全球变暖对我国农田生态系统的影响初探

引言
全球变暖已经成为人类面临的一大挑战。以气候变暖为标志的全球变暖已经发生，已经并将继续影响人类赖以生存的环境，如全球范围的森林衰退、土地退化与荒漠化、生态系统退化、植被带迁移等。如何减缓全球变暖的不良影响，已经引起各国政府、科学家及公众的关注。
为了减缓气候变化的不利影响,1992年由各国政府首脑签定的联合国气候变化框架公约明确提出了两类对策。一是通过改变能源结构的技术方法与政策,减少温室气体排放量以缓和或减少气候变暖;二是在研究和认识气候变化对生态系统、农、林、粮食、水资源等影响的基础上,通过采取技术、政策、法规等举措使社会经济适应气候变化以减少其过分受气候变化影响的脆弱性。80年代末以来,我国开展的一系列气候变化影响与适应对策研究就是针对后一方面问题的。
全球变暖的前期研究主要集中在温室效应气体如CO2、CH4、N2O等释放的试验观测和计算机模拟方面； 全球变暖研究的另一侧面表现在对全球变暖的生态响应及其预测研究上，即全球气候变化对不同尺度不同层次的生态系统的影响。
农田生态系统是一种受人类强烈干预的人为控制系统，也是自我调节机制较为薄弱的生态系统，是全球气候变化的主要承受者。不少研究表明，气候变化对农业生态系统的影响是一个复杂的问题，既有不利方面(如土壤侵蚀加剧、土壤水分不足激化、杂草病虫活性增加等)，也有有利方面（如植物干物质生产力增加、水分利用率提高、生育期延长等）。本文将试探讨全球变暖对中国农田生态系统的可能影响。
1、全球变暖对农田生态系统的影响
1、1 对农作物分布的影响
温室效应会使大气温度升高，对热量有限的地区来说，增加了热量资源，大于0℃的积温会有所增加，使得各地的潜在生长季延长，这一趋势在北半球高纬度地区以及高海拔山地可能更明显。农业区会大幅度北移，因热量不足而分布区受限的作物分布北界也会大幅度北移，作物山地分布上界会向上移动，多熟种植北界北移，因此中纬度和高纬度地区的作物布局将会发生较大的改变。对中国冬小麦的研究表明，冬小麦的安全种植北界将由目前的长城一线，北上到沈阳—包头—乌鲁木齐一线。到2030年，如果全球CO2浓度倍增，平均气温上升1℃，预计三熟制的北界将从目前的长江流域移至黄河流域，二熟制北界从秦淮地区北移至内蒙和东北的南部。
1、2 对种植制度和作物品种的影响
气候变化与CO2倍增将影响中国农作物的种植制度和耕作方式。中国农业生产的一个特点是多熟种植，复种指数达到150%以上。在品种和生产水平不变的情况下，仅考虑热量条件，气候变化后中国的一熟制面积将由目前的63%下降为34%, 两熟制面积由24.2%升为24.9%， 三熟制面积由13.5%提高到35.9%。华北目前推广的冬小麦品种（强冬性） 因冬季无法经历足够的寒冷期以满足春化作用对低温的要求将不得不被其他类型的冬小麦品种（半冬性）取代。在南方，比较耐温的水稻品种将占主导地位，且将逐渐向北方稻区发展。
1、3 对农业灌溉的影响
气候变化，CO2浓度增加，中国西北气候干燥、华北平原北部水源匮乏的现状将不会改变，有些甚至呈不断恶化的趋势；华北平原南部的气候和土壤将变得相对湿润；长江下游仍将继续保持湿润状态，而四川有变旱的趋势。与此同时，作物灌溉需要量也会随之变化。西南和中南地区，由于水稻生长季的降雨量将明显减少，水稻灌溉需要量将比目前增加2—6倍；在华北平原的水浇地，冬小麦的灌溉需要量将增加22%—34%。华北地区水资源匮乏和土壤沙化的加剧将使得水浇地面积减少。当气候变得干燥时，由于气孔在高CO2浓度下开度减小，在一定程度上可减缓干旱对作物的不利影响。
1、4 对农作物产量的影响
气候变暖在加速农作物生长的同时，也使农作物的呼吸作用增强，生育期缩短，从而影响农作物的产量。不同作物收获量的变化因地而异。从全球看,有的地区产量增加,有的地区减少。但是,热带和亚热带地区因气温升高而减产的看法则比较一致。气候变化将导致中国大部分地区主要农作物产量下降。生长于6—31°N的水稻结实期在温度上升1—2℃时产量将下降10%—20%；纬度越高，影响越严重。温度每增加1℃，玉米平均减产3%，小麦也将由于水分条件恶化而减产。CO2浓度倍增对不同农作物的产量影响不同。C3作物将因此提高产量30%左右，而C4作物仅提高10%左右。因此，中国的C3作物，如水稻、小麦、油菜等的产量将有明显的提高。CO2浓度倍增条件下，作物干物质平均增加40%，产量增加26%，且植株含碳量提高，但含氮量下降，从而将引起害虫采食量增大；同时，也将伴随杂草增多。另外，如果土壤水分和营养物质得不到满足，这种增产效应将会大大减弱。
全球气候变化对不同地区的主要农作物产量影响不同。到2030年，如果全球CO2浓度倍增，平均气温上升1—2℃，则中国的西南、西北地区由于有效积温提高和CO2浓度增加，农业将增产2%；东北、内蒙古夏季升温，农业增产；华南地区以及洞庭与鄱阳盆地可能因春季低温潮湿天气的改善而使农业增产。但是，中纬度地区在升温2℃的条件下，农作物将大幅减产。
CO2浓度倍增与气候变暖的协同作用对中国主要农作物产量的影响不同。气候变暖和CO2浓度倍增将使中国北方冬小麦产量显著增加，而南方麦区的减产幅度亦将趋向缓和，有的甚至增产。考虑光、温、水和CO2的综合影响，南方地区冬小麦生产潜力将下降20%。气候变暖和CO2浓度倍增将使中国南方水稻的成熟期平均提前3个星期。由于生育期，特别是灌浆期的缩短，将造成水稻、小麦、大豆和玉米等作物的单产下降。总体上，气候变暖和CO2浓度倍增将使得中国水稻的产量下降，小麦的产量增加，增产突出的地区是东北、华北和新疆，可能减产的地区是黄土高原、长江中下游和西北北部春麦区。
1、5 对农田生产潜力的影响
气候变暖导致土壤有机质的微生物分解加快，将造成土壤肥力下降，农田生产潜力下降。另有研究表明，在北京地区仅CO2倍增而气候条件维持现状的情况下可导致大豆总生物量峰值提高70%，绿色部分提高56%，降水增加使得生物量提高,而气温升高导致生物量降低；降水增加的正效应被气温升高所减弱；而气温升高的负效应被降水充沛所增强。CO2增加的正效应随气温升高而显著, 随降水增加而减弱； 这主要是因CO2增加提高了植物个体的水分利用效率,从而使得CO2的正效应在水分胁迫下更为明显；气温升高的负效应、降水增加的正效应被CO2增加所减弱。从而说明CO2增加后，由于水分利用效率提高,使得植物个体抵御和适应外界环境变化的能力增强，农田生产潜力上升。
1、6 对农作物品质的影响
CO2浓度升高对不同农作物的品质影响不同。如CO2浓度升高将使玉米蛋白质、赖氨酸和脂肪含量减少，淀粉含量略有增高，品质有所下降；同时，CO2浓度升高将使小麦籽粒的蛋白质、赖氨酸和脂肪含量增高，淀粉含量减少，品质有所提高。CO2浓度升高对同种作物不同部分的品质影响也是不同的。对大豆(Glycinemax)在CO2浓度倍增条件下的生理生态试验表明,其地下部根的C/N（碳氮比）有明显的减少,品质有所提高；而地上部茎的C/N（碳氮比）则有明显的增加，品质有所下降。这一试验结果不仅证实了前人所报告的地上部分C/N（碳氮比）比值增加现象,而且揭示了地下部C/N（碳氮比）比值降低的新现象。
1、7 对农田生态系统稳定性的影响
气候变暖在全球呈不均匀性，使得极端天气事件（干旱、风暴、热浪、霜冻等）的发生频率、出现、延续时间和分布发生变化，导致气象灾害的频率和强度加大。研究表明，气候变暖会是热带风暴增强，从而对低纬度地区，尤其是对海岸线上的农业生产产生严重影响；气温升高，大气热浪将会频繁发生，从而影响农业生产，尤其在热带亚热带地区更为突出；大气层中气流交换增强，大风天气会增加，风暴频率和强度都会有所增强，某系俄瞿韵的风蚀作用和水土流失会加剧。另外，某些要求低温春化的作物在气温升高的情况下也会受到一定的影响。温度升高将导致一些作物不同程度地受到高温热害的影响，尤以长江中下游的水稻和北方的小麦为甚。与此同时，一些地区的低温冷害仍然比较严重。1985年、1989年东北地区均发生了全区性的夏季低温冷害，东北三省粮食减产幅度在10%—27%。
CO2浓度倍增、气候变暖，海平面上升将会淹没沿海重要的粮食生产基地；华东和华南受洪水肆虐的程度和频率将可能提高，加上三角洲地区海水倒灌，大片良田将盐渍化。如果海平面上升1m，又不加任何防范措施，则中国沿海地区将有60个左右县、市受淹，受淹地区将集中在人口密度最高、工农业比较发达的辽河三角洲、华北、华东沿海平原以及珠江三角洲平原，约125000km2的良田将要废弃。一旦遭遇洪水、涨潮、台风等的侵袭，造成的危害就更严重。
1、8 对病虫害的影响
全球气温升高后，某些病虫的分布区可能扩大：（1）害虫的地理分布界限北移。气候变暖将使粘虫的越冬北界北移1°，稻飞虱的安全越冬北界由当前的22°N推向23—24°N；（2）一些病虫害发生的起始时间提前，使得多世代害虫繁殖代数增加，一年中的危害时间延长，农田多次受害的几率增加。分布在33°N以南地区的粘虫、23—25°N以南的稻飞虱以及江淮地区以南得稻纵卷叶螟均可比当前多繁殖一个世代；（3）害虫迁移入侵的风险增高。（4）病虫害程度可能会加重。在温带地区某些病虫害目前危害程度不大，但若温度升高，危害会加重。此外，气温升高，尤其暖湿气候将有利于一些病菌的发生、繁殖和蔓延。据匡廷云等（1994）统计，我国常年病虫害发生面积在2.0×108—2.33×108hm2，使耕地面积的2倍多。
2 展望
目前, 人类对农田生态系统对于未来气候变化的反应预测能力还很有限, 特别是在我国尤为明显。面对全球环境变化与人类社会可持续发展的挑战，全球变暖研究已经从认识地球系统的基本规律转向应用研究，并特别关注全球变暖的区域响应及人类社会对全球变暖的适应性问题。为了提高中国全球变化研究的整体水平, 与国际全球变化研究接轨, 更重要的是为更准确地预测中国陆地生态系统对于全球变化的反应, 减少全球变化的不确定性，未来全球变暖研究趋势将更加关注人类社会与自然界的相互作用和地球资源的可持续发展的相互关系。在研究方法上，则更加关注通过高新科技户获取多平台全球变暖研究观测资料，关注多因子影响的综合研究，强调以地球系统为核心的、多学科、多圈层的交叉集成分析与模拟，探讨适应与减缓全球变暖对中国农田生态系统影响的最佳模式。