2006, Vol. 32 温室气体升高引起的全球气候变化及其影响已经是国际社会关注的重点环境问题之一。有关气候变化对农业和食物安全的影响, 国内外作了一些研究[1-4]。水稻、玉米和小麦是中国的三大粮食作物, 它们的产量关系到国家的粮食安全问题, 而粮食单产又是影响我国粮食总产的决定因素[5]。气候变化将会导致气候资源发生变化, 极端气候事件增加。这些都会对未来粮食单产水平及农业生产的稳定性产生较大的影响。同时, 未来人口的增长也会对粮食供应提出新的要求。因此, 定量地模拟气候变化对未来农业生产的影响, 并结合人口的增长和相应的农业技术进步分析未来我国的粮食供给, 对确定未来农业生产政策, 制定气候变化适应方案具有重要的意义。
以三种粮食作物为研究对象, 利用区域气候模式和区域作物模式, 在50km×50km的尺度下, 探讨了气候变化对未来我国粮食产量的影响, 并结合社会经济发展和人口增长, 分析了IPCC SRES A2和B2情景下, 未来我国粮食供需状况, 为气候变化政策制定提供借鉴。
1 研究方法和资料 1.1 SRES社会发展方案和温室气体排放情景及相应的中国社会发展假设IPCC开发的SRES情景为未来世界设计了四种可能社会经济发展框架[6]。这四个框架是A1、A2、B1和B2。与其对应的描述为:A1假定全球性合作, 迅速使用高新技术, 全球人口趋于稳定; A2反映区域性合作, 对新技术的适应较慢, 人口继续增长; B1方案中生态环境得到改善, 全球人口趋于稳定; B2假定生态环境的改善具有区域性。经过国家气候中心对IPCC SRES情景的降尺度分析, 认为与中国未来发展最接近的是B2, 即区域可持续情景; 而A2与中国的发展状况差异最大, 但作为一种假设的高排放情景, 可以帮助评估在最坏的发展状况下气候变化的影响。研究最终选取A2和B2来探讨未来的粮食安全问题(见表 1)。
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表 1 气候情景、排放方案和CO2气体浓度[7] |
研究选用Hadley中心开发的区域气候模式进行不同CO2排放情景下未来气候变化的模拟。该区域气候模式在不同CO2浓度的趋动下, 能模拟出所选区域50km×50km网格的逐日温度、降水、辐射等10余项指标。与全球气候模式(GCM)相比, 区域气候模式在模式验证、时空分辨率、对地形的表述以及模式的不确定性方面有显著的改善[8]。
1.3 区域作物模型及其验证区域作物模式以CERES作物模型为核心, 在GIS的基础上把数据读取、模型运行、结果展示综合为一体。研究中选用的CERES-Rice, CERES-Wheat和CERES-Maize三模型可以预测不同品种作物在各种气候生态和栽培条件下的生长、发育和产量。模型中还考虑了CO2浓度增加对作物光合作用和水分利用效率的影响。在运用模型之前, 对上述模型进行了不同时间和空间尺度的验证和校准[9, 10]。检证结果表明, 该模型在田间尺度的单季作物模拟上模拟效果很好。
1.4 计算方法及其它数据和假设其他数据包括品种参数数据、土壤数据、农业管理措施数据以及作物播种面积数据等, 数据收集在文献[5]中有详细阐述。将全国各网格(50km×50km)、当前(Baseline)和未来2种气候情景(A2和B2)三种时段各30个样本年的逐日天气要素输入区域作物模式, 运行模式得到当前和未来2种气候变化条件下三个时段各30个样本年的三种作物产量, 以30个样本年的平均产量与Baseline的平均产量相比, 得出各网格单位产量的相对变化值, 并分别计算出三种作物的单产变化值, 最后依据三种作物的播种面积, 计算出三种作物不同情景下的产量变化。在进行计算时, 当前全国粮食产量水平采用了1996—2000年后的平均值4.96亿吨为基准, 网格内的三种作物的种植面积采用Frolking[11]研究结果, 单产水平采用国家农业统计数据1996—2000年的平均值。其它粮食作物的单产和播种面积假定保持不变。
根据《中国粮食白皮书》, 研究假定未来的粮食自给率不低于95%, 即保持在0.248亿吨/年的粮食进口水平, 技术进步对粮食单产的贡献率为:2010前每年递增1%, 2010—2030年为0.7%, 2030后为0。计算公式如式(1)和式(2):
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(1) |
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(2) |
其中, m=A2和B2, 代表两种排放情景; n=2020, 2050和2080三个年份, i表示参与计算的主要粮食作物, r表示适应措施a、b、c(表 2), ycm,n,i表示i作物m排放情景下n年份的单产变化百分比(数据如表 2), Ai表示i作物的播种面积, (1+1%)10表示2000—2010年之间农业技术进步使粮食单产水平年递增1%, (1+0.7%)n-2010表示2010年后农业技术进步使粮食单产年递增0.7%至到2030年, Y2表示最大粮食进口量, 定为0.248亿吨。
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表 2 模拟的中国三种主要粮食作物单产与Baseline(1961—1990)相比的变化 |
如果不考虑灌溉措施或CO2的肥效作用, 气候变化情景下三个时段我国三种主要粮食作物单产均将会下降, 其中A2下单产的下降幅度大于B2, 单产水平随着时间的推移, 产量下降幅度逐渐增大。其中玉米产量下降幅度较大, 而小麦和水稻下降较小, 特别是在B2下玉米的产量下降最多, 达-36.4%。主要原因为温度升高导致生育期缩短。如果单考虑灌溉, 产量下降幅度则明显降低, 玉米和小麦产量下降幅度减少5%~15%, 水稻减少5%左右。总的来说, 灌溉可以使三种作物的产量下降幅度平均缩小7.6%。
如果单考虑CO2的肥效作用, 即使依然维持目前的农业技术水平和雨养农业, 未来我国三种粮食作物的单产水平也会增加, 其中增产幅度最大为小麦, 最大达23.6%, 最小为水稻, 最大达4.3%。主要原因是由于CO2增加作物的光合作用效率和水分利用效率。但实验和模拟研究表明, CO2的肥效作用的具体体现还与作物生长环境、品种、气候以及管理等条件相关。同时, 由于目前研究的局限, 尚不能完全了解CO2对作物刺激的机制和程度, 这方面的研究工作目前仍在继续。
2.2 气候变化情景下我国未来的粮食供给在假定当前的作物种植比例和种植面积保持不变并且忽略产量变化的区域间权重差异的条件下, 按公式(1)或(2)初步对我国未来粮食的供给能力进行了计算(表 3)。同时结合SRES两种情景下的人口增长, 分析了未来各个时段的人均粮食供给量的变化(图 1)。
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表 3 两种排放情景下我国未来的粮食供给 |
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图 1 SRES情景下未来我国各个时段人均粮食供给量变化 a完全雨养育农业, 无CO2肥效作用; b考虑CO2的肥效作用; c完全灌溉的农业 |
《中国粮食白皮书》认为:未来400kg的人均粮食占有量, 可以完全满足社会的可持续发展的粮食要求, 300~400kg的人均粮食占有量会对社会经济生活的稳定发展造成干扰, 低于300kg的人均粮食占有量将无法满足人们的基本口粮需要, 粮食安全将构成威胁。
保持95%的粮食进口率, 人口按照SRES A2和B2情景增长, 到2030年的技术进步可以达到0.7%或以上, 仅在B2和考虑CO2的肥效作用时, 未来我国粮食人均供给量可以保持一定的增加趋势, 人均粮食占有量基本维持在400kg以上, 社会可持续发展的粮食需要完全可以得到保证(见图 1)。其它各种情景和相应适应措施的未来人均粮食占有量呈递减趋势, 在A2情景下, 我国2080年左右的人口将达到22亿, 这时即使是考虑CO2肥效作用时, 粮食人均占有量也只有307kg, 可以满足基本的口粮需求, 但社会可持续发展的粮食需求将受到威胁。A2情景下的不考虑CO2肥效作用的雨养和灌溉农业人均粮食占有量都低于300kg, 未来的基本口粮将可能不能得到满足。
综上所述, 在假设当前作物种植比例和种植面积不变的条件下, 对于最悲观的温室气体排放方案(A2排放方案, 温度上升3.89℃), 不考虑CO2的肥效, 完全雨养或完全灌溉的粮食生产将都不能满足人口基本生存的直接粮食消费, 未来的粮食安全将会受到气候变暖的威胁; 而如果考虑CO2的肥效时, 人口基本生存的直接粮食消费可以保障, 但保证社会持续发展和人们生活水平需求的副食粮食需求会出现短缺。对于B2温室气体排放方案, 即使不考虑CO2, 气候变化对未来粮食安全都不会构成威胁, 如果考虑CO2的肥效作用或实行完全灌溉的粮食生产时, 未来的粮食供给完全可以满足社会的可持续发展需求。如果考虑到其他一些有利因素如国家优惠政策对粮食生产的促进作用等, 中低排放情景(B2)的气候变化不可能对我国未来粮食安全构成威胁。
2.3 研究中的不确定性研究中的不确定性主要来源于三个方面, 一是排放情景的不确定性, IPCC SRES排放情景对未来社会经济的发展做出了简要的描述, 这种描述在很大程度上只是给出了未来社会发展的一种方向, 具体和实际情景相比, 还存在着很大的区别。
二是未来气候变化预测的不确定性, 虽然研究中采用了区域气候模式来预测未来气候的变化情景, 但其尚不能完全了解气候变化的所有原因和机制, 在对气候变化的具体模拟上也不能完全地逼近。
三是假设、数据和模拟过程的不确定性, 如未来各种粮食作物的播种面积、未来农业技术对粮食单产的年贡献率以及未来粮食自给率等。这些数据部分来源于一些权威的文献和预测, 部分来源于专家的判断, 但它们和未来的真实情景相比, 也必定存在着较大的区别, 在模拟中, 也未考虑极端气候事件的影响。
3 结论与讨论(1) 气候变化下, 我国未来的粮食单产水平将降低, 采取适应措施灌溉后, 单产下降幅度会有一定减少, 但产量下降趋势还将继续, 如果考虑了CO2肥效时, 未来三种主要粮食作物的单产水平都将上升。
(2) 保持95%的粮食进口率, 人口按照SRESA2和B2情景增长, 考虑技术进步对粮食单产的影响, 维持目前的粮食种植比例和种植面积, B2下我国的粮食安全问题将不会构成威胁; A2下, 即使考虑CO2的肥效, 未来社会可持续发展的粮食需求也无法得到满足, 但人们基本的口粮食仍可以满足, 而不考虑CO2下的雨养和灌溉农业将无法满足未来人们的基本口粮需求。
(3) 气候变化情景下的我国粮食安全定量研究工作目前还有很大的不确定性, 这些不确定性主要包括:未来社会经济的发展、未来技术进步对农业的贡献率以及未来土地利用情况和作物种植制度, 以及CO2的肥效作用和对极端气候事件影响的模拟等。
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