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为什么古代的气候暖期大多有利于粮食增产,而现在的气候变暖却令人忧心忡忡?《知识分子》粮食系列邀请中国农业大学教授郑大玮,从多年农业减灾的研究与实践出发,阐释气候变化对于粮食安全的影响以及当代中国的适应策略。

撰文 | 郑大玮

责编 | 冯灏

2022年,我国经历了1961年有完整气象观测记录以来的最强高温过程,长江流域 “汛期反枯”。

据水利部官网,7月以来,长江流域降水较常年同期偏少4.5成,为1961年以来历史同期最少,主要湖泊水位持续走低,不少中小河流断流,鄱阳湖甚至提前100天进入枯水期。大部分地区土壤缺墒,截至8月22日,长江流域10省市耕地受旱面积4848万亩,有340万人、58万头大牲畜因旱供水受到影响。此次高温叠加干旱导致中稻和玉米花粉活性下降,结实率降低,尤以望天田和灌区末端受旱较重。

气象部门预测,夏末初秋降水仍然偏少,旱情将继续发展加重。虽然2022年夏粮增产,北方大部秋粮长势较好,但南方,尤其号称 “湖广熟,天下足” 的长江中游各省如因旱减产,仍将威胁到我国的粮食安全。

 

1、旱情威胁粮食安全

长江流域在梅雨期过后经常出现高温伏旱,但进入21世纪以来,旱情有加重的趋势,这与全球气候变化有密切联系。随着北半球气候带整体北移,控制我国夏半年旱涝趋势的西北太平洋副热带高压在20世纪90年代末发生突变,强度增大,脊线位置和北界北抬,西伸脊点西进 [1]。

这种情况并非我国独有,北半球其他地区的副热带高压也在不断增强和北扩,在2022年夏季,笼罩西风带大部甚至连成一片,欧洲大部出现史无前例的高温与干旱,美国与南亚也出现严重高温与旱情。

图1 8月20日北半球500百帕天气图,以588位势什米等高线为界的副热带高压仍笼罩我国南方大部,而且在整个北半球都很强盛 | 图源:中央气象台


法国农业咨询公司战略谷物(Strategie Grains)预测,2022-2023年,欧盟作物季的玉米产量降至5540万吨,创出十五年以来的最低水平,同比降幅超五分之一。此外,欧洲今年夏季山火频发,西班牙、罗马尼亚和法国这三个国家今年以来分别被烧毁植被的面积大约是平均值的4倍、7倍和5倍,很有可能的是这些数字还会在今年之后的时间里继续增加。欧洲多国为粮食净出口国,农作物的大幅减产将提高全球粮食安全风险,推动食品价格上涨,进而波及到其他为遭受干旱的地区,并造成连锁性破坏,甚至可能引发全球粮食危机。

作为全球最大的玉米生产国,美国中西部持续高温干旱,全美最大的两个水库——鲍威尔湖水库和米德湖水库长期处于低水位状态。据美国农会联合会8月14日发布的一份调查,将近四分之三的美国农民认为今年的干旱正在影响收成,他们的收入将显著降低;37%的美国农民表示,他们正在割掉那些因干旱不会成熟的作物。

图2 米德湖水库蓄水达到历史极低值,左图为2000年状态,右图为2021年状态,美国西南部的这场干旱可能已经持续了22年 | 图源:美国航空航天局


种种迹象表明,全球气候变化的影响已进入一个新阶段。联合国防灾减灾署2020年发布报告称,相较于上一个20年,21世纪前20年全球各种灾害发生频率大幅度增加,中国是报告气候灾害次数最多的国家。类似2021年河南特大洪涝和2022年长江流域大范围高温干旱的极端事件将更加频繁,并有可能成为一种新常态,对人类生存与发展,特别是粮食安全构成巨大威胁。

近年来,中国的粮食增产赶不上消费增长,供销长期处于紧平衡,进口量逐年增加。据海关总署,2021年我国进口粮食16453.9万吨,同比增长18.1%。2020年以来,由于美国、巴西等粮食出口大国发生严重干旱和持续通货膨胀,全球粮价猛涨,低收入国家的粮食供应更加困难。

中国如出现粮食危机,会加剧世界粮价上涨和粮食短缺,因此,必须确保较高的粮食产能、自给能力和储备水平。虽然我国国土面积辽阔、气候类型多样,不同地区可以丰歉互补,但气候变化引发的灾害仍然带来了新的不确定因素。如2021年夏秋季,中原与华北地区的严重暴雨洪涝灾害不仅使部分被淹没地区玉米绝收,农田过湿还导致冬小麦大面积晚播,影响波及京津到黄淮整个主产区,形成弱苗,大量积水地块甚至完全不能播种。

 

2、历史上的气候变迁与粮食生产

回顾工业革命以前的原始农业和传统农业时期,由于生产水平低下、交通运输条件差、救灾粮食储备不足和管理水平低等原因,气候与粮食的联系更为紧密。

距今约8000多年前,随着地球明显回暖,原始农业先后在中东、东亚和中南美地区出现。4200年前,干冷气候突变曾造成粮食减产和苏美尔、埃及、印度河与中国良渚等古文化崩溃 [3,4]。

中国历代王朝兴衰,很大程度上与气候变化和粮食产量密切相关。粮食增产和国力强盛的秦汉、隋唐都处于相对暖期。据盛唐时期《通典》记载,“天宝八年,天下粮仓屯收并和籴等见数凡196062220石”,其数目相当于全国四年的粮食总产 [3]。而游牧民族大举南侵的南北朝、北宋末期及明末清初,大都伴随气候变冷、干旱频繁和粮食歉收。清朝所谓 “康乾盛世” 也与气候回暖且降水增多有关。清朝后期再度变冷,灾害与饥荒又频繁发生。
图3 气候变迁与王朝更迭 | 图源[4]


气候变化通过对粮食丰歉(单产)和土地垦殖率(面积)两方面影响粮食产量,政府的政策又影响到人均粮食消费量,及时采取调控和救援措施可以缓解粮食危机和社会矛盾,而腐败政治则会使社会矛盾空前尖锐,饥荒加重,引发农民起义和朝代更迭。

图4 基于粮食安全的历史气候变化影响下的粮食安全 | 图源[3]


整体而言,在历史暖期,粮食丰年多于歉年,饥荒与农民起义发生较少;而历史冷期,粮食歉收年、饥荒和农民起义发生次数均较多 [3]。

图5 过去2000 年冷暖气候影响对古代中国粮食生产–人口–社会子系统的影响,数值表示该情景类型出现年代数比例 | 图源[3]


气候变化与治乱循环不仅局限在中国。季风减弱,使撒哈拉地区绿洲与草原自一万多年前以来逐渐演变为沙漠。中世纪后期的小冰期导致欧洲粮食减产,1692-1694年间,欧洲饥饿和疾病死亡人数达280万人。1845-1850年间,冷湿气候诱发爱尔兰马铃薯疫病大发生,人口锐减近四分之一。

 

3、有利有弊,弊大于利

既然历史上的气候变化,基本趋势是暖期相对有利于粮食生产、人口增长和经济发展,冷期相对不利,有些人据此认为,气候变暖,尤其西北气候暖湿化将使中国重回汉唐盛世;也有一些人夸大气候变化对粮食安全的不利影响,认为将导致全球性粮食危机甚至人类灭亡。

我们认为, 气候变化对粮食安全的影响有利有弊,包括对产量及其稳定性、品质、分布与贸易格局、生态脆弱贫困地区的民生等方面,其中最根本的是对粮食产量的影响

一方面,气温升高会导致作物发育加快、生育期缩短,可利用的光能减少,如不改变品种通常都会导致减产;我国粮食主产区东北与华北气候明显暖干化,降水量减少,而生产生活耗水增加,日益挤占农业用水;极端天气气候事件危害加大 [5],增加粮食生产的不稳定性,尤其北方大部地区的干旱、南方洪涝与季节性干旱、高温热害与台风危害加重。

有害生物死亡率降低,越冬基数增大,春季病虫害发生提前,分布范围向更高纬度与海拔扩大,全年危害期延长;气温日较差缩小使夜间呼吸消耗增加,白天太阳辐射减弱不利于光合作用,导致全天净光合积累减少;气温升高加速土壤有机质分解和土地退化,如东北黑土地有机质含量已比垦荒初期下降20%以上;由于小麦、大豆、烟草、棉花等碳三植物捕获二氧化碳能力低于玉米、甘蔗、高粱、苋菜等碳四类植物,随着二氧化碳浓度增高,未来碳三类杂草对作物的威胁预计要超过碳四类杂草。

图6 1980-2019年与气候有关灾害事件发生次数和经济损失 | 图源[5]


另一方面,积温增加有利于提高复种指数,如一年一熟变成一年两熟,农田可改用生育期更长和增产潜力更大的品种,有利于高寒地区粮食作物扩种;冻害和冷害等低温灾害减轻;二氧化碳是光合作用的主要原料,浓度增高的施肥效应促进了光合作用;由于叶片气孔不需开很大就能捕获到足够的二氧化碳,从而抑制了气孔水汽逃逸,提高作物的水分利用效率;太阳辐射与风速减弱抑制植被蒸腾和土壤蒸发,也有利于减轻干旱胁迫。

另外,气候变化影响的区域差异明显,总体上,近期对于高纬度地区更有利,气候变暖种植期明显延长、播种面积迅速扩大,如俄罗斯在20世纪90年代还是世界主要粮食进口国之一,现已成为世界小麦最大出口国。低纬度地区原有温度已经很高,继续升温往往超出作物能够忍受的温度范围,低海拔沿海与小岛屿还面临海平面上升淹没风险。

中国由长期以来的南粮北运逆转为现在的北粮南运,气候变暖是一个重要因素,尤其纬度最高的黑龙江省已成为产粮第一大省,2021年纬度次高的新疆跃居全国省区粮食单产最高。

气候变化对于粮食产量的实际影响将取决于上述因素的综合,以及是否采取合理的适应措施。但从总体上看,如现有种植制度、作物品种布局和栽培管理不变,且不考虑二氧化碳浓度增加的施肥效应,气候变暖对全球和我国主要粮食作物生产力的影响都以负面为主。

研究表明,1℃的温升将导致全球小麦、水稻、玉米和大豆分别减产2.9±2.3%, 5.6±2.0%, 7.1±2.8%和10.6±5.8%。即便将全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在2℃,全球四种主要粮食作物仍将减产3%-13% [6]。对于我国而言,全球气温升高2.5℃时,小麦、玉米、水稻等三种主要粮食作物的单产水平都将下降。加上农业用水量的减少和城市化导致耕地面积下降,未来中近期,粮食供给总量最大可下降20%。[7]

 

4、农业系统适应跟不上气候变化速率,是威胁粮食安全的根本原因

人们可能会感到疑惑,为什么古代的气候暖期大多有利于粮食增产,而现在的气候变暖却让人忧心忡忡?

原因之一是气候变化的驱动机制不同。历史上的气候变化主要是自然因素驱动,具有一定周期性与可恢复性。当代气候变化主要是人为因素造成,是由于大量排放温室气体和土地利用与覆盖改变,气候变暖速度比古代的气候变化快得多。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次评估报告指出,近年来的全球平均气温已经高于近2000年来的任何时期。人类适应能力的提高速度往往跟不上气候变化负面影响的日益加大,尤其是对于生产周期较长的农业生产。

图7 近2000年来的全球平均温度重建 | 图源[8]


另一个原因是社会经济条件与古代有很大改变。虽然当代科技与社会经济管理水平比古代先进得多,但全球人口已倍增至2021年的78亿。古代先民可迁徙到气候相对适宜的地区谋生,游牧民族更是逐水草而居,而当代世界所有人类能够生存的地区国界都已划定,中低纬度的绝大多数国家可垦土地开发殆尽,不可能再大规模垦殖移民。气候变化还进一步加大了国际经济发展不平衡和资源争夺。

因此,我们不能只看到气候变化对部分地区近期带来的有利因素,更要看到气候变化对全球粮食安全的长远影响和对人类生存发展的严重威胁。

气候变化对于人类经济社会的影响存在一定的阈值。在全球温升幅度较小时,人类现有的资源、技术和管理能力还能够克服气候变化的不利影响,但需付出一定代价与成本;但如气候变化的幅度太大或速度太快,人类现有的资源、技术与管理水平就很可能应付不了或承受不起需要付出的高额成本与极大代价。

如玉米开花期气温超过32℃时,花粉活力降低不利于授粉,造成结实率的下降,超过36℃甚至有可能导致绝收。过去,这样的高温在东北很少出现或时间较短,对东北玉米生产影响最大的是由于生育期间温度偏低而不能在秋霜冻到来之前正常成熟的冷害,现在冷害有所减轻,而开花期高温热害却越来越频繁和加重。

尤其是气候变化如超越了某些临界点,气候系统将无法回到原来的稳定状态,产生不可逆的严重后果。研究指出,当前升温水平已使地球上15个气候临界点被激活9个 [9]。这些气候临界点的跨越会产生一系列正反馈过程,进一步加剧其他气候临界点的到达速率。

图8 全球气候临界点,已激活的临界点分别是北极海冰减小、格陵兰冰盖加速流失、北方针叶林火灾和虫害频发、永冻土不停消融、大西洋经向翻转环流不断减弱、亚马逊雨林频繁性干旱、暖水珊瑚大规模死亡、西南极冰盖加速流失、东南极威尔克斯盆地加速流失 | 图源[10]


由于不同地区的农业生产系统,无论是种植制度、作物布局、品种结构,还是耕作、栽培方式与配套的农机、水利、植保等服务系统,都是长期适应原有相对稳定气候条件下形成的固有范式,很难在较短时间内适应气候环境的巨大变化,尤其是能适应新气候环境的作物品种需要很多年才能培育出来。

 

4、气候变化的 “蝴蝶效应”

由于地处环太平洋和北半球中纬度两大灾害带交汇部和东亚季风气候区,中国历来是世界上农业灾害比较严重和多发的地区。随着全球增温,极端事件的发生频率比过去成倍甚至数倍增加,使得农业灾害的损失总体上趋于加重。

东北西部、华北大部、黄土高原和西南地区气候暖干化,降水减少加上农业与生态系统耗水量增加,干旱缺水是粮食生产的首要制约因素。南方大部地区气候暖湿化使洪涝灾害有加重趋势,但由于副热带高压增强和西扩又使得伏旱也在加重。近年来由于气候带北扩,北方夏季洪涝也有所加重,新疆更是融雪性洪水频发。

台风登陆我国次数没有增加,但强度明显增大。例如,历史上台风影响东北大约十年一遇,但2019-2021年发生6次,2022年7月上旬台风暹芭在华南登陆后向北偏东移动,减弱为低压仍给辽宁和吉林带来大暴雨和局地洪涝。虽然农业生产上的低温灾害总体减轻,但作物发育提前和气温波动加大使得春霜冻危害反而加大。作物孕穗开花和灌浆期的高温热害也比过去明显加重。
表1 全球变暖程度与十年一遇极端事件的增加倍数 | 数据来源[12]


除气象灾害外,与气候变化关系密切的农业生物灾害也在不断加重。不同生物物种对于气候环境变化的适应能力有很大差异。有害生物如害虫和病菌,由于生命周期短、繁殖速度快,更容易通过发生遗传变异来适应新的气候环境。而农作物和有害生物的天敌的生命周期要长得多,遗传变异的发生明显滞后于有害生物,对气候环境的适应能力要差得多。

如欧洲斑姬鹟以捕食毛虫为生,随着气候变暖,斑姬鹟提前产卵和孵化,毛虫也提前发育。但鸟类是以体温孵化,由于体温恒定孵化速度并未加快。而毛虫卵的孵化随气温升高而明显加快。等幼雏孵化出壳,毛虫的高峰期已过,缺乏食物已使欧洲斑姬鹟的种群数量减少了90%,濒临灭绝 [11]。

随着气候变暖,植物病虫害的越冬基数增加,春季发生提前,全年繁殖世代增多,危害期延长,分布范围向更高纬度与海拔扩展,也给粮食作物生产带来更大困难。如小麦赤霉病和白粉病以前在黄河流域很少发生,但近年在华北与黄淮大面积流行,产量损失巨大。二氧化碳浓度增加还使植物体和许多农产品化学成分的碳氮比增大,害虫为满足体内蛋白质需求往往要加大摄食量 [13]。

 

5、如何适应气候变化,保障粮食安全?

减缓与适应是人类社会应对全球气候变化的两大对策。虽然温室气体的减排增汇是遏制气候变化的根本途径,但由于气候系统的巨大惯性,即使到本世纪中期能够实现碳中和,全球变暖仍将延续数十到数百年。而且,粮食生产及其产业链是人类必需的生存排放,在千方百计降低单位粮食产量能耗与排放的同时,更多需要采取适应对策。

通过调整种植结构、作物布局、品种类型和栽培管理,有可能使农业系统适应新的气候环境。如提高复种指数、改用生育期更长的品种,以利用延长了的可种植期,调整播种期和移栽期使作物生长盛期与光、温、水等气候资源的峰值期相吻合,调整作物与品种布局趋向气候有利地区等。

气候变暖使东北、华北北部和西部高原等较高纬度与海拔地区热量资源增加,降水增多有利于西北干旱气候区适度垦荒扩大绿洲。要充分利用这些机遇扩大粮食作物种植和进一步提高单产,以弥补气候变化不利地区的粮食作物种植面积减少与产量降低。

要充分利用农业生物与农业系统的自适应机制,如选用抗逆物种与品种,合理利用土壤、气候和水资源 [14]。虽然农业系统的自适应机制成本较低且较稳定,但当前的气候变化影响往往超出农业系统自适应能力,必须采取适度人工干预措施弥补其不足。

一类是增强农业系统自适应能力的措施,包括培育抗逆品种、调整群体结构和抗逆锻炼;另一类是改良局部生境的措施,包括耕作、灌溉、排水、覆盖等。加强农田基本建设、水利工程、水土保持、生态建设与人工影响天气作业也能在一定程度上改良局地气候 [15]。

其他政策则包括对粮食生产者和粮食作物保险适当补贴,加强技术服务,健全粮食仓储和灾害救援体系,根据市场需求调节粮价与供需,提高饲料粮转化率,减少运输、加工、贮藏和消费中的粮食损耗与浪费,根据粮食丰歉调整粮田休闲与启用来实现藏粮于地,调整粮食贸易格局和国际合作建立粮食生产基地等,都能提高国家的粮食安全保障水平。

由于资源约束导致国内粮食生产成本高于国外,沿海地区可适度进口,但作为拥有14亿多人口的大国,必须确保小麦、水稻等口粮基本自给,才能在国际风云变幻和发生重大自然灾害时保障粮食安全。

图9 粮食安全与气候变化的相互作用及适应策略 | 图源[16]


致谢:感谢连佑敏,唐颢苏参与对本文的讨论。

 

作者简介

郑大玮,中国农业大学教授,农业部防灾减灾专家组顾问和生态环境部国家适应气候变化战略编写组成员。”


参考文献:

1.王万里,王颢樾,谢应齐;等. 夏季东亚大槽和副热带高压年代际变化的分析[J]. 地球科学进展2012,27(3):304-320

2.联合国粮食及农业组织等. 世界粮食安全及营养状况 2022. 调整粮食和农业政策,提升健康膳食可负担性》—概要。罗马,粮农组织。https://doi.org/10.4060/cc0640zh

3.方修琦,苏苟,郑景云,等. 历史气候变化对中国社会经济的影响[M]. 北京:科学出版社

4.徐士进、吴卫华编著. 天人之变 气候变迁与文明兴衰[M]. 南京:江苏凤凰教育出版社2021

5.大自然保护协会编著. 基于自然的解决方案 研究与实践[M]. 北京:中国环境出版集团2021

6.Wang, X.#, Zhao, C.#, Müller, C., Wang, C., Ciais, P., Janssens, I., ... & Piao, S. (2020). Emergent constraint on crop yield response to warmer temperature from field experiments. Nature Sustainability, 3(11), 908-916.

7.熊伟,居辉,许吟隆,等. 两种气候变化情景下中国未来的粮食供给[J]. 气象2006(11):36-41

8.IPCC WGⅠ. Climate Change 2021: The Physical Science Basis. WMO. UNEP

9.Lenton T. M. Rockström J, Gaffney O, et al. Climate tipping points — too risky to bet against. Nature575, 592-595 (2019). doi: https://doi.org/10.1038/d41586-019-03595-0

10.全球15个"气候临界点"已被激活9个. 2020-08-04.中科院之声

https://huanqiukexue.com/a/qianyan/diqiu__ziran/2020/0804/30195.html

11.IPCC第六次气候变化评估报告第一工作组报告,2021

12.Lee Hannah著. 赵斌、明泓博译. 气候变化生物学[M]. 北京:高等教育出版社2014

13.许吟隆,郑大玮,刘晓英,等著. 中国农业适应气候变化关键问题研究. 北京:气象出版社2014.12

14.大自然保护协会编著. 基于自然的解决方案 研究与实践[M]. 北京:中国环境出版集团2021.3

15.郑大玮,潘志华,潘学标等编著. 气候变化适应200问[M]. 北京:气象出版社2016

16.刘立涛,刘晓洁,伦飞,等. 全球气候变化下的中国粮食安全问题研究[J]. 自然资源学报2016,33(6):927-939

 

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