粮食生产系统对气候变化的响应: 敏感性与脆弱性

来源：SCI期刊网 分类：农业论文 时间：2022-01-08 10:56 热度：

摘 要：摘要 气候变暖延长了作物适宜生长季，缩短了实际生育期，改变了作物的种植界线; 在一些区域促进了产量增高，给作物品质带来负面影响，并改变了气象灾害与病虫害的规律，导致损失增加

　　摘要 气候变暖延长了作物适宜生长季，缩短了实际生育期，改变了作物的种植界线; 在一些区域促进了产量增高，给作物品质带来负面影响，并改变了气象灾害与病虫害的规律，导致损失增加。未来粮食生产系统对气候变化表现出较强的敏感性，如温度增高 1℃，冬小麦生育期日数平均缩短 17d 左右，水稻和玉米平均缩短 7 - 8 d，但地区之间存在差异。气候变化将威胁作物产量的稳定性，并影响作物品质。脆弱性主要是面对极端事件的影响，特别是在减小暴露度和提高适应能力两个方面，因为雨养农业的暴露度明显高于灌溉农业。为此，本文提出了相应的对策建议，以降低粮食生产系统对气候变化的脆弱性。一是加强对敏感性的评估能力建设，包括完善和改进各类评估指标体系和模型，创新和发展评估方法和工具; 结合实地观测和案例研究，科学评估气候变化的影响与敏感性，识别和降低研究中的不确定性; 提高人类对气候系统及其变化的认识，提高气候变化影响及相应领域敏感性的认识。二是加强粮食生产系统适应能力建设，包括对已有的农田基础设施进行改造，增强对气象灾害的防御能力; 通过调整农业生产结构，有计划地选用抗旱涝、抗高低温和抗病虫害等抗逆品种和新品种; 发展节水农业，加强推广旱作农业技术; 综合多学科的理论方法，进一步开展粮食生产系统与气候变化有关的影响和适应研究。三是加强自然和社会系统体系和功能建设，包括加强高新技术和适用技术的推广，加快科技创新和技术引进步伐; 通过立法、行政、财政税收等方式，积极推进农业保险，探索农业政策保险与商业保险相结合的风险分担机制; 通过调整经济结构、提高能源效率，增加粮食生产系统固碳减排能力，维护良好的生态环境。

　　关键词 气候变化; 粮食生产; 影响与适应; 敏感性; 脆弱性; 暴露度; 恢复力

　　一般认为，敏感性是指气候变化对系统的正负两方面影响程度，影响可以是直接的，也可以是间接的; 脆弱性是指系统易于遭受气候变化( 包括与气候变率和长期气候变化有关的极端事件) 不利影响的程度及其恢复能力，它随着系统所受到的气候变化的特征、幅度、快慢以及系统的敏感性和适应能力而改变，是系统对气候变化的敏感性和适应能力的综合体现[1]。粮食生产系统对气候变化的敏感性即粮食种植制度和布局、产量和品质等对气候情景的响应程度。在相同的气候情境下，响应的程度越大则敏感性越高。粮食生产系统对气候变化的脆弱性是指粮食生产容易受到气候变化的不利影响，且无法应付不利影响的程度水平，关注的是可能受到威胁和侵害的结果而非原因。由于中国幅员辽阔，气候差异显著，粮食生产系统对气候变化敏感性区域特征复杂而明显[2]。需要特别注意的是，农业种植和养殖在长期栽培和驯化过程中对气候变化的适应能力远远低于野生动植物，农作物和家畜家禽对气候要素变化更为敏感[3]。IPCC 第五次评估报告不仅进一步明确了人类活动对气候变化的影响，也更清晰地表述了气候变化对经济社会发展的影响[1]。种植业是气候变化最敏感的领域之一，气候变化引起了作物生育期、耕作制度等的改变，灾害发生频率和强度更加严重，给全球粮食生产系统和粮食安全带来风险和压力。保证农业可持续发展和粮食安全是应对气候变化的重要目标之一。

　　1 粮食生产系统对气候变化的响应

　　大量观测资料及研究成果表明，气候变化已经对作物生长发育、种植制度和产量品质都产生了不同程度的影响，利弊并存，但负面影响更多[4 - 6]。区域变暖延长了作物适宜生长季，温度升高加快了作物发育速度，缩短了实 际生育期，大部分作物表现为全生育期缩短[6 - 7]。30% 的农业气象站点观测到整个生育期( 播种到成熟) 和营养生长阶段( 播种到抽穗) 呈缩短趋势，水稻的移栽、抽穗和成熟期总体提前，随着温度升高，许多作物的种植界线向高纬度和高海拔移动[8 - 10]

　　作物产量已经对气候变化显示出较强的响应。1980 年代以来的气候变暖对东北地区粮食总产增加有明显的促进作用，但是对华北、西北和西南地区的粮食总产增加有一定抑制作用 [11 - 12]。由于生长季内积温增加，促进了作物产量提高[12]。1951 - 2002 年间全国粮食总产量每 10 年大约增长 3. 2 × 105 t，其中小麦、玉米表现出对气候变化的响应更显著[13 - 14]。但是雨养农业比灌溉农业更易于遭受极端事件的影响，并且水分供应难于与热量资源匹配，限制了增产潜力的实现[7]。气候变化通过生物胁迫和非生物胁迫，给作物品质带来一定的负面影响，包括改变碳含量和养分摄入量。CO2 浓度增高，谷物蛋白质含量呈下降趋势，其 中 小 麦、水 稻 等 降 低 10% - 14% ，大 豆 降 低 1. 5% 。与氮含量相同，矿物质含量也有相应程度的降低。极端气温和 CO2 的协同增加了水稻垩白度，降低水稻加工品质[14 - 15]。

　　气象灾害与病虫害也呈现出新的变化。全国每年由于气象灾害造成的农业直接经济损失达 1 000 多亿元，约占国民生产总值的 3% - 6%[16]。影响中国农业经济的最为严重的是干旱，其次是涝渍。2000 - 2007 年间，每年干旱和洪涝的共同作用会使收获产量损失相当于 5 万 hm2 的播种面积。气候变暖对越冬病虫害有利，病虫害侵扰的耕种面积大约由 1970 年的 100 万 hm2 增加到 2005 年的 345 万 hm2 ，每年因病虫害造成的粮食减产幅度约占同期粮食产量的 9%[5，15]。

　　2 粮食生产系统对气候变化的敏感性分析

　　2. 1 作物布局与生长季

　　气候变暖将延长作物的适宜生长季，缩短作物的实际生育期。如果气温增高 l℃ ，水稻生育期日数平均缩短 7 - 8 d，冬小麦平均缩短 17 d 左右，玉米平均缩短 7 d 左右，但地区之间存在差异。如果气温增高 2℃ ，水稻生育期日数平均缩短 14 - 15 d，小麦平均缩短 34 d [16 - 17]。随气温升高，主要作物品种布局也将发生变化。比较耐高温的水稻品种将在南方占主导地位，还将逐渐向北方稻区发展; 华北强冬性冬小麦品种，将被半冬性或弱春性的冬小麦品种取代; 东北地区玉米的早熟品种逐渐被中、晚熟品种取代[3]。气候变化将使西北地区复种指数继续增加，复种作物适宜区海拔高度将升高 200 m 左右，复种面积将扩大 4 - 5 倍[18]。到 2050 年作物三熟制的北界北移 500 km，从长江流域移至黄河流域，目前大部分两熟制地区将被三熟制地区所取代，而两熟制地区将北移至目前一熟制地区的中部[9，19]。在仅考虑热量条件的基础上，假设品种和生产水平不变，2050 年一熟制区的面积将由现在的 62. 3% 缩小到 39. 2% ，三熟制区的面积将由目前的 13. 5% 扩大到 35. 9% ，二熟制区的面积基本保持不变 [19]。

　　2. 2 作物产量与品质

　　作物产量和品质是反映粮食生产系统质量的核心指标。虽然气候对作物产量的影响存在不确定性，但可以肯定的是，气候变化影响作物产量稳定的风险在增加，并且随着时间的推移，这种威胁将继续扩大[15]。产量对气候变化的敏感性分析依据方式、情景和作物等的不同而不同。王馥棠在三种平衡 GCM 模式( GFDL，MPI 和 UKMO - H) 产生的 2050 年气候变化情景的基础上，利用改进的三种 作 物 模 型 ( ORIZA1 水 稻 模 型，CERES - wheat 和 CERES - maize 模型) 模拟出了作物产量的变化范围[19] ( 见表 1) 。除春玉米存在轻微增产的可能，其他作物均呈现不同幅度的减产，雨养春小麦下降幅度最大，对气候变化的敏感性最强。

　　熊伟等在 A2 和 B2 情景基础上，以 1961 - 1990 年的平均值为基础，不考虑农业技术的发展( 即假定农业技术水平不变) ，模拟 2050 年中国三大主要粮食作物产量变动情况( 见表 2) [20 - 21]。同时将 CO2 肥效作用做了对比。事实上，CO2 的作用存在被高估的可能。温度升高及昼夜温差缩小不利于作物品质形成，大气中 CO2浓度增高也对品质造成负面影响。二者的交互作用对不同作物品质的影响尽管不同，但负面影响居多，并直接影响营养品质。比如大气中 CO2 浓度增加，冬小麦、水稻和玉米品质均有所下降[22 - 23]。CO2 浓度倍增环境下，冬小麦籽粒粗淀粉含量增加 2. 2% ，而蛋白质和赖氨酸含量却分别下降 12. 8% 和 4% ; 玉米籽粒氨基酸、直链淀粉、粗蛋白、粗纤维和总糖含量均呈下降趋势; 大豆籽粒粗蛋白含量下降 0. 83% 。在温度和 CO2 浓度均增加的环境中水稻籽粒蛋白含量降低，高 CO2 浓度使稻米的垩白率、垩白度极显著提高，整精米率极显著下降，蛋白质和氨基酸含量明显下降[24 - 25]。

　　2. 3 极端天气事件和病虫草害

　　未来北方大部分地区将持续暖干化，短期内干旱强化的趋势不会根本缓解。亚热带地区将面临高温、热害和伏旱的不利影响。同时极端天气事件出现的频率将有所增加。CO2 的影响不仅与 C3、C4 类型有关，还与作物品种有关。同样在 CO2浓度增高 200 ppm 试验中，不同品种水稻产量增加幅度在 3% - 36% 之间[25]。FACE 研究还表明， CO2 的影响还因温度、水分和养分供应情况的不同而不同。大气中 CO2 与 O3、温度、土壤水分、光照等环境因子的协同影响也非常重要，作物的病虫害地理范围将向高纬度地区延伸，病虫害发生频度和危害程度将更为频繁和严重[26 - 27]，温度升高还将造成杂草蔓延[15]。在气候变化的大背景下，气象灾害和病虫害现象的加剧，增加了粮食生产系统对气候变化的脆弱性，导致了粮食生产系统的不稳定性增加，同时需要增加杀虫剂的使用，提高了粮食生产的经济成本和环境成本[15]。

　　3 粮食生产系统对气候变化的脆弱性和风险分析

　　脆弱性指系统易于遭受气候变化不利影响的程度及其恢复能力，是敏感性和适应能力的综合体现。讨论脆弱性至少需要关注四个方面，即敏感性、暴露度、恢复力和适应。敏感性多是系统本身特性所决定的，与恢复力含义相近，但恢复力强调影响后的反应; 暴露度既涉及系统本身也与外界因素相关; 适应能力则更强调外界干预。

　　由于中国气候类型多样，农业具有较强的区域性特征，与自然生态、地理环境密切相关，对气候变化的反应不同，但均表现出较强的敏感性[28 - 29]。农业生产系统具有相当高的复杂性，对环境要求表现在综合性和系统性上。比如东北地区并不是单单因为热量资源的改善，就可以带来作物产量的明显增加。其中水分供应以及水热匹配至关重要，只用综合条件满足需求，才可以实现最大产量潜力[7]。一般而言雨养农业的暴露度明显高于灌溉农业，中国目前灌溉农业约占三分之一，大部处于雨养阶段，这也是 受 干 旱、洪涝等极端事件影响损失严重的 主要原因[30 - 31]。总体上粮食生产系统对温度、降水等指标的均态变化响应幅度较小，适应能力较强; 但是对极端事件的响应和适应程度不一样，事实上也非常复杂[32]。未来粮食生产系统的脆弱性主要是面对极端事件的影响，特别是在减小暴露度和提高适应能力两个方面。减小暴露度的压力也越来越大，不仅源于保证耕地面积数量的需要，还由于提高耕地质量的需要。所以适应能力建设需要不断完善，不断加强，对气候变化而言，粮食生产系统的适应能力建设没有完成时，只有进行时。

　　受到气候变化特别是极端事件冲击之后，系统本身的承受力、抵抗力以及应急措施是恢复力的直接表现。目前大多作物生产的恢复力不强，既与作物生产系统内部要素有关，也与人为调控能力有关。作物生产上可以从作物品种本身和环境条件两方面着手加以改进，把作物抗逆性选择、田间管理措施改进包括到应急对策中，也是提高适应能力的措施和手段。

　　4 降低粮食生产系统对气候变化脆弱性的建议

　　4. 1 加强对敏感性的评估能力建设

　　科学准确地评价粮食生产系统对气候变化的敏感性是有效应对气候变化的前提条件，对于制定合理有效的应对策略具有重要意义。IPCC 第四次评估报告发布以来，敏感性和脆弱性问题越来越引起广泛关注，尝试利用指 标、模拟等不同方法和手段开展研究，或者利用农业统计产量定量反应 [29 - 32]。然而，目前还没有统一的研究方法和指标对敏感性和脆弱性进行评估。一方面由于粮食生产系统的复杂性，另一方面气候变化又是渐进的，而其引发和强化了的极端事件又缺乏内在的规律性，气候情景以及社会经济情景存在不确定性，加之研究方法和手段还不够完善，案例研究和评价模式都不够充分。因此，要完善和改进各类评估指标体系和模型，创新和发展评估方法和工具，结合实地观测和案例研究，科学评估气候变化的影响与敏感性，识别和降低研究中的不确定性。开展作物品种抗逆性、生长发育、光合效率、产品形成与品质特性，作物种植制度和布局，农业灾害、病虫害等科学问题研究，提高人类对气候系统及其变化的认识，提高气候变化影响及相应领域敏感性的认识。

　　4. 2 加强粮食生产系统适应能力

　　对于粮食生产系统而言，加强适应能力建设是紧迫的、急需的要求，是减小脆弱性的有效措施。适应能力的增强，客观上减小了农业系统的暴露度，增加其恢复力。适应可以在多个层面上进行[33]: 一是对已有的农田基础设施进行改造，增强对气象灾害的防御能力; 加强对天气气候及农业灾害的监测、预测和响应能力建设，做好防范措施，最大限度降低自然灾害和气象灾害的脆弱性[34]。二是通过调整农业生产结构，有计划地选用抗旱涝、抗高低温和抗病虫害等抗逆品种和新品种。充分利用气候变化带来的热量资源增加、复种指数增加等优势，避免干旱、高温热害等气候变化带来的不利因素，进而改进作物布局，科学合理确定种植制度。对于原有种植作物，也要针对气候变暖现象，适当调整播种期。三是发展节水农业，加强推广旱作农业技术。改造老化农业灌排工程设施，采用新的排灌措施，灌溉系统和方式，推行畦灌、喷灌、滴灌和管道灌等灌溉技术，高效利用灌溉水。四是综合多学科的理论方法，加强粮食生产系统和其它系统及领域的交互影响的辨析与识别，开展农业及相关科学问题的试验研究，进一步开展粮食生产系统与气候变化有关的影响和适应研究，包括各生产要素以及加工、分配、零售和消费模式等非生产但同样重要要素的气候影响和适应[7]。

　　4. 3 加强自然和社会系统体系和功能建设

　　粮食生产是第一产业，与社会经济系统关系密切，更与自然生态系统紧密相连。自然生态环境的改善有利于粮食生产条件的改善，从而降低粮食生产系统对气候变化的暴露度，增强恢复力，有利于粮食生产系统的可持续发展[35]。一是加强粮食生产高新技术和适用技术的推广，加快科技创新和技术引进步伐，在单一技术发展的同时，建立和完善适应技术体系的集成创新机制[34]，使适应气候变化不同主体的资源、技术、能力等得到优化配置，使各种单项和分散的相关技术成果得到集成，降低农业对气候变化的脆弱性。二是通过立法、行政、财政税收等方式，积极推进农业保险，探索农业政策保险与商业保险相结合的风险分担机制，加大社会宣传和领导，采取政策激励措施等，创造良好的社会保障机制和反馈机制[33]。三是通过调整经济结构、提高能源效率、开发利用水电和其他可再生能源、大力开展植树造林等措施，减少粮食生产系统温室气体排放源，增加粮食生产系统固碳减排能力，提高其碳汇库容潜力，维护良好的生态环境。在应对病虫害和杂草害时，充分考虑生态、环境的保护和维护，使用高效低毒无污染的新型农药，开展生物防治，发挥自然天敌对病虫害的调控作用。——论文作者;谢立勇1 李 悦1 钱凤魁2，3 赵洪亮1 韩 雪4 林而达4

文章名称：粮食生产系统对气候变化的响应: 敏感性与脆弱性

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