全球气候变化及对农业的影响

全球气候变化及对农业的影响

引言:

①近半个多世纪以来,由于全球人口数量的增加,人类经济活动的增强和现代工业的发展,人类社会对能源消耗量越来越大,矿物燃料的大量使用和森林面积的不断减少,导致大气中的CO2和CH4(甲烷)、N2O和CFCS(氟氯烃类化合物)等温室

气体的浓度在明显升高,将使全球气候发生显著的变化。

②这种变化将对生态系统的结构、功能及分布产生重要影响；同时会扩大和加深物理反馈过程：

㈠比如地球物理学过程(水分蒸发、反射率等)；

㈡热力学过程(大气循环、洋流和气体的溶解性等)；

㈢生物地球化学过程(甲烷的氢代谢、陆地和海洋有机物的生产和分解等)； ③另外,还会对人类活动产生作用；

④同时将对全球和区域的农业生态产生重大影响

未来100年间全球气候变化对人类生存环境和社会经济发展将产生一系列的影响,已引起全球性的关注。

一、全球气候变化得到了国际社会的高度重视

1、全球气候变化及其影响评价已成为当代热门的研究领域。

背景：

①自本世纪70年代以来，全球气候变化问题日益引起人们的重视，现在已经成为举世关注的重大地球环境问题。

⑴1979年，第一届世界气候大会在瑞士日内瓦召开，为监测和评估全球范围内的气候变化，制定了世界气候研究计划（WCP）

⑵1985年，联合国环境署（UNEP）、世界气象组织（WMO）和国际科联（ICSU）召集专家在奥地利举行会议，再次确认了大气温室气体的不断增加将导致全球气候变暖。

⑶1987年UNEP和WMO应成员国要求决定成立政府间气候变化委员会（IPCC Intergovernment Panel On Climate Change,），旨在开展气候变化本身及其影响评价两方面的研究。

⑷1988年在加拿大召开题为变化中的大气层-对全球安全影响的世界大会（有48个国家政府首脑、外交官员和科学家出席）

⑸1990年，在日内瓦又召开第二次世界气象大会，一致认为全球气候变暖将是比以往任何自然灾害都更为深重的灾难。

⑹1992年在巴西召开的由各个国家元首参加的世界环境与发展大会，亦将气候变化问题列为最重要的议程之一。

②一些其他的国际组织也都在积极支持参与全球气候变化的研究项目。

如：国际应用系统分析研究所（IIASA）与UNEP正携手研究全球气候变化对各国农业和陆地，海洋生态系统的影响；由ICSU主持的国际地球生物圈计划（IGBP）还在这一领域与中国等国家通力合作。

③不少国家的政府对全球气候变化问题正给予高度的重视，并从财政上对有关研究计划给予充分的支持和保证。

如：美国环境保护署正协调27个国家的科学家救全球气候变化影响农林牧渔、水资源、海平面上升、能源和人类健康等进行多方面的综合评价研究。

2、我国政府近年来对全球气候变化问题亦极为关注。

①1987年成立了国家气象委员会

②1990年国家科委发表了《气候》蓝皮书，全面总结了我国在这一领域的研究成果

③1991年国家科委还将气候变化问题列为重大科技公关项目

3、迄今为止，全球气候变化问题在我国农业界尚未引起足够的重视。

原因：①有关未来气候的预测意见不一，使农业界无所适从

②我国农业界对全球气候变化问题的宣传和普及工作做得不够。

由上而可以看出，随着人类活动加剧和工业的高度发展使大气中温气体浓度急剧增加将使全球气候发生显著变化已是不争的事实。这种变化对人类生存环境、农业生态系统、社会经济等带来的影响将会得到科学家们和国际组织的更多广泛关注。

二、全球气候变化

1、 全球气候变化的事实

①大气中温室气体浓度明显增加。大气中CO2气体浓度目前已经达到368ppmv，这可能是过去42万年中的最高值。

②1860年以来，全球平均气温升高了0.6±0.2℃。近百年来最暖的年份均出现在1983年以后。20世纪北半球温度的增幅可能是过去1000年中最高的。

③近百年来，降水分布也发生了变化。大陆地区尤其是中高纬地区降水量增加，非洲等一些地区降水减少。有些地区极端天气气候事件（厄尔尼诺、干旱、洪涝、雷暴、冰雹、风暴、高温天气和沙尘暴等）的出现频率与强度增加。

2、 全球气候变化的趋势

科学家使用31个复杂气候模式，对六种代表性温室气体排放情景下未来100年的全球气候变化进行了预测，结果表明：

◆全球平均地表气温到2100年时将比1990年上升1.4-5.8℃．这一增温值将是20世纪内增温值（0.6℃左右）的２－10倍，可能是近一万年中增温最显著的速率。

◆21世纪全球平均降水量将会增加，但大部分年平均降水增加的区域很可能同时出现大的年际变化。

◆北半球雪盖和海冰范围将进一步缩小。

◆全球平均海平面到2100年时将比1990年上升0.09-0.88m，各个区域的上升值将有较大的差异。

◆一些极端事件（如高温天气、强降水、热带气旋强风等）发生的频率会增加。

3、 全球气候变化的原因

大气中温室气体含量的增加是全球气候变暖的主要原因。大气中主要的温室气体是CO2、CH4、NXO、CFCS等气体。

①工业革命后大气中CO2浓度急剧上升。CO2含量增高对全球气候变暖的贡献估计占50％－60％。工业革命前地球大气中CO2含量约为275±10ppm左右。1900年为300ppm。1975－1985年10年间每年增加1.44ppm，年增长率为0.44ppm到1990年CO2含量已达到353ppm，比工业革命前增加了25％。

大气中CO2浓度增加的主要原因是：

⑴工业革命以来煤和石油等矿物燃料燃烧后大量的CO2排入大气；

⑵由于毁林和生物体燃烧等生物源造成的CO2排放。

②工业革命后，大气中甲烷含量的迅速增加。甲烷是另一种重要的温室气体，其增温效应是CO2的20倍。在距今200年前直到11万年前甲烷含量均稳定于0.75-0.80ppm，但距今200年前开始，大气中甲烷含量逐渐增加。1950年甲烷含量已经增加到1.25ppm。1980年为１.55ppm，1990年为１.72ppm，年增长率为１％，目前的水平已经是工业革命前的2倍多。不同源对甲烷含量增加的相对贡献目前尚不清楚。但是许多学者认为在过去的100年中人口增加、荒地开垦、农田面积增加和水稻复种指数提高可能是甲烷浓度增加的主要原因之一。

③N2O增加。N2O是一种重要的温室气体，它主要来之水和土壤中微生物过程以及Ｎ肥的施用。所以N2O向大气排放与农田面积增加有关。工业革命前大气中N2O含量为280ppb。而1985年的直接观测值为305。预计到2030年N2O可增长到375 ppb。全球由此引起的增温均可到达0.07-0.2℃。

④氟氯烃化合物的增加。大气中氟氯烃化合物是制冷工业、喷雾剂和发冷剂中的主要原料，虽然此类化合物在大气中的总含量不高，但此族中的某些化合物具有强烈的增温效应，其增温效应是CO2的20倍，因此其对大气的增温贡献也不可低估。

以上分析可以看出，人类活动，尤其是世界工业革命后，科学技术进步带来的生产规模的迅速扩大和人类对自然界的强烈作用促使了大气中温室气体的增加，从而导致了全球气候变化。

三、 气候变化对全球植被格局的影响

全球植被地带的形成,是大气候长期作用的结果,如果气候发生较大幅度

的变化,必然会反映到植被上,也就是说气候变化会对植被分布格局产生重要影响.植被对气候变化的响应可以在气候变化对农业生态系统影响中起指示作用.由于ＣＯ2浓度、温度和降水的变化,全球各生态系统的生物生产能力将会受到影响.一般地讲,ＣＯ2浓度升高,气温变暖,降水增加均会有利于植物生长,第一性生产力将提高.但由于温度和降水变化的不均衡性,生物生产力的变化也是不等的,有的地方生产力可能提高,有的则有可能减少。但就全球而言,目前研究的结果是总的生物量可能增加.由于ＣＯ2浓度加倍,地球表面温度升高,北半球及其以北地区的温度和土壤湿度区域界线将大幅度北移[4].研究表明,如果平均温度升高2℃,永冻带(ｐｅｒｍａｆｒｏｓｔｚｏｎｅ)的南界将北移205～300ｋｍ.如果温度升高3℃,加拿大永冻土面积将减少25%[13].这样必然导致地球植被区域发生变化,这种变化主要表现为森林面积减少,森林类型发生变化,草原面积增加,全球植被总的生物生产力下降.一组森林生长模型预测结果表明,北美洲的南部和中部地区因气候变化森林将大面积死亡,主要原因是温度升高,水分可利用性降低[14～15].Ｅｍａｎｕｅｌ等(1985)用Ｈｏｌｄｒｉｄｇｅ生命带分类原理预测了全球温度和降雨量的变化及其对植被带的影响.结果表明在低纬度地区生命带变化较小,但中纬度和高纬度地区变化明显.北方森林(ｂｏｒｅａｌｆｏｒｅｓｔ)和冻原(ｔｕｎｄａｒａ)的面积将分别减少37%和32%.北方森林的北界将北移40%以上,侵占冻原地带.北方森林的南部将大面积地被温性森林(ｔｅｍｐｅｒａｔｅｆｏｒｅｓｔ)所取代,而温性森林则有不少被草原(ｓｔｅｐｐｅ)所替代.整个地球植被将发生较大的地带性变化.这种变化要滞后于气候的变化,可能有数十年的滞后期。全球主要植被类型面积的变化预测见表2.气候变化引起植被地带性变化这一点,科学家们基本认识是一致的.但具体到某一区域,植被怎么变化?演替过程、顶极群落类型有什么不同?植被变化的过程和速度如何?群落如何适应气候变化等问题是难以定论的。

4 气候变化对全球农业的影响

农业生态系统是一种受人类强烈干预的人控系统,也是自我调节机制较为薄弱的生物系统,是全球气候变化的主要承受者和受害者.已有不少研究表明,全球气候变暖对农业的影响即有不利方面,也有有利方面,它给农业带来的机会与挑战兼而有之.

4.1 ＣＯ2浓度对农业的影响

4.1.1 ＣＯ2浓度对光合作用的影响

ＣＯ2是作物光合作用的原料,对作物生长至关重要.在一定的范围内,ＣＯ2浓度升高,植物生长加快,所以有人认为大气中ＣＯ2浓度升高,将会大幅度提高植物的生产力.但也有实验表明,许多植物在高ＣＯ2浓度下有一段加速生长,之后生长缓慢,甚至停止生长[21].这可能是与植物的不同光合代谢途径有关.Ｃ3植物(如小麦、水稻、大豆等)对ＣＯ2浓度升高呈较高的正反应,但Ｃ4植物(如玉米、高梁等)对ＣＯ2浓度增加的反应较弱.在其它条件不变的情况下,ＣＯ2浓度升高,对农作物是有利的.但气候变化会导致一系列生态因子的变化.实验研究表明,大气中ＣＯ2浓度加倍,主要分布于温带、亚热带和湿润热带地区的Ｃ3植物会受益增产,而主要分布于半干旱热带(非洲)的Ｃ4植物产量则会受到影响,并且前者的受益并不一定能补偿后者的损失.在全世界粮食产量中,Ｃ4作物仅占到20%,但在国际市场上交易的粮食中,Ｃ4作物占到75%以上.如玉米在国际市场上交易量最大,其是全球饥困地区的主要食物.因此,气候变化对Ｃ4作物产量的影响,将会使某些地区饥荒加剧。

4.1.2 ＣＯ2浓度对作物品质的影响

ＣＯ2浓度的升高可能会导致农作物品质的下降,因为ＣＯ2浓度高的情况下,作物吸收Ｃ将增加,而吸收的Ｎ减少,体内C/N比升高,蛋白质含量将降低,作物品质降低.这一点已有实验证实:大豆和小麦在ＣＯ2浓度倍增条件下实验,结果大豆氨基酸和粗蛋白含量分别下降2.3%和0.83%;冬小麦籽粒粗蛋白和赖氨酸分别下降12.8和4%。这样人类人均需求的粮食量可能要增加,才能满足自身的营养.同样,农业害虫可能也要摄取更多的植物才能满足其营养需求,虫害可能由此加重.这方面尚无实际研究数据.

4.1.3 ＣＯ2浓度对水分有效性的影响

由于ＣＯ2浓度升高,植物较容易获得ＣＯ2,因此气孔开放程度将变小,开放时间也可能缩短,这样植物蒸藤作用将减弱,植物体耗水降低,土壤水分利用率将提高,这对于旱半干旱地区的农作物可能是有益的。但由于温室效应,ＣＯ2浓度升高,气温也升高,水分蒸发速度会加快.这种蒸发加快和蒸藤减少是否能达以平衡,目前尚难以预料。有人认为总体耗水可能增加,起码在某些区域可能是这样。

4.2 气候变化对作物布局和面积的影响

温室较应会使大气温度升高,这样对热量有限的地区来说,可以延长生长季节,这一趋势有着极地化和高山化的发展倾向,在北半球高纬度地区这种变化可能是明显的。就象前面讲的植被地带会因气候变化而北移一样,农业区也会大幅度北移,因热量不足而分布区受限的作物的分布北界也会大幅北移,山地分布上界会向上移动,这样中纬度和高纬度地区的作物布局和面积将会发生较大的变化.这方面已进行不少的模拟研究。一些研究表明,在北半球中纬度地区,若平均气温升高1℃,作物的北界一般可以向北移动150～200ｋｍ,而海拔向上移动150～200ｍ。对冬小麦和玉米的分布区变化问题已有多人做过研究.在欧洲现在的气候条件下,玉米作物(指要收获成熟种子的玉米,不包括只收青穗的玉米)需要气温≥10℃的天数850ｄ,其分布北界位于英格兰的南部.当大气中ＣＯ2浓度加倍后,研究认为,其北界移至莫斯科的南部,有的模型预测北移幅度更大。尽管不同模型预测结果有异,但其趋势是一致的,也就是说在ＣＯ2浓度升高,气温增加的情况下,一些作物分布北界要向北扩展,面积可能增加.按常理,这些作物的总产量应增加,但这必然是要将一些其它用途的土地转为农田,比如原因热量不足不宜作为农田的草地、林地等要开垦,这样在作物产量增加的情况下,林产品和畜产品可

能会减少,为人类提供的总产品是否增加,尚是问题.由于农业带北移而增加的农作物面积在不同的区域或国家的相差悬殊,而且受政策影响甚大,所以,作物格局在未来几十年中究竟如何变化,难以确切预测。

4.3 气候变化与农业气候灾害对农业影响

最大的可能是极端气候条件,比如干旱、风暴、热浪、霜冻等,全球气候变化,对这些气候灾害发生的频率和强度有什么影响,目前知道的甚少。某些研究认为,气候变暖会使热带风暴增强,从而对低纬度地区,尤其是海岸线上的农业有重大影响.有人认为,气温升高,大气热浪将会频繁发生,从而影响农业生产,在热带亚热带地区更为突出.象冬小麦主产区的干热风可能会使小麦大幅减产。由于气温升高,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,某些区域(如我国黄土高原地区)风蚀作用导致水土流失会加剧,而影响农业生产.再则温度升高,会使某些要求低温春化阶段的作物受到一定的影响。还有人认为,大气温度升高后会导致土壤耗水量加大,尤其是植被覆度低的干旱和半干旱地区耗水量会更大,旱灾会更严重地发生而危胁农业的发展。这些方面的影响程度尚难确切估计。

4.4 气候变化与农业病虫害

就象植被地带和农作物带北移一样,全球气候变暖会使农业病虫的分布区发生变化.低温往往限制某些病虫害的分布范围,气温升高后,这些病虫的分布区可能扩大,从而影响农作物生长。同时温室效应还使一些病虫害的生长季节加长,使多世代害虫繁殖代数增加,一年中危害时间延长,作物受害可能加重。分析表明,在美国对豆类等作物严重危害的害虫———马铃薯叶蝗,当气候变暖时,越冬虫口密度加大,假定作物种植时间不变,其危害时间提旱,这可能导致作物大面积受害.玉米螟对豆类的危害也会因提前取食而加重。另外,在温带地区某些病虫害目前危害程度不大,但若温度升高,危害会加玉米面积的变化重,比如马铃薯枯萎病由于目前夏季气温较低而对马铃薯危害不大,但当平均气温升高4℃时,马铃薯会因此病而损失产量15%。全球平均雨量增加和平均湿度的变化会对病虫害及它们的天敌发生什么影响,目前尚不知.温度和水分变化很可能导致害虫种间及它们的天敌间种群相互作用关系发生变化。

4.5 海平面升高对农业的影响

全球气候变暖会使海平面逐渐升高,这是因为极地和高山地区的冰川、冰盖和积雪融化所致,温度升高幅度的极地化使其融化加剧,再一原因是海水水体受热膨胀.海平面升高已被近年来的观察实验所证实。海平面升高,沿海岸线一些地势低下的农田可能会被淹没,同时会造成周围盐化土壤扩展,海潮、海岸侵蚀和海浪灾害会加剧.如果海平面升高1ｍ全球可能会有11800万人民受到灾害威胁。有人预测,到2100年海平面平均升高1～1.5ｍ,到时埃及会损失1%土地,而孟加拉国损失最大,可能达17.5%的土地,另外中国、丹麦可能是损失较大的国家。目前对海平面升高幅度预测的结果尚难一致,相差较大.

5 加强认识气候变化与农业系统间的相互作用关系研究的重要性

气候变化对农业的影响是多方面的、复杂的和难以准确预测的,有有利的作用,也有不利的影响,并且可能是负作用大于正作用.依ＩＰＣＣ[20]的评价结果,气候变化对农业的影响强度是小到中等程度.全球粮食生产受气候变化影响的损失可能与由于技术的提高而增产的粮食相平衡,即全球粮食总产可能变化不大,但区域间的差异可能是明显的.农业生态系统是很复杂的,其对气候变化的响应也是难以确切模拟的,农业又是与人类关系最为密切的产业,所以气候变化与农业系统间的相互作用关系研究是非常重要的.目前对全球气侯变化的实验和测预研究主要集中在温室气体的产生过程与机理,大气中温室气体的变化史及其浓度变化预测;温室气体浓度升高对气候影响的程度和区域差异;气候变化对海洋和冰川的影响等方面.气候变化对农业生产的影响方面及个体作物与ＣＯ2的关系研究较多,而对农业系统整体研究较少,这方面尚需进一步加强.主要研究内容应包括以下几方面:(1)农业系统变化趋势研究;(2)农业系统变化机制研究;(3)全球气候变化的农业后果研究;(4)农业技术改进和发展模式对全球变化的适应性研究;(5)全球气候变化条件下农业生态系统的监控研究;(6)全球气候变化的农业对策研究等。

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