糧食生產(chǎn)系統(tǒng)對氣候變化的響應(yīng)：敏感性與脆弱性

謝立勇等

摘要：氣候變暖延長了作物適宜生長季，縮短了實際生育期，改變了作物的種植界線；在一些區(qū)域促進了產(chǎn)量增高，給作物品質(zhì)帶來負面影響，并改變了氣象災(zāi)害與病蟲害的規(guī)律，導(dǎo)致?lián)p失增加。未來糧食生產(chǎn)系統(tǒng)對氣候變化表現(xiàn)出較強的敏感性，如溫度增高1℃，冬小麥生育期日數(shù)平均縮短17d左右，水稻和玉米平均縮短7-8 d，但地區(qū)之間存在差異。氣候變化將威脅作物產(chǎn)量的穩(wěn)定性，并影響作物品質(zhì)。脆弱性主要是面對極端事件的影響，特別是在減小暴露度和提高適應(yīng)能力兩個方面，因為雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)的暴露度明顯高于灌溉農(nóng)業(yè)。為此，本文提出了相應(yīng)的對策建議，以降低糧食生產(chǎn)系統(tǒng)對氣候變化的脆弱性。一是加強對敏感性的評估能力建設(shè)，包括完善和改進各類評估指標體系和模型，創(chuàng)新和發(fā)展評估方法和工具；結(jié)合實地觀測和案例研究，科學(xué)評估氣候變化的影響與敏感性，識別和降低研究中的不確定性；提高人類對氣候系統(tǒng)及其變化的認識，提高氣候變化影響及相應(yīng)領(lǐng)域敏感性的認識。二是加強糧食生產(chǎn)系統(tǒng)適應(yīng)能力建設(shè)，包括對已有的農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施進行改造，增強對氣象災(zāi)害的防御能力；通過調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，有計劃地選用抗旱澇、抗高低溫和抗病蟲害等抗逆品種和新品種；發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，加強推廣旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)；綜合多學(xué)科的理論方法，進一步開展糧食生產(chǎn)系統(tǒng)與氣候變化有關(guān)的影響和適應(yīng)研究。三是加強自然和社會系統(tǒng)體系和功能建設(shè)，包括加強高新技術(shù)和適用技術(shù)的推廣，加快科技創(chuàng)新和技術(shù)引進步伐；通過立法、行政、財政稅收等方式，積極推進農(nóng)業(yè)保險，探索農(nóng)業(yè)政策保險與商業(yè)保險相結(jié)合的風險分擔機制；通過調(diào)整經(jīng)濟結(jié)構(gòu)、提高能源效率，增加糧食生產(chǎn)系統(tǒng)固碳減排能力，維護良好的生態(tài)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：氣候變化；糧食生產(chǎn)；影響與適應(yīng)；敏感性；脆弱性；暴露度；恢復(fù)力

中圖分類號 X196；F062.2 文獻標識碼 A 文章編號 1002-2104（2014）05-0025-06

一般認為，敏感性是指氣候變化對系統(tǒng)的正負兩方面影響程度，影響可以是直接的，也可以是間接的；脆弱性是指系統(tǒng)易于遭受氣候變化（包括與氣候變率和長期氣候變化有關(guān)的極端事件）不利影響的程度及其恢復(fù)能力，它隨著系統(tǒng)所受到的氣候變化的特征、幅度、快慢以及系統(tǒng)的敏感性和適應(yīng)能力而改變，是系統(tǒng)對氣候變化的敏感性和適應(yīng)能力的綜合體現(xiàn)[1]。糧食生產(chǎn)系統(tǒng)對氣候變化的敏感性即糧食種植制度和布局、產(chǎn)量和品質(zhì)等對氣候情景的響應(yīng)程度。在相同的氣候情境下，響應(yīng)的程度越大則敏感性越高。糧食生產(chǎn)系統(tǒng)對氣候變化的脆弱性是指糧食生產(chǎn)容易受到氣候變化的不利影響，且無法應(yīng)付不利影響的程度水平，關(guān)注的是可能受到威脅和侵害的結(jié)果而非原因。由于中國幅員遼闊，氣候差異顯著，糧食生產(chǎn)系統(tǒng)對氣候變化敏感性區(qū)域特征復(fù)雜而明顯[2]。

需要特別注意的是，農(nóng)業(yè)種植和養(yǎng)殖在長期栽培和馴化過程中對氣候變化的適應(yīng)能力遠遠低于野生動植物，農(nóng)作物和家畜家禽對氣候要素變化更為敏感[3]。IPCC 第五次評估報告不僅進一步明確了人類活動對氣候變化的影響，也更清晰地表述了氣候變化對經(jīng)濟社會發(fā)展的影響[1]。種植業(yè)是氣候變化最敏感的領(lǐng)域之一，氣候變化引起了作物生育期、耕作制度等的改變，災(zāi)害發(fā)生頻率和強度更加嚴重，給全球糧食生產(chǎn)系統(tǒng)和糧食安全帶來風險和壓力。保證農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和糧食安全是應(yīng)對氣候變化的重要目標之一。

1 糧食生產(chǎn)系統(tǒng)對氣候變化的響應(yīng)

大量觀測資料及研究成果表明，氣候變化已經(jīng)對作物生長發(fā)育、種植制度和產(chǎn)量品質(zhì)都產(chǎn)生了不同程度的影響，利弊并存，但負面影響更多[4-6]。區(qū)域變暖延長了作物適宜生長季，溫度升高加快了作物發(fā)育速度， 縮短了實際生育期，大部分作物表現(xiàn)為全生育期縮短[6-7]。30%的農(nóng)業(yè)氣象站點觀測到整個生育期（播種到成熟）和營養(yǎng)生長階段（播種到抽穗）呈縮短趨勢，水稻的移栽、抽穗和成熟期總體提前，隨著溫度升高，許多作物的種植界線向高緯度和高海拔移動[8-10]

作物產(chǎn)量已經(jīng)對氣候變化顯示出較強的響應(yīng)。1980年代以來的氣候變暖對東北地區(qū)糧食總產(chǎn)增加有明顯的促進作用，但是對華北、西北和西南地區(qū)的糧食總產(chǎn)增加有一定抑制作用 [11-12]。由于生長季內(nèi)積溫增加，促進了作物產(chǎn)量提高[12]。1951-2002年間全國糧食總產(chǎn)量每10年大約增長3.2×105 t，其中小麥、玉米表現(xiàn)出對氣候變化的響應(yīng)更顯著[13-14]。但是雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)比灌溉農(nóng)業(yè)更易于遭受極端事件的影響，并且水分供應(yīng)難于與熱量資源匹配，限制了增產(chǎn)潛力的實現(xiàn)[7]。氣候變化通過生物脅迫和非生物脅迫，給作物品質(zhì)帶來一定的負面影響，包括改變碳含量和養(yǎng)分攝入量。CO2濃度增高，谷物蛋白質(zhì)含量呈下降趨勢，其中小麥、水稻等降低10%-14%，大豆降低1-5%。與氮含量相同，礦物質(zhì)含量也有相應(yīng)程度的降低。極端氣溫和CO2的協(xié)同增加了水稻堊白度，降低水稻加工品質(zhì)[14-15]。

氣象災(zāi)害與病蟲害也呈現(xiàn)出新的變化。全國每年由于氣象災(zāi)害造成的農(nóng)業(yè)直接經(jīng)濟損失達1 000 多億元，約占國民生產(chǎn)總值的 3%-6%[16]。影響中國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的最為嚴重的是干旱，其次是澇漬。2000-2007年間，每年干旱和洪澇的共同作用會使收獲產(chǎn)量損失相當于5萬hm2的播種面積。氣候變暖對越冬病蟲害有利，病蟲害侵擾的耕種面積大約由1970年的100萬hm2增加到2005年的345萬hm2，每年因病蟲害造成的糧食減產(chǎn)幅度約占同期糧食產(chǎn)量的9%[5，15]。

2 糧食生產(chǎn)系統(tǒng)對氣候變化的敏感性分析

2.1 作物布局與生長季

氣候變暖將延長作物的適宜生長季，縮短作物的實際生育期。如果氣溫增高l℃，水稻生育期日數(shù)平均縮短7-8 d，冬小麥平均縮短17 d左右，玉米平均縮短7 d左右，但地區(qū)之間存在差異。如果氣溫增高2℃，水稻生育期日數(shù)平均縮短 14-15 d，小麥平均縮短 34 d[16-17]。隨氣溫升高，主要作物品種布局也將發(fā)生變化。比較耐高溫的水稻品種將在南方占主導(dǎo)地位，還將逐漸向北方稻區(qū)發(fā)展；華北強冬性冬小麥品種，將被半冬性或弱春性的冬小麥品種取代；東北地區(qū)玉米的早熟品種逐漸被中、晚熟品種取代[3]。氣候變化將使西北地區(qū)復(fù)種指數(shù)繼續(xù)增加，復(fù)種作物適宜區(qū)海拔高度將升高 200 m 左右，復(fù)種面積將擴大 4-5 倍[18]。到2050年作物三熟制的北界北移500 km，從長江流域移至黃河流域，目前大部分兩熟制地區(qū)將被三熟制地區(qū)所取代，而兩熟制地區(qū)將北移至目前一熟制地區(qū)的中部[9，19]。在僅考慮熱量條件的基礎(chǔ)上，假設(shè)品種和生產(chǎn)水平不變，2050年一熟制區(qū)的面積將由現(xiàn)在的 62.3%縮小到 39.2%，三熟制區(qū)的面積將由目前的 13.5%擴大到 35.9%，二熟制區(qū)的面積基本保持不變 [19]。

2.2 作物產(chǎn)量與品質(zhì)

作物產(chǎn)量和品質(zhì)是反映糧食生產(chǎn)系統(tǒng)質(zhì)量的核心指標。雖然氣候?qū)ψ魑锂a(chǎn)量的影響存在不確定性，但可以肯定的是，氣候變化影響作物產(chǎn)量穩(wěn)定的風險在增加，并且隨著時間的推移，這種威脅將繼續(xù)擴大[15]。產(chǎn)量對氣候變化的敏感性分析依據(jù)方式、情景和作物等的不同而不同。王馥棠在三種平衡GCM模式（GFDL， MPI和UKMO-H）產(chǎn)生的2050年氣候變化情景的基礎(chǔ)上，利用改進的三種作物模型（ORIZA1水稻模型，CERES-wheat和CERES-maize模型） 模擬出了作物產(chǎn)量的變化范圍[19]（見表1）。除春玉米存在輕微增產(chǎn)的可能，其他作物均呈現(xiàn)不同幅度的減產(chǎn)，雨養(yǎng)春小麥下降幅度最大，對氣候變化的敏感性最強。

溫度升高及晝夜溫差縮小不利于作物品質(zhì)形成，大氣中CO2 濃度增高也對品質(zhì)造成負面影響。二者的交互作用對不同作物品質(zhì)的影響盡管不同，但負面影響居多，并直接影響營養(yǎng)品質(zhì)。比如大氣中CO2濃度增加，冬小麥、水稻和玉米品質(zhì)均有所下降[22-23]。CO2濃度倍增環(huán)境下，冬小麥籽粒粗淀粉含量增加2.2%，而蛋白質(zhì)和賴氨酸含量卻分別下降12.8%和4%；玉米籽粒氨基酸、直鏈淀粉、粗蛋白、粗纖維和總糖含量均呈下降趨勢；大豆籽粒粗蛋白含量下降0.83%。在溫度和CO2濃度均增加的環(huán)境中水稻籽粒蛋白含量降低，高CO2濃度使稻米的堊白率、堊白度極顯著提高，整精米率極顯著下降，蛋白質(zhì)和氨基酸含量明顯下降[24-25]。

2.3 極端天氣事件和病蟲草害

未來北方大部分地區(qū)將持續(xù)暖干化，短期內(nèi)干旱強化的趨勢不會根本緩解。亞熱帶地區(qū)將面臨高溫、熱害和伏旱的不利影響。同時極端天氣事件出現(xiàn)的頻率將有所增加。CO2的影響不僅與C3、C4類型有關(guān)，還與作物品種有關(guān)。同樣在CO2 濃度增高200 ppm試驗中，不同品種水稻產(chǎn)量增加幅度在3%-36% 之間[25]。FACE研究還表明，CO2的影響還因溫度、水分和養(yǎng)分供應(yīng)情況的不同而不同。大氣中CO2與O3、溫度、土壤水分、光照等環(huán)境因子的協(xié)同影響也非常重要，作物的病蟲害地理范圍將向高緯度地區(qū)延伸，病蟲害發(fā)生頻度和危害程度將更為頻繁和嚴重[26-27]，溫度升高還將造成雜草蔓延[15]。在氣候變化的大背景下，氣象災(zāi)害和病蟲害現(xiàn)象的加劇，增加了糧食生產(chǎn)系統(tǒng)對氣候變化的脆弱性，導(dǎo)致了糧食生產(chǎn)系統(tǒng)的不穩(wěn)定性增加，同時需要增加殺蟲劑的使用，提高了糧食生產(chǎn)的經(jīng)濟成本和環(huán)境成本[15]。

3 糧食生產(chǎn)系統(tǒng)對氣候變化的脆弱性和風險分析

脆弱性指系統(tǒng)易于遭受氣候變化不利影響的程度及其恢復(fù)能力，是敏感性和適應(yīng)能力的綜合體現(xiàn)。討論脆弱性至少需要關(guān)注四個方面，即敏感性、暴露度、恢復(fù)力和適應(yīng)。敏感性多是系統(tǒng)本身特性所決定的，與恢復(fù)力含義相近，但恢復(fù)力強調(diào)影響后的反應(yīng)；暴露度既涉及系統(tǒng)本身也與外界因素相關(guān)；適應(yīng)能力則更強調(diào)外界干預(yù)。

由于中國氣候類型多樣，農(nóng)業(yè)具有較強的區(qū)域性特征，與自然生態(tài)、地理環(huán)境密切相關(guān)，對氣候變化的反應(yīng)不同，但均表現(xiàn)出較強的敏感性[28-29]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)具有相當高的復(fù)雜性，對環(huán)境要求表現(xiàn)在綜合性和系統(tǒng)性上。比如東北地區(qū)并不是單單因為熱量資源的改善，就可以帶來作物產(chǎn)量的明顯增加。其中水分供應(yīng)以及水熱匹配至關(guān)重要，只用綜合條件滿足需求，才可以實現(xiàn)最大產(chǎn)量潛力[7]。一般而言雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)的暴露度明顯高于灌溉農(nóng)業(yè)，中國目前灌溉農(nóng)業(yè)約占三分之一，大部處于雨養(yǎng)階段，這也是受干旱、洪澇等極端事件影響損失嚴重的主要原因[30-31]。總體上糧食生產(chǎn)系統(tǒng)對溫度、降水等指標的均態(tài)變化響應(yīng)幅度較小，適應(yīng)能力較強；但是對極端事件的響應(yīng)和適應(yīng)程度不一樣，事實上也非常復(fù)雜[32]。未來糧食生產(chǎn)系統(tǒng)的脆弱性主要是面對極端事件的影響，特別是在減小暴露度和提高適應(yīng)能力兩個方面。減小暴露度的壓力也越來越大，不僅源于保證耕地面積數(shù)量的需要，還由于提高耕地質(zhì)量的需要。所以適應(yīng)能力建設(shè)需要不斷完善，不斷加強，對氣候變化而言，糧食生產(chǎn)系統(tǒng)的適應(yīng)能力建設(shè)沒有完成時，只有進行時。

受到氣候變化特別是極端事件沖擊之后，系統(tǒng)本身的承受力、抵抗力以及應(yīng)急措施是恢復(fù)力的直接表現(xiàn)。目前大多作物生產(chǎn)的恢復(fù)力不強，既與作物生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部要素有關(guān)，也與人為調(diào)控能力有關(guān)。作物生產(chǎn)上可以從作物品種本身和環(huán)境條件兩方面著手加以改進，把作物抗逆性選擇、田間管理措施改進包括到應(yīng)急對策中，也是提高適應(yīng)能力的措施和手段。

4 降低糧食生產(chǎn)系統(tǒng)對氣候變化脆弱性的建議

4.1 加強對敏感性的評估能力建設(shè)

科學(xué)準確地評價糧食生產(chǎn)系統(tǒng)對氣候變化的敏感性是有效應(yīng)對氣候變化的前提條件，對于制定合理有效的應(yīng)對策略具有重要意義。IPCC第四次評估報告發(fā)布以來，敏感性和脆弱性問題越來越引起廣泛關(guān)注，嘗試利用指標、模擬等不同方法和手段開展研究，或者利用農(nóng)業(yè)統(tǒng)計產(chǎn)量定量反應(yīng) [29-32]。然而，目前還沒有統(tǒng)一的研究方法和指標對敏感性和脆弱性進行評估。一方面由于糧食生產(chǎn)系統(tǒng)的復(fù)雜性，另一方面氣候變化又是漸進的，而其引發(fā)和強化了的極端事件又缺乏內(nèi)在的規(guī)律性，氣候情景以及社會經(jīng)濟情景存在不確定性，加之研究方法和手段還不夠完善，案例研究和評價模式都不夠充分。因此，要完善和改進各類評估指標體系和模型，創(chuàng)新和發(fā)展評估方法和工具，結(jié)合實地觀測和案例研究，科學(xué)評估氣候變化的影響與敏感性，識別和降低研究中的不確定性。開展作物品種抗逆性、生長發(fā)育、光合效率、產(chǎn)品形成與品質(zhì)特性，作物種植制度和布局，農(nóng)業(yè)災(zāi)害、病蟲害等科學(xué)問題研究，提高人類對氣候系統(tǒng)及其變化的認識，提高氣候變化影響及相應(yīng)領(lǐng)域敏感性的認識。

4.2 加強糧食生產(chǎn)系統(tǒng)適應(yīng)能力

對于糧食生產(chǎn)系統(tǒng)而言，加強適應(yīng)能力建設(shè)是緊迫的、急需的要求，是減小脆弱性的有效措施。適應(yīng)能力的增強，客觀上減小了農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的暴露度，增加其恢復(fù)力。適應(yīng)可以在多個層面上進行[33]：一是對已有的農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施進行改造，增強對氣象災(zāi)害的防御能力；加強對天氣氣候及農(nóng)業(yè)災(zāi)害的監(jiān)測、預(yù)測和響應(yīng)能力建設(shè)，做好防范措施， 最大限度降低自然災(zāi)害和氣象災(zāi)害的脆弱性[34]。二是通過調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，有計劃地選用抗旱澇、抗高低溫和抗病蟲害等抗逆品種和新品種。充分利用氣候變化帶來的熱量資源增加、復(fù)種指數(shù)增加等優(yōu)勢，避免干旱、高溫熱害等氣候變化帶來的不利因素，進而改進作物布局，科學(xué)合理確定種植制度。對于原有種植作物，也要針對氣候變暖現(xiàn)象，適當調(diào)整播種期。三是發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，加強推廣旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)。改造老化農(nóng)業(yè)灌排工程設(shè)施，采用新的排灌措施，灌溉系統(tǒng)和方式，推行畦灌、噴灌、滴灌和管道灌等灌溉技術(shù)，高效利用灌溉水。四是綜合多學(xué)科的理論方法，加強糧食生產(chǎn)系統(tǒng)和其它系統(tǒng)及領(lǐng)域的交互影響的辨析與識別，開展農(nóng)業(yè)及相關(guān)科學(xué)問題的試驗研究，進一步開展糧食生產(chǎn)系統(tǒng)與氣候變化有關(guān)的影響和適應(yīng)研究，包括各生產(chǎn)要素以及加工、分配、零售和消費模式等非生產(chǎn)但同樣重要要素的氣候影響和適應(yīng)[7]。

4.3 加強自然和社會系統(tǒng)體系和功能建設(shè)

糧食生產(chǎn)是第一產(chǎn)業(yè)，與社會經(jīng)濟系統(tǒng)關(guān)系密切，更與自然生態(tài)系統(tǒng)緊密相連。自然生態(tài)環(huán)境的改善有利于糧食生產(chǎn)條件的改善，從而降低糧食生產(chǎn)系統(tǒng)對氣候變化的暴露度，增強恢復(fù)力，有利于糧食生產(chǎn)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展[35]。一是加強糧食生產(chǎn)高新技術(shù)和適用技術(shù)的推廣，加快科技創(chuàng)新和技術(shù)引進步伐，在單一技術(shù)發(fā)展的同時，建立和完善適應(yīng)技術(shù)體系的集成創(chuàng)新機制[34]，使適應(yīng)氣候變化不同主體的資源、技術(shù)、能力等得到優(yōu)化配置，使各種單項和分散的相關(guān)技術(shù)成果得到集成，降低農(nóng)業(yè)對氣候變化的脆弱性。二是通過立法、行政、財政稅收等方式，積極推進農(nóng)業(yè)保險，探索農(nóng)業(yè)政策保險與商業(yè)保險相結(jié)合的風險分擔機制，加大社會宣傳和領(lǐng)導(dǎo)，采取政策激勵措施等，創(chuàng)造良好的社會保障機制和反饋機制[33]。三是通過調(diào)整經(jīng)濟結(jié)構(gòu)、提高能源效率、開發(fā)利用水電和其他可再生能源、大力開展植樹造林等措施，減少糧食生產(chǎn)系統(tǒng)溫室氣體排放源，增加糧食生產(chǎn)系統(tǒng)固碳減排能力，提高其碳匯庫容潛力，維護良好的生態(tài)環(huán)境。在應(yīng)對病蟲害和雜草害時，充分考慮生態(tài)、環(huán)境的保護和維護，使用高效低毒無污染的新型農(nóng)藥，開展生物防治，發(fā)揮自然天敵對病蟲害的調(diào)控作用。

（編輯：李 琪）

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