全球变暖对农作物影响及对策的研究进展_何群华

·综述·

全球变暖对农作物影响及对策的研究进展

何群华1,乐向晖2

(1.广东省环境保护监测中心站,广东广州　510045;

2.广州大学城华南理工大学环境科学与工程学院,广东广州　510006)

提　要:全球变暖已经是一个毫无争议的事实。根据全球变暖对农作物生长气候的影响,综述了近几年全球变暖对农作物生长发育、产量、种植制度及病虫害等影响的最新研究进展。提出了农业相关方面应对全球变暖的对策。最后根据目前研究的现状,指出研究的不足以及有待改进的方面,并展望今后研究发展的方向。

关键词:全球变暖;农作物;温度;影响;对策

IPCC(2007)第二工作组第四次评估报告强调[1],全球气候变暖,对自然生态和人类生存环境产生显著影响,并将对未来自然生态和经济社会的发展产生长期的影响,其中对农牧业、生态系统、水资源及沿海岸带社会经济的影响最为严重。农业生态系统受气候和天气的制约最大,全球变暖将直接影响农作物的生态环境、生产布局和结构的变化,进而影响国家的粮食生产和粮食安全。笔者旨在介绍农作物对于全球变暖响应的研究进展,从而掌握、遵循和充分利用气候变化规律,趋利避害,使农业生产获取最佳效益。

1　全球变暖及全球变暖对降水的影响

全球变暖主要由人类活动引起,表现在以下三个方面:一是化石燃料燃烧过程中排放的CO2等温室气体增加大气中温室气体的浓度,这是人类活动造成气候变暖的主要驱动力;二是农业和工业活动排放的C H4、CO2、N2O、PFC、HFC、SF6等温室气体进入大气后,通过温室效应加剧气候变暖;三是土地利用变化导致的温室气体源汇变化和地表反照率变化,进一步影响气候变化。IPCC(2007)第一工作组第四次评估报告表明[2],全球变暖已是一个无可争议的事实。过去100a (1906-2005年)全球地表平均温度升高0.74℃(0.57-0.95℃);2005年全球大气二氧化碳浓度379mg/kg,为65万a来最高;过去50a观测到的大部分全球平均温度的升高,很可能(90%以上的可能性)由人类活动引起;与1980-1999年相比,21世纪末全球平均地表温度可能会升高1.1-6.4℃,高温、热浪以及强降水频率可能增加,热带气旋(台风和飓风)强度可能加强。

在过去的100a里,两极平均升高温度是全球平均升高温度的两倍,海洋吸收了进入大气中80%的热量,海洋温度升高导致了海水膨胀,最终提升了海平面。海洋表面的蒸发量提高,导致全球平均降雨量增加。从全球范围总的趋势来看,中纬度地区降雨量增大,北半球的亚热带地区的降雨量下降,而南半球的降雨量增大[3]。降水量是作物生长的主要限制因子,降水量在全球变暖的过程中有增加的趋势,但是由于降水量的变化在不同区域是不同的,其产生的影响也有正、负效应之分[4]。就全球平均状况而言,降水量的增加对农作物的发展是有利的。但全球范围的气候变暖将导致地表径流、旱涝灾害频率和一些地区的水质发生变化,从而加剧水资源的不稳定性与供需矛盾。

2　全球变暖对农作物生长各个因素的影响

农作物生态系统是人类强烈干预的人控系统,其自我调节机制很薄弱,是全球变暖的主要承受者和受害者。全球变暖对农作物的影响既有有利的一面,也有不利的一面,总的来说,弊大于利。IPCC(2007)第二工作组第四次评估报告中预计,到2020年,东亚和东南亚粮食产量将增加20%,然而亚洲中部和南部粮食产量降低30%;气候变化将增加我国东北、西北和高原地区的粮食产量,

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2008(5)陕　西　农　业　科　学

＊收稿日期:2008-06-26

　通讯作者:乐向晖。

减少华东、华中和西南地区的粮食产量;澳大利亚南部和新西兰整个东部的粮食产量减少;同时,新西兰西部和南部靠近河流的区域,由于耕作时间变长,霜冻减少,雨量增多,其粮食产量增加;在北欧,气候变暖减少了供热的需要,增加了粮食产量,但随着气候变化的持续,其弊大于利;拉丁美洲粮食产量预计降低;北美在本世纪初气候变化缓和,粮食产量预计增加2%-20%;在全球变暖引起的极端天气条件下,俄国每个世纪有1-3a 会发生粮食短缺[5]。

不同区域变化不同,而且降水量以及增温的范围都会影响产量。从全球范围看,中、高纬度地区的温度与工业前相比升高1-3℃,农作物产量呈增加趋势。而在低纬度地区,尤其是季节性干旱地区和热带地区,温度虽然升高了1-2℃,但农作物产量呈减少趋势。一般而言,温度升高1-3℃,可以增加农作物的产量,然而高于这个温度范围,可能会造成农作物产量的减少。从全球范围粮食产量的变化趋势看来,将全球变暖对农作物的不利影响降到最低,势在必行。

2.1　全球变暖对农作物产量的影响

气候变暖使农业生产的不稳定性增加,作物产量波动加大,其影响主要体现在以下几个方面:温度、降水量、太阳辐射、土壤有机质含量以及CO2浓度。同时,各个因素间存在相互关联的作用。温度升高,有效水分减少,将在很大程度上制约对CO2的有效吸收,减弱作物的光合同化过程和强度。Wei Xiong[6]研究表明在不考虑CO2作用的前提下,温度升高超过2.5℃,稻谷、小麦、玉米的产量持续下降;而温度过高更可能使农作物受到高温胁迫的影响,使光合作用受阻,甚至中断或者终止作物的正常生育过程[7]。另外温度升高会导致蒸发率过高,可能抵消因CO2增加而提高的水分利用率,导致作物的水分胁迫更加严重[8];农作物的呼吸消耗也将随着温度升高而呈指数递增,直接导致光合同化产物被植株自身为维持呼吸作用而大量消耗。温度的升高还会使土地更多地氮元素以N H3,N2O和NO3-形式遗失[9],危害农作物的正常生长。

全球变暖预计会改变水循环的强度[10],但农田水分的可用性与作物冠层的结构和根层的储水能力有密切关系,这就增加了季节性降水分布和强度变化对农作物影响的不确定性。温度和降水对于不同农作物有不同影响,对于高粱属作物,其产量随降水量和温度的增加而增加,但降水和温度对于玉米产量有相互制约的影响。也有部分研究显示[11],当降雨、土壤和温度三者的改变降低了农作物的产量,致使农作物歉收的主要因素是降水量的减少,而不是温度的升高。

引起全球变暖的CO2浓度上升同样对农作物有重要的影响。CO2浓度上升可促进光合作用,抑制呼吸作用,提高植物水分利用率,并且可以减少O3的毒害,在一定程度上增加作物对于病虫的抵抗力[12],因此将可能提高作物的产量。但CO2浓度的升高也会致使作物吸收的碳元素增加,氮元素减少,作物蛋白质的含量降低,导致作物质量下降[13]。因此,农作物的产量与质量受CO2浓度的影响存在一定的平衡关系。但若降水量、CO2浓度同时增加,温度升高时蒸发便加剧,降水蒸发差则为负,土壤有效水分将会变少,因而并不能提高农作物对CO2的吸收。

气温升高也可以通过改变土壤有机质中碳的含量而对农作物产生影响。土壤有机质中的碳是地球碳库的重要组成部分,它参与全球碳循环,有机质分解产生的CO2和CH4是重要的温室气体。气温升高后,土壤有机质的分解将加快,造成地力下降。土壤有机质对气候变化反应敏感,其中温度是支配其分解速率的重要环境因素,其含量沿着降水减少和温度升高的梯度而减少[14]。温度升高1℃,植物能吸收的速效氮肥释放量将增加4%,释放期将缩短3.6d,因此,要保证原有肥效,将增加农业成本,并且对土壤和环境的污染加重。

2.2　全球变暖对农作物种植制度、地理分布及生育期的影响

气候变暖将使我国作物种植制度发生较大的变化。一些学者曾预测,到2050年,气候变暖将使农作物三熟制的北界从长江流域移至黄河流域,两熟制地区将北移至目前一熟制地区的中部,三熟制的面积可能扩大1.5倍,一熟制的面积将减少23%。而我国西北地区气候变暖对农业的负面影响大于正面影响;冬季气候变暖,越冬作物种植区北界向北扩展;气候变暖喜温作物面积扩大,多熟制向北推移[15]。

除了作物种植制度发生改变外,主要作物品种的布局也将发生变化。有研究结果显示[16],华北目前推广的冬小麦品种将无法适应变暖的气候,比较耐高温的水稻品种会在南方占主导地位,并且向北方稻区发展,而东北地区玉米的早熟品种逐渐被中、晚熟品种取代。黄梅丽等[17]根据广西1961-2005年的气温资料,利用统计分析方法,发现广西作物的种植北界将向北移,种植高度

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普遍提高。

与此同时,全球变暖对植物的生育期也发生了改变。王建恒等[18]采用黑龙港地区具有代表性的气象和农气观测资料,分析气候对农作物的影响,得出结论:气候变暖使得冬小麦播种期向后推延,返青期提前,对冬小麦增产有利,也利于玉米生育期的延长和产量提高;对于棉花生产,终霜期明显提前,初霜期略有推迟,霜期变短,生育期平均延长,霜后花率降低,棉花产量和质量也有很大程度的提高。温度升高可延长全年生长期,对无限生长习性或多年生作物有利,而对生育期短的作物来说是生物量减少。在生育期气温每升高1℃,冬小麦生育期日数全国平均缩短16d,光合作用积累干物质的时间减少[19]。

2.3　全球变暖对病虫害的影响

气候变化(尤其冬季增温),北方许多害虫和病原物容易越冬,使病源和虫源有效越冬基数增大,病虫的分布区可能扩大;温度升高使害虫生长季节加长,一年中害虫世代数增多,农田多次受害的机率增大;温度升高,大气中二氧化碳浓度升高,作物生长速度加快,导致植物含氮量下降,农业害虫需要摄取更多的植物以满足自身营养需求,农作物的改变和复种指数的增加都可能有利于害虫和病原物的传播和危害。同时,气候变暖,作物种植区的迁移改变作物病原体的地理分布,热带的病原和寄生组织将会扩展到亚热带甚至温带地区[20]。因此,全球变暖将导致农作物容易感染虫害而产量下降。

3　全球变暖背景下我国农业对策初探

全球变暖以及由于全球变暖对农作物生态系统的影响是多方面的,复杂的以及难以准确预测的,有有利的作用,也有不利的作用。考虑到我国的实际情况,其负作用大于正作用[21],因此必须加强研究并提出切实可行的对策。

3.1　充分利用农业气候资源,调整种植制度与结构[22],研究适应气候变化的农业发展战略问题,确定农业发展的重点,与农业技术的政策与导向

预计全球变暖后因积温增加和生长期的延长,一熟区的南界将北移250-500km,双季稻区和三熟区北界也将北移[23]。因热量条件的改变,复种面积将扩大,复种指数将提高,对水分的需求增加,未来水分将取代热量成为复种面积扩大的主要限制因素。对此,必须要研究因气候变暖农作物生长必须做出的调整,以适应未来的气候变化。A.J.Challino r[24]等采用G LAM作物模型研究农作物对气候变暖的响应时,发现在平均温度和极端高温的条件下只要作物的灌溉合理,极端高温的消极影响会降低。这对农作物在全球变暖的背景下有极大的现实意义。

3.2　选育抗逆性强的新品种和适合不同气候年型下的作物种类及生态类型,增强农作物抵御自然灾害的能力

根据气候条件的可能变化,加强气候预测模型研究,通过模拟实验和田间试验,以确定其对于农业生产的影响程度。

气候变化将会对农作物的品种特性提出新的要求。首先是对作物的抗逆性要求:耐高温、耐干旱、抗病虫害,以应对气候变暖和干旱的影响,抗紫外线;耐盐碱,即使在海平面升高,沿海滩涂盐碱加重时也不影响对滩涂盐碱地的开发利用。其次是对作物的生理特性要求:高光合效能和低呼吸消耗,即使在生育期缩短的情况下也能取得高产优质;对光周期不敏感,即使在种植界线北移时也不因日照条件的变化而影响产量[25]。最后,对于农作物的研究不能仅仅局限于一年生作物,还要考虑到常年生作物受气候影响的情况。研究表明[26],气候的改变使原来利于常年生植物(杏树、葡萄树、橘树、胡桃树、梨树等)生长的环境改变,致使产量降低,而且气候对其生长的影响可能是毁灭性的。

3.3　研究高温热害、干旱等农业灾害的机制和规律,提出适应、抗御的途径与措施,改进农业技术措施,提高防灾抗灾能力,加强病虫害的防治,加强农业灾害性天气的预报及预防工作

气候变暖和干旱将使缺水问题成为困扰中国(尤其是北方地区)农业发展的重要因素[27],因此在农业技术上应采取相应措施,在干旱、半干旱地区减少秋粮种植面积,扩大夏粮种植面积,可减少作物对水分的需求。改善灌溉系统和灌溉技术,加强用水管理、实行科学灌溉;改进抗旱措施,推行农业化学抗旱;改良覆盖栽培技术,可用桔杆覆盖免耕法以减少风蚀和提高地力,用薄膜覆盖抑制蒸发、提高地温、抑制杂草病虫害等[28];合理施用高效、低毒、低残留的新型化学农药,保护生态平衡。

3.4　改善农业气候生态环境,推行生态农业,采取必要措施,减缓“温室效应”引起全球气候变暖的程度和速度[29]

在建设集约高产基本农田、制止滥砍滥伐的基础上,通过绿化造林、农林结合、有机物还田、少

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何群华等:全球变暖对农作物影响及对策的研究进展

耕或免耕覆盖等措施,增加单位土地上的林木生长量和土壤有机物含量,使两者逐步成为吸收大气CO2的重要调蓄库[30]。农业释放的另外两种重要温室气体CH4和N2O,也应通过改进水田管理、改良草食畜种及饲养技术、控制化学氮肥使用及反硝化过程等途径加以有效抑制[31]。

4　结语与展望

全球气候变暖而伴随的降雨量的变化、CO2浓度的升高、土壤有机质的流失都对农作物产生巨大的影响。同时,它对农作物生育期的影响使适合农作物生长的时期和农作物的产量都会减少,尤其对于半干旱和干旱地区,病虫灾害也会由于变暖的条件下容易发生而导致农作物的损害或减产,预计到2020年,“雨养”作物的产量将会降低50%。

针对全球变暖的现状以及其对农作物的影响,切实可行的对策研究也是较为迫切的。虽然全球粮食生产受气候变化影响的损失可能会与由于技术提高而使粮食相对平衡,但区域间的差异可能很明显。由于农作物所处的生态系统很复杂,农作物对气候变化的响应也难以确切模拟,而且从目前的研究可以看到,不同的模拟方法所得出的结论也有一些差距,同时大多数的模型都是静态的或是经验–统计模型,精度不高,分辨率低,不能满足多层次的研究需要。因此,今后此领域的研究要注意研究方法的更新以及综合化发展趋势,将传统研究方法和新技术手段不断融合,提高动态模式模拟的可信度,形成综合的研究方法体系,为全球变化区域层次的集成研究提供方法上的保障。同时,在全球变暖的大背景下,异常气候出现的概率增加,应该加强极端气候事件对农业生产影响的研究。

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(下转第159页)

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2.7　建立内部报告控制制度

为了满足单位管理人员日常控制的需要,应建立内部管理报告制度,及时提供经济业务方面的重要信息.如货币资金报告、资产负债状况报告、对外投资报告,工程进度报告等内部管理报告,加强内部监督。

2.8　建立内部审计控制制度

行政事业单位的内部控制制度实施监督可以由所在单位的内部审计部门来执行,审计部门应定期对单位内部的经济活动,客观地公正地进行审核和稽查。内部审计是监督、检查和评价内控制度的质量和效果的手段,同时也是保证会计资料真实、完整的重要措施。此外,内部审计还能为改进内部控制制度提供建设性意见,从而保证单位的内部控制制度更加完善严密。除了严格的内部审计外,还可以借助必要的外部社会性质的审计控制,外部控制是对内部控制的再控制,可以改善会计控制环境,不断改进内部控制的设计与运行。

2.9　建立电子信息技术控制制度

随着电子信息技术的发展,行政事业单位利用计算机从事财务管理越来越普遍,尤其会计电算化和电子商务的发展对信息的安全性提出更严格的要求。因此,加强电算化的控制势在必行。电算化会计信息系统内部控制过程分为预先控制、现场控制和反馈控制,业务操作主要包括数据的输入、处理和输出。电子信息技术控制要求运用电子信息技术手段建立内部会计控制系统,减少和消除人为因素。通过设立专门的审核人员对系统每笔业务进行合法性和准确性的审核,从源头上防止错误和舞弊行为的发生。同时,要加强对财务会计电子信息系统开发与维护、数据输入与输出、文件储存与保管、网络安全等方面的控制,定期或不定期核对输入信息与输出信息的一致性。通过对凭证、账簿、报表数据的查询、打印,保证数据处理的正确性,做到任何情况下数据都不丢失、损坏、泄露和被非法侵入。

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