氣候變化對中國主要糧食作物單產(chǎn)影響的文獻(xiàn)計量Meta分析

解偉　魏瑋　崔琦

摘要 氣候變化對糧食安全的影響越來越受到各級政府和學(xué)界的關(guān)注。然而，已有研究在評估氣候變化對糧食單產(chǎn)的影響時，因情景設(shè)定、模型方法、參數(shù)設(shè)定或作物種類等不同，得出的結(jié)果存在差異，甚至出現(xiàn)正負(fù)截然相反的評估結(jié)果，給氣候變化經(jīng)濟(jì)學(xué)者在評估氣候變化對糧食供需、價格和貿(mào)易的影響時選用哪篇文獻(xiàn)的結(jié)果作為依據(jù)進(jìn)一步評估造成困擾。本文研究目的是以已有文獻(xiàn)中有關(guān)氣候變化對中國未來糧食單產(chǎn)影響的評估結(jié)果為統(tǒng)計樣本，構(gòu)建氣候變化對糧食單產(chǎn)影響的損失函數(shù)，給出統(tǒng)一情景下氣溫、降水變化對中國主要糧食作物單產(chǎn)的影響。本文從1 366篇文獻(xiàn)中通過層層篩選，找到34篇高度相關(guān)的文獻(xiàn)，基于此獲得了288個研究樣本，采用統(tǒng)計描述分析和文獻(xiàn)計量Meta分析方法估計氣候變化關(guān)鍵變量對主要糧食作物單產(chǎn)的影響。研究結(jié)果表明，氣候變化對主要糧食作物單產(chǎn)的影響大小與氣候變化情景、作物種類、種植地區(qū)、是否考慮C02肥效等有關(guān)。綜合不同氣候變化情景的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)：氣溫每提高1℃，中國三大糧食作物的單產(chǎn)整體下降約2.6%;降水每增加1%.中國三大糧食作物的單產(chǎn)整體約增加0.4%;C02肥效的影響存在較大爭議。綜合氣溫和降水對糧食單產(chǎn)的影響，本研究表明氣候變化將對中國糧食安全造成一定的沖擊，可能部分抵消技術(shù)進(jìn)步等帶來的正面效應(yīng)。本研究綜合相關(guān)文獻(xiàn)結(jié)果，提供了統(tǒng)一情景下氣溫、降水變化對中國主要糧食作物單產(chǎn)的影響，將為氣候變化的農(nóng)產(chǎn)品供需市場模型或者氣候變化綜合評估模型（1AM）研究提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 溫度;降水;C02肥效;糧食單產(chǎn);損失函數(shù);Meta分析

中圖分類號 F062.1;F062.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號1002 - 2104（2019） 01 - 0079 - 07

DOI：10.12062/cpre.20181014

近年來，糧食安全相關(guān)政策和研究高度重視氣候變化影響這一要素。糧食安全事關(guān)國家全局，不僅引起全球關(guān)注，更是各國政府工作的重中之重。傳統(tǒng)的“糧食安全”相關(guān)政策和研究中，多關(guān)注諸如價格、收入等對需求的影響，以及科技、基礎(chǔ)設(shè)施投入、生產(chǎn)要素等對供給的影響。然而，“糧食安全”最新政策和研究越來越重視氣候變化這一非傳統(tǒng)要素。國際上，世界糧食安全委員會糧食安全與營養(yǎng)問題高級別專家組（HLPE）于2012年出版?？懻摎夂蜃兓c糧食安全。之后，2014、2018年國際農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)會（IAAE）和近年美國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)會（AAEA）舉行的年會都特別設(shè)置了氣候變化與糧食安全的主題論壇。在中國，近些年中央一號文件都指出氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響日益加深。

準(zhǔn)確評估氣候變化對主要糧食作物單產(chǎn)的影響是回答氣候變化與糧食安全關(guān)系的前提，然而已有研究在評估氣候變化對糧食單產(chǎn)的影響時，因影響要素和模型方法不同，得出的結(jié)果存在差異，甚至出現(xiàn)正負(fù)截然相反的兩類評估結(jié)果。已有研究注意到模型不同對評估結(jié)果會造成影響，并通過開展國際上7個典型作物生長模型、5個全球大氣模式的比較以期找到差異提高評估準(zhǔn)確度。即便這樣，常因輸入的氣候情景不同，以及是否考慮適應(yīng)措施、CO，肥效和技術(shù)進(jìn)步，也還常常有多個評估結(jié)果。如，與1961-1990年比，全球平均氣溫升高1℃，如果不考慮C02肥效，中國水稻單產(chǎn)變化- 18.6%～-6.1%，如果考慮CO2肥效，水稻單產(chǎn)變化-10.1%～3.3%。也有研究結(jié)果認(rèn)為，與1961-1990年比，A2情景下到2020s如果不考慮CO2肥效，中國水稻單產(chǎn)將增加6.3%，如果考慮C02肥效，水稻單產(chǎn)將增加15.8%。顯然，是否考慮C02肥效會導(dǎo)致多個結(jié)果。另外，由于氣候情景不同，前者是升高l℃，后者是A2情景，所以出現(xiàn)不同的評估結(jié)果，甚至同在不考慮C02肥效情況下出現(xiàn)正負(fù)相反的結(jié)果。從其他文獻(xiàn)看，是否考慮適應(yīng)措施和技術(shù)進(jìn)步，是否區(qū)分灌溉農(nóng)業(yè)和雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)評估，研究區(qū)和研究時間是否相同，這些都會得出不同的評估結(jié)果。

由于不同文獻(xiàn)得出的氣候變化對糧食單產(chǎn)的影響存在差異，氣候變化經(jīng)濟(jì)學(xué)者在評估氣候變化對糧食供需、價格和貿(mào)易的影響時究竟選用哪類單產(chǎn)影響參數(shù)常比較困惑。眾所周知，大量研究評估了氣候變化對糧食單產(chǎn)的自然影響，但氣候變化經(jīng)濟(jì)學(xué)家所發(fā)展的綜合評估模型（IAM）仍沒有使用現(xiàn)有研究中的信息構(gòu)建氣候變化對糧食單產(chǎn)影響的損失函數(shù)。如DICE/RICE模型從20世紀(jì)90年代開始一直沿用氣溫升高2.5℃導(dǎo)致中國農(nóng)業(yè)產(chǎn)值上升0.02%，美國農(nóng)業(yè)產(chǎn)值上升0.03%，俄羅斯農(nóng)業(yè)產(chǎn)值下降0. 82%;如FUND模型構(gòu)建了全球各國一樣的農(nóng)業(yè)產(chǎn)值與最佳溫度、實(shí)際溫度以及肥效之間的經(jīng)驗公式，其中參數(shù)的估計沒有依據(jù)已有文獻(xiàn)評估的氣候變化對作物單產(chǎn)的影響結(jié)果。

文獻(xiàn)計量Meta分析恰恰可以充分利用現(xiàn)有文獻(xiàn)中的信息，基于源自文獻(xiàn)的氣候變化對糧食單產(chǎn)的影響結(jié)果這一樣本，控制氣候變化影響主要糧食作物單產(chǎn)的各個因素，獲取已有研究中溫度、降水、C02肥效等關(guān)鍵變量對于作物單產(chǎn)的平均影響。本文基于此研究目的，對氣候變化領(lǐng)域相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行梳理，匯總與單產(chǎn)變化相關(guān)的樣本統(tǒng)計量及相關(guān)控制變量，重點(diǎn)研究以下幾個問題：①氣溫變化對于單產(chǎn)變化的定量分析;②降水變化百分比對于單產(chǎn)變化的定量分析;③C02肥效是否對作物單產(chǎn)產(chǎn)生影響以及影響程度如何。以期這一研究能幫助進(jìn)一步認(rèn)識氣候變化對糧食單產(chǎn)的自然影響。

1 數(shù)據(jù)收集與樣本

為了分析氣候變化對中國主要糧食作物單產(chǎn)的影響，對國內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)行了細(xì)致搜索和收集。文獻(xiàn)搜索的具體方法如圖1所示：首先，以“氣候變化（暖）”“產(chǎn)量/單產(chǎn)”“作物/玉米/小麥/水稻”“氣候情景/模擬”等為關(guān)鍵詞在中國知網(wǎng)全文期刊數(shù)據(jù)庫（CNKI）、萬方數(shù)據(jù)庫等全文數(shù)據(jù)庫進(jìn)行相關(guān)文獻(xiàn)檢索。同時以“Climate changescenario”“Crop/rnaize/rice/wheat”“Yield change”等關(guān)鍵詞在Web of Science、Science Direct、Google Scholar等外文數(shù)據(jù)庫進(jìn)行文獻(xiàn)檢索。最終獲得相關(guān)文獻(xiàn)1 366篇。同時本文將中國作為研究區(qū)域，只選取文獻(xiàn)中涉及中國或中國某一區(qū)域研究結(jié)論的文獻(xiàn)。剔除掉不涉及中國的文獻(xiàn)，進(jìn)一步篩選后，獲得文獻(xiàn)298篇。

本文重點(diǎn)研究預(yù)估年代下，不同情景下氣候變化對單產(chǎn)的影響，因此，在研究中國氣候變化對作物單產(chǎn)影響的298篇文獻(xiàn)中進(jìn)一步篩選，要求文獻(xiàn)必須是評估未來年份的單產(chǎn)變化情況，針對玉米、小麥、水稻三大糧食作物，不符合任意一條原則的剔除，得到55篇文獻(xiàn)。進(jìn)一步詳細(xì)閱讀文獻(xiàn)并根據(jù)作物類型進(jìn)行數(shù)據(jù)分類梳理，對于定性分析以及關(guān)鍵變量（氣溫、降水）缺失的文獻(xiàn)進(jìn)一步剔除，最終得到文獻(xiàn)34篇。值得說明的是，本文層層篩選出的文獻(xiàn)樣本必須確保符合如下原則：①必須是對中國整體或某區(qū)域進(jìn)行評估的文獻(xiàn)，不包括對國外和全球評估的文獻(xiàn);②必須是評估氣候變化對未來作物單產(chǎn)影響的文獻(xiàn)，不包括評估氣候變化對歷史單產(chǎn)影響的文獻(xiàn);③必須是對三大類作物單獨(dú)開展評估的文獻(xiàn)，不包括對農(nóng)業(yè)整體評估的文獻(xiàn)，也不包括對病蟲害、耕地、種植制度等其他方面開展評估的文獻(xiàn);④必須是基于各類作物模型（文獻(xiàn)中主要使用的定量評估方法）的定量評估，不包括各類定性論述文獻(xiàn)。盡管根據(jù)直覺，應(yīng)該有大量氣候變化對農(nóng)業(yè)影響的文獻(xiàn)，甚至不少雜志還出專刊討論這一問題，但不符合上述原則的文獻(xiàn)都不在本文樣本中。2016年出版的《第三次氣候變化國家評估報告》對符合上述條件的文獻(xiàn)也進(jìn)行了梳理，文獻(xiàn)數(shù)為26篇，比本文樣本文獻(xiàn)少8篇。Challinor對全球及主要國家符合上述條件的文獻(xiàn)也進(jìn)行了梳理，文獻(xiàn)數(shù)也僅89篇，同時包括了全球總體及分國別結(jié)果。

我們將每篇文章中不同預(yù)估年代、不同情景下的糧食作物單產(chǎn)變化作為一個觀測樣本（例如，如果一篇文獻(xiàn)中，針對玉米、小麥、水稻三種主要糧食作物，在RCP2.6與RCP8.5情景下，分別預(yù)估2020，2050，2080三個年代的產(chǎn)量情況，則該文獻(xiàn)提供了3 x2 x3 =18個樣本觀測值）。同時再將每個樣本觀測值針對氣溫變化情況、降水變化百分比、是否考慮CO2肥效、作物類型等等進(jìn)行歸納整理，這樣將每篇文章拓展為包含以上信息的多個樣本觀測值。根據(jù)上述樣本處理方式，本文對最終選取的34篇文獻(xiàn)進(jìn)行分類匯總，最終得到樣本統(tǒng)計量288個。其中，玉米作物的樣本量為108個，小麥的樣本量為106個，水稻的樣本量為74個。

2 溫度、降水變化與主要糧食作物單產(chǎn)的統(tǒng)計關(guān)系

通過文獻(xiàn)梳理得到以下關(guān)鍵研究變量：氣候變化情景、作物種類、種植地區(qū)、灌溉條件、是否考慮C02肥效等，目前研究最多的要素是氣溫變化、降水變化和CO2肥效。氣溫越高，農(nóng)作物的生長發(fā)育就越快，當(dāng)活動溫度積累到一定水平時，作物完成了整個發(fā)育周期。在氣候變暖的情況下，高溫使得農(nóng)作物的發(fā)育周期縮短，減少了通過光合作用積累物質(zhì)的時間，從而使得產(chǎn)量直接減少，品質(zhì)也會下降。中國地域廣、跨度大，氣候變化背景下降水的區(qū)域差異顯著，南方地區(qū)出現(xiàn)明顯的降水減少，使得南方地區(qū)雨養(yǎng)作物出現(xiàn)減產(chǎn)情況;東北地區(qū)東南部、華北降水出現(xiàn)小幅增加趨勢，使得灌溉作物的單產(chǎn)適當(dāng)增加。降水對于作物單產(chǎn)的影響具有明顯的地域差異。C02是作物光合作用的基本要素，也是氣候變化情景構(gòu)建的主要指標(biāo)。C02含量增加可以提高作物的光合速率，直接刺激作物生長，提高干物質(zhì)的含量，使得產(chǎn)量增加。這三者是本文研究氣候變化下影響單產(chǎn)變化的主要考察因素，利用文獻(xiàn)整理數(shù)據(jù)，分析這三者與作物單產(chǎn)之間的相關(guān)關(guān)系。

由圖2可以看出，在未考慮CO2肥效的情況下，隨著溫度升高，糧食作物單產(chǎn)呈明顯的下降趨勢，在溫度升高超過4℃時單產(chǎn)下降比例超過10%;在考慮CO2肥效的情況下，擬合曲線出現(xiàn)明顯的增長趨勢，單產(chǎn)變化明顯高于未考慮C02肥效時的估計結(jié)果，統(tǒng)計顯著為正。這說明了C02肥效對于氣溫升高造成的單產(chǎn)損失具有一定的抵消作用。同時，在變化相同溫度時，考慮肥效后的產(chǎn)量變化比例明顯低于未考慮肥效的變化比例，這意味著在考慮C02肥效情況下，氣溫升高造成的減產(chǎn)只能抵消部分負(fù)影響。

由圖3可以看出，未來作物單產(chǎn)變化隨著降水變化百分比的增加出現(xiàn)小幅增加的趨勢，但是趨勢不明顯。降水變化百分比在20%以內(nèi)時，作物單產(chǎn)的波動較大;降水變化比例超過20%時，單產(chǎn)的估計值較少。根據(jù)文獻(xiàn)整理發(fā)現(xiàn)，水稻的研究區(qū)域主要來自南方地區(qū)，少量是來自于東北地區(qū)，而玉米、小麥的研究區(qū)域主要來自北方地區(qū)。從圖中可知，現(xiàn)有文獻(xiàn)對于未來降水變化百分比的估計普遍認(rèn)為是增加的，這種增加能夠提高南方地區(qū)水稻、北方地區(qū)玉米和小麥的產(chǎn)量;從整體趨勢看，未來降水增加，三大作物的總產(chǎn)量還是會出現(xiàn)上漲的趨勢。

3 Meta回歸結(jié)果及穩(wěn)定性檢驗

從前述統(tǒng)計描述中，可以發(fā)現(xiàn)溫度、降水變化均與主要糧食作物單產(chǎn)百分比變化存在明顯的相關(guān)關(guān)系。然而，統(tǒng)計描述具有一定的局限性：①只能分析三者之間的相關(guān)關(guān)系，難以考慮溫度與降水變化的相互作用以及二者與單產(chǎn)變化之間的定量關(guān)系;②難以定量分析C02肥效對作物單產(chǎn)的影響。因此，本節(jié)利用Meta回歸模型，定量分析溫度、降水變化、C02肥效等因素對小麥、玉米和水稻等主要糧食作物單產(chǎn)的影響。

根據(jù)Challinor等，Meta回歸的基本模型具體設(shè)定如下：域氣候模式（RegCM4.0）測算中國區(qū)域氣候變化情況，認(rèn)為到21世紀(jì)末，在RCP4.5、RCP8.5情景下，平均氣溫分別增加1.8℃和3.8℃（第三次氣候變化國家評估報告）?；谖覀兊幕貧w分析結(jié)果，在RCP4.5情景下，到2100年中國主要糧食作物單產(chǎn)將會下降約4.6%（2.568×1.8=4.6），大體相當(dāng)于過去4年中國糧食單產(chǎn)提高的水平（從2011年到2014年，三大類糧食作物單產(chǎn)從5166kg/hm2提高到5385kg/hm2，提高了約4.2%）。進(jìn)一步，在RCP8.5情景下，中國主要糧食作物的單產(chǎn)將會下降約9.8% （2.568 x3.8 =9.8）。這超過了過去7年中國主要糧食作物單產(chǎn)提高的水平（從2008年到2014年，三大類糧食作物單產(chǎn)從4 951 kg/hm2提高到5385 kg/hm2，提高了8.8%）?？紤]到水土資源、勞動力成本等制約因素之后，氣候變化對未來中國主要糧食生產(chǎn)將會帶來更大的威脅。

第二，降水的增多將提高糧食作物的單產(chǎn)。根據(jù)表1的結(jié)果，降水變化的系數(shù)顯著為正（0.371，第2行），即降水每增加1%，糧食作物的單產(chǎn)約增加0.4%。利用區(qū)域氣候模式（RegCM4. 0）測算到21世紀(jì)末，在RCP4.5與RCP8.5情景下，降水分別增加6.3%與8.0%?；诂F(xiàn)有降水與產(chǎn)量的相關(guān)分析統(tǒng)計（見圖3），也發(fā)現(xiàn)未來降水變化呈現(xiàn)增長趨勢。結(jié)合回歸分析結(jié)果，認(rèn)為降水的增加將提高未來中國糧食作物單產(chǎn)，但增長幅度不大（<3%）。

第三，C02肥力顯著增加三大糧食作物單產(chǎn)，甚至抵消氣溫升高造成的損失。從表1中可以看到，C02肥效的系數(shù)顯著為正（16.48，第3行）。估計結(jié)果表明，在考慮C02肥效的影響下，未來糧食作物的單產(chǎn)會增加約16%。我們有關(guān)CO2肥效與糧食作物單產(chǎn)的計量分析也印證了已有研究結(jié)論，在不同情景下的未來預(yù)估年代下，C02肥效能夠降低溫度變化造成的產(chǎn)量損失。同時，CO2肥效不僅能夠彌補(bǔ)溫度升高造成的損失，甚至帶來產(chǎn)量的增加。盡管CO2肥效對于作物產(chǎn)量的影響在自然學(xué)科領(lǐng)域存在很大的爭議，但是基于本研究的Meta分析結(jié)果看，C02肥效對于作物產(chǎn)量還是具有顯著正影響。

在Meta回歸分析的基礎(chǔ)上，我們利用多因素方差分析（ANOVA）進(jìn)一步探討各類變量的組間方差對主要糧食作物單產(chǎn)總方差的影響，分析導(dǎo)致研究結(jié)論差異的主要影響因素。表3中的平方和表示基于均值水平的各類變量組件方差估計的平方和，將其除以總平方和得到各變量組間方差的貢獻(xiàn)率。顯著性基于F檢驗，表明各組變量的組間方差是否顯著影響總體方差。結(jié)果表明氣候變化對主要糧食作物單產(chǎn)影響的差異主要來自C02肥效、作物品種、溫度和降水的差異，分別可以解釋結(jié)論差異的51.0%、20.4%、11.5%和5.7%，四個變量可以解釋模型部分的88.6%。這與Meta回歸結(jié)果一致，正是不同研究在以上方面的差異，最終導(dǎo)致了關(guān)于氣候變化對主要糧食作物單產(chǎn)影響的不同結(jié)論。

4 結(jié)論

為進(jìn)一步認(rèn)識氣候變化對糧食單產(chǎn)的自然影響，利用已有文獻(xiàn)中有關(guān)氣候變化對三大糧食作物單產(chǎn)影響的評估結(jié)果作為樣本，通過層層篩選確定了34篇高度相關(guān)的文獻(xiàn)，最終獲得288個樣本，采用文獻(xiàn)計量Meta分析方法開展統(tǒng)計分析和計量估計。研究結(jié)果表明：氣候變化對主要糧食作物單產(chǎn)的影響因素包括氣候變化情景、作物種類、種植地區(qū)、是否考慮C02肥效等，目前研究最多的是氣溫、降水和C02肥效。氣溫每提高1℃，中國主要糧食作物的單產(chǎn)將下降2.6%;降水每增加1%，糧食作物的單產(chǎn)約增加約0.4%;在考慮C02肥效的影響下，糧食作物的單產(chǎn)平均增加約16%。有關(guān)氣候變化對三大糧食作物單產(chǎn)影響的差異主要來自不同研究在C02肥效、作物品種、溫度和降水方面的差異。

綜合氣溫和降水對糧食單產(chǎn)的綜合影響，本研究表明氣候變化將對中國糧食安全造成一定的沖擊。根據(jù)第三次國家氣候變化評估報告，在RCP8.5情景下到2100年中國氣溫將上升3.8℃，同時降水將提高8.0%，兩方面影響共同作用導(dǎo)致中國糧食單產(chǎn)將下降約6.7%。這也正是本研究能夠服務(wù)政策制定的方面，本研究綜合相關(guān)文獻(xiàn)結(jié)果，提供了統(tǒng)一情景下氣溫、降水變化對中國主要糧食作物單產(chǎn)的影響，將為氣候變化的農(nóng)產(chǎn)品供需市場模型或者氣候變化綜合評估模型（IAM）研究提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

在不考慮糧食播種面積調(diào)整和氣候變化適應(yīng)措施下，未來氣候變化帶來的糧食作物產(chǎn)量變化比較顯著。現(xiàn)有研究還較少考慮糧食播種面積調(diào)整和氣候變化適應(yīng)行為。盡管氣候變化將在一定程度上降低中國糧食單產(chǎn)，但糧食產(chǎn)出減少同時會提高糧食的價格，在一定程度上會刺激糧食播種面積的擴(kuò)大。氣候變化對糧食產(chǎn)量的影響最終要取決于糧食單產(chǎn)與播種面積的雙重影響，未來研究應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步考慮氣候變化對糧食播種面積的影響。另一方面，政府與農(nóng)戶均可實(shí)施氣候變化的適應(yīng)措施，包括加強(qiáng)田間管理、水利建設(shè)、調(diào)整耕作時間等，將在一定程度上抵消氣候變化的影響。但是現(xiàn)有研究還很少在研究氣候變化的農(nóng)業(yè)影響時考慮政府與農(nóng)戶的適應(yīng)行為，未來的研究也應(yīng)在該方面加以改進(jìn)。最后，氣候變化對不同糧食作物單產(chǎn)的影響也可能存在差異，需要在未來的研究中深入研究氣候變化對不同區(qū)域、不同作物單產(chǎn)的影響。