气候变化对作物生产潜力的影响研究进展

张耀耀 刘建刚 杨萌 褚庆全

摘  要：作物生产潜力的研究对提高作物产量、评价地区粮食的生产能力和人口承载能力，以及为合理进行农业生产规划提供依据。气候变化（包括温度、降水、日照时数等）和极端天气（如干旱、洪涝和暴风雨等）已经对农业产生了深刻的影响。综述了目前国内外气候变化对作物生产潜力的影响的研究方法，以及气候变化对中国小麦、水稻、玉米等主要粮食作物的生产潜力的影响，分析了目前研究中存在的问题与展望，以期为提高中国主要粮食作物的生产潜力和适应气候变化提供理论依据。

关键词：作物生产潜力;气候变暖;研究方法;影响

中图分类号：S3    文献标志码：A    论文编号：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

气候变化已经成为全球公认的环境问题，气候变化及其对经济、环境和社会发展的影响是当前人类面临的严峻挑战，尤其是近10多年来全球范围的气候异常给许多国家的粮食生产、资源和环境带来了深刻影响[1-2]。农业对天气和气候变化是非常敏感的，包括温度、降水、光照和极端天气（如干旱、洪涝和暴风雨等）。有研究表明，温度增加扩大了作物生长区域范围[3]、延长了作物生长季[4]、缩短了作物生育期[5-6]、调整了种植结构和作物种植熟制[7]。但不同地区作物对气候变化的响应是不同的，如冬小麦生长季内增温1℃，其生育期在欧洲延长约10天;在日本中部延长约8天[8]，而在中国华北地区缩短约4天[5]。全球气候变暖背景下，中国东北地区水稻种植面积明显增加，玉米的早熟品种将逐渐被中、晚熟品种取代;西北地区负积温减少，喜温作物的种植面积扩大，越冬作物种植界限北移西扩;华北地区喜温作物生育期延长，种植区域逐渐扩大[9]。这些变化为作物种植结构调整提供了机遇，可能提高单位面积作物生产能力、增加农作物种植面积的潜力[10]，但会使原有作物发育进程加快，生育期缩短，光合作用受阻，呼吸消耗加大，导致主要粮食作物产量下降[11]。因此，气候变化对不同地区作物生产潜力的影响不同，即使在同一地区气候变化对不同作物的生产潜力影响差异也很大。光、热、水资源的变化会直接影响作物的生产潜力，理论上作物生产潜力与温度、日照时数呈正相关;与降水关系复杂，在缺水地区呈正相关，在水分充足地区降水过多可能会引起负作用。因此在诸多气候变化产生的不利影响中，其对农业的影响被认为是最重要的[12]，尤其是在那些以农业为根本、高度依赖农业的发展中国家[13]。

国内外许多专家学者研究和探讨了气候变化对作物生育期、产量和粮食安全的影响[14-15]，也有学者分析了作物生产潜力时空间变异评价以及气候变化对作物生产潜力、产量差的影响[16]，但关于气候变化对作物生产潜力影响的综述还较少。气候变化通过改变作物生长发育进程中光、温、水的匹配状况，对农作物的生产潜力将会产生巨大影响。因此，整理前人的研究方法和成果，综述气候变化对中国主要粮食作物生产潜力的影响，以及研究气候变化对作物生产潜力的影响的方法、问题与展望，为进行农业结构调整、解决粮食自给问题和制定农业发展长期规划提供重要的理论依据。

1  气候变化对作物生产潜力的影响的研究方法

关于气候变化对农业的影响，目前国内外的研究方法主要集中在模型模拟和观测实验影响2个方面[17]。模型模拟方法包括统计分析（回归模型）和作物生长模型模拟。观测实验方法主要用于研究气象因子变化对作物生理生态、形态结构及化学组成等方面的影响，分为田间试验和温室/人工气候室实验2种方法。

1.1  实验室模拟方法

关于CO2浓度升高对作物生长发育的影响多采用田间试验或顶部开放温室，通过人为控制CO2浓度来研究其对作物的影响。Leadley[18]率先论证了开顶式气室（OTC）在观测试验研究方面的可行性，徐玲等[19]利用这一装置研究表明CO2浓度增加有利于春小麦增产。借助各种实验模拟装置和监测技术，可在人工模拟CO2浓度增加的大气环境中对作物生长发育、生理生态及形态结构的动态变化进行研究，分析作物对CO2倍增的反应机理等。但在这种人工控制性试验中温室内的温度、湿度等微气候条件与自然条件差异较大，观测到的作物对CO2浓度变化的响应结果与自然条件下作物对CO2浓度的响应结果不尽相同[20]。因此，FACE方法和设施应运而生[21]，即在田间设置一定面积的FACE处理圈，直接输入高浓度CO2来进行研究。FACE方法是在自然状态下研究作物对CO2浓度的响应的理想方法之一，其不足之处是不能同时模拟CO2引起的升温。直接实验模拟可以获取许多重要数据，用来评价因果关系或检验假设等，是一种重要的研究方法。但鉴于时空尺度变化和气候变化对作物影响的复杂性，该方法存在很大的局限性。

1.2  作物生长模型模拟方法

作物生长模拟模型理论性强、机理明确，不受时空间、品种和栽培技术差异等的限制，因而在资源生产潜力评价中应用广泛。目前已经有至少100种不同的模拟模型，应用较为广泛的有DSSAT模型、WOFOST、APSIM模型以及EPIC等[22]。利用作物生长模拟模型进行作物生产潜力研究，一方面可以计算不同情景下的潜力产量，如光温生产潜力、气候生产潜力、灌溉条件下的气候生产潜力、光温水肥生产潜力等;另一方面，可以通过作物模型估算环境因素（土壤、天气）、生物因素（品种）和技术因素（耕作方式、种植密度、施肥和灌溉等）对作物生长发育和产量的影响。Verdoodt等[23]模拟南非干旱地区作物的光温生产力、水分限制下的生产力和自然生产力，得出光照、温度是不同生产系统的重要影响因子，但最大生产潜力往往取决于降雨量，因此干旱可能会使作物生产系统变得非常不稳定，进而影响产量。国际半干旱研究所（ICRISAT）利用Cropinfo模型对印度尼西亚地区小麦、水稻、棉花以及油菜产量潜力及产量差进行了研究。

作物生长模拟模型的优点是能对任意地点（土壤、气候）作物产量潜力进行预测，综合考虑作物生长过程中的各种影响因素，缺点是需要收集大量数据进行品种特性参数校正，包括气象数据、土壤数据及作物管理数据等。另外，作物生长模型的开发是以假设单位区域面积内环境条件在水平方向上一致为前提的[24]，因此更适用于小面积的作物生产潜力估算[25]。20世纪80年代以来，大气环流模型（GCM）和作物模型相结合成为评价气候变化对农业生产影响的最基本方法，如Moriondo等[26]用区域环流模型（RCM）评估极端气候对冬季和夏季地中海农作物的影响，得出近年来极端气候的变化频率和强度的增加，对作物产量、潜在产量以及整个农业生产都产生不同程度的消极影响。之后的大多数研究中，作物模拟模型开始与作物估产区划、空间数据库及空间信息技术相结合[27]，主要包括2个方面：一是模拟模型与GIS结合，系统的模拟结果全部可用GIS地图来表示;二是模拟模型与INTERNET技术结合。

1.3  经验-统计分析

这是一类建立在气候与作物之间的非动态的经验-统计关系基础上的数学模型。一方面，为研究未来气候变化对作物生长、发育和产量潜力的影响，需以当前和未来的气候、环境及社会经济为基准，构建未来气候情景：第1种方式是综合构想，即统一假定未来增暖或降水变化趋势，但只适用于范围较小的区域性研究;第2种方式为（时空间）相似构想，主要是通过历史相似或类比法获得;第3种方式是大气环流模式构想。这是目前模拟全球气候变化过程最可信的方法，但鉴于模式有很多不确定的地方，各类模式间模拟/预测的结果差别很大，因此根据其结果所作的影响评价差别也很大，可比性较差[28]。另一方面，气候变化对作物生长、发育和产量潜力影响具有一定的复杂性，经常需要同时分析多种变量因子与相应的数据，主要通过模型模拟来研究，包括经验统计分析和动态模拟方法。研究气候变化和产量的关系，通常采用回归分析、主成分分析、判别分析、方差分析和周期分析中一种或多种组合[29]。如根据年平均温度和降水量建立的Miami模型和改进了的Thornthwait模型;半经验半理论模型，如Chikugo模型。利用气温和降水变化与作物生产潜力的关系式，可对气温、降水变化对作物生产潜力的影响作定量评估[30-31]。

2  气候变化对中国主要粮食作物生产潜力的影响

2.1  气候变化对冬小麦生产潜力的影响

过去40年的气候变化对中国南北麦区影响截然不同。北方麦区冬小麦的生长发育及产量形成经常受到低温冻害的影响，所以气候变暖、气温升高可能对这些地区的冬小麦产生有利影响;但对于南方地区，气候变暖很可能在短时间内使气温超过冬小麦生长的最适范围，冬小麦生育期缩短，影响干物质积累时间，致使潜在产量下降。有研究表明，在作物品种、耕作措施、土壤特性不变的条件下，中国南方麦区模拟的1961—2005年冬小麦光温潜在产量呈下降趋势，下降幅度为54.1 kg/（hm2·10a）;北方麦区大部光温潜在产量增加，但总体也呈略下降趋势，下降幅度为11.1 kg/（hm2·10a）。虽然冬小麦生育期内降雨量明显减少，但春季降雨量没有明显的减少趋势，因此降雨量变化对北方冬小麦产量潜力影响不大，1952—2005年中国北方冬小麦气候生产潜力变化趋势与光温潜在产量变化趋势基本一致[32]。由于总辐射的下降以及积温增加使得冬小麦生长季缩短，1961—2007年华北地区冬小麦潜在产量总体呈下降趋势，河北下降趋势最明显，河南次之，山东的德州、惠民和临沂等极少数站点呈上升趋势，每10年下降175.0 kg/hm2[33]。还有研究表明华北地区不同年代冬小麦不同品种的光温生产潜力均呈显著下降趋势，当前品种的下降幅度较高;不同年代冬小麦不同品种的雨养产量均呈不显著增加趋势[32]。同时，日照时数减少也会对冬小麦光温潜在产量产生影响，全国大部分麦区日照时数缩短会对冬小麦生长发育及产量形成产生不利影响[34]。总体而言，冬小麦的潜在产量是温度、降雨和日照时数等因子综合作用的结果，近50年气候变化对华东、华中和华南区域小麦总生产潜力都产生负面影响，而对东北和西南小麦总生产潜力都产生正面影响[9，35]。

2.2  气候变化对中国水稻生产潜力的影响

温度升高对水稻产量的影响存在显著的地区差异，温度升高对东北、西北地区水稻生产的影响最大，其次是中南地区，再次是华东和华北地区，对西南地区的影响最小。东北地区水稻生长期内光、热、水资源同步，且昼夜温差较大，水稻种植面积明显北扩[36];虽然水稻生育期缩短，但光温潜在产量呈增加趋势，这是由水稻生长季内≥10℃积温逐渐增加造成的，但这种增加趋势主要发生在20世纪90年代末以后;虽然东北地区水稻生育期内降雨量呈减少趋势，但气候生产潜力由于受自然降水的影响较小，仍旧呈明显增加的趋势[37]。在南方稻区，单季稻的产量略增，主要得益于CO2的增益效应;但华中和华南地区的双季稻（特别是早稻）将大幅度减产，原因是温度升高缩短了水稻生育期和光合时间、增加了呼吸消耗，同时对水稻抽穗扬花和籽粒灌浆不利，这些负效应明显超过了CO2的增益效应[38]。石全红等[39]研究表明，自1980年以来南方稻区早稻光温生产潜力均呈不同程度的增加趋势，其中安徽、浙江、福建、江西增幅最为明显，而湖北、湖南2省增幅较小;气候变化对南方稻区水稻光温生产潜力的负面影响主要体现在对一季中稻和晚稻的影响，影响的主要区域有东南部的浙江、江西、福建3省以及西北部的湖北、河南两省。胡清宇[40]指出，江淮地区近30年水稻光温生产潜力呈线性下降的趋势，递减速率为每年24 kg/hm2。另外，极端性天气/气候导致长江中下游稻区（夏季极端高温）和东北稻区（夏季极端低温）产量波动性加大[41]，光照日数和有效辐射强度降低也是水稻减产的普遍因素[42]。

2.3  气候变化对中国玉米生产潜力的影响

气候变化对中国玉米生产的影响因不同产区而异。温度升高和作物生长季延长对部分高纬度地区、高海拔地区（尤其是黑龙江省）的玉米生产总体呈有利影响，但是对其他玉米主产区的影响总体上仍以减产为主。钟新科等[43]指出，近30年来中国春玉米气候生产潜力倾向率为-887～1689 kg/（hm2·5a），东北地区西部、黄淮海地区北部及黄土高原部分地区的气候生产潜力呈减少趋势，黄淮海平原南部及南方大部分地区呈增加趋势;夏玉米气候生产潜力倾向率为-589～1768 kg/（hm2·5a），除黄淮海平原北部呈减少趋势外，其他地区夏玉米气候生产潜力呈增加趋势。陈长青等[44]报道，在气温不断升高的情形下，1971—2007年东北地区春玉米的光温生产潜力呈增加趋势，但由于各地区降水的差异，东北地区春玉米的气候生产潜力在各地区间变化差异较大，相对于20世纪70年代，21世纪以来南部地区气候生产潜力降低，而中部地区增加。黑龙江省玉米光温生产潜力伴随着温度的升高，表现为增加趋势，每年增长52.675 kg/hm2;气候生产潜力则随着降水量的减少而呈减少趋势，每年减少45.446 kg/hm2;气候生产潜力的减少则主要归因于有效降水量减少和作物需水量的增加[45]。张强等[46]研究表明，尽管整个黄土高原年平均温度呈升高趋势，但玉米生长期内的温度反而有所下降，因而玉米光温生产潜力呈下降趋势;受降水变化的影响，除陕西省外，其余地区年代间气候生产潜力均呈增加趋势。黄川容等[47]以黄淮海平原气象数据、土壤数据和作物数据为基础，应用WOFOST作物生长模型，得出黄淮海平原夏玉米光温潜力、气候潜力均呈现下降趋势。

3  未来气候条件下作物生产潜力的变化

关于未来气候变化对作物生产潜力的影响的研究，大多是在CO2浓度倍增的前提下模拟进行的。IPCC第4次评估报告认为，在世界范围的气候变暖背景下，各国农业生产都将出现大幅度波动，粮食供给的不稳定性明显增加。如果不考虑CO2的肥效作用，以中国现有的生产水平和保障条件，预计到2030年中国种植业产量可能减少5%～10%[48]，三大主要粮食作物均以减产为主（主要原因有温度升高、旱涝加剧、水资源短缺等）;到2071—2100年，中国冬小麦生产潜力将下降10%～30%，玉米和水稻生产潜力也将分别下降5%～10%和10%～20%[49]。郑国光等[50]也指出全球气候变暖将导致中国主要粮食作物生产潜力下降，如果不采取措施，到21世纪后半期，中国小麦、水稻和玉米等主要粮食作物的年产量下降幅度最多达37%。熊伟等[51]研究表明，如果不考虑CO2的肥效作用，未来中国小麦、水稻和玉米生产均以减产为主，灌溉可以部分地减少减产幅度，如果只考虑CO2的肥效作用，3种主要粮食作物的产量将以增产为主。

4  问题与展望

气候变化对作物生产潜力的影响存在一定的复杂性，目前尚有许多不确定的地方。当所有其他因素，如土壤肥力、土壤水分和杂草、病虫害能很好的控制时，天气和气候决定了作物的产量潜力。其影响因素不仅有温度和CO2，太阳辐射、降水、蒸发、温度、日较差、风等也对作物生产潜力有影响;其影响程度不仅与气象因素变化幅度、时空间分布有关，还与所在区域原气候条件及其农业生产水平相关。不同区域的土地利用、土壤类型和土壤特性有很大的差异，而且作物对生长条件的响应也是非线性的，因此作物对气候变化的响应在时空间分布不同，这将取决于区域、季节和作物类型，而且不同方法和模型之间统一性差、可比性差。目前关于气候变化对作物生产潜力的研究以站点观测和模型模拟为主，代表性不足，缺乏大面积多年连续的能代表区域特点的相关资料、数据，这种以点代面的方法造成潜力分析结果失真，应以多面多点的田间试验、模型模拟与宏观区域调查研究相结合的方法研究生产潜力。同时科学家应加强在气候变化减缓与适应方面的研究，开发极端气候事件的防御及防灾减灾技术，构建适应气候变化的技术体系，加强适应技术的集成与应用推广。中国地域广阔，种植类型、作物类型多种多样，气候变化对中国农业的影响是非常复杂的，且以负面影响为主。但作物产量的变化不仅与气候变化有关，在很大程度上取决于作物田间管理。因此应充分认识各气象因子的变化规律及其对作物生产潜力的影响，通过调整种植结构、选用适宜的品种和栽培管理等措施，趋利避害，提高作物的现实生产力。

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