农业与气候变化的若干科学问题

潘根兴 张旭辉 李恋卿 陈效民 等

农业与气候变化的若干科学问题

潘根兴 张旭辉 李恋卿 陈效民 等

一、如何认识气候变化对农业的影响？

认识气候变化影响农业的特征是探索应对和适应的可能途径的科学基础。尽管有一些影响报道和影响的模型评估研究，但气候变化对农业的影响的具体机制对不同产业的影响特点和趋势仍然很不清楚。气候变化通过光温水的分配和分布的变化而直接影响作物的生长，但也可能通过这些条件的改变而改变了病虫害/杂草和其它生物的生存和发展以及演替，从而间接危害作物的生长或产量的形成；最近几年的气候变化，还常常表现出短期的突发性事件对某种作物/动物的不利影响，而严重影响生产能力，成为灾害性影响，而另一些气候变化，通常只表现为环境条件的趋势性变化，例如持续的降雨减少的干旱化，大气温度和CO2浓度的升高，造成了作物/动物生长发育和生活的环境条件的胁迫性影响，这些直接影响和间接影响,长期影响和短期影响,胁迫性影响与灾害性影响，这些影响是如何相互作用的，其综合影响在不同的产业和不同地区将表现出什么特点？哪些是技术能够应对，哪些是技术只能规避的？哪些只能合理减缓的？只有认识这些影响和清楚这些影响的严重性，我们才能做好因地制宜的应对。我们对于气候变化对农业的影响，至今还没有从对产量的终极影响走向这些交互作用影响的分析和评价，这是真正能够走向理性认识气候变化对农业影响的最为基础和最为关键的科学问题。但严重的是，因为这些问题目前还不能有完善的试验方案来研究，还不能有足够的时间来认识，而要得到气候变化对我国农业的影响的结论是十分局限和有风险的。

因此，实地的和长期的农业观察和试验是必不可缺少的，与模型研究不可或缺一样，农业生产系统的实地和长期的监测和试验是必须尽快完善和补充的。

二、如何认识气候变化对我国耕地农业和粮食安全的影响？作物生产潜力抑或资源有效潜力？两者孰重孰轻？

讨论气候变化对农业的影响，尤其是对耕地农业和粮食安全的影响，较多地关注气候变化下作物生产潜力的变化，但是如何动态地和相互影响地关注气候变化对整个国家的粮食生产能力而不是具体田块的生产能力，是一个估计气候变化对我国粮食安全长远影响的极为关键的问题。根据作物光合模型估计气候变化对作物生产的影响，是未考虑其它条件变化的影响。对于一个国家而言，气候变化对粮食作物生产力的影响和气候变化对能够生产粮食的耕地资源供应的影响，这两方面的影响的综合结果将决定气候变化下粮食安全的走势。而这方面的研究还很不够。例如，升温和CO2浓度增高提高作物生产潜力，温带地区作物生长温度适宜性提高；作物带北移和西移，这与我国经济发展中耕地重心位移较为符合；但是，农作物生长的光合潜力增强，需要更为充足的农业资源有效供给，特别是水资源，降水不匹配将严重制约本来不高的生产潜力，光合潜力增长地区降水减少，春旱、秋旱加剧，特别是气候变化强烈的东北、西北地区，尽管温度等趋势性变化可能利于生产，但土壤肥力和土壤墒情的下降反而可能产生更大的粮食生产减产风险。这些是已经有的模型研究还没有充分考虑的问题。另外，优质耕地资源日益紧缺，生产中心的西移和北移可能会加剧我国粮食生产的脆弱性，据国土资源部的估计，我国中低产田比例至今仍然居高不下，在1990年占71.3%；到2009年其比例还高达67.1%。特别是在南方，高产稳产稻田面积急剧下降，最近10年粮食播种面积东中部强烈下降，而西南-西北-东北面积扩大增大趋势，但是过去60年的统计证明，这些地区的产量对气候的影响一直十分脆弱，特别是湿润地区季节性干旱突出，气候变化下高生产力地区的生产潜力可能受到严重遏制。例如2010年西南大范围和长时期的持续干旱。因此，我们认为，气候变化下我国未来粮食生产将面临更大的不确定性。

因此，需要探讨气候变化对我国未来粮食生产及食物安全的决定性影响是来自农田生产过程还是来自气候变化下我国农业资源（耕地—水—土壤肥力资源）有效供应，两者孰重孰轻？如何通过保护和发展优质农业资源供应达到稳定农业生产系统或适应气候变化的对农业生产系统的影响？这些对中国这样气候变化呈明显区域分异，而农业资源分布存在严重区域不平衡的国家是至关重要的。

三、农业减缓气候变化与应对气候变化的关系，能否协同？

在适应和应对气候变化的影响中，我国同样需要面对的问题是农业减排。国家要实现40-45%的单位GDP减排。当前我国耕地农业的排放规模达到每年每公顷达到0.67±0.08tCE，较高于欧美国家，特别是肥料的碳排放，上个世纪90年代末以来是美国的2倍多。我国农业减排任重道远。因此，我们必须面对的挑战是：能否在减排中实现适应和应对气候变化？或者说农业减排是否会削弱或遏制适应和应对气候变化的影响？如何在生产系统实现减排，能否创新我们的农业减排技术和低碳农业系统，达到在适应和应对气候变化上减排？反之亦然。

首先，农业生产系统的减排，其最大潜力来自肥料的合理使用与减少单位产量的肥料投入。粮食生产中肥料碳排放成本不断加大，上个世纪90年代末以来近50TgC/yr，减排具有巨大空间。根据我们的研究，农业生产碳足迹中肥料占绝大部分；英国和中国氮肥碳成本分别占75%和66%；中国施肥碳成本：旱地，75-80%；稻田，约50%，通过养分定量配施或者配方施肥而减少施肥量减肥，可能是减排和适应气候变化达到和谐的重要方面。2005年我国氮肥施用量3000万吨，按照我国化肥生产的能耗，减1千万吨氮肥约减排60TgCE/yr。在这个方面，减肥与减排节本不谋而合，农业生产技术与减排技术的可能达到真实和谐。

在面对气候变化挑战中，农业科学面临的问题：如何实现低碳适应和低碳应对？农业与工业的不同是，生产过程的控制并不只是工艺的函数，生产过程的减排技术是否会影响生产的结果是需要认真研究的问题，我们对农业减排技术的野外试验进行了初步的分析，大约有60%的减排技术没有实现产量的提高，有30%的技术可能引起减产。因此，在农业上需要的是增产减排或至少是稳产减排技术，因此，如何减排和增产，是发展低碳农业并适应和应对气候变化的重要科学问题。

如何考虑投入减排—过程减排和增产减排等多种途径的减排来建立低碳农业体系是适应和应对气候变化中的至关重要的应用基础科学问题。

四、农业减缓与应对气候变化，农村经济发展/农民民生改善与农业经营现代化

无论是农业减排还是适应和应对，农业问题牵涉乡村地区的民生问题和乡村经济发展的问题，同时也可能农村产业化和经济系统的运行机制。一个突出的问题，中国农户经营机制在减排和适应上都是脆弱的，我们的研究估计，改变经营机制，散户改规模，可以增加农业减排潜力的30-40%。因此，适应和应对气候变化，可能不仅仅是科学技术的问题，经济政策与鼓励，碳补偿与津贴，优化运行和管理机制，都是在世界上影响农业适应和减排的外部机制和动力问题。只有解决这些问题，使适应农村和农民的吁求，农业减排和适应气候变化才能为乡村带来发展的动力和民生的福祉。在这方面，社会科学/经济科学和农业科学的多学科结合的实际研究，特别是案例研究，才是农业—气候变化研究真正解决问题的契机。