氣候變化對(duì)非洲水資源和農(nóng)業(yè)的影響*

楊 笛，熊 偉，許吟隆

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081）

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氣候變化對(duì)非洲水資源和農(nóng)業(yè)的影響*

楊 笛，熊 偉**，許吟隆1

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081）

摘要：盡管非洲是世界上溫室氣體排放總量或人均排放量最少的地區(qū)，但在承受氣候變化造成的惡劣影響方面首當(dāng)其沖。氣候變化已經(jīng)給非洲的水資源、農(nóng)業(yè)、生物多樣性、人類健康和國(guó)家安全等帶來(lái)諸多嚴(yán)重影響，糧食生產(chǎn)和水資源一直是非洲長(zhǎng)期面臨的兩大難題，也是深受氣候變化影響的兩大領(lǐng)域。本文系統(tǒng)梳理了氣候變化對(duì)非洲水資源系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響的研究成果和不足，以期為非洲氣候變化影響評(píng)估工作提供一定參考和借鑒。已有的觀測(cè)結(jié)果表明，氣候變化導(dǎo)致非洲許多山脈冰川面積正在大范圍縮減、大部分地區(qū)降水量有所減少，降雨的年際間分布也更為不穩(wěn)定，通過(guò)水文模型的模擬預(yù)測(cè)，未來(lái)氣候變化將進(jìn)一步影響降水量和非洲部分地區(qū)河流的徑流量，導(dǎo)致非洲水資源供給壓力加大。同樣，氣候變化也給非洲農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，無(wú)論是觀測(cè)結(jié)果分析，還是統(tǒng)計(jì)模型和作物模型等對(duì)不同氣候情景和時(shí)間尺度下非洲農(nóng)業(yè)的模擬研究，都顯示氣候變化對(duì)非洲農(nóng)業(yè)以負(fù)面影響為主，導(dǎo)致非洲干旱加劇、生長(zhǎng)季改變和糧食產(chǎn)量下降，并可能危及非洲的糧食安全。然而，現(xiàn)有研究結(jié)果還存在較多不確定性，其主要集中在未來(lái)氣候情景數(shù)據(jù)、研究方法、數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量等方面。與世界其它地區(qū)相比，非洲氣候變化影響研究無(wú)論是研究的深度和廣度都還較欠缺，需要在未來(lái)的研究中進(jìn)一步加強(qiáng)，以探尋減緩氣候變化對(duì)非洲水資源和農(nóng)業(yè)不利影響的有效途徑。

關(guān)鍵詞：非洲農(nóng)業(yè)；氣候變化；影響評(píng)估；水資源；適應(yīng)

楊笛,熊偉,許吟隆.氣候變化對(duì)非洲水資源和農(nóng)業(yè)的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2016,37(3):259-269

作為21世紀(jì)影響世界的主要和重要環(huán)境論題，氣候變化已成為科學(xué)研究的焦點(diǎn)問(wèn)題，它不但涉及大氣、人類活動(dòng)、海洋和陸地等多個(gè)自然生態(tài)系統(tǒng)，在一定程度上影響著所有領(lǐng)域，而且由于國(guó)際社會(huì)約束性的溫室氣體減排義務(wù)，制約著國(guó)家能源工業(yè)、制造業(yè)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展。IPCC第五次評(píng)估報(bào)告再次確認(rèn)，自20世紀(jì)50年代以來(lái)，世界各地的氣候都在發(fā)生變化[1]。

非洲是全球溫室氣體排放總量或人均排放量最少的地區(qū)，撒哈拉以南非洲（SSA）人口占世界人口的11%左右，但其二氧化碳排放量?jī)H占全球排放總量2%[2]。同時(shí)，非洲也是對(duì)氣候變化最敏感和最脆弱的地區(qū)之一，因此，在承受氣候變化造成的惡劣影響方面也首當(dāng)其沖[3]。從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，關(guān)于氣候變化對(duì)非洲水資源和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響研究陸續(xù)開(kāi)展。大部分觀測(cè)和研究認(rèn)為，過(guò)去幾十年，氣候變化給非洲的水資源、農(nóng)業(yè)生物多樣性、人類健康和國(guó)家安全等方面帶來(lái)了諸多嚴(yán)重影響，例如東非的熱帶高原冰川消退；西非河流水力發(fā)電減少；卡里巴湖面變暖，水體分層增加；自1970年以來(lái)，薩赫勒地區(qū)土壤干旱增加；熱帶非洲水域的珊瑚礁退化減少；薩赫勒西部地區(qū)和半干旱的摩洛哥地區(qū)的樹(shù)木密度增加；多種植物和動(dòng)物的生存范圍產(chǎn)生變化；乞力馬扎羅山的野火事件增多；卡里巴湖的漁業(yè)生產(chǎn)力下降等[4]。

非洲土壤貧瘠、水分不足，多數(shù)非洲國(guó)家的農(nóng)業(yè)主要“靠天吃飯”，農(nóng)業(yè)是非洲大多數(shù)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)命脈。糧食生產(chǎn)系統(tǒng)是最容易受到氣候變化影響的系統(tǒng)之一，而非洲的糧食生產(chǎn)系統(tǒng)又是世界上最脆弱的，氣候變化給非洲農(nóng)業(yè)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)將遠(yuǎn)超越其它任何地區(qū)和國(guó)家，甚至直接威脅到非洲一些國(guó)家的糧食安全[3]。同時(shí)非洲大部分地區(qū)自然條件惡劣，自古以來(lái)淡水就是非洲最珍貴的資源之一，據(jù)聯(lián)合國(guó)教科文組織統(tǒng)計(jì)，非洲每年有6000人死于水資源缺乏，約有3億人因?yàn)槿彼钤谪毨е校欢侵蘼浜蟮慕?jīng)濟(jì)水平導(dǎo)致了落后的水資源管理。因此，非洲大陸的很多河流對(duì)氣候變化，尤其是降水量變化高度敏感。氣候變暖后，非洲的河流也面臨極大的威脅，受其影響，在21世紀(jì)末1/4的非洲大陸將處于嚴(yán)重的缺水狀態(tài)[5]。因此，本文擬從水資源和農(nóng)業(yè)這兩個(gè)與非洲人民生產(chǎn)和生活息息相關(guān)的領(lǐng)域出發(fā)，總結(jié)和評(píng)述前人有關(guān)氣候變化對(duì)非洲影響的研究，梳理氣候變化對(duì)非洲水資源和農(nóng)業(yè)研究的現(xiàn)狀，總結(jié)研究取得的成果，找出現(xiàn)有研究的不足和問(wèn)題，這不僅有助于了解非洲水資源和農(nóng)業(yè)對(duì)氣候變化的響應(yīng)機(jī)制，探尋有效的適應(yīng)途徑，促進(jìn)氣候變化對(duì)非洲影響評(píng)估工作的深入開(kāi)展和完善，為氣候變化對(duì)非洲水資源和農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的影響和評(píng)估研究獻(xiàn)策獻(xiàn)力，而且也可以為中國(guó)氣候脆弱區(qū)水資源和農(nóng)業(yè)的研究提供一定參考和借鑒。

1 氣候變化對(duì)非洲水資源的影響

1.1 冰川面積減少

雖然有關(guān)氣候變化對(duì)非洲水資源的影響已經(jīng)取得了到一定研究成果，但由于缺乏長(zhǎng)期的水文數(shù)據(jù)和氣候觀測(cè)數(shù)據(jù)，目前關(guān)于非洲水資源對(duì)氣候變化響應(yīng)的認(rèn)識(shí)仍較缺乏[6-7]。

在過(guò)去的50～100a，非洲大部分地區(qū)近地表溫度至少上升了0.5℃，最低氣溫上升速度遠(yuǎn)高于最高氣溫[4]，受此影響，非洲山脈的冰川面積正在大范圍縮減[8-10]。1912-2000年，乞力馬扎羅山的冰川面積減少了81%，如果情況持續(xù)惡化，15a后山上的冰蓋將全部消失[8]。非洲其它一些山脈也存在同樣問(wèn)題，如1976-2000年坦桑尼亞境內(nèi)的Furtwangler冰川和北冰原的面積縮減了60000m2，約減少了一半[9-10]；肯尼亞山的冰蓋也大范圍融化，自1963年以來(lái)該山40%的冰蓋已經(jīng)消失[3]。冰川的消退，導(dǎo)致許多發(fā)源于此地的非洲湖泊、河流日漸干涸，阿特拉斯山的積雪融化使摩洛哥的季節(jié)融水供應(yīng)減少[10]；維多利亞湖和乍得湖的水量在1973-2002年減少了一半，尼羅河、尼日爾河和贊比西河等也都出現(xiàn)了嚴(yán)重的水質(zhì)和水量下降的情況[3]。

1.2 降水量減少

據(jù)實(shí)測(cè)資料分析[11-14]，近年來(lái)，非洲部分地區(qū)年降水量有所減少，降雨的年際間分布也更加不穩(wěn)定。研究人員利用CRU(Climate Research Unit)提供的格點(diǎn)氣象資料，通過(guò)Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法發(fā)現(xiàn)，1951-2002年非洲大陸大部分地區(qū)的降水呈明顯減少趨勢(shì)，雖然撒哈拉以南非洲大陸在赤道附近有小部分地區(qū)降水量呈增加趨勢(shì)，但它仍是全球降水量減少最顯著且范圍最大的地區(qū)[15]。西非的撒哈拉沙漠以南地區(qū)年降水量逐年減少，如尼日爾的馬臘迪市1979-1982年歷年降雨量分別為557、512、413 和286mm[11]；分析全球歷史氣候網(wǎng)數(shù)據(jù)集GHCN （Global Historical Climatology Network）的5° × 5°氣候插值數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示，1901-2005年非洲的薩赫勒地區(qū)的降水明顯減少；1950-1999年，薩赫勒地區(qū)的夏季（7-9月）降水量顯著減少[16]，1997-2008年平均每年的干旱天數(shù)（日降水不超過(guò)1mm）超過(guò)300d[17]。受厄爾尼諾的影響，近年來(lái)東非的降水總體增加，但是在過(guò)去的30a間東非3-5/6月的降水減少，1949-2009年非洲之角的夏季（6-9月）季風(fēng)降水呈減少趨勢(shì)[4]。在20世紀(jì)下半葉南半球的夏季，南部非洲降水減少，南非的西部、博茨瓦納和津巴布韋的降水呈現(xiàn)輕微的下降趨勢(shì)[16]。

而氣候變化對(duì)未來(lái)非洲降水量的影響，不同地區(qū)和時(shí)段的降水量變化程度不同[12-14]。應(yīng)用國(guó)際耦合模式比較計(jì)劃第五階段（CMIP5）的多模式模擬RCP8.5情景下非洲未來(lái)降水情況，結(jié)果表明，在21世紀(jì)中期，中非和東非的年均降水將會(huì)增加，而在21世紀(jì)中期和末期，北非的地中海地區(qū)和南部非洲的年均降水將會(huì)減少[4]。然而應(yīng)用區(qū)域氣候模式得到的各地區(qū)降水模擬結(jié)果與全球氣候模式的模擬結(jié)果不盡一致。12個(gè)CMIP3的全球氣候模式對(duì)21世紀(jì)末東非的降水模擬結(jié)果顯示，東非10-12月和3-5月的氣候?qū)?huì)變得更加濕潤(rùn)，干旱減少，模擬結(jié)果與東非降水的歷史趨勢(shì)相反[4]；而應(yīng)用區(qū)域氣候模式WRF（Weather Research and Forecasting Model）對(duì)東非未來(lái)降水的模擬結(jié)果顯示，相較于1981-2000年，21世紀(jì)末（2081–2100年）烏干達(dá)、肯尼亞和南蘇丹8-9月的降水將減少。在西非，Itiveh等[18]應(yīng)用HadCM3、PCM、CGCM和 CSIRO共4種全球氣候模式預(yù)測(cè)了21世紀(jì)70年代尼日爾河流域（西非最大的河流）的降水變化情況，HadCM3和PCM模型的模擬結(jié)果為尼日爾河流域降水將會(huì)增多，而CGCM和CSIRO模型的模擬結(jié)果則顯示降水減少。而ICTP（the International Centre for Theoretical Physics）區(qū)域氣候模式的模擬結(jié)果顯示，2031-2050年該流域的降水并不是在所有季節(jié)都減少，其中雨季降水將會(huì)減少而干季降水增多[19]。在北非的突尼斯的北部盆地，Bargaoui等[20]應(yīng)用6種區(qū)域氣候模式（CNR-A，DMI-A，DMI-B，ICT-E，SMH-B和SMH-E）模擬A1B情景下2051-2090年該地區(qū)冬季（12-2月）和春季（3-5月）降水情況，結(jié)果顯示，相較于1961-2000年，該地區(qū)降水將會(huì)分別下降23% 和35%。在南部非洲，CMIP3的多個(gè)全球氣候模式在A2情景下的模擬結(jié)果顯示，相較于1981-2000年，2081-2100年納米比亞和博茨瓦納部分地區(qū)的夏季干旱次數(shù)將增加10%～20%，冬季降水顯著減少[21]；而同樣在A2情景下，CCAM（Conformal-Cubic Atmospheric Model）的降尺度模擬結(jié)果顯示，2070-2100年南非的東南地區(qū)和德拉肯斯堡山脈的夏季將變得更加濕潤(rùn)[22]。

1.3 徑流減少

氣候變化使某些地區(qū)徑流量減少，加大了當(dāng)?shù)氐乃Y源供應(yīng)壓力，南部非洲地區(qū)尤為嚴(yán)重[23]。研究人員利用不同的降水徑流模型、氣候模式和氣候情景，進(jìn)一步預(yù)測(cè)了不同氣候變化背景下未來(lái)南部非洲的河道徑流情況（表1）。從表1可見(jiàn)，大部分研究結(jié)果表明，非洲河流的徑流量將會(huì)減少[24]，但不同地區(qū)減少程度不同：12個(gè)全球氣候模式和Watbal降水徑流模型的模擬結(jié)果顯示，斯威士蘭主要流域的徑流量在未來(lái)（2021-2060年）將出現(xiàn)不同程度的減少，最嚴(yán)重的減少40%[25]；Beck等[26]使用水文模型將水資源需求情景和未來(lái)氣候數(shù)據(jù)結(jié)合，評(píng)估2050年南部非洲的贊比西河流域（南部非洲第一大河）可利用的水資源情況，結(jié)果顯示贊比西河流域的徑流量將減少，其中Cuando Chobe子流域徑流量甚至?xí)陆?00%；HBV水文模型和RCA3區(qū)域氣候模式的模擬結(jié)果顯示，與1961-1990相比，1991-2020年莫桑比克的Bué Maria子流域（屬蓬圭河流域）的部分地區(qū)的年均徑流量將減少55%～75%[27-28]；Zhu等[29]應(yīng)用半分布式水文模型和IMPACT的水模擬模塊，分析了4種氣候變化情景下2030年非洲東南部的林波波河流域的徑流量，結(jié)果顯示比1961-1990年減少35%；Andersson等[30]應(yīng)用Pitman水文模型和4個(gè)GCM模擬博茨瓦納的奧卡萬(wàn)戈河流域未來(lái)的水流量變化，結(jié)果顯示，相較于基準(zhǔn)年，A2（B2）情景下2050-2080和2070-2090年該地區(qū)的流量分別減少20%（14%）和26%（17%）。然而個(gè)別流域的徑流量也可能會(huì)增加，根據(jù)10個(gè)GCM的統(tǒng)計(jì)和動(dòng)力降尺度模擬結(jié)果顯示，到2050年南非的圖蓋拉河的部分流域徑流量將會(huì)增加[31]，斯威士蘭的某些流域?qū)⒃黾?%～34%[25]。

表1 南部非洲地區(qū)的主要流域徑流量對(duì)未來(lái)氣候變化的響應(yīng)Table 1 The response of runoff of major basins in southern Africa to climate change in the future

1.4 地下水受其影響較小

對(duì)非洲地下水資源的觀測(cè)還比較缺乏，已有研究認(rèn)為，氣候變化對(duì)非洲地下水的影響總體而言相對(duì)較小[32-35]，但在不同氣候區(qū)略有差別[4]。氣候變化對(duì)非洲地下水的影響和地下水供應(yīng)潛力的評(píng)估也還需要對(duì)非洲水資源現(xiàn)狀和潛力有更多的認(rèn)識(shí)[35]。

綜上所述，氣候變化已經(jīng)在冰川面積、降水量、河流徑流量等多方面對(duì)非洲水資源產(chǎn)生影響，導(dǎo)致非洲水資源危機(jī)進(jìn)一步加劇。但是也有研究認(rèn)為，關(guān)于氣候變化對(duì)非洲水資源短缺的影響有夸大嫌疑，一些非氣候因素的影響才應(yīng)該承擔(dān)主要責(zé)任，如人口和經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，灌溉農(nóng)業(yè)的擴(kuò)張和水利調(diào)度等[13,34]。Droogers等[33]指出，2050年北非地下水資源的短缺其78%歸因于社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素，而20%決定于氣候變化。

2 氣候變化對(duì)非洲農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響

2.1 干旱加劇

非洲是世界上氣候干旱面積最廣的大洲，約有3/5的地區(qū)屬于干旱、半干旱氣候區(qū)。許多地區(qū)都是旱災(zāi)頻發(fā)地，受到周期性干旱的長(zhǎng)期困擾[36]。干旱對(duì)非洲的經(jīng)濟(jì)、自然資源、生態(tài)系統(tǒng)、人類健康等產(chǎn)生巨大影響。近幾十年來(lái)，整個(gè)非洲干旱頻率和強(qiáng)度均有所增加。根據(jù)CRU的格點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算地表濕潤(rùn)指數(shù)，發(fā)現(xiàn)1951-2002年全球大部分地區(qū)均出現(xiàn)干旱化趨勢(shì)，尤以非洲大陸的干旱化最為劇烈，明顯由濕向干轉(zhuǎn)換，1979 年以前的非洲大陸相對(duì)較濕，而從1979年開(kāi)始轉(zhuǎn)為一個(gè)嚴(yán)重的干旱時(shí)段[15]。在過(guò)去的30～60a間，東非的干旱頻次增加，2011年非洲之角遭遇了特大干旱，降水量?jī)H為正常年份的5%～50%不等。Lott等[37]使用海平面溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)和HadGRM3-A模型下的ACE2010 （Attribution of Climate-related Extremes）系統(tǒng)來(lái)研究該次干旱發(fā)生的原因，結(jié)果顯示，由人類活動(dòng)引起的氣候變化導(dǎo)致了此次大旱。IPCC第五次評(píng)估報(bào)告（2013年）指出，氣候變化背景下，非洲北部和非洲南部等干旱的地區(qū)將會(huì)更加缺水，干旱程度進(jìn)一步加劇[4]。到2020年，旱災(zāi)將會(huì)影響SSA地區(qū)的7500萬(wàn)～2.5億多人口[23]；到2060年，SSA地區(qū)遭受旱災(zāi)的地區(qū)可能增加6000萬(wàn)～9000萬(wàn)hm2，損失可達(dá)260億美元（以2003年的價(jià)格為標(biāo)準(zhǔn)）[2]。在東非和南部非洲的部分地區(qū)，由于降水減少和蒸散增加，干旱將會(huì)加劇，其中南部非洲的西南地區(qū)將會(huì)在21世紀(jì)末面臨非常嚴(yán)重的干旱[4]。

2.2 作物生長(zhǎng)季變化

非洲許多國(guó)家盛行遷移農(nóng)業(yè)，多數(shù)地區(qū)的耕作方式和技術(shù)都非常落后，現(xiàn)代化水平極低，糧食單產(chǎn)不足世界平均水平的50%。但農(nóng)業(yè)又是大多數(shù)非洲國(guó)家的經(jīng)濟(jì)命脈，非洲國(guó)家25%～35%的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值、60%的就業(yè)及農(nóng)村人口的主要收入都來(lái)自農(nóng)業(yè)。氣候變化對(duì)非洲農(nóng)業(yè)的影響涉及方方面面，如改變了生長(zhǎng)季長(zhǎng)短，加大了對(duì)高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的不利影響，影響病蟲(chóng)害分布等，總體來(lái)說(shuō)，以負(fù)面影響為主，但其影響程度也因區(qū)域、作物種類不同而存在差異[10,38-44]。

氣候變化使非洲生長(zhǎng)季的長(zhǎng)短發(fā)生改變，不同地區(qū)生長(zhǎng)季縮短和延長(zhǎng)的程度不同[45-46]。Cook等[46]模擬A1B情景下2041-2060年非洲生長(zhǎng)季的長(zhǎng)度，結(jié)果顯示：在西非，生長(zhǎng)季對(duì)氣候變化的響應(yīng)表現(xiàn)出高度的區(qū)域性，幾內(nèi)亞海岸附近地區(qū)的生長(zhǎng)季天數(shù)將減少20%，在東部地區(qū)將增加5%～10%；薩赫勒的中部和東部地區(qū)的生長(zhǎng)季天數(shù)預(yù)計(jì)將增加30%，其它區(qū)域內(nèi)生長(zhǎng)季將縮短；隨著印度洋變暖，東非越來(lái)越多種植區(qū)域的生長(zhǎng)季縮短；中非大部分地區(qū)的生長(zhǎng)季將增加20～60d（5%～15%）；非洲南部的絕大部分地區(qū)生長(zhǎng)季將會(huì)縮短，其中西南地區(qū)的生長(zhǎng)季將減少30～90d（40%～80%）。

2.3 糧食產(chǎn)量下降

糧食生產(chǎn)一直是非洲各國(guó)面臨的重要問(wèn)題，近30a來(lái)，受單產(chǎn)和播種面積均增加的影響，盡管非洲糧食產(chǎn)量總體上呈現(xiàn)增加趨勢(shì)[47]，但人均糧食產(chǎn)量卻持續(xù)下降[48]，而這也是全球唯一人均產(chǎn)量持續(xù)下降的地區(qū)。氣候變化對(duì)糧食產(chǎn)量的影響，是氣候變化對(duì)非洲農(nóng)業(yè)影響評(píng)估領(lǐng)域的關(guān)注焦點(diǎn)，也是目前相關(guān)研究資料中涉及最多的方面。氣候變化對(duì)非洲主要糧食作物產(chǎn)量總體上以負(fù)面影響為主[4]。全球平均氣溫每升高1℃，非洲干旱地區(qū)農(nóng)作物產(chǎn)量將減少約10%[2-3]。Sivakumar[49]研究尼日爾的降雨格局變化與珍珠粟產(chǎn)量變化之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)1965-1988年的生長(zhǎng)季降雨天數(shù)相對(duì)于1945-1965年減少5～20d，作物減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)因此增大。Lobell等[41]通過(guò)對(duì)1999-2007年非洲2萬(wàn)個(gè)以上的歷史玉米實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，認(rèn)為非洲玉米產(chǎn)量對(duì)熱量響應(yīng)的主要限制因素是水分，在充分灌溉和雨養(yǎng)兩種條件下，生育期內(nèi)日平均氣溫比30℃每增加1℃，玉米產(chǎn)量將分別降低1%和1.7%。

研究者利用不同方法（如統(tǒng)計(jì)模型、作物機(jī)理模型、計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)模型等），針對(duì)不同時(shí)間尺度和未來(lái)不同假設(shè)情景，進(jìn)一步評(píng)估了未來(lái)氣候變化對(duì)非洲糧食產(chǎn)量的影響。Schlenker等[50]應(yīng)用面板回歸法分析了非洲多種作物的產(chǎn)量和歷史氣候數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)至21世紀(jì)50年代，氣候變化使撒哈拉以南非洲地區(qū)的主要糧食作物產(chǎn)量下降，玉米、高粱、稷、落花生、木薯產(chǎn)量分別下降22%、17%、17%、18%和8%；Lobell等[38]應(yīng)用統(tǒng)計(jì)模型分析非洲4個(gè)地區(qū)的10余種作物在20種氣候模式下2030年未來(lái)情景數(shù)據(jù)的響應(yīng)表明，以玉米為主的生產(chǎn)系統(tǒng)最易受到損害，尤其是在南部非洲地區(qū)，該地區(qū)的玉米將會(huì)減產(chǎn)30%左右；Thornton等[51]使用DSSAT模型模擬東非各國(guó)的未來(lái)產(chǎn)量，結(jié)果表明2030和2050年?yáng)|非國(guó)家中玉米增產(chǎn)幅度最大的是肯尼亞（15.0% 和17.8%），玉米減產(chǎn)最多的分別是坦桑尼亞（3.1%）和烏干達(dá)（8.6%）。Eid等[52]的研究表明，北非的小麥對(duì)未來(lái)氣候變暖有很高的脆弱性。

非洲不同地區(qū)、不同作物種植系統(tǒng)受到氣候變化的影響和應(yīng)對(duì)氣候變化的能力不同。部分研究認(rèn)為，由于氣候變暖和干旱，非洲大部分地區(qū)糧食減產(chǎn)將愈演愈烈，21世紀(jì)50年代，非洲總體的糧食產(chǎn)量預(yù)計(jì)將下降10%～20%，并且由于極端氣候，如高溫、干旱和洪水，某些地區(qū)產(chǎn)量損失將更嚴(yán)重[53-54]；Roudier等[42]基于16篇文獻(xiàn)的總結(jié)也得出相似的結(jié)論：非洲地區(qū)糧食作物平均減產(chǎn)11%。但也有研究認(rèn)為，由于不同作物的最適溫度不同，其對(duì)氣候變化的響應(yīng)具有很強(qiáng)的空間異質(zhì)性，因此，并非所有作物都會(huì)因氣候變暖而減產(chǎn)，糧食產(chǎn)量整體上可能會(huì)略有增加，如使用GEPIC模型模擬21世紀(jì)30年代，撒哈拉以南非洲地區(qū)主要糧食產(chǎn)量，其中稷、水稻和玉米將分別增產(chǎn)7%～27%、5%～7%和3%～4%[39]。除了糧食作物，升溫將會(huì)使適宜種植高價(jià)值經(jīng)濟(jì)作物（茶、咖啡和可可豆等）的農(nóng)業(yè)氣候區(qū)面積縮減，可能會(huì)對(duì)出口產(chǎn)生不利影響[55-58]。另外，耕地面積將會(huì)減少，如果沒(méi)有足夠時(shí)間和切實(shí)有效的適應(yīng)措施應(yīng)對(duì)，將會(huì)嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)發(fā)展[59]。

玉米作為非洲一半以上人口的主要糧食作物，是非洲種植面積最廣的作物，也是目前被研究最多的作物，以玉米為主的生產(chǎn)系統(tǒng)最易受到氣候變化的不利影響[50]。模擬不同氣候情景下非洲的玉米產(chǎn)量對(duì)氣候變化的響應(yīng)后發(fā)現(xiàn)，沒(méi)有水分限制條件時(shí)，在CO2濃度加倍和日平均氣溫升高的條件下，玉米產(chǎn)量的變化會(huì)在CO2的有利影響和升溫的不利影響中達(dá)到一定程度的平衡。CO2濃度加倍和日平均溫度升高2℃時(shí)玉米將增產(chǎn)，但升高4℃則會(huì)導(dǎo)致減產(chǎn)。在所有情景下播期提前將促進(jìn)玉米產(chǎn)量增加，從而減緩氣候變化帶來(lái)的不利影響[60]。

用元分析法對(duì)前人研究進(jìn)行總結(jié)，發(fā)現(xiàn)到21世紀(jì)50年代非洲玉米產(chǎn)量變化顯著，將減產(chǎn)5.4%[61]，其中有研究認(rèn)為減產(chǎn)幅度將達(dá)10%[50]。玉米產(chǎn)量變化顯著的地區(qū)包括南部非洲（-11.4%）、中非（+13.1%）、西非（-7.4%）和薩赫勒（-12.6%），東非和北非的玉米產(chǎn)量變化不顯著[61]。津巴布韋和南非是SSA地區(qū)化肥使用最高的國(guó)家，雖然這兩個(gè)國(guó)家平均產(chǎn)量高，但是也對(duì)溫度升高更加敏感，因此，津巴布韋和南非預(yù)計(jì)是撒哈拉以南非洲地區(qū)玉米減產(chǎn)幅度最大的區(qū)域[50]。在21世紀(jì)末（2070-2100年），南非玉米產(chǎn)量減產(chǎn)幅度可能高達(dá)28%[62]。

而有些地區(qū)產(chǎn)量則會(huì)受益于氣候變化，如在埃塞俄比亞高原靠近亞的斯亞貝巴的地方，局部地區(qū)作物增產(chǎn)幅度預(yù)計(jì)可達(dá)100%[50]。此外，非洲東部地區(qū)海拔1700m以上一些地區(qū)玉米的生產(chǎn)也將會(huì)受益于升溫的影響。目前非洲玉米生產(chǎn)主要分布在低海拔地區(qū)，因此未來(lái)非洲玉米生產(chǎn)的分布可能會(huì)發(fā)生改變[40]。

氣候變化還改變了非洲地區(qū)病蟲(chóng)害的分布，從而進(jìn)一步影響作物產(chǎn)量。如在東非高原，升溫使作物害蟲(chóng)的活動(dòng)范圍擴(kuò)大到了以前熱量資源不足的地區(qū)。升溫使咖啡果小蠹對(duì)東非的阿拉比卡咖啡生產(chǎn)產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，如埃塞俄比亞、肯尼亞、烏干達(dá)、盧旺達(dá)和布隆迪等國(guó)家的咖啡產(chǎn)區(qū)[63]。升溫還使東非的香蕉產(chǎn)區(qū)香蕉穿孔線蟲(chóng)分布的海拔高度擴(kuò)大[64]。至2020年，最低溫度的升高將會(huì)擴(kuò)大黑葉條斑病分布的范圍[65]。

3 氣候變化對(duì)非洲糧食安全的影響

糧食安全是人類生存發(fā)展面臨的首要問(wèn)題，它與社會(huì)和諧、政治穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展息息相關(guān)。由于長(zhǎng)期的殖民統(tǒng)治，非洲農(nóng)業(yè)畸形發(fā)展，重經(jīng)濟(jì)作物、輕糧食生產(chǎn)，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施及技術(shù)普遍落后，人才匱乏，抵御自然災(zāi)害能力差，糧食持續(xù)嚴(yán)重短缺。在非洲，農(nóng)業(yè)年均增長(zhǎng)率僅2.5%左右，糧食增長(zhǎng)尚不夠養(yǎng)活增長(zhǎng)的人口。聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）發(fā)布的報(bào)告稱，非洲撒哈拉以南地區(qū)是人口營(yíng)養(yǎng)不良率最高的地區(qū)，饑餓人口占2/3，比例之高居全球之首，世界上30個(gè)急需糧食捐助的國(guó)家中，非洲有20個(gè)[48]。Smith等[66]使用食物能量赤字衡量評(píng)估12個(gè)非洲國(guó)家的目前平均糧食不安全率約為59%，F(xiàn)AO的評(píng)估結(jié)果為39%。

全球變暖給非洲帶來(lái)的最大挑戰(zhàn)就是糧食安全問(wèn)題。氣候變化使南非西開(kāi)普省的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到嚴(yán)重影響，導(dǎo)致22%的居民挨餓[3]；2008年，南非第一次成為糧食進(jìn)口國(guó)[3]；2011年非洲東部的非洲之角遭遇了60a不遇的大旱，爆發(fā)了自20世紀(jì)80年代以來(lái)最嚴(yán)重的饑荒，據(jù)援助機(jī)構(gòu)估計(jì)，超過(guò)1000萬(wàn)人口已經(jīng)受到了嚴(yán)重的影響，數(shù)萬(wàn)人餓死，并由此引發(fā)了世界廣泛關(guān)注的糧食危機(jī)[67]。吳文斌等[68]利用構(gòu)建的評(píng)價(jià)框架和模型，選擇水稻、玉米、小麥和大豆等4種全球主要作物類型，對(duì)未來(lái)2020年的全球糧食安全狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，到2020年，由于其人均糧食占有量和人均GDP兩個(gè)指標(biāo)值都明顯降低，多數(shù)非洲國(guó)家存在高度的糧食危機(jī)和饑餓風(fēng)險(xiǎn)加重的趨勢(shì)。同樣，氣候變化還對(duì)非洲畜牧業(yè)產(chǎn)生嚴(yán)重危害。在農(nóng)牧過(guò)渡帶，包括西非薩赫勒地帶、非洲東部和東南部的海岸和中等海拔地帶，預(yù)計(jì)畜牧業(yè)將在2050年之前取代種植業(yè)，這些地區(qū)目前養(yǎng)活了3500萬(wàn)人，并且長(zhǎng)期面臨著糧食安全問(wèn)題[51]。漁業(yè)也是事關(guān)非洲地區(qū)糧食安全問(wèn)題的重要因素，非洲居民飲食中27%的蛋白質(zhì)來(lái)自魚(yú)類[3]。溫度升高使東非Tanganyika湖的漁業(yè)生產(chǎn)力降低，預(yù)計(jì)魚(yú)類產(chǎn)量減少約30%[69]。對(duì)132個(gè)國(guó)家的漁業(yè)脆弱性的評(píng)估結(jié)果顯示，其中2/3最脆弱的國(guó)家在非洲，如安哥拉、剛果、毛里塔尼亞和塞內(nèi)加爾。未來(lái)非洲地區(qū)對(duì)魚(yú)類的需求將增加，為了保證魚(yú)類的供需平衡，至2020年非洲的水產(chǎn)養(yǎng)殖需要增產(chǎn)近500%[70]。

可見(jiàn)，無(wú)論從廣義農(nóng)業(yè)的角度，還是狹義上的農(nóng)業(yè)，氣候變化都給非洲的糧食安全帶來(lái)了威脅，作為世界糧食危機(jī)的中心，撒哈拉以南非洲，預(yù)計(jì)在21世紀(jì)上半葉將面臨更為嚴(yán)重的糧食問(wèn)題[71]。

4 研究的局限性

4.1 研究結(jié)果的差異性和不確定性

已有研究結(jié)果還存在一定的不確定性。不同的研究者、研究方法和時(shí)空尺度的評(píng)估結(jié)果差異較大，有些研究即使針對(duì)同一地區(qū)，其結(jié)果都存在較大差異，甚至是相互沖突的結(jié)論。這些不確定性主要集中在以下幾個(gè)方面：

（1）未來(lái)氣候情景數(shù)據(jù)的不確定性。無(wú)論是IPCC排放情景特別報(bào)告（Special Report on Emissions Scenarios，SRES）的排放方案，還是IPCC第五次評(píng)估報(bào)告提供的典型濃度路徑情景（Representative concentration pathways, RCPs），基于輻射強(qiáng)迫預(yù)測(cè)的未來(lái)氣候變化，都設(shè)定了多個(gè)級(jí)別的未來(lái)可能的情景假設(shè)，也由此生成了多套氣候情景數(shù)據(jù)。盡管這些氣候情景為氣候變化研究工作提供了科學(xué)參考，但是其自身仍不可避免地存在不確定性。依據(jù)這些氣候情景，利用不同的時(shí)間和空間的降尺度方法獲得了逐日天氣數(shù)據(jù)，而這一過(guò)程也不可避免地存在不確定性。盡管這些不確定性不可避免，但是如果評(píng)價(jià)過(guò)程中采用多套情景數(shù)據(jù)、多種模式進(jìn)行分析將有助于有效地降低這些不確定性，并展現(xiàn)這些不確定的分布和來(lái)源。

（2）研究方法的不確定性。目前氣候變化對(duì)非洲農(nóng)業(yè)的影響和評(píng)估研究，主要采用作物模型、統(tǒng)計(jì)模型和經(jīng)濟(jì)模型3種方法。不同研究方法所得的結(jié)果往往存在較大差異，作物機(jī)理模型方法顯示的氣候變化對(duì)非洲農(nóng)業(yè)影響率范圍在-84%～62%；統(tǒng)計(jì)方法評(píng)價(jià)的影響率范圍則在-57%～30%；而用計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)方法研究顯示則處于-100%～168%[72]。

每種研究方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，也各有其本身的不確定性。作物模型可以基于不同的模型輸入數(shù)據(jù)，有效模擬出不同驅(qū)動(dòng)因子對(duì)作物產(chǎn)量的時(shí)空影響。近年來(lái)，其在農(nóng)業(yè)決策管理、氣候變化影響評(píng)價(jià)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)以及農(nóng)田科學(xué)管理等方面發(fā)揮著日益重要的作用，也是目前非洲氣候變化研究領(lǐng)域中運(yùn)用最多的研究方法。然而，利用作物模型進(jìn)行模擬時(shí)，由于模型本身的缺陷（如模型不能反映病蟲(chóng)草害的影響，還無(wú)法模擬一些氣象災(zāi)害等）、觀測(cè)的誤差以及模型輸入數(shù)據(jù)質(zhì)量等原因，模擬結(jié)果存在著不確定性，而且不同的作物模型，由于其本身的機(jī)理、初始條件、輸入數(shù)據(jù)等不同，導(dǎo)致不同模型的模擬結(jié)果之間也存在較大差異。而統(tǒng)計(jì)模型在分析氣候變化影響評(píng)估研究中具有很多優(yōu)點(diǎn)，如需要較少的數(shù)據(jù)、能定量給出結(jié)果的置信區(qū)間和不確定性大小等，但受到所用數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量、統(tǒng)計(jì)模型選擇、以及簡(jiǎn)化問(wèn)題等因素限制，而且也很難將數(shù)據(jù)之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系外推到幾十年后的將來(lái)，故降低了這些統(tǒng)計(jì)結(jié)果的應(yīng)用價(jià)值[73-75]。而經(jīng)濟(jì)模型在評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)量受氣候變化的影響，以及農(nóng)民收入、產(chǎn)量系統(tǒng)和環(huán)境條件直接的統(tǒng)計(jì)關(guān)系等方面發(fā)揮著自身的優(yōu)勢(shì)，但是由于數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)量的限制，基于的相關(guān)假設(shè)，以及復(fù)雜問(wèn)題的簡(jiǎn)化等因素限制，其結(jié)果尚存在較大的不確定性。

今后的研究中，需開(kāi)展作物模型與統(tǒng)計(jì)模型的比較研究，通過(guò)比較兩類模型結(jié)果的差異，取長(zhǎng)補(bǔ)短，降低不確定性，提升研究成果的科學(xué)性和研究精度。

（3）數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)量引起的不確定性。研究數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量直接關(guān)系到研究結(jié)果的正確性和準(zhǔn)確性。然而，受多種原因的影響，長(zhǎng)期、全面的農(nóng)業(yè)和水資源觀測(cè)數(shù)據(jù)在非洲地區(qū)還較匱乏，諸如非洲地區(qū)作物栽培、管理、土壤條件、地下水量等資料都是非常難能可貴的。長(zhǎng)時(shí)間序列的觀測(cè)數(shù)據(jù)，不但是模型參數(shù)校準(zhǔn)和確定中所必需的，也在統(tǒng)計(jì)模型構(gòu)建中起著重要作用。然而目前非洲地區(qū)的數(shù)據(jù)無(wú)論是從質(zhì)量還是數(shù)量的角度，都難以滿足研究需要，導(dǎo)致研究的不確定性也相應(yīng)增大。

進(jìn)一步收集非洲地區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)的同時(shí)，立足于非洲現(xiàn)有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水資源的實(shí)際情況和數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)量，科學(xué)分析和評(píng)估研究結(jié)果不確定性的來(lái)源和大小，將有助于提高研究結(jié)果的科學(xué)性。

4.2 進(jìn)一步加強(qiáng)綜合性研究工作

目前已有的非洲氣候變化影響和評(píng)估研究，主要集中在溫度、降水變化等方面，而且主要是針對(duì)日平均溫度或降雨總量的變化進(jìn)行分析。然而，氣候變化本身是一個(gè)多氣候因子相互作用的復(fù)雜過(guò)程，它不僅包括平均溫度、降水等氣候指標(biāo)平均狀態(tài)的增減，而且包括各氣候因子的時(shí)間和空間的動(dòng)態(tài)變化。況且糧食生產(chǎn)和水資源也不僅僅是農(nóng)業(yè)和水資源問(wèn)題，還受到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、政策、勞動(dòng)力、氣候環(huán)境、作物生理等多個(gè)方面影響，因此，有必要從多角度、多層面、系統(tǒng)性開(kāi)展氣候變化對(duì)非洲糧食生產(chǎn)和水資源的影響研究，通過(guò)多學(xué)科、多領(lǐng)域的配合，全面了解和評(píng)估氣候變化的影響。

4.3 加強(qiáng)氣候變化適應(yīng)行動(dòng)的研究工作

減緩和適應(yīng)是應(yīng)對(duì)氣候變化影響的有效途徑。隨著氣候變化對(duì)非洲影響認(rèn)識(shí)的加深，非洲水資源和農(nóng)業(yè)對(duì)氣候變化的適應(yīng)問(wèn)題也得到非洲國(guó)家以及國(guó)際社會(huì)的越來(lái)越多的關(guān)注和重視，如歐盟-非洲的氣候變化聯(lián)合行動(dòng)，全球農(nóng)業(yè)磋商組織的氣候變化、農(nóng)業(yè)和糧食安全研究計(jì)劃，2008年聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署、中國(guó)和非洲簽署的南南合作以及世界銀行、21世紀(jì)議程和國(guó)家環(huán)境行動(dòng)計(jì)劃提出的可持續(xù)水資源管理框架等[3,76]。非洲的部分國(guó)家也制定了相關(guān)的國(guó)家行動(dòng)計(jì)劃來(lái)適應(yīng)氣候變化，在埃塞俄比亞的北部地區(qū)，正在推行一個(gè)全球環(huán)境基金資助的旨在遏制土壤退化和幫助農(nóng)牧民提高抗旱能力的計(jì)劃。

截至目前，部分非洲的農(nóng)戶和政府已經(jīng)提出或者采取了一定的適應(yīng)氣候變化的措施。南非和埃塞俄比亞調(diào)查了1800家農(nóng)戶，分析和總結(jié)了農(nóng)戶采取的適應(yīng)氣候變化的措施，主要包括品種更替，播期調(diào)整，植樹(shù)造林，水土保持和增加灌溉等，其中大部分當(dāng)?shù)剞r(nóng)民并沒(méi)有調(diào)整耕作方式[77]。受氣候變化等因素的影響，近年來(lái)乍得湖水量急劇下降，當(dāng)?shù)貪O民為了適應(yīng)這一變化已在裸露的河床上改種作物[5]。但是由于非洲農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系的特殊性，簡(jiǎn)單的調(diào)整播期、更替品種等措施對(duì)改善和解決非洲農(nóng)業(yè)所面臨的糧食安全問(wèn)題效果并不明顯。灌溉和施肥在糧食產(chǎn)量提高中的作用和貢獻(xiàn)不容忽視，F(xiàn)ox等在非洲生長(zhǎng)季降雨為583mm 的布基納法索實(shí)驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，灌溉可使高粱產(chǎn)量增加41%[78]。蘇丹自1978年就開(kāi)始增加農(nóng)業(yè)灌溉面積，目前糧食產(chǎn)量已基本達(dá)到自給自足水平。因此，改變非洲農(nóng)業(yè)目前過(guò)于依賴天氣的現(xiàn)狀，在區(qū)域和國(guó)家層面上增加灌溉面積，合理施肥是提高農(nóng)業(yè)的適應(yīng)能力，保障糧食安全的重要和必要的舉措之一。然而，不斷增加的農(nóng)業(yè)灌溉用水需求與水資源缺乏之間的矛盾也會(huì)因此更為突出。為了緩解水資源緊張問(wèn)題，Matondo[25]提出了高效用水、污水回用、雨水收集、利用地下水、水資源綜合管理（IWRM）、實(shí)現(xiàn)水資源開(kāi)發(fā)和跨流域調(diào)水等應(yīng)對(duì)策略。

在非洲，盡管減緩和適應(yīng)措施在應(yīng)對(duì)氣候變化中的作用越來(lái)越得到肯定，但是目前相關(guān)研究仍然較缺乏。已有研究提出的應(yīng)對(duì)措施往往是政策性、宏觀層面的，可操作性和指導(dǎo)性較差，且缺乏適應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)分析、成本分析和效果分析等，容易導(dǎo)致適應(yīng)實(shí)施過(guò)程中的盲目性和主觀性，因此，今后仍需進(jìn)一步加強(qiáng)非洲水資源和農(nóng)業(yè)的氣候變化的適應(yīng)性研究，探尋符合非洲區(qū)域特征的、有效而可行的適應(yīng)道路。

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A Review on Impacts of Climate Change on Water Resource and Agriculture in Africa

YANG Di, XIONG Wei, XU Yin-long
(Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081,China)

Abstract:Africa shares the lowest portion of greenhouse gases emission in the world both in total and per capita, yet she suffers mostly from climate change. Climate change affects Africa’s water resources, agriculture, biodiversity, human health, and national security. Food and water security are the two major challenges facing Africa whilst have been deteriorated by climate change. This study reviews the new findings of climate change impacts on water system and agriculture in Africa and their limitations, with the attempt to facilitate and promote enhanced researches related to climate change impact and vulnerability. Observation shows that climate change has led to rapid melting of glaciers, reduced rainfall and increased variability. Hydrological simulation demonstrates that further climate change would decrease precipitation and runoff in some areas, worsening current fragile water supply in most of Africa. Africa’s agriculture faces unprecedented challenges under climate change. Both observation and simulation indicate climate change posed negative effects on Africa’s agriculture. Increased risks of drought, changed growth season and decreased crop yield, would likely threat food security in Africa. Uncertainties in these studies mainly come from climate scenarios, methods, quality and quantity of data. Compared to other regions, Africa is short of comprehensive and in-depth researches related to climate change impact and vulnerability, therefore expectssubstantial investment on such activities to devise effective strategies in mitigating the negative effects of climate change on water resources and agriculture.

Key words:Africa agriculture; Climate change; Impact assessment; Water resource; Adaptation

doi:10.3969/j.issn.1000-6362.2016.03.001

* 收稿日期：2015-10-29**通訊作者。E-mail：xiongw@ami.ac.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（41171093；41471074）；“十二五”科技支撐課題（2012BAC19B0101）

作者簡(jiǎn)介：楊笛（1992-），女，碩士生，主要從事氣候資源與氣候變化研究。E-mail：yangdi_caas@126.com