氣候變化對農業影響的研究進展與前沿

曾志勇

摘要：在全球氣候變化背景下，我國農業生產活動所受到的影響越來越嚴重。本文以水稻為研究對象，從生產方式、種植制度、經營方式、結構布局等不同角度總結和分析了氣候變化與農業活動之間的相互關系與作用機制。結果表明，現有的研究主要分析氣候變化對水稻產量與水稻種植面積的影響，而在水稻生產對氣候變化的適應性與脆弱性這一領域，幾乎無人問津。鮮有的關于水稻生產對氣候變化適應性與脆弱性的研究發現，研究時段長短的差異以及不同的區域水稻生產對氣候變化的適應性與脆弱性不盡相同。因此，氣候變化背景下水稻種植戶的適應性行為研究將成為未來研究的主要方向，加強對這些方面的研究將有助于深化與完善氣候變化與農業影響雙向互動機制的研究。

關鍵詞：氣候變化;農業;水稻生產;影響;研究進展

中圖分類號： S162? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）03-0020-07

自20世紀中后期以來，氣候變化問題一直是全球的熱點話題。關于氣候變化的研究也越來越多，并且其研究已經遠超出大氣科學研究范疇，涉及到社會經濟科學的方方面面。特別是在我國，氣候變化與農業生產行為關系密切，彼此之間存在著相互影響和相互作用的關系。一方面，氣候變化的加劇給我國糧食生產帶來了嚴峻的挑戰;另一方面，我國糧食生產也積極適應氣候變化并對其產生積極影響。因此，本文首先從自然科學角度和社會科學角度闡述氣候變化及未來氣候變化對農業生產的影響。其次，以水稻生產為重點，分析氣候變化對水稻總產量、種植面積、水稻單產的影響;總結氣候變化對水稻生產影響的研究成果。最后，關于水稻生產對氣候變化的適應性與脆弱性分析，進行了梳理與評價，為深入開展氣候變化對農業生產影響的研究和制定我國應對氣候變化的農業生產政策提供經驗借鑒。

1 氣候變化對農業的影響

1.1 自然科學角度

氣候變化給全球生態環境帶來了相應的影響，農業生態環境也不例外。最早對其展開研究的是自然科學界的專家學者們，他們主要利用觀測試驗和構建作物模型對氣候變化與農業生產活動之間的關系進行模擬分析。

1.1.1 關于觀測試驗的研究 在國外，學者們首先以農作物、樹木、草等作為研究對象，通過開頂試驗室（open-top chamber）與溫室環境控制（controlled environment）研究氣候變化對其的影響。研究發現，相關農作物的主要蛋白質及酶、非結構性碳水化合物含量在氣候變化的作用下有所增加，這將增強作物光合作用，同時抑制作物呼吸作用，提高水分利用效率，從而改變農作物的生理形態結構與化學組成成分，最終導致農作物產量增加，這些都是氣候變化導致大氣CO2濃度增加所帶來的結果[1]。后來，有學者通過試驗得出了與之相反的結論，他們認為在早期大氣CO2濃度的增加會導致作物光合作用的加強，但是如果高CO2濃度對作物的影響時間比較長，那么作物光合作用不但不會加強，反而會由于植物葉片氣孔導度的減小而減弱，也就是說，作物光合作用的強弱取決于受高CO2濃度影響時間的長短[2]。

在國內，研究學者以花生、大豆等作物為對象研究氣候變化對農作物光合作用的影響，重點分析CO2濃度與光合作用之間的關系。曹仁林等通過設定不同CO2濃度，利用開頂式熏氣罩對花生、大豆進行試驗研究，結果表明，提高CO2濃度將導致農作物光合作用加強，即CO2濃度與作物光合作用之間呈正相關關系[3]。在33～40 ℃溫度區間，農作物光合作用會隨著CO2濃度與溫度的升高而加強，并且在同等條件下，CO2濃度與溫度對花生的影響要大于對大豆的影響。但是，如果溫度不在這一區間，CO2濃度與光合作用之間的關系并沒有得到有效驗證，表明這一關系受到溫度變化的影響而呈現出不穩定性。

無論是國外還是國內，觀測試驗條件下所得到的農作物對CO2濃度變化的響應程度由于溫度、濕度、光照、風力等氣候因素的嚴格控制將明顯區別于自然條件下所帶來的結果[4]。因此，1987年在美國的小麥、棉花、玉米等種植地里出現了一種名為FACE（free-air CO2 enrichment）的裝置，對CO2濃度變化給農作物帶來影響的分析完全是在自然氣候環境下進行的，沒有采取任何主觀控制環境的措施。近些年在森林、水稻田地甚至是草地也陸續出現了FACE裝置，都能夠比較客觀地反映出農作物對于CO2濃度變化的反應程度。但是，FACE裝置也存在不足之處，如不能有效解釋CO2濃度變化所引起的溫度變化對農作物的影響[5]，這一缺陷也給學者們指出了后續研究的方向。

1.1.2 關于作物模型的研究 為了有效解決觀測試驗結果精確度較低的問題，科學家們開始嘗試建立各種農作物模型。最早的作物生長動態模型是由Dewit于20世紀60年代建立的SUCROS（simple and universal crop simulator）模型，重點模擬農作物的光合作用過程，強調在遵循作物自然生長的前提下研究氣候變化對其的影響[6];后來，在草地、森林、經濟作物、糧食作物等一系列領域出現了各種不同的作物生長模型，具有代表性的是CERES（crop environment resource synthesis，作物環境資源綜合系統）和GOSSYM（gossypium simulation model）模型，這些模型開始模擬分析作物發育期的氣候變化對其的作用，更注重模型的實用性[7]。

20世紀90年代末期，我國研究學者開始借鑒國外先進作物生長模型的分析思路，先后建立了RICEMOD（rice computer simulation model ）水稻模型和COTGRO（cotton organ technology relationship）棉花模型，嘗試對水稻、小麥等主要糧食作物自然生長過程中所受到的氣候變化影響進行模擬，并且取得了一些前期的研究成果[8]。后來，研究者在對比分析世界上不同的農作物模型之后，結合我國農作物的實際生長特點，建立了作物計算機模擬優化決策系統CCSODS（crop computer simulation，optimization，decision making system）。此系統可以在不同的氣候環境、不同的區域、不同的作物生長條件下模擬分析出農作物任何品種的最優種植方案[9]。

農作物模型可以模擬作物生長的土壤養分、生長階段、溫度、濕度等具體條件，還原作物生長的客觀真實環境，但是會忽略外部社會環境等因素，這是國內外作物模型共有的缺陷。

1.2 社會科學角度

1.2.1 關于統計分析方法的研究 早期的統計分析多釆用回歸統計方法建立氣候產量模型或氣候生產力計算模型，進而分析氣候波動與作物產量或氣候生產力之間的數量關系。張全武等在研究寧夏灌區水稻不同年份產量差異化的原因時，運用統計回歸模型分析不同年份水稻產量與溫度之間的相關性，認為氣溫是導致寧夏灌區水稻產量呈現年份差異性變化的主要因素，并且在每年的7月中旬至下旬影響程度最高[10];王馥堂將中國糧食生產近60年的產量、種植面積等相關資料進行了統計分析，結果顯示氣溫變化與降水量變化是影響糧食產量波動的關鍵氣候因素[11]。

后期的統計分析通過假定未來氣候因素存在變幅，然后借助某些農業氣候指標或利用早期模型進行氣候變化對糧食產量影響的估算。鄭大瑋等以我國的小麥生產為研究案例，運用積分回歸模型對氣溫與降水量變化進行綜合模擬，確定了氣候變化對小麥生產的影響模式[12]。高素華等搜集華南、華北、東北、長江中下游、青海等幾個區域1982—1989年糧食生產與氣候變化等的相關資料，采用逐步回歸模擬的方法計算了上述幾個區域糧食產量的變化趨勢[13]。在此基礎上，分離出不同區域糧食的氣候產量，以進一步分析氣候變化對糧食產量變化的具體影響。他們的研究結果都表明氣候變化對糧食產量的確產生了重要影響，但是其影響程度由于統計回歸模型自身的缺陷而無法準確估計。

1.2.2 關于生產函數模型的研究 最早將農業氣候研究與經濟研究聯系起來的是丑潔明等將溫度、降水量等氣候變量融入到生產函數中，構建了所謂的新經濟-氣候模型，并將其與傳統的C-D生產函數模型進行比較。對比發現，新經濟-氣候模型的模擬結果要比傳統的生產函數模型更精確，同時也驗證了在每年的4—6月降水量確實對糧食產量產生了重大影響[14]。

崔靜等以水稻、玉米、小麥為研究對象，也利用經濟-氣候模型分析1976—2009年主要糧食作物產量變化的狀況。研究表明，氣候因子對糧食產量的影響存在明顯的區域差異性特點，即北方的糧食產量由于氣候變化而增加，但南方的糧食產量變化則剛好與北方相反;此外，還發現不同的氣候因子對不同品種糧食的產量影響也不相同，具體表現為氣溫升高將降低早稻與玉米產量;降水量增加則不利于小麥生產;平均日照時數延長將導致玉米減產[15]。

1.2.3 關于其他經濟模型的研究 統計分析與生產函數模型都沒有考慮農戶對氣候變化的適應性行為這一影響因子，這將在很大程度上降低模型構建的合理性。所以，Seo等選用邏輯回歸（Logistic）模型分析拉丁美洲農戶在氣候變化影響下的生產行為，結果表明在溫度不斷上升的條件下，農戶更加愿意種植喜熱類農作物，比如水果和蔬菜，而將放棄種植不利于在高溫環境中生長的馬鈴薯、小麥等農作物[16]。

還有學者運用Ricardian（李嘉圖）模型分析農業生產活動受氣候變化的影響程度，他們認為Ricardian模型相比生產函數模型而言精確度更高，因為這種模型將農戶對氣候變化的反應行為作為主要的影響因子，有效規避了模型的有偏估計問題。Ricardian模型出現后受到各國學者的青睞，在全球范圍內掀起了Ricardian模型的研究熱潮。但是，Ricardian模型的運用過程中也存在著一些不可忽略的缺陷，比如對樣本容量要求比較高，前提假設條件比較多并在現實環境中很難滿足等，所以，Ricardian模型的使用范圍比較有限[17]。

1.3 氣候變化對農業生產影響小結

就研究角度而言，目前國內外關于氣候變化對農業生產影響的研究，主要還是從自然科學角度進行的，通過社會科學角度進行研究所取得的成果相對比較少;尤其是在國內，通過經濟社會角度研究氣候變化對農業生產的影響才剛剛嶄露頭角，少數研究成果也都是經濟領域中的定性分析研究，經濟計量模型研究成果就更加彌足珍貴了。就研究方法而言，關于氣候變化對農作物產量影響的研究主要是通過觀測試驗和模型模擬2種方法完成的。動態數值模擬研究主要考慮農作物生長機理，并沒有考慮其他影響農作物生長的因素，這不符合當今社會經濟現實狀況，因此其研究結果并不精確。

2 氣候變化對水稻生產影響的研究

2.1 氣候變化對水稻產量的影響

2.1.1 關于氣候變化對水稻實際產量影響的研究 在國外，較早開展氣候變化對水稻產量影響分析的是國際水稻研究所，他們利用1978—2004年的氣象和糧食生產資料，分別研究日最高氣溫、日最低氣溫以及日氣溫差對水稻產量的作用。研究發現，日最低氣溫升高在很大程度上降低水稻產量，并且實證分析出水稻產量的氣溫彈性系數是-0.1，但日最高氣溫變化對水稻產量的影響并不明確[18]。

有學者對全球范圍內1962—2004年間氣溫變化與水稻產量之間的關系進行了系統研究，認為最高氣溫升高對大多數國家水稻產量產生抑制作用，將使水稻減產0.2%，日氣溫差的變化將對水稻產量產生負向影響[19]。隨后，學者們以印度為研究對象分析得出了與之前不太一致的結論。他們認為印度1978—2008年水稻產量與最高溫度呈負相關，并且最高溫度每升高1 ℃，水稻產量降低10.4%，與最低溫度的相關性并不顯著[20]。

在國內，林而達等最早使用CERES-Wheat（crop environment resource synthesis- Wheat） 和CERES-Maize（crop environment resource synthesis- Maize）模型以及荷蘭的ORYZA 水稻模型模擬氣候變化對水稻生產的影響，結果表明水稻減產幅度在4.7%～11.5%。周文魁借鑒前人研究的經驗，選取華東、華北、西北、西南、中南5個地區作為研究對象，分析得出在1959—2007年間氣溫變化對水稻產量影響最嚴重的是西北地區，影響最小的是西南地區，還計算出水稻產量的氣溫彈性系數，按研究區域排序依次為-2.5%、-2.3%、-3.2%、-1.6%、-2.6%[21]。朱紅根將我國南方地區作為唯一的研究對象，利用加入了氣候因子的生產函數模型作為分析工具，提高了模型研究假設的合理性和模擬結果的精確性，研究結果表明氣溫變化與水稻產量呈顯著的負相關關系，并且平均溫度上升1 ℃，將導致水稻產量下降2.61%～3.57%[22]。

2.1.2 關于氣候變化對水稻預期產量影響及產量變化趨勢的研究 國外許多學者早期都是利用大氣情景模擬模式對水稻的氣候產量進行預測分析。Krajewska等利用3種大氣環流模式的氣候數據對亞洲、拉丁美洲與非洲水稻產量的變化進行評價[23];Parry等則預測分析全球范圍內2072—2101年水稻在4種HadCM2情景與一種HadCM3情景下產量的變化狀況，但并沒有得出實質性的結論[24]。Sheehy等運用模型預測氣候變化對水稻產量的影響，表明最低氣溫每升高1 ℃，水稻將減產14.7%，日平均氣溫升高1 ℃，水稻將減產6.2%[25]。

我國的學者們近些年也開始模擬預測水稻產量的變化趨勢。石春林等最早利用GISST 模式與作物模型相結合，模擬分析長江中下游地區未來60年水稻產量的變化情況，得出了水稻將來會減產的結論[26]。張建平等則將研究范圍限定在我國南方地區，選用BCC-T63情景模擬模式，并且將其與定量計算模型相結合，分析認為我國南方地區水稻在氣候變化的作用下將呈現出減產的趨勢，且早稻的減產幅度要略高于晚稻的減產幅度[27]。熊偉等綜合前人的研究結論，組合了HadCM2（Had circulation models2）和ECHAM4（examined in a coupled atmosphere-ocean general circulation model）的4種氣候變化情景，得出了與前人基本一致的結論，即我國水稻產量在未來氣候變化情境下將出現下降的趨勢，并且下降的趨勢存在區域差異性的特征，下降的程度隨著時間的推移而不斷加深[28]。

2.2 氣候變化對水稻種植布局的影響

2.2.1 關于氣候變化對水稻種植面積影響的研究 Reyenga等在對澳大利亞水稻種植面積的變化情況進行分析時，選用APSIM作物模擬模型作為量化工具，研究發現未來氣候變化將使澳大利亞水稻種植面積增加約25萬hm2，種植區域將由南向北移動[29]。鄭小華等通過GIS地理數量分析方法對陜西省近45年的氣候與水稻產量變化資料進行了綜合分析，表明冬季氣溫變化對陜西省水稻種植面積的影響要大于夏季氣溫變化，總體而言水稻種植界限在氣溫升高的條件下將北移[30]。還有學者專門研究黑龍江省水稻種植面積與氣候變化的關系，所得到的結論基本上與國內外其他學者的觀點不謀而合，即水稻種植面積的增加主要是氣溫升高的結果。

2.2.2 關于氣候變化對水稻種植時間影響的研究 部分學者首先對東北地區不同時期水稻生長期進行了比較分析，表明隨著氣溫不斷升高，水稻生育期明顯有所延長。具體數據顯示，東北地區水稻播種期相比過去提前了4.1 d，而收獲期卻延遲了2.1 d。但是，曾凱等對長江中下游地區水稻生育期變動趨勢進行分析，所得的結果剛好相反。他們認為在氣溫升高的前提下，水稻生產的開花期、抽穗期、乳熟期、灌漿期不但不會延長反而會大大縮短，整體來說水稻平均生育期將會縮短7 d[31]。

雷秋良等通過對近40年水稻生育期數據的綜合整理，發現氣候變化對水稻生長期的影響呈現出階段性特點，水稻從播種到移栽的時間長度在氣溫升高的作用下會縮短，但水稻從移栽到開花、抽穗的時間長度則會在氣候變化的影響下明顯延長[32]。因此，水稻生長期變化趨勢在氣候變化的影響下表現得并不顯著。

2.2.3 關于氣候變化對水稻種植制度影響的研究 趙錦等通過分析中國南方地區氣候變化對水稻種植制度界限的影響，與1981年以前對比發現，南方一年一熟和一年二熟地區界限變化不明顯，但面積有所縮小，而一年三熟地區面積擴大，且氣候變化使得南方地區多熟種植界限向北和向西推進[33]。

金之慶等利用相似分析方法對我國華中地區水稻種植界限的變化情況進行模擬分析，結果表明在未來氣候情景下到2020年華中地區水稻種植區域將會向武漢-鄭州-成都一線移動[34]。郝志新等以東北地區遼寧省為例分析氣候變化對水稻種植制度的影響，得出了比前人更新且更為精確的結論。他們認為導致水稻種植界限移動的氣候因子不僅有氣溫的變化還有降水量的變動，氣溫升高與降水量增加將共同導致水稻種植界限北移[35-36]。

2.3 氣候變化對水稻單產的影響

2.3.1 關于氣候變化對水稻單產水平影響的研究 江敏運用CERES-Rice模型預測模擬分析氣候變化對水稻單產的影響，結果發現到2030—2050年福建省水稻生長期在氣候變化影響下會有所縮短，并且水稻單產水平會降低，然而這一結論卻并不適用于東北區域，在她的研究中也證實了東北地區水稻單產的提升主要得益于氣溫上升[37]。熊偉等在不同的氣候變化情境下，利用農作物模擬模型，對我國水稻、玉米、小麥等主要糧食作物未來的產量狀況進行預測分析，結果表明，如果考慮到氣溫升高的情況，到2030年、2040年、2070年3個不同時間段，3種主要糧食作物的單產水平都會上升，但是如果不考慮氣溫升高的情形，3種主要糧食作物單產的水平將呈現下降的趨勢[38]。

2.3.2 關于氣候變化對水稻單產水平影響存在分歧的研究 氣候變化對水稻單產水平影響不一致的爭論主要集中在東北區域。李秀芬等通過對過去70年黑龍江省水稻生產數據與氣候數據的統計回歸分析，認為氣候變化對黑龍江省水稻單產水平的變化是不利的，且氣溫與水稻單產水平兩者之間呈負相關關系。并且研究還發現氣溫的升高同時也大大提高了干旱與病蟲害的發生頻率，這在一定程度上又將減少水稻產量[39]。而方修琦等在黑龍江省水稻大面積產區內，選用1965—2007年水稻單產數據，再結合30個地方氣象站點的氣溫與降水數據，通過構建空間面板數據模型，精確計算出氣候變化對水稻單產的作用程度，結果說明過去幾十年氣溫升高有利于黑龍江省水稻單產水平的提高，并且其幅度達到3%左右[40]。

2.4 氣候變化對水稻生產影響小結

氣候變化不僅影響水稻的實際產量，還對水稻生產的預期產量以及未來產量的變化趨勢產生影響，并且氣候變化對水稻產量的影響存在階段差異性，即對早稻產量與晚稻產量的影響不同。研究還發現導致水稻產量變化的關鍵氣候因素是溫度與降水量。氣候變化對水稻種植布局的影響是通過水稻種植面積、種植時間、種植制度3個方面表現的。研究表明氣溫升高對南半球水稻種植面積的影響比北半球的影響更嚴重，從而導致在全球范圍內水稻種植界限由南向北移動，并且氣候變化對水稻種植制度的影響也存在區域差異性。氣候變化對水稻單產水平及變化趨勢都產生影響，但是其影響方向與影響程度存在著分歧。總體而言，研究表明氣候變化對水稻單產的影響呈現出區域差異性，并且即使是同一區域也會存在時間差異性。