies， aiming at providing a theoretical basis to climate change adaptation and crop production potential boost.

Key words： Crop Production Potential; Global Warming; Methods; Effects

0 ?引言

氣候變化已經成為全球公認的環境問題，氣候變化及其對經濟、環境和社會發展的影響是當前人類面臨的嚴峻挑戰，尤其是近10多年來全球范圍的氣候異常給許多國家的糧食生產、資源和環境帶來了深刻影響[1-2]。農業對天氣和氣候變化是非常敏感的，包括溫度、降水、光照和極端天氣（如干旱、洪澇和暴風雨等）。有研究表明，溫度增加擴大了作物生長區域范圍[3]、延長了作物生長季[4]、縮短了作物生育期[5-6]、調整了種植結構和作物種植熟制[7]。但不同地區作物對氣候變化的響應是不同的，如冬小麥生長季內增溫1℃，其生育期在歐洲延長約10天;在日本中部延長約8天[8]，而在中國華北地區縮短約4天[5]。全球氣候變暖背景下，中國東北地區水稻種植面積明顯增加，玉米的早熟品種將逐漸被中、晚熟品種取代;西北地區負積溫減少，喜溫作物的種植面積擴大，越冬作物種植界限北移西擴;華北地區喜溫作物生育期延長，種植區域逐漸擴大[9]。這些變化為作物種植結構調整提供了機遇，可能提高單位面積作物生產能力、增加農作物種植面積的潛力[10]，但會使原有作物發育進程加快，生育期縮短，光合作用受阻，呼吸消耗加大，導致主要糧食作物產量下降[11]。因此，氣候變化對不同地區作物生產潛力的影響不同，即使在同一地區氣候變化對不同作物的生產潛力影響差異也很大。光、熱、水資源的變化會直接影響作物的生產潛力，理論上作物生產潛力與溫度、日照時數呈正相關;與降水關系復雜，在缺水地區呈正相關，在水分充足地區降水過多可能會引起負作用。因此在諸多氣候變化產生的不利影響中，其對農業的影響被認為是最重要的[12]，尤其是在那些以農業為根本、高度依賴農業的發展中國家[13]。

國內外許多專家學者研究和探討了氣候變化對作物生育期、產量和糧食安全的影響[14-15]，也有學者分析了作物生產潛力時空間變異評價以及氣候變化對作物生產潛力、產量差的影響[16]，但關于氣候變化對作物生產潛力影響的綜述還較少。氣候變化通過改變作物生長發育進程中光、溫、水的匹配狀況，對農作物的生產潛力將會產生巨大影響。因此，整理前人的研究方法和成果，綜述氣候變化對中國主要糧食作物生產潛力的影響，以及研究氣候變化對作物生產潛力的影響的方法、問題與展望，為進行農業結構調整、解決糧食自給問題和制定農業發展長期規劃提供重要的理論依據。

1 ?氣候變化對作物生產潛力的影響的研究方法

關于氣候變化對農業的影響，目前國內外的研究方法主要集中在模型模擬和觀測實驗影響2個方面[17]。模型模擬方法包括統計分析（回歸模型）和作物生長模型模擬。觀測實驗方法主要用于研究氣象因子變化對作物生理生態、形態結構及化學組成等方面的影響，分為田間試驗和溫室/人工氣候室實驗2種方法。

1.1 ?實驗室模擬方法

關于CO2濃度升高對作物生長發育的影響多采用田間試驗或頂部開放溫室，通過人為控制CO2濃度來研究其對作物的影響。Leadley[18]率先論證了開頂式氣室（OTC）在觀測試驗研究方面的可行性，徐玲等[19]利用這一裝置研究表明CO2濃度增加有利于春小麥增產。借助各種實驗模擬裝置和監測技術，可在人工模擬CO2濃度增加的大氣環境中對作物生長發育、生理生態及形態結構的動態變化進行研究，分析作物對CO2倍增的反應機理等。但在這種人工控制性試驗中溫室內的溫度、濕度等微氣候條件與自然條件差異較大，觀測到的作物對CO2濃度變化的響應結果與自然條件下作物對CO2濃度的響應結果不盡相同[20]。因此，FACE方法和設施應運而生[21]，即在田間設置一定面積的FACE處理圈，直接輸入高濃度CO2來進行研究。FACE方法是在自然狀態下研究作物對CO2濃度的響應的理想方法之一，其不足之處是不能同時模擬CO2引起的升溫。直接實驗模擬可以獲取許多重要數據，用來評價因果關系或檢驗假設等，是一種重要的研究方法。但鑒于時空尺度變化和氣候變化對作物影響的復雜性，該方法存在很大的局限性。

1.2 ?作物生長模型模擬方法

作物生長模擬模型理論性強、機理明確，不受時空間、品種和栽培技術差異等的限制，因而在資源生產潛力評價中應用廣泛。目前已經有至少100種不同的模擬模型，應用較為廣泛的有DSSAT模型、WOFOST、APSIM模型以及EPIC等[22]。利用作物生長模擬模型進行作物生產潛力研究，一方面可以計算不同情景下的潛力產量，如光溫生產潛力、氣候生產潛力、灌溉條件下的氣候生產潛力、光溫水肥生產潛力等;另一方面，可以通過作物模型估算環境因素（土壤、天氣）、生物因素（品種）和技術因素（耕作方式、種植密度、施肥和灌溉等）對作物生長發育和產量的影響。Verdoodt等[23]模擬南非干旱地區作物的光溫生產力、水分限制下的生產力和自然生產力，得出光照、溫度是不同生產系統的重要影響因子，但最大生產潛力往往取決于降雨量，因此干旱可能會使作物生產系統變得非常不穩定，進而影響產量。國際半干旱研究所（ICRISAT）利用Cropinfo模型對印度尼西亞地區小麥、水稻、棉花以及油菜產量潛力及產量差進行了研究。

作物生長模擬模型的優點是能對任意地點（土壤、氣候）作物產量潛力進行預測，綜合考慮作物生長過程中的各種影響因素，缺點是需要收集大量數據進行品種特性參數校正，包括氣象數據、土壤數據及作物管理數據等。另外，作物生長模型的開發是以假設單位區域面積內環境條件在水平方向上一致為前提的[24]，因此更適用于小面積的作物生產潛力估算[25]。20世紀80年代以來，大氣環流模型（GCM）和作物模型相結合成為評價氣候變化對農業生產影響的最基本方法，如Moriondo等[26]用區域環流模型（RCM）評估極端氣候對冬季和夏季地中海農作物的影響，得出近年來極端氣候的變化頻率和強度的增加，對作物產量、潛在產量以及整個農業生產都產生不同程度的消極影響。之后的大多數研究中，作物模擬模型開始與作物估產區劃、空間數據庫及空間信息技術相結合[27]，主要包括2個方面：一是模擬模型與GIS結合，系統的模擬結果全部可用GIS地圖來表示;二是模擬模型與INTERNET技術結合。

1.3 ?經驗-統計分析

這是一類建立在氣候與作物之間的非動態的經驗-統計關系基礎上的數學模型。一方面，為研究未來氣候變化對作物生長、發育和產量潛力的影響，需以當前和未來的氣候、環境及社會經濟為基準，構建未來氣候情景：第1種方式是綜合構想，即統一假定未來增暖或降水變化趨勢，但只適用于范圍較小的區域性研究;第2種方式為（時空間）相似構想，主要是通過歷史相似或類比法獲得;第3種方式是大氣環流模式構想。這是目前模擬全球氣候變化過程最可信的方法，但鑒于模式有很多不確定的地方，各類模式間模擬/預測的結果差別很大，因此根據其結果所作的影響評價差別也很大，可比性較差[28]。另一方面，氣候變化對作物生長、發育和產量潛力影響具有一定的復雜性，經常需要同時分析多種變量因子與相應的數據，主要通過模型模擬來研究，包括經驗統計分析和動態模擬方法。研究氣候變化和產量的關系，通常采用回歸分析、主成分分析、判別分析、方差分析和周期分析中一種或多種組合[29]。如根據年平均溫度和降水量建立的Miami模型和改進了的Thornthwait模型;半經驗半理論模型，如Chikugo模型。利用氣溫和降水變化與作物生產潛力的關系式，可對氣溫、降水變化對作物生產潛力的影響作定量評估[30-31]。

2 ?氣候變化對中國主要糧食作物生產潛力的影響

2.1 ?氣候變化對冬小麥生產潛力的影響

過去40年的氣候變化對中國南北麥區影響截然不同。北方麥區冬小麥的生長發育及產量形成經常受到低溫凍害的影響，所以氣候變暖、氣溫升高可能對這些地區的冬小麥產生有利影響;但對于南方地區，氣候變暖很可能在短時間內使氣溫超過冬小麥生長的最適范圍，冬小麥生育期縮短，影響干物質積累時間，致使潛在產量下降。有研究表明，在作物品種、耕作措施、土壤特性不變的條件下，中國南方麥區模擬的1961—2005年冬小麥光溫潛在產量呈下降趨勢，下降幅度為54.1 kg/（hm2·10a）;北方麥區大部光溫潛在產量增加，但總體也呈略下降趨勢，下降幅度為11.1 kg/（hm2·10a）。雖然冬小麥生育期內降雨量明顯減少，但春季降雨量沒有明顯的減少趨勢，因此降雨量變化對北方冬小麥產量潛力影響不大，1952—2005年中國北方冬小麥氣候生產潛力變化趨勢與光溫潛在產量變化趨勢基本一致[32]。由于總輻射的下降以及積溫增加使得冬小麥生長季縮短，1961—2007年華北地區冬小麥潛在產量總體呈下降趨勢，河北下降趨勢最明顯，河南次之，山東的德州、惠民和臨沂等極少數站點呈上升趨勢，每10年下降175.0 kg/hm2[33]。還有研究表明華北地區不同年代冬小麥不同品種的光溫生產潛力均呈顯著下降趨勢，當前品種的下降幅度較高;不同年代冬小麥不同品種的雨養產量均呈不顯著增加趨勢[32]。同時，日照時數減少也會對冬小麥光溫潛在產量產生影響，全國大部分麥區日照時數縮短會對冬小麥生長發育及產量形成產生不利影響[34]?？傮w而言，冬小麥的潛在產量是溫度、降雨和日照時數等因子綜合作用的結果，近50年氣候變化對華東、華中和華南區域小麥總生產潛力都產生負面影響，而對東北和西南小麥總生產潛力都產生正面影響[9，35]。

2.2 ?氣候變化對中國水稻生產潛力的影響

溫度升高對水稻產量的影響存在顯著的地區差異，溫度升高對東北、西北地區水稻生產的影響最大，其次是中南地區，再次是華東和華北地區，對西南地區的影響最小。東北地區水稻生長期內光、熱、水資源同步，且晝夜溫差較大，水稻種植面積明顯北擴[36];雖然水稻生育期縮短，但光溫潛在產量呈增加趨勢，這是由水稻生長季內≥10℃積溫逐漸增加造成的，但這種增加趨勢主要發生在20世紀90年代末以后;雖然東北地區水稻生育期內降雨量呈減少趨勢，但氣候生產潛力由于受自然降水的影響較小，仍舊呈明顯增加的趨勢[37]。在南方稻區，單季稻的產量略增，主要得益于CO2的增益效應;但華中和華南地區的雙季稻（特別是早稻）將大幅度減產，原因是溫度升高縮短了水稻生育期和光合時間、增加了呼吸消耗，同時對水稻抽穗揚花和籽粒灌漿不利，這些負效應明顯超過了CO2的增益效應[38]。石全紅等[39]研究表明，自1980年以來南方稻區早稻光溫生產潛力均呈不同程度的增加趨勢，其中安徽、浙江、福建、江西增幅最為明顯，而湖北、湖南2省增幅較小;氣候變化對南方稻區水稻光溫生產潛力的負面影響主要體現在對一季中稻和晚稻的影響，影響的主要區域有東南部的浙江、江西、福建3省以及西北部的湖北、河南兩省。胡清宇[40]指出，江淮地區近30年水稻光溫生產潛力呈線性下降的趨勢，遞減速率為每年24 kg/hm2。另外，極端性天氣/氣候導致長江中下游稻區（夏季極端高溫）和東北稻區（夏季極端低溫）產量波動性加大[41]，光照日數和有效輻射強度降低也是水稻減產的普遍因素[42]。

2.3 ?氣候變化對中國玉米生產潛力的影響

氣候變化對中國玉米生產的影響因不同產區而異。溫度升高和作物生長季延長對部分高緯度地區、高海拔地區（尤其是黑龍江省）的玉米生產總體呈有利影響，但是對其他玉米主產區的影響總體上仍以減產為主。鐘新科等[43]指出，近30年來中國春玉米氣候生產潛力傾向率為-887～1689 kg/（hm2·5a），東北地區西部、黃淮海地區北部及黃土高原部分地區的氣候生產潛力呈減少趨勢，黃淮海平原南部及南方大部分地區呈增加趨勢;夏玉米氣候生產潛力傾向率為-589～1768 kg/（hm2·5a），除黃淮海平原北部呈減少趨勢外，其他地區夏玉米氣候生產潛力呈增加趨勢。陳長青等[44]報道，在氣溫不斷升高的情形下，1971—2007年東北地區春玉米的光溫生產潛力呈增加趨勢，但由于各地區降水的差異，東北地區春玉米的氣候生產潛力在各地區間變化差異較大，相對于20世紀70年代，21世紀以來南部地區氣候生產潛力降低，而中部地區增加。黑龍江省玉米光溫生產潛力伴隨著溫度的升高，表現為增加趨勢，每年增長52.675 kg/hm2;氣候生產潛力則隨著降水量的減少而呈減少趨勢，每年減少45.446 kg/hm2;氣候生產潛力的減少則主要歸因于有效降水量減少和作物需水量的增加[45]。張強等[46]研究表明，盡管整個黃土高原年平均溫度呈升高趨勢，但玉米生長期內的溫度反而有所下降，因而玉米光溫生產潛力呈下降趨勢;受降水變化的影響，除陜西省外，其余地區年代間氣候生產潛力均呈增加趨勢。黃川容等[47]以黃淮海平原氣象數據、土壤數據和作物數據為基礎，應用WOFOST作物生長模型，得出黃淮海平原夏玉米光溫潛力、氣候潛力均呈現下降趨勢。

3 ?未來氣候條件下作物生產潛力的變化

關于未來氣候變化對作物生產潛力的影響的研究，大多是在CO2濃度倍增的前提下模擬進行的。IPCC第4次評估報告認為，在世界范圍的氣候變暖背景下，各國農業生產都將出現大幅度波動，糧食供給的不穩定性明顯增加。如果不考慮CO2的肥效作用，以中國現有的生產水平和保障條件，預計到2030年中國種植業產量可能減少5%～10%[48]，三大主要糧食作物均以減產為主（主要原因有溫度升高、旱澇加劇、水資源短缺等）;到2071—2100年，中國冬小麥生產潛力將下降10%～30%，玉米和水稻生產潛力也將分別下降5%～10%和10%～20%[49]。鄭國光等[50]也指出全球氣候變暖將導致中國主要糧食作物生產潛力下降，如果不采取措施，到21世紀后半期，中國小麥、水稻和玉米等主要糧食作物的年產量下降幅度最多達37%。熊偉等[51]研究表明，如果不考慮CO2的肥效作用，未來中國小麥、水稻和玉米生產均以減產為主，灌溉可以部分地減少減產幅度，如果只考慮CO2的肥效作用，3種主要糧食作物的產量將以增產為主。

4 ?問題與展望

氣候變化對作物生產潛力的影響存在一定的復雜性，目前尚有許多不確定的地方。當所有其他因素，如土壤肥力、土壤水分和雜草、病蟲害能很好的控制時，天氣和氣候決定了作物的產量潛力。其影響因素不僅有溫度和CO2，太陽輻射、降水、蒸發、溫度、日較差、風等也對作物生產潛力有影響;其影響程度不僅與氣象因素變化幅度、時空間分布有關，還與所在區域原氣候條件及其農業生產水平相關。不同區域的土地利用、土壤類型和土壤特性有很大的差異，而且作物對生長條件的響應也是非線性的，因此作物對氣候變化的響應在時空間分布不同，這將取決于區域、季節和作物類型，而且不同方法和模型之間統一性差、可比性差。目前關于氣候變化對作物生產潛力的研究以站點觀測和模型模擬為主，代表性不足，缺乏大面積多年連續的能代表區域特點的相關資料、數據，這種以點代面的方法造成潛力分析結果失真，應以多面多點的田間試驗、模型模擬與宏觀區域調查研究相結合的方法研究生產潛力。同時科學家應加強在氣候變化減緩與適應方面的研究，開發極端氣候事件的防御及防災減災技術，構建適應氣候變化的技術體系，加強適應技術的集成與應用推廣。中國地域廣闊，種植類型、作物類型多種多樣，氣候變化對中國農業的影響是非常復雜的，且以負面影響為主。但作物產量的變化不僅與氣候變化有關，在很大程度上取決于作物田間管理。因此應充分認識各氣象因子的變化規律及其對作物生產潛力的影響，通過調整種植結構、選用適宜的品種和栽培管理等措施，趨利避害，提高作物的現實生產力。

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