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1基于統(tǒng)計(jì)模型的氣候變化影響模擬

統(tǒng)計(jì)模型是利用回歸分析、周期分析、主成分分析、判別分析和方差分析中一種或多種的組合對(duì)特定區(qū)域特定品種的產(chǎn)量數(shù)據(jù)和氣候數(shù)據(jù)之間構(gòu)建的非動(dòng)態(tài)經(jīng)驗(yàn)或統(tǒng)計(jì)方程，由此來(lái)估算作物生產(chǎn)力或預(yù)測(cè)未來(lái)氣候變化對(duì)作物產(chǎn)量的影響。由于受科學(xué)技術(shù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的不完善等，統(tǒng)計(jì)模型主要應(yīng)用于氣候變化和作物產(chǎn)量研究的初期階段，不需要對(duì)糧食生產(chǎn)與環(huán)境變量之間復(fù)雜物理機(jī)理的透徹理解，缺乏植物生態(tài)學(xué)方面的內(nèi)在機(jī)制和過(guò)程理論基礎(chǔ)，一般用于區(qū)域潛在產(chǎn)量的評(píng)價(jià)。因此模型精度相對(duì)較低，尤其是在研究區(qū)范圍的大小和空間位置發(fā)生變化時(shí)，將帶來(lái)的誤差更大。雖然在機(jī)理過(guò)程的表達(dá)上有很大的局限性，但研究區(qū)耕作、田間管理、土壤、地形、水文、氣象等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不完善或難以獲取時(shí)，該類模型在氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)影響評(píng)價(jià)中起到重要作用。王效瑞E”】、陸魁東”。等利用線性相關(guān)模型研究了安徽、湖南等地年平均氣溫、0~C，10cI=積溫和地理因子(經(jīng)度、緯度和高程)的關(guān)系以及積溫和無(wú)霜期與年平均氣溫之間的函數(shù)關(guān)系，探討了未來(lái)氣候變化(未來(lái)升溫IoC，2~C和降水~10，~20的假設(shè)情景下)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、種植制度和農(nóng)田蒸散量的量化研究，探討了作物產(chǎn)量的波動(dòng)趨勢(shì)。

2基于過(guò)程模型的氣候變化影響模擬

采用作物生長(zhǎng)模型是另一種氣候變化對(duì)作物生產(chǎn)可能產(chǎn)生影響的主要評(píng)估方法。過(guò)程模型是通過(guò)深入探究植物的生長(zhǎng)過(guò)程機(jī)理和能量的內(nèi)在轉(zhuǎn)換機(jī)制，對(duì)植物體及土壤水分散失的過(guò)程以及太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能形成產(chǎn)量的過(guò)程進(jìn)行模擬。過(guò)程模型除考慮溫度和降水對(duì)作物產(chǎn)量形成的影響外，還考慮太陽(yáng)輻射、蒸騰作用、CO濃度、土壤質(zhì)地和持水量、濕度、風(fēng)速、田間管理以及碳和氮的動(dòng)態(tài)變化等諸多環(huán)境因子，來(lái)揭示作物和環(huán)境之間的相互作用機(jī)制，進(jìn)而模擬作物的生長(zhǎng)、發(fā)育和產(chǎn)量的形成過(guò)程。因此，模型的生態(tài)學(xué)機(jī)制清楚，結(jié)果也較準(zhǔn)確，但模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所需參數(shù)較多。通常，用過(guò)程模型進(jìn)行影響和預(yù)測(cè)研究比統(tǒng)計(jì)模型的基礎(chǔ)更扎實(shí)，但其對(duì)模型的檢驗(yàn)或模擬未來(lái)的影響所需輸入的資料要求較高n。目前過(guò)程模型一般用于較小的空間尺度上，忽略了環(huán)境參數(shù)的空間多變性，有待向更大范圍或區(qū)域拓展。由于不同的研究目的，世界上許多國(guó)家研發(fā)了多種類型的作物模型，到目前為止，已經(jīng)提出了至少有100種不同的過(guò)程模型口，覆蓋作物種類包括谷類、豆類、根莖類、塊莖類以及特殊作物如蔬菜、棉花和水果等，其中針對(duì)小麥、玉米和水稻的模擬模型較多。這類模型有WOFOST，DNDC，CERES系列，EPIC，VIP以及中國(guó)MPESMt?！保珻OTGR0w等。過(guò)程模型最初主要應(yīng)用于作物生長(zhǎng)、發(fā)育和產(chǎn)量形成過(guò)程的數(shù)學(xué)表達(dá)和定量預(yù)測(cè)，但隨著對(duì)作物生理生態(tài)機(jī)理研究的深入，計(jì)算機(jī)技術(shù)和系統(tǒng)科學(xué)的不斷發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的方方面面，成為農(nóng)業(yè)研究最有力的技術(shù)工具。特別是在1990年和1992年IPCC第一次氣候變化科學(xué)評(píng)估報(bào)告及其補(bǔ)充報(bào)告的分別問(wèn)世以來(lái)，基于作物生長(zhǎng)模型的氣候變化對(duì)作物產(chǎn)量形成、生長(zhǎng)發(fā)育的影響評(píng)價(jià)以及對(duì)氣候變化的適應(yīng)性研究等方面都得到了迅速發(fā)展。

2．1氣候變化對(duì)作物產(chǎn)量影響的模擬

模擬作物生長(zhǎng)過(guò)程和產(chǎn)量是作物生長(zhǎng)模型最基本的功能之一。利用作物生長(zhǎng)模型進(jìn)行氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響研究，始于20世紀(jì)90年代初，經(jīng)過(guò)近20年大量的研究工作[22，模型精度得到不斷提高，已經(jīng)在很多國(guó)家和地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用，成為定量評(píng)價(jià)氣候變化對(duì)作物產(chǎn)量影響的主要研究方法。這些研究多以大氣環(huán)流模型GCM?！騾^(qū)域氣候模型RCM口剮等氣候模式輸出的氣候變化情景以及未來(lái)增溫(如1℃～4oC)、降水(O％，士10％，4-20％等)和CO：濃度倍增的統(tǒng)一假設(shè)口陽(yáng)作為作物模型的輸入來(lái)評(píng)估未來(lái)不同氣候變化情景下的作物產(chǎn)量可能的波動(dòng)趨勢(shì)，其結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性主要取決于作物模型和氣候模式的準(zhǔn)確性和以及兩者的連接過(guò)程。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)學(xué)者針對(duì)華北平原、東北、寧夏、重慶等地區(qū)以及全國(guó)范圍內(nèi)開(kāi)展了大量的氣候變化影響評(píng)估研究，但由于所采用的氣候模式和作物生長(zhǎng)模型的不同以及這些模型的不確定性，所得出的結(jié)論仍存在差異。熊偉等p叫在其研究中，根據(jù)中國(guó)社會(huì)發(fā)展的規(guī)劃，將氣候模型、水資源模型、未來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景與作物模型相連接，綜合評(píng)價(jià)了未來(lái)中國(guó)三大糧食(小麥、玉米、水稻)產(chǎn)量波動(dòng)狀況。研究表明，未來(lái)氣候變化(2011—2030年和2031—205O年)對(duì)中國(guó)三大糧食總產(chǎn)量具有積極作用，而與其同時(shí)考慮未來(lái)水資源變化和土地利用因素，三大糧食作物總產(chǎn)量增加幅度明顯降低，甚至在不考慮CO肥效作用下，總產(chǎn)量將明顯降低于BS(1960—1990年)水平。近年來(lái)，在氣候變化對(duì)作物影響評(píng)價(jià)的模擬研究中不僅考慮了溫、水、光、CO：濃度等變化，還引入了氣候變率弛、災(zāi)害性天氣指標(biāo)和蒸騰作用u等多項(xiàng)環(huán)境因子，模擬了水稻、小麥、玉米、大豆、棉花、花生和馬鈴薯等多種作物類型的未來(lái)氣候變化背景下的產(chǎn)量波動(dòng)。使用的模型主要是EPIC、CERES系列模型、wOFOST等模型。過(guò)去的研究表明，氣候變化對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量的影響因供試品種、區(qū)域和環(huán)境因素的不同而不同，在一些地區(qū)可能增加產(chǎn)量，在另一些地區(qū)可能降低產(chǎn)量，且作物產(chǎn)量波動(dòng)幅度較大。雖然大氣CO濃度的增加，可加強(qiáng)光合作用，降低氣孔導(dǎo)度，增加水分利用率，從而提高作物產(chǎn)量，但溫度增高而出現(xiàn)的生長(zhǎng)期縮短和極端氣候事件的頻繁發(fā)生可能使作物產(chǎn)量下降，導(dǎo)致總體上氣候變化引起的產(chǎn)量下降趨勢(shì)更為明顯?？傊?，盡管區(qū)域氣候變化的前景尚不確定，增溫導(dǎo)致蒸發(fā)、風(fēng)蝕、干旱的加強(qiáng)和臺(tái)風(fēng)頻率的加大，使農(nóng)業(yè)總產(chǎn)量至少損失5％。

2．2氣候變化對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育影響的模擬

一個(gè)地區(qū)的作物生長(zhǎng)發(fā)育與產(chǎn)量的形成過(guò)程是當(dāng)?shù)氐臍夂?、土壤肥力等自然環(huán)境和耕作，施肥，灌水等一系列栽培措施共同作用的結(jié)果，其中氣候條件的影響非常顯著。尤其是氣候變暖，通過(guò)改變熱量條件，縮短作物生長(zhǎng)發(fā)育期天數(shù)，使主要發(fā)育期提前，使光合作用時(shí)間縮短，進(jìn)而直接影響農(nóng)業(yè)產(chǎn)量、生產(chǎn)布局和結(jié)構(gòu)。氣候變化對(duì)作物生育期產(chǎn)生的影響，國(guó)內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了大量的研究。金之慶等[25-27]使用CERES系列作物生長(zhǎng)模型與3個(gè)通用大氣環(huán)流模型(GFDL、GISS、UI~O)在模擬CO：濃度倍增條件下，氣候變化對(duì)中國(guó)玉米、水稻、冬小麥等作物生育期的影響，認(rèn)為不同CO濃度倍增條件下，3種作物的平均模擬生育期較之BASELINE以不同程度地縮短，尤其對(duì)大幅度增溫反應(yīng)敏感的東北中早熟或早熟玉米品種(現(xiàn)行主要品種)更為突出。對(duì)于目前氣溫偏高，現(xiàn)行品種對(duì)高溫有較好適應(yīng)性的黃淮海夏玉米區(qū)，增溫造成的生育期縮短程度較輕。生育期的縮短將減少作物光合作用積累干物質(zhì)的時(shí)間，從而直接影響產(chǎn)量的提高。2000年之后，熊偉【30】、楊勤等分別對(duì)基于站點(diǎn)尺度的作物生長(zhǎng)模型進(jìn)行區(qū)域升尺度校準(zhǔn)和驗(yàn)證，并與以IPCC修訂的A2和B2兩種排放情景作為外部驅(qū)動(dòng)的區(qū)域氣候模型PRECIS相耦合，從區(qū)域尺度評(píng)價(jià)了氣候變化對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程和產(chǎn)量的影響，探討了未來(lái)作物高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。這些對(duì)提高復(fù)種指數(shù)、改進(jìn)和培育新品種、調(diào)整品種布局和播種日期等多種適應(yīng)性對(duì)策的研究具有實(shí)際意義。

2．3氣候變化影響的區(qū)域尺度模擬

氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)影響模擬過(guò)程中，基于站點(diǎn)尺度或均質(zhì)小尺度(限于1hm2以下)的作物模型和大尺度(200km以上)的大氣環(huán)流模型(GCM)相結(jié)合是存在的最大問(wèn)題。前人就這一問(wèn)題做了大量的研究，目前一般有2種解決方法，即作物模型的升尺度和大氣環(huán)流模型的降尺度連接[29】。20世紀(jì)90年代，金之慶等采用CERES系列和GCMS耦合方法，評(píng)價(jià)了氣候變化對(duì)中國(guó)糧食生產(chǎn)的影響，但這些研究主要注重于作物模型的站點(diǎn)尺度應(yīng)用和分辨率較低的GCMS的應(yīng)用上，后來(lái)隨著地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)的日益成熟和廣泛應(yīng)用，將原來(lái)基于小尺度的作物模型升尺度推廣到區(qū)域尺度上，以反映產(chǎn)量的時(shí)空變化趨勢(shì)。作物模型的升尺度一般對(duì)氣象、土壤、田間管理等作物模型主要輸入?yún)?shù)和作物遺傳參數(shù)進(jìn)行區(qū)域校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)作物模型的區(qū)域運(yùn)行。目前，氣象和土壤數(shù)據(jù)在一定的空間尺度上基本可滿足作物模型區(qū)域應(yīng)用的要求，但田間管理多種多樣且經(jīng)常變化，在區(qū)域模擬中一般利用假定的或最優(yōu)的設(shè)置進(jìn)行模擬】。對(duì)于作物遺傳參數(shù)的區(qū)域升尺度，江敏等口1從作物品種類型區(qū)、縣級(jí)尺度、省級(jí)尺度和代表性品種單點(diǎn)調(diào)試等不同角度進(jìn)行研究，得出基于稻區(qū)尺度的區(qū)域校準(zhǔn)效果較好，較之其他3種方法更適于氣候變化影響評(píng)價(jià)研究的結(jié)論。但所選空間尺度適宜度非常重要，尺度的過(guò)大或過(guò)小都將導(dǎo)致較大偏差。由于大氣環(huán)流模型(GCM)模擬輸出的水平分辨率和時(shí)間分辨率都較低(一般為月值)，難于模擬出作物模型所需要的較細(xì)致的逐日區(qū)域氣候情景。因此，隨著區(qū)域氣候模式的發(fā)展，近幾年，基于PRECIS、RegCM3等區(qū)域氣候模型和區(qū)域作物模型的相耦合的氣候變化評(píng)價(jià)研究被廣泛開(kāi)展，提高作物模型的區(qū)域評(píng)價(jià)效率和空間分辨率。楊勤[341、熊偉[15,28,30,36]等將PRECIS和區(qū)域作物模型相結(jié)合，分別以25kmx25km和50kmx50km的網(wǎng)格為評(píng)價(jià)單元，對(duì)寧夏及全國(guó)范圍內(nèi)進(jìn)行了區(qū)域模擬，在一定程度上提高了模擬效率，更好地反映了氣候變化對(duì)中國(guó)糧食生產(chǎn)影響的時(shí)間和空間變化趨勢(shì)，并進(jìn)一步推動(dòng)了作物模型在區(qū)域尺度上的應(yīng)用。

2．4氣候變化對(duì)作物影響的其他方面的模擬

有高一致性和充分證據(jù)表明，若沿用當(dāng)前的氣候變化減緩政策和相關(guān)的可持續(xù)發(fā)展做法，未來(lái)幾十年全球溫室氣體排放量將繼續(xù)增長(zhǎng)，并由于與各種氣候過(guò)程和反饋相關(guān)的時(shí)間尺度，即使溫室氣體濃度實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定，人為變暖仍會(huì)持續(xù)若干世紀(jì)，因此適應(yīng)氣候變化在很大程度上成為現(xiàn)實(shí)而緊迫的問(wèn)題p。因此，除了上述主要影響模擬研究以外，在農(nóng)作物對(duì)氣候變化的適應(yīng)性、氣候變化背景下農(nóng)業(yè)用水量等方面的研究也是迫切需要。孫芳等p’耦合SUBSTOR模型和Hadley中心區(qū)域氣候模型(PRECIS)，在模擬B2排放情景下的未來(lái)氣候變化對(duì)寧夏馬鈴薯生產(chǎn)影響的基礎(chǔ)上，提出了通過(guò)改變播種日期和馬鈴薯品種特性來(lái)提高作物對(duì)氣候變化適應(yīng)和應(yīng)對(duì)能力的方案。其研究表明，如果播期提前5～20天，未來(lái)馬鈴薯的產(chǎn)量將增加，但播期提前超過(guò)lO天后，播期提前帶來(lái)的增產(chǎn)效應(yīng)開(kāi)始減小。如果將播期推遲5～10天，馬鈴薯產(chǎn)量將明顯減少。另外，如果改種對(duì)溫度敏感性弱的新品種，即喜溫耐熱的品種，可以延長(zhǎng)馬鈴薯的生育期，進(jìn)一步提高馬鈴薯產(chǎn)量。由于溫度升高而導(dǎo)致的生長(zhǎng)期縮短，成熟期提前等現(xiàn)象，農(nóng)作物對(duì)氣候變化的適應(yīng)性研究，是通過(guò)提高復(fù)種指數(shù)、引進(jìn)新品種、加強(qiáng)排灌設(shè)施建設(shè)和適當(dāng)調(diào)整播種日期等方面的措施，來(lái)提高在氣候變化背景下的農(nóng)作物高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。研究表明，氣溫的增高、降水量和CO：濃度的變化通過(guò)間接或直接的途徑來(lái)影響作物的水分利用率。大氣CO濃度的提高不僅加強(qiáng)光合速率，提高產(chǎn)量，而且還隨著作物長(zhǎng)期處于高濃度的CO環(huán)境，氣孔導(dǎo)度降低，蒸散量減少，從而提高冠層水分利用率，減緩干旱不利影響。這種效應(yīng)對(duì)小麥等C，作物更為明顯。

3展望

總體來(lái)看，國(guó)內(nèi)對(duì)模型模擬法評(píng)價(jià)氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)的影響研究已經(jīng)有一定程度上的開(kāi)展和應(yīng)用，但存在很多不足。隨著國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的完善和共享，將會(huì)進(jìn)一步深入對(duì)模型參數(shù)本地化、氣候變化對(duì)作物產(chǎn)量影響方面的研究。

(1)由于目前對(duì)作物生理生態(tài)過(guò)程的認(rèn)識(shí)不夠透徹，所構(gòu)建的作物生長(zhǎng)模型還不是完全的作物生長(zhǎng)機(jī)理模型，仍然存在很多經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式，且大多數(shù)作物模型是在正常氣候條件下構(gòu)建的，對(duì)一些極端氣候事件和GCM所模擬的未來(lái)高溫和高CO：濃度條件下能否做出相應(yīng)的反應(yīng)和模擬精度上都存在很大的不確定性。另外，雖然諸多作物生長(zhǎng)模型充分考慮了干旱脅迫、水分利用、養(yǎng)分吸收、輻射利用率和田間管理等多種因素，但突發(fā)性的極端天氣事件對(duì)模型模擬精度影響的研究尚很少。因此，有必要進(jìn)一步加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室模擬或FACE(FreeAirCO2Enrichment)等田間觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，獲取許多重要數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)的優(yōu)化和本地化，為研究氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的影響及其機(jī)理提供重要基礎(chǔ)。

(2)目前開(kāi)展的很多氣候變化影響研究都采用了一個(gè)大氣環(huán)流模型和多種大氣環(huán)流模型來(lái)建立未來(lái)氣候情景或?qū)ξ磥?lái)增溫(如l℃～4℃)、降水(0％，士l0％，士2O％，一40％等)和CO濃度倍增給出統(tǒng)一構(gòu)想，來(lái)評(píng)價(jià)未來(lái)氣候情景下的作物產(chǎn)量波動(dòng)。但未來(lái)增溫、降水和CO濃度變幅的統(tǒng)一構(gòu)想法忽略了氣候變化的時(shí)間和空間尺度上的多變性，難以滿足于全國(guó)或全球范圍的影響評(píng)價(jià)需求。由于缺乏對(duì)全球氣候系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程的詳細(xì)認(rèn)識(shí)和未來(lái)溫室氣體排放量的不確定，目前大氣環(huán)流模型中仍然存在諸多不確定性因素，尤其在區(qū)域降水量的模擬上存在顯著差異，很難判斷哪一種大氣環(huán)流模型更能準(zhǔn)確地模擬未來(lái)氣候變化。此外，昔日的研究多采用1xCO和2xCO：的情景下，探討CO：濃度作物產(chǎn)量的影響，但實(shí)際上C02等溫室氣體濃度的增長(zhǎng)是連續(xù)的，從而導(dǎo)致研究結(jié)果也帶有一定的不確定性。

(3)盡管人們已認(rèn)識(shí)到由于人類不規(guī)范活動(dòng)所導(dǎo)致的溫室氣體排放增加，導(dǎo)致以氣候變暖為主要特征的全球變化，但預(yù)測(cè)和準(zhǔn)確評(píng)估這種變暖的速度及其對(duì)農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)的影響卻是難事，尤其是對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的影響涉及到土地利用、種植制度、水資源、土壤、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、市場(chǎng)、環(huán)境和科技等多方面的因素。目前的研究都假設(shè)研究區(qū)現(xiàn)行的管理措施和土壤狀況等因素在未來(lái)長(zhǎng)時(shí)間尺度上將保持不變。

(4)目前雖然氣象數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、田間管理等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)總體上較全面，基本能滿足作物生長(zhǎng)模型的需求，但有必要進(jìn)一步提高這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的規(guī)范化和共享。