气候变化对中国粮食生产的影响

陈源源

（天津商业大学公共管理学院，天津300134）

0 引言

大量观测事实表明，以气候变暖为主要标志的全球气候变化已经发生，并将继续到可预见的将来[1-2]。尽管关于大气温室气体升高与全球气候变化的关系及原因、气候变化的历史演变和未来趋势等方面的研究还存在诸多不确定性[3]，但确定的是气候变化已经深刻地影响了全球自然资源环境、社会经济发展和人类的健康生活[4]。农业是受气候变化影响最直接的脆弱行业，无论是粮食的生产和安全供应，还是农产品的品质和安全性，都会受到气候变化的强烈影响[5-7]，因此，气候变化对农业生产的影响研究一直是气候变化研究领域中的热点问题之一[8-9]。

作为农业大国，气候变化对中国农业生产，尤其是粮食生产的影响得到了各界学者的广泛关注。许多国内外学者和研究机构采用不同的方法就气候变化对中国粮食生产的影响进行了研究，并形成了诸多研究成果。但是，由于各研究的数据来源、模型方法、参数设定及研究尺度的不同，评估结果存在一定的争议，甚至出现相悖的结论。如Cline[10]在气候变化对农业影响的国别报告中指出，未来气候变化对中国粮食产量的影响可能是小幅度增产，而林而达等[11]则研究认为中国未来气候变化将导致粮食产量减产。为明确气候变化对中国粮食生产已经产生的影响以及未来可能产生的影响，进而为国家制定相应的减缓和适应政策提供参考，本文通过对21世纪以来百篇国内外相关高质量文献（中文核心及以上级别）的整合和梳理，总结讨论了1961年以来气候变化对中国不同地区粮食生产的影响方式和结果，以及未来至2050s和2100s气候变化对中国及不同地区粮食生产的可能影响。

1 1961 年以来气候变化对中国粮食生产的影响

1961—2010年，中国平均气温增高1.2℃，平均增温0.24℃/10 a，其中冬季升高0.4℃/10 a，明显高于夏季的0.1℃/10 a[12]，东北、华北地区升温明显高于其他地区明显[13]。总体的平均年降水量无明显线性变化趋势，但在相对湿润的长江中下游和东南地区呈增大趋势，在相对干燥的西南、东北和华北地区呈减少趋势，其中华北地区年平均降水量下降最为明显[14-16]。此外，日照时间、水面蒸发量等气候要素也呈显著减少趋势[14]。这些气候要素的变化通过多种途径影响了中国的粮食生产。

1.1 影响粮食作物的生长发育

作物的生长发育直接依赖于光、温、水、热等气候资源，因此对气候变化非常敏感。如果没有新的适应技术，气温升高会加快作物的生长发育，缩短其生育期。目前品种条件下，平均温度升高1℃，北方地区的水稻、小麦和玉米生育期分别缩短4～10天、26天、3～5天，南方水稻生育期缩短14～15天，全国水稻、小麦和玉米的生育期将分别平均缩短7～8天、17天、7天左右[17-18]。此外，作物生育期内气温上升还会影响玉米花粉受精、水稻有效分蘖等生长过程[19-20]。降水量变化也会对作物的生长发育产生显著影响，如北方降水量减少会加剧水资源短缺，再加上温度升高，地表蒸散能力加强，造成作物生理干旱[21]。而在南方地区，降水量增多会影响作物授粉结实率，不利于后期产量形成[22]。

气候变化对作物生长发育的影响将直接导致作物产量的变化。国内外学者基于历史数据，利用作物模型和数理统计模方法研究显示，1961年以来的气候变化对中国粮食产量的影响有正有负，但总体呈负效应。各气候要素中，气温升高对粮食产量的负影响最为显著。1961—2010年间，因气温升高，中国冬小麦、玉米和双季稻单产分别减少5.8%、3.4%和1.9%[15]，小麦、玉米总产量平均每10年分别减少1.2亿kg、21.2亿kg[23]。此外，气温升高使气温日较差降低，不利于干物质积累，造成减产。有研究估计，日较差降低使中国单季稻和双季稻分别减产3%和2%[24]。相对于气温升高，年均降水量变化对作物产量的影响相对较小[15,24]。1961年以来，年降水量变化对中国玉米和双季稻的平均单产影响不明显，对小麦单产有轻微影响，使单产减少0.2%[25]。此外，日照时数减少也对中国粮食作物单产水平产生了一定的负面影响[26-27]。

气候变化对中国粮食作物生长发育和产量的影响存在明显的区域差异。在纬度高、气温低的东北地区，热量资源的增加使作物适宜生育期延长，光合效率增高，促进干物质积累，从而提高了作物产量，多数研究均表明气温升高对该地区水稻、玉米、小麦和大豆产量的提高呈正效应[23,28-30]。在华北平原，随着气温升高，冬小麦播种时间推迟、返青时间提前，作物生育期缩短，同时日照减少降低了作物净光合速率、灌浆速率和同化物积累，加上降水量减少加剧了区域水资源紧张，气候变化对该地区冬小麦和夏玉米单产的影响总体呈负效应[31-35]。在南方水稻种植区，1961年以来平均气温升高了1℃，气温升高导致水稻生育期缩短和有效分蘖减少，加上太阳辐射降低使光合效率下降，气候变化对水稻产量多为负面影响[36-38]。在西南地区，有关研究显示，1961年以来春玉米、冬小麦气候生产力均下降，其中气温升高和辐射降低的贡献率最大，降水减少的贡献率较小[39-40]。在西北干旱绿洲区，1961年以来平均气温升高了0.95℃，改善了区域热量条件，使春玉米播期提前，生长季延长，生产力提高，产量估计可提高10%～20%[41]。在黄土高原雨养旱作区，过去50年降水减少，使0～200 cm土壤总贮水量减少，土壤干旱加重，加上升温的影响，春玉米生育期缩短6～8天，气候产量减少10%～20%[42]。

1.2 引起作物种植结构改变

除了直接作用于作物本身，气候变化也会改变区域水循环和温度环境，进而引起作物种植结构、分布和熟制的变化，影响作物种植面积和产量[43-44]。1961年以来，随着气候变暖，东北地区不同熟性春玉米的种植北界均表现出明显的北移东扩趋势[45]。和1961—1980年相比，1981—2010年春玉米的可能种植面积增加了387万hm2[46]。水稻种植区也向北部扩张，1981年以来种植面积增长了近4.5倍[47]。此外，相对于1980年代初，冬小麦在华北地区的种植北界和最适宜北界都发生了明显的北移西扩[31,48]，种植面积增加了2.49%[49]。而在西北地区的甘肃省，其种植北界则向北扩展了50k～100 km，西伸也比较明显，种植面积扩大10%～20%左右[50]。

伴随气温升高，作物种植熟制也出现改变。1961年以来，气候变暖使无霜期和≥10℃持续日数延长，积温增加，导致中国多地作物熟制发生变化：长江以北地区尤其是中高纬度地区二熟制和三熟制作物的种植面积扩大[22,51]；西北地区复种指数明显提高，作物品种的熟性总体上向偏晚熟型发展[41]；东北平原丘陵半湿润温良作物一熟区变化为一年两熟区，东北、西北低高原半干旱温凉作物一熟区改变为一年二熟区，作物生产潜力明显增加[52]。1981—2007年中国一年两熟制、一年三熟制的种植北界都较1950s—1980年有不同程度的北移[52-53]。模拟数据表明，在不考虑品种变化和社会经济因素的前提下，由一年一熟变成一年二熟，陕西、山西、河北、北京和辽宁等地区的粮食单产平均可增加54%～106%；由一年二熟变成一年三熟，湖南、湖北、安徽和浙江等地区的粮食单产平均可增加27%～58%[53]。

1.3 导致农业病虫害加剧

气象条件的变化还会影响农业病虫害的发生、发展和流行。在全球气候变化的背景下，温度升高导致害虫发育和病害提前，年繁殖代数增加，农田多次受害的几率增加，同时，气候变暖有利于多种病虫过冬，造成主要农作物病虫越冬基数增加、死亡率降低，危害加重[54]。雨湿条件往往是农作物病虫害流行的主导因子，降雨日偏多有利于部分病害发生程度增大和害虫迁入数量增加[55]。此外，对大多数细菌来说，日照时间减少，有利于病害的发生和流行[56]。

王丽、张蕾等[57-58]基于对全国农作物虫害、病害发生面积与气象因子的相关分析表明，平均气温每增加0.1℃，虫害发生面积增加960万hm2次，病害增加610万hm2次；平均降水强度每增加0.1 mm/d，虫害发生面积增加1060万hm2次，病害发生面积增加650万hm2次；年均日照时数每减少1 h，病害发生面积增加34万hm2次。1961—2010年，受气候变化及耕作制度变化等影响，中国农业病害和虫害的暴发种类逐年增加，每年有害生物的暴发由约10种增加至30种左右[54]。同时，农业病害和虫害发生面积分别增加了7.27倍和5.8倍，其中水稻、小麦和玉米的病害发生面积分别增加17.22、2.64、32.83倍，虫害发生面积分别增加7.10、2.4、7.35倍[15]。一般年景，农业病虫害会导致粮食减产10%～15%，但在病虫害暴发年份，损失则明显增大，如1990—1991年的小麦白粉病大流行，导致全国小麦损失14.38亿kg，局部地区减产30%～50%[54]。随着病虫害发生种类和范围的扩大，1949年以来生物灾害导致的粮食损失增加了4倍左右，其中在2006年，仅水稻、小麦、玉米和大豆的实际损失就达到了127.08亿kg[54]。

1.4 导致农业气象灾害频率和强度增加

除了导致病虫害加剧，气候变化也造成中国农业气象灾害发生频率和强度增加[59]。研究表明，全球气候变化将会导致厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)动态变化，而当ENSO事件处于活跃的发展阶段时，江淮流域夏季的降水量就会异常偏多，往往导致较大范围的洪涝灾害，而当ENSO活跃时，黄河流域和华北地区的降水量明显偏少，导致严重干旱[60]。2008年初南方遭遇严重的冰雪灾害、2009年初北方小麦集中产区发生极大干旱灾害、2010年初新疆内蒙等北方地区发生严重的雪灾冻害和西南地区持续干旱，很大程度上和气候变化导致中国大气环流产生季节性和区域性振荡有关[61]。随着气温升高，全国平均霜冻日数减少了10天左右，东北地区的寒潮、冷害发生频率和分布区域均呈减少趋势[62-64]。但在其他多数地区，气候变暖造成高温灾害发生频率增加。1961年以来，中国夏季高温热浪的频次、日数和强度总体增多、增强，其中华北北部和西部、西北中北部、华南中部、长江三角洲及四川盆地南部地区较为显著，局部地区极端最高气温创历史同期新高[65-67]。同时，中国半干旱、半湿润区干旱强度呈现增加趋势，干旱范围逐步扩大，频繁出现破记录的极端干旱事件，如2006年夏季四川、重庆地区出现了百年一遇的高温干旱，2009年春季北方冬麦区出现了50年一遇的干旱[68]。此外，气候变化引起不同地区极端降水事件频率发生变化，Fu等[69]的研究发现，在ENSO、东亚季风和全球气候变暖的驱动下，长江流域、东南沿海、华南、内蒙古、西北和青藏高原的极端降水事件呈增加趋势。

气象灾害发生频率和强度的增加导致中国粮食受灾面积和损失增加。1961—2010年，中国干旱受灾面积每年增加22万hm2，粮食平均年损失161.2亿kg，且损失量以5.4亿kg/a的速率增加[70]。其中2000—2002年，中国北方连续3年发生严重干旱，全国农作物受灾和成灾面积分别达0.41亿、0.27亿hm2，因旱灾损失粮食近600亿kg[71]。涝灾受灾面积也成扩大趋势，其中2010年华南、西南、东北和江淮等地区先后出现的多次大范围强降雨，洪涝灾害种类多，受灾程度重，造成全国1347.1万hm2农作物受灾，其中209万hm2绝收，因灾减产粮食342.1亿kg，减产幅度达到6%[72]。

2 未来50～100年气候变化对粮食产量的可能影响

根据第三次气候变化国家评估报告，到21世纪末，全国可能增温1.3～5.0℃，高于全球1～3.7℃的平均水平；全国降水增幅为2%～5%，北方降水可能增加5%～15%，华南地区降水变化不显著[73]。气温和降水变化将继续对中国粮食作物的生长发育和种植制度产生巨大影响[74-75]，从而直接影响粮食产量。同时，未来气候变化将使中国大部分地区农作物病虫害危害加重[54]，高温事件更加频繁和强烈[76]，东北地区更加干旱[77]，长江中下游地区和中南地区极端降水事件增多，洪水风险增大[78]，从而对粮食生产的稳定性和产量产生较大的不利影响。

许多学者采用气候模型与作物模型相嵌套定量模拟了中国未来不同气候变化情景对不同地区、不同粮食作物产量的影响，但由于所采用的模型及参数设定的不同，研究结果存在较大差异。如在国家层面，张建平等[79-82]采用气候模式BCC-T63与作物模式WOFOST相结合的方法研究表明，2100年东北地区中熟和晚熟玉米生育期预计分别缩短3.8天、1.4天，分别减产3.3%和2.7%，华北地区冬小麦生育期缩短8.4天，减产10.1%，南方双季早稻和晚稻生育期分别缩短4.9天、4.4天，分别减产3.6%和2.8%。陈帅、马玉平等[83-84]采用经济学方法同样研究表明，未来气温升高将对中国水稻、小麦和玉米产生较为明显的负面影响，水稻单产降低2%～16%、小麦单产降低3%～19%、玉米单产降低5%以内。还有许多学者分别模拟了考虑和不考虑CO2肥效作用情况下气候变化对粮食产量的影响，如Ye等[85]采用CERES作物模型模拟表明，考虑CO2肥效作用，2050年中国玉米单产增加4%～10%，小麦单产相对平稳，粮食作物平均单产在A2和B2气候情景下分别增加11%和4%。居辉等、熊伟等[86-87]采用CERESWheat模型模拟表明，不考虑CO2肥效作用，2070s全国小麦平均单产较1961—1990年平均值约减少20%，若考虑CO2肥效作用，小麦平均单产将提高3.5%左右。熊伟等[88]采用CERES-Maize模型也得出类似的结论，并表明CO2肥效作用对玉米产量的补偿作用达9%左右。此外，Tao等[89]模拟了全球平均气温提高1、2、3℃情景下的稻米单产变化，结果表明，不考虑CO2肥效作用，稻米单产将下降6.1%～40.2%，若考虑CO2肥效作用，单产变化为-19.3%～3.3%。总体来看，不考虑CO2肥效作用和其他适应措施，未来气候变化（主要是气温升高）很可能会导致中国不同粮食作物的生育期不同程度缩短，造成粮食单产和产量下降，且小麦的减产幅度可能高于水稻和玉米。CO2肥效作用可以明显减弱甚至超过气候变化对粮食产量造成的负面影响。

在地区层面，学者们主要关注的是气候变化对东北地区玉米和水稻、华北平原小麦和玉米和南方水稻产量的影响。米娜等[90]模拟指出，至2050年，东北地区平均地表温度将升高3.4～3.8℃，如果不考虑农业生产的适应措施，气候变化会导致东北多数地区的春玉米生育期缩短，产量下降9.5%左右，但李忠辉等[91-92]学者模拟认为2050年东北地区平均气温仅升高0.7～2.7℃，并会使水稻生长季延长，高产水稻种植面积扩大，冻害频率降低，再加上CO2肥效作用和太阳辐射的增加，总体会有利于东北地区水稻增产。在华北平原，Tao等、杨洵等[93-94]学者模拟表明，如果不考虑CO2肥效作用和相应的适应措施，到2050s和2010s，玉米和小麦的产量总体上会因气温升高、生育期缩短呈下降趋势，但也有学者认为气温升高虽然影响作物生长，但也会提高作物的水分利用效率，再加上降水增加及CO2肥效作用带来的正面效应，未来气候变化将会造成冬小麦产量增加[95-98]。对于南方水稻种植区，多个未来气候变化情景的模拟显示，2050s南方地区平均气温将增加1.3～4.7℃，即使考虑CO2肥效作用，其增产贡献也不足以抵消升温带来的负面影响，水稻产量会因气温升高、生育期缩短而下降，不同水稻类型的减产幅度具有一定区域差异，其中西南区水稻产量的负面影响最大，其次是华南区和华东区，影响最小的为华中区，总体减产3%～15%[36,80,99-100]。总的来看，不考虑CO2肥效作用及适应措施，未来气候变化将导致不同地区主要粮食作物的单产和产量下降。如果考虑CO2肥效作用，未来气候变化对东北地区的水稻和华北平原的小麦可能产生有利影响。但是对于南方地区的水稻，无论是否考虑CO2肥效作用，未来气候变化对其产量都很可能呈负效应。

3 结论与建议

3.1 结论

1961年以来，气候变化通过影响作物生长发育、引起种植分布和熟制改变、导致农业病虫害和气象灾害加剧等方式影响了中国的粮食作物单产、收获面积和总产量。影响结果正负共存，总体上呈负效应。各气候要素中，气温升高对作物产量的负效应最为显著。气候变化对粮食生产的影响存在较大的区域差异，在东北、西北绿洲等高纬度地区，气温升高改善了区域热量条件，延长了作物适宜生育期，且减少了寒潮、冷害的发生，粮食产量有增加趋势；在华北平原、南方稻区、西南地区和西北旱作区，气温升高缩短作物生育期，加上降水变化、病虫害和气象灾害的加剧，对区域的粮食产量多呈负效应。

至2050s—2010s，中国气温很可能继续升高，降水量呈增加趋势，且病虫害加重，南涝北旱的局面加剧。如果不考虑CO2肥效作用，未来气候变化很可能造成中国主要粮食作物产量减产，且小麦的减产幅度可能高于水稻和玉米，影响主要源于气温升高。考虑CO2肥效作用，气候变化的不利影响将会减弱，甚至可能对东北地区的水稻和华北平原的小麦生产产生有利影响。但无论是否考虑CO2肥效作用，未来气候变化对南方地区水稻产量的影响都很可能是不利的。

3.2 建议

适应未来气候变化，减轻其对粮食生产的影响，建议：（1）优选和培育具有抗病虫害、耐高温、节水等特性的作物品种，同时改善田间管理措施，提高水肥利用效率，充分发挥CO2的肥效作用。（2）根据不同地区的气候变化趋势，因地制宜地调整作物种植制度、作物布局和品种布局，规避气温升高带来的不利影响。如在东北地区扩大水稻种植、玉米改用中晚熟品种，华北平原推迟小麦播种期或增种冬性较弱的品种，南方稻区选用中、晚熟品种替代早、中熟品种等。（3）完善气象灾害监测预警机制，建立预报、监测和监控网络，同时加强农业基础设施建设，如华北平原建立节水型生产体系、南方地区加强蓄水行洪工程建设，增强抗旱、防洪、抵御极端气候事件的能力。