趙彥茜, 肖登攀, 唐建昭, 柏會子

(河北省科學院 地理科學研究所 河北省地理信息開發(fā)應用工程技術研究中心, 石家莊 050011)

中國是一個糧食生產大國，也是一個糧食消費大國。因此，糧食安全一直以來是國家高度關注的課題[1]。近百年來，地表平均溫度上升了0.7℃以上，而自1950年以來溫度上升速率更是達到了0.13℃/10 a，全球氣候變暖趨勢越來越明顯[2]。伴隨著氣溫升高，許多地區(qū)地表太陽輻射呈顯著減弱趨勢[3-6]，同時降雨年際變化增大，極端降水事件頻繁發(fā)生[7]。氣候變化對自然環(huán)境以及人類的生產與生活行為等方方面面都會產生重要影響，其中對農業(yè)生產的影響尤為明顯。以氣候變暖為主要特征的氣候變化可能導致作物生長速度加快，從而縮短作物的生長過程，影響作物產量。研究氣候變化對作物產量的影響有利于改進農業(yè)管理措施，提高作物對氣候變化的適應能力，進而保障糧食生產安全[8]。因此，氣候變化對農業(yè)生產的影響受到了全球眾多學者的廣泛關注[9-11]。

隨著研究方法的日趨完善，氣候變化影響作物產量的相關研究逐步增多，在區(qū)域尺度及全球尺度上均有涉及[12-15]。Chmielewski等[16]根據田間試驗結果并結合多年氣象數據對英國南部的作物與氣候的關系進行回歸分析，結果表明，該地區(qū)作物產量波動趨勢同氣溫、降水等氣候因子密切相關。在基于統計產量的研究中，通常需要將技術、管理等人為因素分離，以量化氣候變化對作物產量的影響，Nicholls等[17]利用殘差法計算了自1952年以來氣候變化對澳大利亞小麥產量的貢獻率，研究期內澳大利亞小麥產量持續(xù)增長，氣候變化的貢獻率在30%～50%。全球尺度上，氣溫上升對于小麥、大麥和玉米等作物的產量都有消極影響[18]，但對水稻生產較為有利，在1980—2008年，氣候變化導致全球玉米、小麥分別減產3.8%，2.5%，而水稻則增產2.9%[19]。氣候變暖并不意味著全年每一階段氣溫均呈上升態(tài)勢，Lobell等[20]通過研究發(fā)現，在1982—1998年，美國夏季氣溫呈下降趨勢，但玉米和大豆產量均有所增加。CO2肥效是研究氣候變化對作物產量的影響中不確定性和敏感性最大的參數[21]，但大氣CO2濃度升高對作物生長的積極效應具有廣泛的共識[22-23]，Wang等[24]利用APSIM模型模擬研究了澳大利亞東南部氣候變化對小麥產量的影響，結果顯示，氣溫每升高1℃和降水減少10%所造成的產量損失可以由CO2濃度增加266 mg/kg對產量的影響抵消。

中國在這方面的研究主要集中在小麥、玉米、水稻等主要糧食作物上[25-27]。前人對國內氣候變化影響作物產量的研究已有綜述，但論述主要集中在單個作物的單個生產區(qū)對氣候變化的響應，而未對全國范圍內不同區(qū)域不同作物對氣候變化的響應與適應的差異進行比較。因此，本文論述國內氣候變化對小麥、玉米、水稻等糧食作物的影響相關研究，分析我國不同區(qū)域不同作物對氣候變化的響應及適應對策，以期為我國農業(yè)生產安全提供科學依據。

1 氣候變化影響作物產量的主要研究方法

1.1 田間試驗觀測方法

田間試驗觀測可以獲得作物產量的原始數據，是研究作物產量變化最直觀的方法。自20世紀80年代開始，我國近800個農業(yè)氣象站點對作物產量進行了定點觀測，這些觀測數據為研究學者們統計分析作物產量變化特征提供了數據支持[28]。另外，根據研究目的可以進行特定田間定位試驗，通過氣溫、降水、輻射等氣象因素以及CO2濃度的控制試驗量化氣候變化對作物的影響。田間增溫試驗系統的常用方法是紅外線輻射增溫[29-30]。參考國際增溫系統[31]，田云錄等[32]設計了中國首個麥田開放式增溫系統(FATI)，進行冬小麥增溫試驗。肖國舉等[33]利用紅外線輻射器進行田間增溫試驗，模擬溫度升高情況下西北半干旱區(qū)馬鈴薯產量的變化。控制土壤水分條件試驗可以用來研究降水對作物產量的影響，韓曉增[34]和王鶴齡[35]等通過水分控制裝置設置降水量，分別對降水變化條件下的大豆和春小麥產量變化進行了試驗模擬。對輻射的控制試驗可以通過遮蔭網進行，鄭有飛等[36]利用改進的開頂式氣室(OTC)和遮蔭網研究輻射減弱對冬小麥產量的影響。開放式CO2富集系統(FACE)是常用的CO2濃度控制系統，Cai等[37]利用該系統進行溫度和CO2濃度控制試驗，研究發(fā)現氣溫上升對小麥和水稻產量增加不利，而CO2濃度增加則有利于產量增加。

田間試驗所得到的觀測數據是作物產量研究的第一手資料，比較精確可靠。但是，田間觀測試驗通常情況下需要耗費大量人力、財力、物力和時間，不適合作為長期研究作物產量變化的方法。同時，田間試驗觀測是單點觀測，其結果往往針對的是特定地域、品種以及管理措施等，在更大區(qū)域上不具代表性。

1.2 統計分析方法

統計分析可以獲取大范圍、長時間序列的作物產量變化趨勢，適用于較大的時空尺度，是研究氣候變化對作物產量影響的基本方法之一[38]。長序列的作物產量變化受到了氣候變化和管理措施的綜合影響，為研究氣候因子對作物產量的影響，需要對作物產量進行趨勢分離然后單獨分析氣候因子對作物產量的影響[17]，常用的趨勢分離方法有滑動平均法[39]、三次指數平滑法[40]以及一階差分法[41]等。不同的氣候因子對作物產量影響不同，為量化作物生長對不同氣候因子的敏感度，可以建立統計模型進行評估[42]。統計模型主要有3種類型[38]：時間序列模型(基于單點/區(qū)域時間序列)、截面模型(基于空間)和面板模型(基于時空變化)。時間序列模型易受多重共線性影響，統計結果誤差較大；截面模型在研究中有很大局限性，例如對降水影響的評估受降水時間等因素影響，效果較差；面板模型克服了多重共線性的影響，在研究作物生長對溫度、降水等氣候因子的響應上綜合效果較好[43]。時間序列模型[38]可以根據區(qū)域或站點的多年時間序列數據構建，公式如下：

logYt=β0+β1Tt+β2Pt+β3St+…+εt

(1)

式中：Yt，Tt，Pt，St，…分別為年份t時的產量、生育期平均氣溫、平均降水、平均輻射以及其他氣候要素；β0，β1，β2，β3，…分別為模型的擬合參數；εt為誤差項。

根據多個區(qū)域或站點的平均產量、氣象因素等數據構建截面模型[38]，公式如下：

(2)

構建面板模型[38]需將所有區(qū)域或站點的產量和氣象因素綜合起來，公式如下：

(3)

統計分析方法可操作性強，研究周期長，范圍廣，信息量大，因此是了解區(qū)域和整體上作物產量變化有效的研究方法。但該方法機理性不足，對許多影響因素考慮不充分。同時，統計模型在預測未來氣候情景下作物產量的變化趨勢方面有很大局限性。

1.3 作物模型模擬方法

自20世紀90年代開始，隨著作物模型發(fā)展的日趨完善，利用作物模型量化氣候變化對作物的影響的研究也在逐步增多[44-46]。Mo等[47]利用VIP模型模擬華北平原地區(qū)過去50 a冬小麥—夏玉米種植模式下的作物產量，評估氣候和農業(yè)管理水平對作物產量的影響。Zhang等[48]基于水稻專用模型ORYZA 2000模擬了1980—2010年氣候變化影響下中國主要水稻種植區(qū)的產量變化情況。Xiao等[49]利用APSIM模型和CERES模型模擬了華北平原1971—2013年CO2濃度變化對灌溉和雨養(yǎng)小麥產量的影響。聶江文等[50]利用DSSAT 4.5模型對荊州市1971—2006年中稻生長季內高溫熱害和低溫凍害的變化規(guī)律及災害對水稻產量的影響進行了模擬分析，并根據研究結果提出調整播期以降低該區(qū)域水稻生產的高低溫災害風險。Huang等[51]利用Hybrid-Maize模型研究分析了華北平原地區(qū)近60年間氣候變化對玉米產量的影響。作物模型面向作物生長過程，對于作物生長動態(tài)變化趨勢模擬效果較好，在預測未來產量變化研究上應用前景廣闊。Tao等[52]結合MCWLA—Rice與Super EPPS模型研究發(fā)現，未來平均溫度、太陽輻射以及CO2濃度的增加對華東地區(qū)水稻生長較為有利。

作物模型基于作物生長過程建立，機理性很強，對于氣候變化和作物生長過程之間的關系可以進行定量描述，準確度較高，同時外推效果好，預測未來作物產量可信度較高。但作物模型結構復雜，需要大量的作物生長發(fā)育過程、土壤條件以及管理措施等詳細輸入數據。

2 主要糧食作物產量對過去幾十年氣候變化的響應和適應

2.1 主要糧食作物產量對過去幾十年氣候變化的響應

2.1.1 小麥 過去幾十年氣候變化對我國不同地區(qū)小麥產量產生了較大影響(表1)。在氣溫、降水和輻射綜合影響下，我國北方地區(qū)小麥產量呈現增加趨勢，1981—2009年小麥產量增加了0.9%～12.9%，但春小麥除外[28,45]。氣溫上升對西北地區(qū)小麥產量增加具有促進作用[53]。在華北地區(qū)，研究期內最低溫上升，尤其是越冬返青期內最低溫上升可減少凍害對小麥生長的不利影響，使小麥產量增加14.5%，太陽輻射下降，導致產量減少3%，最高溫和降水的變化對產量影響較小[54]。1961—2010年，在西南地區(qū)減產嚴重區(qū)域，生長季輻射降低、氣溫升高、晝夜溫差減小對潛在產量降低的貢獻率分別為45%，36%，2%，對雨養(yǎng)產量降低的貢獻率分別為36%，39%，8%，而降水減少對雨養(yǎng)產量降低的貢獻率為7%[55]。相對于氣候平均態(tài)而言，極端氣候事件對作物產量影響更為顯著，其中高溫熱害和干旱對小麥影響較大[56-57]。

我國小麥產量對氣候變化的響應并未呈現出統一的趨勢，空間特征差異明顯：氣候變化對北方小麥生長有利，對南方小麥生長則較為不利。不同的氣候因子對作物的影響機制不同，對作物生長的影響程度差別較大。氣溫升高對北方地區(qū)的小麥生長較為有利，對南方小麥則有消極影響[28]。小麥生育期內降水變化不明顯，對小麥影響較小[58]。輻射與小麥產量呈正相關，生育期內輻射減弱對小麥生長不利[59]。極端氣候事件(干旱、強降水、高溫熱害以及低溫凍害等)對農業(yè)生產的影響要遠遠大于氣候平均狀態(tài)變化所帶來的影響。農作物擁有自己的適宜生長條件，當氣溫(降水)超過或低于作物適宜生長溫度(降水)時，都會對作物生長產生不利影響，例如，高溫、弱降水和強輻射對干旱區(qū)和半干旱區(qū)的小麥產量影響較大[60]。

表1 國內小麥產量變化特征及影響因子研究

2.1.2 玉米 氣候變化對我國玉米產量有明顯不利影響(表2)。1961—2010年，生育階段內日照時數的下降是東北地區(qū)潛在產量下降的主要氣候因素，氣候變化導致玉米潛在產量下降超過20%[65]。氣候變化對華北平原玉米減產的貢獻率為15%～30%，其中，太陽輻射減弱貢獻率為12%～24%，氣溫升高貢獻率為3%～9%，降水變化幅度較小，對產量變化影響不顯著[66]。氣溫和輻射在氣候影響因子中作用較為突出。在西南地區(qū)減產顯著的研究站點中，春玉米生長季內太陽輻射減弱、氣溫升高和降水減少對作物減產的貢獻率分別為32%，40%，1%，晝夜溫差降低對玉米產量增加有微弱的作用[67]。

我國玉米產量對氣候變化的響應呈現出了統一的特征：氣候變化對玉米產量影響不利，氣候產量減少趨勢顯著。在玉米生育期內東北、華北以及西南地區(qū)等氣溫上升和輻射減弱趨勢顯著，對玉米產量增加較為不利。此外，高溫、弱降水和強輻射等極端氣候事件導致的干旱對干旱區(qū)和半干旱區(qū)的玉米產量也有很大不利影響[60]。

2.1.3 水稻 氣溫和輻射對我國水稻產量變化起主導作用，輻射減弱是南方地區(qū)和長江流域產量減少的主要原因，晝夜溫差減小是北方地區(qū)水稻產量下降的主要原因，降水則對北方地區(qū)和西北地區(qū)灌溉水資源量較少地區(qū)的水稻產量影響較大[76-77]。氣候變化對水稻產量的影響有較明顯的地域特征，氣溫升高有利于東北地區(qū)水稻產量增加，但對南方區(qū)域水稻生產造成了一定的消極影響[78]。不同地區(qū)、不同種植模式下水稻產量對氣候變化的響應存在較大差異，過去30 a(1981—2009年)里，氣溫升高和輻射減弱共同作用不利于長江流域早熟稻和單季稻產量增加，產量變化幅度分別在-0.59%～2.4%，-9.68%～-7.14%，氣候變暖對長江流域的晚熟稻和東北地區(qū)的單季稻產量增加則有明顯的積極效果，產量變化幅度分別在8.38%～9.56%，1.01%～3.29%[79]。氣候變暖可以增加東北地區(qū)水稻生長季的有效積溫，延長作物播種窗口，減少低溫冷害對水稻生長的傷害，提高作物產量，但降水則對該區(qū)域水稻生長較為不利[80-81]。隨著氣候變暖，南方地區(qū)有效積溫增加和低溫指數減少，水稻產量分別增加1.71%～8.73%，0.01%～1.61%，高溫指數增加和太陽輻射減弱，導致水稻分別減產0.14%～0.34%，0.13%～9.34%，有效積溫增加的積極影響和太陽輻射減弱的消極影響對于產量的變化起到主導作用，但隨著未來氣候變暖，有效積溫增加和低溫冷害日數減少的積極影響可能被高溫熱害日數的增加的不利影響抵消[82]。

我國水稻產量對氣候變化的響應呈現出較為顯著的空間分布特征：氣候變化有利于東北地區(qū)水稻產量增加，對長江流域等南方主要水稻種植區(qū)的水稻產量(長江流域晚熟稻除外)則有消極作用(表3)。高降水和弱輻射對東南地區(qū)水稻影響較大，這主要是因為高溫導致的熱壓對作物生長不利，但高溫和弱降水對東部和東北地區(qū)的水稻生產是較為有利的[60]。

2.1.4 其他作物 國內對農作物產量的研究主要集中于小麥、玉米、水稻3大主要糧食作物上，對大豆、棉花、馬鈴薯等經濟作物產量研究相對較少。氣候變暖對我國大豆生長較為有利，尤其是在東北地區(qū)，氣溫升高可以延長作物生長期，減少凍害對大豆的影響，在1979—2002年研究階段內中國大豆產量增產速率為7萬t/10 a[84]。棉花種植區(qū)域主要分布在西北地區(qū)、黃河流域以及長江流域等，在1961—2010年，平均氣溫上升對西北地區(qū)和黃河流域的棉花生產較為有利，對長江流域棉花產量則有消極效果，氣溫上升導致整體研究區(qū)域棉花產量減少0.1%，晝夜溫差減小和降水減少對棉花生長是不利的，分別導致研究區(qū)域內棉花產量下降5.5%，1.1%，氣候變化總體上僅在西北地區(qū)對棉花生長表現為正效應[85]。作物不同生育階段對氣候響應是不同的，氣候對馬鈴薯影響較大的生育階段是結薯期和淀粉積累期，其中，降水、氣溫和風速等氣候因子對作物產量影響最大，導致區(qū)域內作物產量在年際間會產生一定波動[86]。

2.2 典型作物應對氣候變化的適應措施

氣候變化對農業(yè)生產影響較大，為保證作物產量，需要采取一些適應性農業(yè)管理措施以彌補氣候變化帶來的不利影響，措施主要包括品種更新、播期調整和改善施肥和灌溉條件，以及改變耕作方式等。

2.2.1 品種 通常情況下，氣候變暖會加快作物生長速度，縮短作物生育期，減弱作物光合作用，減少干物質的積累時間，導致作物產量下降。種植晚熟的長生育期品種可以延長作物的生殖生長期，增加作物的灌漿時間，有利于作物的干物質積累和產量增加[69,87]。杜春英等[88]在黑龍江省的研究表明，隨著地區(qū)熱量資源的增加，玉米、水稻和大豆中熟、中晚熟品種正逐步取代極早熟、早熟品種。Bai等[89]通過研究發(fā)現水稻和小麥品種更新對產量影響顯著，產量提升貢獻率達14.4%～27.2%。

表3 國內水稻產量變化特征及影響因子研究

品種更替對玉米產量貢獻率較大，華北平原近幾十年來品種更新對玉米產量的貢獻率為23.9%～40.3%[66]，東北地區(qū)則在46%～79%[65]，耐高溫和延長生殖生長期是應對溫度升高的品種更替方向。Zhang等[90]通過APSIM模型研究發(fā)現，氣溫升高會減弱華北平原冬小麥的春化作用，不利于冬小麥生長，種植對春化作用要求低的半冬性和弱冬性品種可以有效抵消氣溫升高對冬小麥的不利影響。品種更新對華北平原小麥產量增長貢獻率在12.2%～22.6%，是產量增加的主要因素[59]。小麥品種逐漸向對輻射和降水變化更為敏感的趨勢發(fā)展，為應對氣候變化，培育新品種需要從增加谷粒數量、提高收獲指數和水分利用效率以及延長生育期等方面入手。品種更新在過去30年里對我國水稻產量增長貢獻率為16%～52%，同期施肥的水稻產量增長貢獻率為0～16%，氣候變化為的水稻產量增長貢獻率為-16%～10%，品種更新對水稻產量增加影響巨大[46]。隨著氣候變暖，我國極端高溫事件也呈現增強態(tài)勢，對積溫需求較高的耐高溫品種成為我國水稻品種更新的主要方向[79]。

2.2.2 播種期 調整作物播種期可以改變各生育階段的輻射、氣溫和降水等氣候條件，進而影響作物的生長過程。華北平原春玉米開花期內光照充足和降水少有利于玉米的開花授粉，確定華北平原春玉米的播種期的首要考慮因素就是開花期要避開雨季[91]。旱作和灌溉種植系統對于播種期的響應機制是有差異的，北方地區(qū)旱作條件下，推遲播種期可以增加作物降水資源利用量，提升春小麥產量，而提前播種期則可以增加灌溉條件下的小麥產量[45]。氣候變暖對調整作物播種期有導向作用，華北平原越冬期氣溫上升可以推遲小麥播種期和玉米收獲期，小麥玉米總產量提升了4%～6%[92]，而提前播種期則使東北地區(qū)玉米產量增加超過4%[93]。單季稻和雙季稻的播種期調整主要考慮水稻灌漿期，提前播種單季稻和推遲播種晚熟稻可以有效延長水稻灌漿階段，提高作物產量[94]。Bai等[89]通過研究發(fā)現水稻和小麥播種期/移栽期變化趨勢和變化幅度在各地并不一致，調整水稻和小麥播種期/移栽期對于產量提升貢獻率在-4.7%～-0.1%，相對于品種更新(14.4%～27.2%)和優(yōu)化施肥措施(2.3%～22.2%)，其對水稻和小麥產量的影響并不顯著。

2.2.3 施肥等其他管理措施 施肥是適應氣候變化的一項重要措施。近20年來，施肥對于東北地區(qū)作物產量增加的貢獻率為40%，華東地區(qū)為36%，華北地區(qū)為9%，中部和西南地區(qū)為6.8%[95]。Xiao等[59,66]根據氣象數據和觀測數據分析了過去30年里華北平原施肥對小麥和玉米產量的影響，發(fā)現施肥措施下，小麥、玉米產量增加分別2.1%～3.6%，3.3%～8.6%。Zhang等[46]通過研究發(fā)現我國施肥管理水平提高對水稻產量增加的貢獻率為0～16%。Bai等[89]的研究結果顯示施肥對我國水稻和小麥產量提升貢獻率為2.3%～22.2%。

灌溉水平的提升對作物生長也有一定影響。適量灌溉可以減少水分脅迫對作物生長的不利影響，但過度灌溉則會降低作物水分利用效率，并且不利于產量增加[96]。此外，在北方地區(qū)，免耕相比于傳統耕作方式有利于玉米增產，平均增產率達到3.1%，尤其是在年降水量較少或年均氣溫較低的區(qū)域，輪作或秸稈還田條件下，有利于發(fā)揮免耕的增產效應，而東北地區(qū)較華北地區(qū)和西北地區(qū)更適宜推行免耕技術[97]。西北干旱地帶推行全膜雙壟溝耕作技術來抵抗干旱對作物的威脅，全膜雙壟溝耕作技術相對于露地、單壟等方式，產量波動較小，適應氣候變化能力更強[98]。田間留茬對土壤有增肥效果，水稻在田間留茬情況下相對于不留茬情況增產大約5.2%[99]。農業(yè)管理水平和農業(yè)技術的進步對作物影響巨大，以中國玉米為例，過去30 a里，農業(yè)管理水平提高和技術進步對玉米產量的貢獻率為99.6%～141.6%，遠高于氣候變化(-41.4%～0.4%)[68]。

3 結 論

(1) 作物產量對氣候變化響應的研究方法主要包括田間試驗觀測方法、統計分析方法和模型模擬方法等，其中田間觀測法最直觀，但局限性較大，不適合長周期研究；統計分析法可操作性強，應用最為普遍，缺點是機理性不足，外推效果差；作物模型模擬方法機理性強，可以定量描述氣候因子對作物產量的影響，外推效果好，不足之處是結構復雜，輸入數據繁多。

(2) 過去幾十年里，小麥生育期內氣溫升高和輻射變化使我國北方小麥增產0.9%～12.9%，南方小麥減產1.2%～10.2%；氣候變暖對玉米產量貢獻率為-41.4%～0.4%，使我國玉米產量呈顯著下降的趨勢；水稻生育期內氣溫升高和輻射增強有利于東北地區(qū)水稻產量增加，增產貢獻率為1.01%～3.29%，而輻射減弱對長江流域等南方主要水稻種植區(qū)的水稻產量(長江流域晚熟稻除外)產生不利影響?？傮w上，氣溫、輻射和降水等氣候因子的變化以及極端氣候事件對我國糧食作物生產造成了一定的不利影響，氣溫和輻射是其中主要影響因素。

(3) 品種更替是應對氣候變化的關鍵技術措施。未來氣候變化情境下小麥應從延長生殖生長期、增加籽粒數量和提高收獲指數等方面培育新品種應對氣候變暖對作物產量的不利影響；耐高溫和長生殖生長期的玉米品種可以用來應對氣溫、降水等氣候因子的變化；水稻則應選育對積溫需求較高的耐高溫品種應對氣溫和輻射等因子的變化所帶來作物生產上的風險。