農業氣象學發展現狀及展望

梅旭榮

（中國農業科學院，北京100081）

0 引言

農業氣象學是研究氣象條件與農業相互關系及其規律的一門學科。它一方面研究與農業有關的氣象條件，即光照、溫度、降水、大氣CO2等氣象要素的數量、質量及其時空耦合狀況，揭示其對農業動植物和微生物生長發育過程的影響規律；另一方面也研究制約農業的氣象條件及其解決途徑。這里的農業，不單指農業生產，還包括產前的部署、準備和產后的收獲、貯藏、運輸、加工、銷售、金融服務等過程。農業氣象學既研究農業氣象指標、模式、規律、機制，也研究農業氣象措施、儀器、裝備、制劑等，而且兩方面的研究需要彼此緊密聯系。

農業氣象學是基礎農學的學科之一，也是一門交叉邊緣學科。經過六十多年的發展，中國現代農業氣象學研究逐步形成了完善的學科體系，包括作物氣象、畜牧氣象、林業氣象、農業氣候、氣候變化、農田小氣候、農業氣象災害、農業氣象觀測、農業氣象信息、農業氣象預報等。

1 世界農業氣象研究發展概述

1854年俄國出版了《農業氣象學》，1901年俄國發行了農業氣象學期刊，代表近代農業氣象學的初步建立[1]。1913年，國際氣象組織（IMO，1950年改為世界氣象組織，WMO）下設的農業氣象委員會(CAgM)正式成立，旨在推動世界范圍內的農業氣象學的研究和交流。

20世紀前半葉，世界農業氣象的相關研究主要有[2]：農產品產量與氣候變量的統計學關系；美國、歐洲和亞洲通過大量的實驗室和大田實驗研究模擬生物組織對天氣或氣候差異的響應；中東歐通過小氣候和植物生長觀測系統性儀器，解釋植物生長的氣候原因、影響及其交互作用；土壤特性、熱交換和水分運動間聯系的研究；美國密蘇里氣候實驗室開展的乳牛生理響應和產量與溫度、風、輻射變化的關系研究。加利福尼亞埃爾哈特植物研究實驗室利用生長箱和人工氣候箱開展變化環境條件下生物響應研究并建立模型。這一時期的農業氣象的研究主要是揭示氣象條件對農業影響的規律，重點關注為什么作物和森林生長在特定的地點；植物生長如何受到天氣、氣候、小氣候的影響；地球表面輻射和能量平衡的變化是如何改變小氣候、氣候和天氣的；如何應用農業氣象科學原理改進農田和森林管理等科學問題。

20世紀后半葉，《農業氣象》(Agricultural Meteorology)于1964年創刊，1984年刊名改為《農林氣象》（Agricultural and Forest Meteorology）。從該期刊發表論文看，這一時期世界農業氣象學關注最多的是與水相關的主題，其次依次是能量平衡和熱傳輸、森林生長和產量、氣候變化、跨學科的病蟲害綜合管理和遙感等?，F代數據管理系統和程序、氣候變化影響與應對氣候變異和氣候變化的農業氣象適應策略、新的環境公約和機會、數值模擬模型、估算方法、先進儀器開發與校準、溫室等研究領域也成為熱點。

進入21世紀，隨著信息技術和生物技術的發展，世界農業氣象學的研究領域進一步拓展，研究手段進一步提高。同時隨著氣候變化和極端天氣氣候事件的頻發，農業氣象災害風險加大，加強了作物模式與遙感和GIS技術的結合，用于開展區域或全球氣候變化背景下和情景下作物生產系統所受的影響及響應；多模式數值天氣預報、基于農業專用參數的模擬模式與農業決策系統的耦合；面向用戶需求的干旱等監測、早期預警和評估系統構建；圍繞農業氣象風險的防御、評估、減緩和適應等建立了農業氣象風險管理研究體系，特別是干旱監測、風險識別、干旱預測和早期預警服務已經建立了全球協同的原則性目標；注重多源數據的獲取與管理；氣候變化/變率與農業氣象災害研究成為熱點；農業對氣候狀態的影響研究成為重點并提出了減排方案與減緩策略；不同尺度農業氣象決策支持系統開發加強；氣候變化區域層面適應研究加強；空氣污染物監測評估與影響，空氣質量控制保護與農業溫室氣體排放開展聯合研究；高分辨率天氣和季節模式的農業應用研究取得突破；實地觀測與遙感測量一體化技術，以及多源數據融合方法研究提高了農業氣象監測預警評估水平；農業氣象測量技術和儀器研發進一步提高。

2 中國現代農業氣象研究發展

1953年開始執行中國國民經濟建設第一個五年計劃，為了滿足農業發展要求，決定開展農業氣象研究工作。1953年3月6日成立了中國最早的農業氣象研究機構—華北農業科學研究所農業氣象組，即現中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所的前身。1956年北京農業大學（現中國農業大學）設置農業氣象專業，沈陽農業大學也于1958年、南京氣象學院（現南京信息工程大學）于1960年開始招收農業氣象專業本科生，并逐步開展碩士和博士學位研究生培養。1979年中國農業科學院研究生院成立并設立了農業氣象專業[3]。

1978年5月全國農牧科技規劃會議決定恢復和發展中國農學會及分會活動。同年12月，根據中國農業發展需求，為加強全國的農業氣象研究，全國農業氣象科技規劃會議提出了成立農業氣象學會的倡議，并列入1978—1985年農業氣象科技發展規劃。1979年8月3日，中國農學會批復同意籌備成立農業氣象研究會，作為中國農學會的二級學會，掛靠在中國農業科學院農業氣象研究室，1994年，農業氣象研究會更名為中國農學會農業氣象分會。1979年，《農業氣象》學術期刊（現為《中國農業氣象》）正式創刊。

農業氣象專業研究機構的建立、大學農業氣象專業的設立、中國農學會農業氣象分會的成立和專業學術期刊的創立，標志著中國現代農業氣象學的教育、科學研究和全國大協作走上了正規和快速發展的軌道。

2.1 作物氣象研究

20世紀50年代，主要研究了小麥、水稻、棉花等主要農作物的生長發育農業氣象指標及氣象要素與作物生育、產量的關系；60年代主要研究了小麥生態氣候型；70年代研究了作物生長發育、耕作制度、種植模式氣候資源利用研究以及作物群體光合生產潛力及環境調控技術；80年代重點加強了作物品質與氣象條件、經濟作物與氣象條件等的研究；90年代以來主要研究作物生產管理決策支持系統，農田蒸發散量與作物產量模型，作物（包括經濟作物）生長發育、產量形成與氣候變化特別是CO2濃度變化的關系成為熱點。

2.2 農田小氣候研究

先后開展了農業小氣候觀測方法研究，結合生產開展農田耕作保墑、灌溉麥田、保護地小氣候效應、密植豐產田、棉花蕾鈴脫落、秧田保溫育秧防止爛秧等小氣候研究并提出改善小氣候環境措施。

2.3 農業氣候研究

20世紀50年代，主要開展了農業氣候資源分析；60—70年代，重點研究作物生態氣候，進行中國農業氣候資源調查和農業氣候區劃；80年代完成了中國主要農作物氣候資源圖集和中國農林作物氣候區劃；90年代，重點加強氣候與農業生產發展關系、提高中國農業氣候資源開發利用與保護等研究，重視農業氣候理論應用的研究。21世紀，開展氣候變化背景下農業氣候資源利用與區劃研究，結合GIS，研制中國農業氣候資源數字化圖集，分析和評估中國農業氣候資源的時空分布特征。

2.4 畜牧氣象研究

20世紀60—70年代，主要開展畜牧生態氣候、畜舍小氣候、畜牧氣象災害及其防御、牧草與氣象、畜牧業綜合性宏觀研究等。從1980年開展中國主要畜禽品種分布、生產性能、生態適應性與引種問題、氣象災害調查，完成中國畜牧生態氣候區劃，研究高溫、高濕天氣對奶牛的影響及其對策，提出了幾種控制奶牛熱應激影響方法，劃分了熱應激影響區，完成了奶牛擠奶廳設計。90年代先后完成了草原群落生物量積累動態研究，畜舍小氣候如集約化畜禽環境自控系統與環境動態模型等理論和方法研究，提出了節能高效太陽能畜舍環境控制技術、中國畜舍建筑氣候區劃、規?；笊岘h境調控關鍵技術等。

2.5 全球氣候變化研究

氣候變化情景構建研究始于20世紀80年代，多采用實驗和氣候分析方法，進行氣候變化情景構建；90年代，氣候變化情景構建與國際接軌、以模型為核心的技術方法，在脆弱性和適應對策，以及溫室氣體清單、減緩對策等方面開展研究，同時加強了與氣候公約有關政策密切關聯的基礎和應用研究，21世紀，建立了中國區域21世紀SRES氣候情景的計算機網絡系統，產生了大量的中國未來氣候變化情景數據。

氣候變化農業影響評估研究始于20世紀80年代，主要開展了基于模型驅動的氣候變化對農業影響的宏觀和微觀研究，基于長期的調研和田間試驗，建立中國農業適應氣候變化技術清單。90年代以后陸續開展氣候變化影響、適應氣候變化關鍵技術、農業氣候資源適應與減緩等中國農業（包括種植、養殖、草地、水資源、漁業等）影響與適應研究，特別是在世界屋脊的藏北草地影響研究獨具特色。

農業溫室氣體研究始于20世紀90年代，側重于溫室氣體排放監測與清單編制，參與IPCC清單編制方法研制，建立了中國溫室氣體排放系統監測和估算方法。同期開展了溫室氣體減排和農業固碳技術研究，開發規?；B殖場規劃類CDM項目、草地可持續管理方法學、保護性耕作碳交易方法學等。

氣候變化外交政策支撐研究始于20世紀90年代，開展溫室氣體排放貿易及氣候變化國際協議相應對策研究，并支撐相應的國際談判。

2.6 農業氣象災害與減災技術研究

重點針對干旱、低溫冷害、高溫熱害、暴雨洪澇、大風冰雹、草原黑白災、土壤漬化等災害，應用農業氣象學、逆境生理學、突變災害學等理論與方法，致力于全面揭示各主要農業氣象災害的孕災環境與演變規律，闡明主要農業氣象災害致災機理，研究農業氣象災害監測預警基本理論和方法，研制農業災害監測預警系統平臺，研發農業減災新材料，開發防御與減輕農業氣象災害技術與產品，研究農業災害風險評估技術與方法，研制農業災害風險轉移技術與產品，為防御、抵抗、規避、減輕非生物災害對農業的影響以及轉移農業災害風險提供科技支撐。

2.6.1 低溫、霜凍害研究 在20世紀50—70年代，針對其對農業造成的巨大損失，開展了作物霜凍、凍害調查與防霜防凍的途徑和方法研究，包括華南引種橡膠和植膠區北移中出現的風害、寒害問題研究，東北地區的“啞巴災”和南方的“寒露風”研究，柑橘凍害等。80年代，開展了區域作物低溫冷害的地理分布、生理致災機制、冷害指標、冷害防御等研究。90年代，防御區域作物冷害的知識庫系統和專家系統建立。篩選出除冰核抗霜劑和抗霜菌；促進玉米早熟、推遲小麥拔節期、促進棉花吐絮的幾種植物生長調節劑，開辟了作物防霜凍的新途徑；重點研究了綜合防霜凍技術，對化學調控、生物與藥劑防霜凍、物理方法及農藝措施等防霜凍技術進行了組裝集成，形成了玉米、棉花、小麥3種作物綜合防霜凍配套技術方法。2000年后，全面開展作物抗低溫生理指標的監測分析、減災化學制劑配方與實驗，以及移動便攜式低溫災害田間監控裝置與系統的研發，建立了不同作物低溫災害的遠程決策管理系統與農業低溫災害監控網絡平臺。

2.6.2 干旱研究 20世紀60年代前后，重點開展了北方干旱、干熱風發生規律和防御措施研究。70年代，研制了保墑增溫劑，揭示了小麥干熱風機理并提出了對策。80年代，對抗旱劑、保水劑在抗旱中的應用，地膜覆蓋、秸稈覆蓋對抑制農田水分蒸發，改善農田水分狀況的作用等做了大量研究。90年代以來，農業化學抗旱減災技術研究得到發展，在干旱防控領域研制了一系列的節水抗旱種衣劑；研究了系列大地形集水、田間集水、作物根區微集水技術，通過技術集成，形成防旱抗旱綜合技術；研究水肥互作抗旱技術，形成抑蒸集水防旱、抗旱集成技術。進入21世紀，揭示了中國南方季節性干旱發生的時空規律，建立了南方季節性干旱分區指標體系，研究區域性農作物防旱避旱農作物種植結構優化布局方案；研制開發減輕季節性干旱的雨水入滲增強劑、生物保水劑、植物蒸騰抑制抗旱制劑等生化制劑；研究秋雨冬用、春雨夏用、豐水年雨水資源枯水年利用技術，研究開發因地制宜的貯水配水技術；集成避旱減災技術，比較各種避旱減災技術優劣，總結各種避旱減災技術操作規程，開展應用示范。

2.6.3 農業災害風險管理研究 農業災害風險管理研究在21世紀初成為前沿熱點。針對農業氣象災害損失巨大，氣候變化背景下氣象災害呈現新特征，災害損失測度難、評估方法和技術薄弱，風險管理策略單一，難以滿足農業減災需要等問題，開展了農業氣象災害風險影響評價、農業災害統計問題、農業災害損失評估方法與技術、農業災害風險轉移技術、農業災害政策管理等研究。

2.7 農業氣象儀器研制與觀測方法研究

20世紀50—60年代開展了土壤水分、農田溫度、光照、風等小氣候測定儀器研發；70年代研制的儀器進行批量生產和全國試用；80年代農田小氣候綜合測定儀在遙測、直讀、高精度、多點測定等性能大幅提高，產品在行業內大范圍推廣應用；同期研制了農田光合作用研究實驗觀測車、環境模擬實驗裝置、自然光人工氣候箱等。同時，農業氣象要素的觀測和農業氣象試驗的數據記錄，也開始向計算機化的全自動、大容量及快速處理方向發展。90年代農業氣象儀器的研制緊密結合計算機新技術，向現場化、微處理器化、智能化方向發展。21世紀始，一大批網絡化、無線傳輸、現場視頻傳輸等農業氣象觀測儀器設備和裝置相繼完成了研發，并投入了使用。如農田水碳通量監測及遠程數據傳輸系統、分布式溫室環境測控系統、農業產地環境監測系統、農業災害遠程監測預警系統、開放式大氣CO2富集實驗系統等。

在農業氣象觀測方法研究方面，50—70年代制定了農作物物候觀測方法、蔬菜物候觀測方法、土壤水分，土壤蒸發測定方法、農田小氣候觀測方法等，80年代CO2氣體分析儀測定作物光合作用方法，同化箱測定作物群體光合強度方法，農田蒸散蒸發蒸騰測定方法、作物液流及蒸騰速率測定技術、植物群體光合速率測定方法、太陽總輻射和散射輻射分光測量及能量分配研究等都達到了較高的技術水平。90年代以后，以農田現場的環境模擬和定點長期觀測為主的農業氣象觀測方法建立。農田能量平衡和水分平衡以及水碳通量自動觀測記錄方法，半開放式或開放式CO2富集實驗艙（圈）的方法，模擬觀測農作物對氣候變化的影響和適應性、半開放裝置法測定農田溫室氣體排放量等。

近年來，農業氣象環境與災害精準監測取得重大進展。開展農業環境遠程監控關鍵技術研究，可對野外農田、溫室設施環境及農業氣象災害等進行實時動態監測、遠程傳輸、信息網絡發布，應用物聯網監控技術，集成化控技術和多種農藝管理措施，建立了集成監測預警、災情診斷、調控管理于一體的智能化遠程管理系統。

3 中國農業氣象研究重大成就

作為一門基礎農學學科，農業氣象學60多年的研究發展軌跡表明：農業氣象研究始終堅持需求和問題導向，在解決農業生產重大需求和科學問題中不斷得到發展；始終堅持跟蹤國際學科發展前沿，不斷完善農業氣象研究理論和方法，是農業氣象實現了從解釋科學到試驗科學的質的飛躍；始終堅持吸收最新科學技術發展成果，不斷派生出新興交叉和邊緣學科分支，如小氣候到設施農業和植物工廠、畜牧氣象到畜禽環境工程，氣候資源到氣候變化，農業水文氣象到旱作農業、農業氣象到農業環境等。在學科發展的同時，農業氣象研究也取得了一大批重大成果，在生產中發揮了重大基礎和戰略作用。

20世紀50年代，為打破國外封鎖，引種巴西三葉橡膠樹，以保障戰略需求。依據氣候、小地形原理，創造性地提出防寒植膠的建議，將國際橡膠種植的北界定義在了北緯32°，對中國橡膠事業的發展做出重要貢獻。

60—70年代，中國農業遭受大面積氣象災害，圍繞糧食生產的間作套作復種中的光熱資源利用、干旱、干熱風和低溫冷害防御等方面創新性地開展研究，提出了種植制度和農業氣象防災減災技術等成果，在生產中發揮了重要的作用。

80年代，為有效解決糧食安全問題，全國農業氣候資源利用及區劃、作物和畜牧農業氣候區劃；干旱、低溫冷害等主要氣象災害防御；農田、人工環境小氣候、畜牧氣象；北方旱地農業；氣候波動與氣候變化等一批研究成果在農業生產決策和生產中應用，有效支撐了農業生產宏觀布局和生產發展。同期，建立了農業氣象觀測與試驗站網，農業氣象業務開始與國際同步。

90年代，在世界農業氣候與作物氣候圖集、農業應對氣候變化、旱地農業、農業氣象災害監測預警與防控等方面取得重大科研突破，作物模擬模型的應用與自主研發成果顯著。

進入21世紀以來，生物技術和信息技術在農業氣象研究中得到重視和廣泛應用，《農業氣候資源數字化圖集》、農業溫室氣體減排、設施環境控制與植物工廠、災害風險管理等領域陸續取得重大成果，為新世紀農業的轉型發展奠定了科學基礎。

60多年來，中國現代農業氣象學科碩果累累，在全國農業氣候區劃、農業氣候資源開發利用、農業氣象產量預報與遙感估產、氣候變化農業影響、溫室氣體排放測定與國家清單、旱作農業關鍵技術與區域治理、農業氣象災害防御技術、都市型設施園藝等獲得多項國家科技進步獎，所發表的論文、著作、專利、標準等重大技術成果在保障國家糧食安全、促進現代農業發展中發揮著基礎性、關鍵性的科技支撐作用。

4 學科發展展望

加快農業現代化轉型發展和農業供給側結構性改革，推進農業綠色化和優質化發展，是當前及今后一段時期農業發展的主要任務。同時，全球范圍內的農業科技革命方興未艾，生物技術、信息技術、新材料和先進制造等領域的科學技術不斷向農業領域滲透。隨著中國經濟的持續穩定發展，中國也必將逐步成為世界科學中心之一。展望未來，作為基礎和邊緣交叉學科，農業氣象學將迎來又一次發展機遇，并在以下重點領域發揮越來越重要的作用。

農業氣候與農業布局優化。綜合農業氣候資源和氣候變化農業影響的研究成果，圍繞糧食生產功能區、重要農產品生產保護區和特色農產品優勢區建設，重點研究區域氣候生產潛力、氣象條件與品質、氣象災害風險等內容，提出“三區”建設布局空間優化方案、技術措施和政策建議。

農業氣象與農業綠色發展。圍繞農業綠色發展和循環發展需求，重點研究農業氣候資源承載力與種植制度、氣象條件與投入品、病蟲害氣象、小氣候與環境基準、農業溫室氣體減排等內容，提出不同區域基于生產功能、氣候資源承載力和生態系統環境容量的種植制度紅綠燈制度，建立循環農業模式和綠色技術體系。

農業氣象災害與風險管理。圍繞氣候變化導致極端天氣氣候事件頻發重發的特點，加強農業氣象災害風險管理的科學研究，在不確定的氣候風險中，重點關注常態的農業氣象災害和突發的、超出閾值的災害，完善結構避災、工程防災、生物抗災、技術減災、制度賑災的理論方法和技術研究，支撐農業和農村經濟的穩定發展。

農業小氣候與工廠化農業。圍繞設施農業、都市農業和動植物工廠等發展需求，重點研究人工控制條件下光照、溫度、CO2等氣象要素及其耦合狀況對動植物生長發育的影響、制約和應激響應等，同時研究動植物生產對人工環境的影響，建立不同類型工廠化農業高效、優質、安全、綠色生產環境控制模式與技術體系。

農業氣象信息與智慧農業。圍繞智能感知和決策支持，充分吸收生物科學和信息科學的最新成果，強化作物模型的開發應用，提高作物模型對作物生長環境、管理、基因相互作用的解釋性，研發基于現代IT技術的農業氣象監測、預報預警、影響評估、決策支持、風險管理、應對技術措施等一體化解決方案，指導不同基因型品種環境適應性篩選、智能灌溉施肥施藥等，發展氣候智慧型農業模式與技術。

隨著新理論和新技術的不斷涌現，農業氣象學這門古老的基礎和邊緣交叉學科將不斷吸收其他學科的發展結果，融合和派生出新的學科分支，也必將在新時期農業轉型發展中發揮新的更大的作用。

[1]劉漢中.普通農業氣象學[M].北京:北京農業大學出版社,1990:5-6.

[2]World Meteorological Organization.Commission for Agricultural Meteorology(CAgM):The First Fifty Years[M].Geneve:World Meteorological Organization(WMO),2006:4-7.

[3]中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所所志[M].北京:中國農業出版社,2013.