全 文 ：第 l2卷 第 2期
2 0 0 4年 4月
中 国 生 态 农 业 学 报
Chinese Journal of Eco—Agriculture
VO1．12 NO．2
April， 2004
全球变暖影响下农作物气候适宜性研究进展
赵 峰 千怀遂
(河南大学环境与规划学院 开封 475001)
摘 要 简介 了近年来 国内外有关全球 气候 变暖对农作物 气候适宜性影响 的研 究方法和基本 观点 ，对动 态模 拟和
控制试验所 得结论给 予评述 ，并 针对 目前气候影响评价 与预测存在 的主要问题提 出今后研 究重点。
关键词 全球 变暖 CO 倍增 作物适 宜性 作 物生理模 式
The research advances on the crop climate suitability influenced by global warming．ZHAO Fcng，Q1AN Huai—Sui(Col—
lege ofEnvironment and Planning．Henan University，Kaifeng 475001)，(1JEA，2004，12(2)：134～137
Abstract Some research methods and fundamental ideas of the global warming efects on the crop climate suitability in
recent years in our country and abroad are introduced，and the conclusions of dynam ic modeling and controlled experiments
are stated．Finaly．several critical research directions in the assessment and forecasting in the present climate impacts are
put forward．
Key words Global warm ing，CO：doubling，Crop suitability，Crop physiological model
1 作物气候适宜性分析
20世纪 80年代以来全球气候明显变暖使全球大气环境 、气候带 、洋流和气温等气候因子发生变化 ，已
引起科学家们高度重视，国内外学者运用统计学方法对气候变暖下作物产量 、种植制度和适宜种植区的可能
变化进行了大量研究 ，¨ ， ，但多侧重于温度的影响分析 ，而对降水变化影响的研究 尚少见报道 ，且因各 自
所用 资料不 同，所得结论 存在较大差 异。 目前对 多因子综合效 应的研究 尚属 空 白。国外学 者 Krupa和
Kichet(1989)利用 Kimbal(1983，1986)、Cure(1985)和 Cure Acock(1986)等学者的研究结果 ，计算 C0，浓度
增加及相应增温对作物产量的影响结果表明，产量增幅较大的作物为棉花、高粱 、豌豆和甘薯，而对甘蓝 尚无
影响 ；C02浓度增加可使水稻增产 1．15％～1．25％，低于各种农作物的平均值 (1．36％)。高素华 研究认
为全球变暖后我国除华南地区外 ，粮食产量均呈增加趋势 ，全国平均增幅约为 9．5％。王馥棠(1991)对我国
冬小麦、水稻和玉米分区研究表明，不同作物不同区域产量变化并不一致 ，华北地区冬小麦减产 ；华南 、西南 、
北方地区和长江中下游地区水稻增产但增幅不同 ，约为 1．6％～6％；玉米 6个主产区中 4个产区增产 1％～
7％，长江中下游和华南地区分别减产 3％和 20％，这与高素华的研究结果基本一致 。东北地区纬度较高，温
度是粮食作物生长季内主要气候限制因子，故未来气候变暖最有利于该区粮食产量的提高，但作物生育关键
期可能因此而发生较大变化 ，从而要求相应调整农业措施；温度也是高原地 区作物生产 的主要限制 因素 ，气
候变化对这些地 区农业生产的影响亦利大于弊。气候变暖后种植制度可能发生很大变化 ，我 国 1年一熟制 、
1年二熟制和 1年三熟制北界将分别北移 250km、300km 和 300km 以上 ，但此变化并不意味着产量大幅提
高，相反局部地区作物生产风险性可能增加。降水量波动性很大 ，难 以对其给 出较准确预测，多数学者结合
温度的影响评述农作物降水适宜性的变化趋势与区域差异。王石立等 (1993)对黄淮海地区研究表明 ，全生
育期内若气候变暖伴随降水量的增加将对冬小麦有增产作用，但其增产效果北部明显高予南部。根据华北
地区降水变化的周期性可推断该区未来 10年仍将持续变暖而干旱 ，变暖有利于区内小麦和玉米增产 ，但干
旱却将限制水稻产量的提高。由于作物生长影响因子的多样性及相互间关系的复杂性 ，各因子的选取及其
关系的表达非常困难 ，故近年来作物气候适宜性变化综合研究成果乃凤毛麟角。千怀遂等 · 采用积分 回
归法对河南省小麦 、棉花产量与主要气候影响因子气温 、降水和光照间的关系进行模拟 ，找出 3因子对小麦 、
*河南省自然科学基金项目“河南省主要农作物气候适宜性变化研究”(叭11070200)部分研究内容
收稿 日期：2003—04—11 改回日期：2003—05—17
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第 2期 赵 峰等 ：全球 变暖影响下农作物气候适宜性研 究进展 135
棉花生育期各句的影响系数及其时空变化。谢云 运用回归分析和设计的气候影响指数探讨气候变化对我
国粮食生产影响的时空差异结果表明 ，空间Jc4~ "(区)市气候对产量的影响为 4．4％～13．4％，时间上气候
对产量 的影响呈逐年降低趋势 ，说明气候变暖及其相关气候 因子变化对我国作物生产有正效应。表 1表明
CO 浓度倍增及其气候变化不利于我国水稻生产 ，而小麦等作物产量将趋于增加 。
表 1 气候变暖与co：浓度倍增下我国不同区域主要农作物适宜性影响评价
Tab 1 The assesment of impacts of global warming and CO increasing on the crop suitability in diferent regions of China
*评价未考虑气候变暖可能带来的农业病虫害加剧以及各种环境灾害发生频率增大对农作物生K的可能影响 ～ 。
2 作物气候适宜性动态模拟
作物气候适宜性动态模拟研究常以假想气候变化状况或大气环流模型 (GCM)的输出结果如气温 、降水
等要素作为未来变化值 ，输入作物生长模式或作物生理模型中，用于模拟作物产量所受影响。与统计模型相
比，动态模型在气候变化与作物生长相互作用机理研究方面更为深入，可定量给出气候变化对作物生长的影
响及所需采取的应对措施，对农业生产实践具有实际指 导意义。
国外作物气候适宜性动态模拟。国外学者运用大气环流模型(GISS、GFDL和 UKMo)模拟气候变暖对
全球粮食生产的影响结果表明，发展中国家粮食产量 的可能变化 比发达国家更为不利 拍 。由于气候预测
的不确定性 ，同一地区不同模式作物适宜性估计可能存在较大差异 ，如前苏联若按较湿润的 EMI模 型预计
则 2030年作物将增产 10％～35％，而按较干旱的CCC和 GFDL模型模拟则减产 20％～25％L 27]。从较大区
域分析看，气候变暖对拉丁美洲不同作物产生不同的影响，小麦、大麦和玉米可能减产，而大豆却可增产；对
亚洲作物模拟结果表明 ，国家之间作物产量变化也有显著差异 (见表 2)。气候变化将很可能对 中国长城南
北的农牧过渡带、黄淮海平原、黄河北岸附近地区(含山东省)、云贵高原中南部 、长江中下游地区和黄土高原
表 2 气候变化对 亚洲部分国家农业生产的影响
Tab 2 The impacts of climate change upon agricultural production in some countries of Asia
作 物 国 家 产量影响／％ CO2直接效应 作 物 国 家 产量影响／％ CO2直接效应 作 物 国 家 产量影响／％ C()2直接效卮
Crops Country Impact on Direct effect Crops Country Impact on Direct effect Crops Country Impact on Direct effect
production of CO2 prod uction of CO2 prod uction of CO2
水 稻 中 国 一6 是 水 稻 日 本 11～+12 否 小 麦 中 国 一21～+55 否
中 国 一11～一7 是 日 本 一45～+30 是 日 本 一41～+8 是·
中 国 78～一6 否 日 本 一28～+10 是 蒙 古 一67～一19 否
中 国 37～+15¨ 否 朝 鲜 一37～+16 是 俄 罗 斯 一19～+41⋯ 是
中 国 一1 8～一4 是 朝 鲜 4O 是 玉 米 中 国 一 4～+1 是
中 国 一21～0 否 中国台湾 +2 ～+28 是 中 国 一l9～+5 否
日 本 +10 否 小 麦 中 国 一8 是 日 本 一31～+5l 是
*该值为中国西南部1个试验站点模拟结果；**对灌溉水稻模拟包括俄罗斯的欧洲部分；***资料源于IPCC1996，WGI，Table 13—6；IPCC 2001，WGI]，Tabk 1O一7。
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中 国 生 态 农 业 学 报 第 12卷
等 6区域产生负面影响 ，且这几个地区未来可能成为农业生态脆弱区。现菲律宾热量条件已很适宜作物生
长发育 ，故温度进一步升高可能产生负效应 。在 APSIM 作物系统模型支持下 ，Reyenga等 认为 CO 倍
增将提高澳大利亚 Queensland州小麦平均产量 ，但降水量变化可能抵消这种效应。对美国不同地区模拟结
果表明，成熟期蒸发量增加和太阳辐射量减少对作物产量形成的负面影 响将抵消生长期延长和水分供应增
加给其带来的正效应 。由于未来水热条件 的变化 ，美国玉米和大豆种植面积可能减小 ，而小麦和高粱种
植区则可能扩大。基于对气候系统复杂性 的认识 ，Krupa 引 提出 目前仅考虑一种要素的模拟模型存在很 大
片面性 ，必须尽快研究建立包括气温和降水等因素的综合评价模型。
国内作物气候适宜性动态模拟。自20世纪 80年代初 以来我国先后开展了水稻 、小麦 、玉米和棉花等主
要农作物产量形成的动态模拟研究，目前 已初步建立 了水稻和小麦生长模型。黄璜 对中国红黄壤地区作
物适宜性全生育期 内变化规律研究发现，春播作物全生育期温、光和降水适宜度指数分别出现低 、高 、低 ，低 、
一 般 、高，高 、一般 、低的动态变化。李全胜‘ 认为过去几十年气候变化对长江三角洲地区和杭嘉湖地 区早稻
生育前期和后期以及晚稻生育后期的影响均为正效应。运用模糊数学方法 ，结合作物生理生态特性建立 的
作物适宜度动态模型经检验模拟精度较高 ，可评价作物适宜性的变化 。20世纪 90年代我 国开始采用 大
气环流模式 (GCM)、区域气候模式(RCM)或 自行设计的气候与作物生长模式或模拟模型相结合的方法 ，分
析未来气候变暖下中国粮食产量的变化‘ ’“。，但气候模式不确定性使预测结果各异。张宇等 引运用气候模
式与小麦生理模式(GERES)相衔接手段模拟了 CO，浓度倍增对我国冬、春小麦产量的影响 ，结果均为减产。
根据不同熟性玉米潜在产量与积温关系的理论模式推算 ，东北地区年均增温 1℃ ，更换相应的晚熟品种玉
米增产率可达 5％～8％；但沈阳地区 CO，浓度增高对春玉米 的正效应则可能因温度和降水改变而抵消 ，甚
至可能使其产量降低。华南地区未来气温升高和降水增加将成为产量提高的主要限制因素。CO，浓度倍增
将使浙江省水稻增产 ，但温度增加却使其减产 ，在未考虑温室效应将同时导致旱涝和病虫害变化前提下，
GFDL、GISS和 UKMO模型预测的气候变化将分别使浙江省水稻平均增产 9．53％、8．92％和 0．04％ 引；对
江苏省研究表明，CO 浓度倍增将使夏玉米减产 10％～20％，而小麦和水稻产量却无明显变化 ；南京地 区
CO：浓度增加将使小麦产量有所提高 ，而气温升高 、降水变化及紫外线辐射增强则使小麦减产 ¨；张厚碹“
认为未来气候条件下以 CO，直接效直 20％计算 ，上海市水稻生产潜力将增加 15％左右。
3 作物生产气候适宜性试验研究进展与今后研究重点
与模拟模型相比，作物生产气候适宜性试验研究与生产实践结合更紧密，其手段主要包括控制环境实
图 1 作物 生产气候 适宜性模拟研究流程图
Fig．1 The flow chart of simulating research
验 、开顶式同化箱以及 自由 CO，气体施肥试验等 ，重
点研究 CO 浓度倍增对农作物生育的直接影 响和通
过测定作物生长模 型生理参数模拟 CO，浓度倍增对
农业生产的间接影响，其模拟研究流程见 图 1。20世
纪70～80年代以来美 国 、加拿 大、日本 、英 国、荷兰及
非洲一些 国家以麦类 、玉米 和大豆为 主要对象研 究
CO 浓度升高对作物的影响 ，多数研究认为 CO 浓度
升高对作物生产有施肥效应 ，但因其带来其他 因子的
变化(温 度升高 、降水量减少 )却 可能使作 物产量 降
低 。20世纪 90年代以来我 国学者就 CO，浓度 倍
增对小麦 、大豆 、棉花和玉米 4种农 作物 的影响进 行
试验 ，结果表明 4种作物生长发育加速 ，生育期缩短 ，
物候期提前 ，C 作物株高明显增加 ，C4作物株高增 幅低于 C3作物；C，和 作物生物量均有所增 加 ，且 C
作物增幅大于c 作物 卜 ，也可认为 c，比 C4作物对 CO：浓度倍增反应更敏感 。张宇等 认为未来
气候变暖下我国水稻产量将有不同程度下降(平均减幅早稻为 3．7％，中稻 为 10．5％，晚稻 为 10．4％)，与高
素华等结论类似 ，而与马丁·帕里 研究结果相差甚远。目前因尚未建立气候影响诸因素综合评价模型，故
多数研究忽视了影响作物生长发育的环境 因子间协同作用 ，且对未来气候的设计过于理想，不能客观反映气
候变化渐变的特征 ，研究结果不可避免地产生误差 。因此亟需进一步加强气候变 暖对作物适宜性影响的研
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第 2期 赵 峰等 ：全球 变暖影响下农作物气候适 宜性研 究进展 137
究 ，其重点一是需加强气候预测模型研究，发展区域气候模式。气候 系统时空尺度很大，在全球范 围内表现
出一定共 同特征 ，但区域 度上气候亚系统变化却因地而异 ，且气候影响评价最终着眼于特定区域 ，故 发展
和完善 区域气候模式是开展气候变暖对作物生产影响机理研究的基础环节 ，亟待深入探讨。二是需不断拓
宽和深化作物模拟模型的机理研究 、应用研究和综合研究 ，增强作物模型的机理研究对进一步 了解生态环境
与作物生育和产量形成的内在机制具有重要意义，与大气环流模式或区域气候模式联接研究气候变化对作
物生产的影响可提高其模拟精度，并促进应用研究的发展。同时随着科技的进步，3s技术与模型的结合将
大大提高气候影响预测的时效性和精度。三是应积极研究发展气候影响综合评价模型，目前气候变化的研
究尚缺少农田生态系统各要素问相互作用的综合农业评价模型 ，特别是缺乏对土壤条件和病虫害变化的考
虑 ，产量模拟仍采用 2×CO，平衡状态下气候状 况(平衡模型)，亟需发展应用渐进模型，以模拟大气 中 CO
含量的实际变化轨迹 ，并在此基础上提高气候变化及其影响预测的精 度。四是积极创造条件开展大 田试验
研究，以明晰作物生态生理特 征及其对气候条件响应的微观机理。五是开展适应对策的风险性评估 ，使研究
成果真正起到降低生产风险和保证粮食安全的作用 。
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