1. 研究背景与全球粮食安全发展现状
1.1 气候变化的演化趋势与特征
近半个世纪以来,全球气候系统经历了显著且持续的变化。全球地表平均温度呈现出明显的上升趋势,尤其在过去几十年中,升温速率加快。例如,有研究指出,全球气温在过去一个世纪里上升了约0.5℃-0.7℃,且在1965年至1980年间,全球平均气温达到了仪器记录以来的最高水平1。在过去的十年中,全球温度的上升速度与前二十年一样快,尽管存在厄尔尼诺-拉尼娜循环等年际波动2。到2023年,人为造成的全球变暖已达到1.31℃(相对于1850-1900年),而2014-2023十年间的平均升温为1.19℃3。这种前所未有的升温速率,表明人为温室气体排放对气候系统的影响日益加剧3。
除了气温升高,全球降水格局也发生了复杂的变化。虽然整体趋势不像气温那样普遍一致,但气候变化研究显示,全球和区域尺度的降水模式正在改变4。这种降水格局的变化对全球水资源分布和农业生产产生了影响,例如地表蒸散发的变化可能会影响作物的水分供应和潜在产量5。此外,大气中温室气体浓度,特别是二氧化碳、甲烷和氧化亚氮的浓度持续上升。其中,氧化亚氮的全球大气摩尔分数自1750年以来增加了近25%,并在2020年和2021年录得了1980年以来最快的年增长率,达到超过1.3 ppb/年6。这些温室气体的累积导致了地球能量收支失衡,进一步推动了全球变暖3。
展望未来30年,在不同排放情景下,气候变化的演化预测显示出更为严峻的趋势。政府间气候变化专门委员会(IPCC)的评估报告综合了多种气候模型(如耦合模式比较计划CMIP5和CMIP6)的预测结果,这些模型基于不同的代表性浓度路径(RCPs)和共享社会经济路径(SSPs),描绘了未来气候演变的可能性7891011。在“一切照旧”的高排放情景下(如RCP8.5),预计全球平均温度将持续显著上升,极端天气事件将更加频繁和强烈。即使在积极减排情景下(如RCP2.6),未来30年内仍将面临一定的升温和气候变化影响,但升温幅度会明显减小,并可能在本世纪末实现碳中和甚至负排放,从而稳定气候系统101213。然而,值得注意的是,近期的气候观测数据表明,气候系统,特别是海平面,对气候变化的响应可能比当前模型预测的更快14。此外,IPCC第六次评估报告(AR6)的编制采用了FAIR原则,强调数据可追溯性和透明度,为未来气候预测的可靠性提供了更坚实的基础15。
1.2 全球粮食安全的评估维度与当前风险分布
全球粮食安全是一个多维度、复杂的概念,其评估通常基于联合国粮食及农业组织(FAO)提出的四大支柱框架:可获得性(Availability)、可及性(Access)、利用性(Utilization)和稳定性(Stability)。
可获得性:指食物供应的充足性,包括国内产量、库存和进口量。当前全球粮食供应面临结构性矛盾。尽管全球粮食总产量在过去几十年有所增长,但分布不均。例如,中国等主要粮食消费国由于膳食结构的变化,对动物性食品需求增加,导致其粮食自给率可能下降,进而影响全球粮食市场供需平衡16。同时,国际贸易在全球粮食安全中扮演着关键角色,但高度集中的生产区域和复杂的供应链使得某些地区的粮食供应易受外部冲击影响17。COVID-19疫情的经验表明,封锁、经济衰退和贸易限制可能导致粮食供应链中断,从而影响粮食可获得性,尤其是在发展中国家181920。
可及性:指个体或家庭获取足够食物的经济和物理能力。全球范围内,经济发展不平衡、收入差距悬殊以及冲突等因素严重制约了粮食的可及性。例如,一些低收入发展中国家,食品价格上涨、失业率增加以及货币波动会直接导致贫困人口购买力下降,使其无法负担充足的食物。例如,在COVID-19疫情期间,一些发展中国家的粮食不安全风险主要与经济获取粮食(如粮食通胀)有关,而在较高收入的发展中经济体中,可获得性方面的风险(如粮食贸易限制和货币贬值)更为普遍18。
利用性:指个体有效吸收和利用食物中营养的能力,这与食物质量、食品安全、饮用水卫生、卫生条件以及营养知识等因素密切相关。食品安全风险,如黄曲霉毒素等霉菌毒素污染,因气候变化而加剧,可能对人类和动物健康构成威胁,从而影响食物的利用性21。城市农业虽然有助于提高食物可获得性,但也可能存在化学和生物风险,需要完善的食品安全评估框架来保障食物利用性22。
稳定性:指上述三个维度在时间和空间上的持续性,不受短期冲击(如极端天气、经济危机、政治冲突)的影响。气候变化带来的极端天气事件,如干旱、洪涝、高温等,直接威胁农业生产的稳定性,导致产量波动,进而引发食物供应和价格的不稳定。这在很大程度上影响了发展中国家小农户的粮食安全和福祉,小农户面临粮食不安全与福祉之间的复杂相互作用23。
当前,全球粮食安全的高风险区域主要集中在撒哈拉以南非洲、南亚以及一些冲突和政治不稳定的地区。这些区域往往气候脆弱性高、农业基础设施薄弱、贫困人口众多,且易受外部冲击影响。气候变化进一步加剧了这些区域的风险,导致作物歉收、病虫害蔓延24,使得饥饿和营养不良问题日益严峻25。根据FAO的评估,许多发展中国家在努力实现农业产品自给自足方面面临挑战,特别是在应对气候变化和生物能源发展等长期趋势下,其粮食安全前景不容乐观26。
2. 极端天气事件对粮食生产系统的直接冲击
2.1 典型极端天气事件的时空分布特征
气候变化导致极端天气事件的频率、强度和持续时间发生显著变化,这些事件直接冲击全球粮食生产系统,对农业造成严重破坏27。主要农业致灾型极端天气事件包括干旱、高温热浪、极端降水和热带气旋(如台风),其时空分布特征表现出独特的规律。
干旱: 干旱是影响粮食生产最主要的极端天气事件之一。全球变暖导致蒸发量增加和地表干燥,进而加剧了干旱的强度和持续时间28。近年来,全球多地干旱事件频发。例如,中国西北地区和西藏西南部干旱出现频率较高,而黄淮海平原和云贵高原则分别是中国北方和西南地区的干旱中心29。在印度尼西亚的Progo Hulu分流域,农业干旱在Sumbing和Sindoro的山坡和山麓地区迅速发生,并随着无降雨天数的增加而逐渐蔓延30。在非洲,气候变化也导致了干旱、洪水和热浪等极端天气事件的加剧,对农业生产力、水资源可利用性和生计造成严重影响31。在西南地区,水稻干旱的发生频率呈现年代际下降趋势,但高风险区域主要集中在云南省西北部和中东部、四川盆地东部、重庆市东北部以及贵州省东南部32。干旱不仅减少了作物产量,还降低了收割面积,对谷物生产造成9-10%的显著减产33。
高温热浪: 全球气温的持续上升增加了热浪事件的发生频率和强度34。长时间的高温对作物生长造成热胁迫,影响作物的生理过程,如光合作用和授粉,进而降低作物产量。例如,极热天气主要导致谷物产量下降33。在巴西,自1961年至2010年,热应激水平持续升高,预计到21世纪末,在两种代表性浓度路径(RCP4.5和RCP8.5)下,未来几十年内热应激情况将更频繁出现,西部和北部地区可能出现更高的湿球黑球温度(WBGT)值35。未来,热事件对谷物碳氮比的影响预计将更为显著36。
极端降水与洪涝: 尽管一些地区的总降水量可能减少,但全球变暖导致空气中水汽含量增加,使得极端降水事件的强度和频率上升,从而增加了洪涝风险28。例如,在过去一个世纪中,美国已发生重度降水增加的趋势,未来气候情景显示极端降水事件的频率可能增加,包括飓风期间的降水,从而提高洪涝风险37。中国也观测到极端天气和气候事件的频率和强度发生了显著变化38。洪水会对农业生产设施、耕地造成急性破坏,并可能引发病虫害的传播,如钩端螺旋体病39。然而,对全球谷物生产损失的分析显示,洪涝和极端寒冷在国家层面的数据中未能识别出对谷物生产的显著影响33。这可能表明,洪涝的影响更具区域性和局部性,而非普遍性。
热带气旋(如台风): 热带气旋,如飓风和台风,带来强风、暴雨和风暴潮,对沿海及内陆农业区造成毁灭性打击。然而,关于热带气旋活动趋势的可靠检测受到数据异质性和内部变率量化不足的限制,对其趋势归因于人类活动仍存在争议40。尽管如此,热带气旋对农业的破坏是显而易见的,可以导致作物倒伏、淹没和基础设施损毁。
总体而言,极端天气事件的时空分布特征显示,干旱和高温热浪在全球范围内对粮食生产构成持续且日益增长的威胁,其影响路径包括降低产量和减少耕作面积。极端降水事件虽然在总降水量不变甚至减少的地区也可能增加,但其对国家层面谷物生产的直接影响不如干旱和高温显著。这些事件共同作用,增加了全球粮食生产的脆弱性,对区域乃至全球粮食安全构成严峻挑战。
2.2 极端天气对农业生产的破坏路径与传导效应
极端天气事件对全球粮食生产系统的破坏是多方面的,其影响不仅局限于直接的农作物损失,还会通过一系列传导效应,对短期粮食供应、农产品价格乃至全球供应链稳定性造成深远冲击。
对耕地和农业生产设施的直接破坏:
极端天气事件首先对耕地和农业基础设施造成物理性破坏。例如,严重的洪涝灾害能够直接淹没农田,导致作物窒息死亡、土壤养分流失和板结,甚至冲毁农田基础设施,如灌溉系统、排水设施和农用道路。越南河静省对水稻生产的案例研究表明,在气候变化影响下,极端降水强度预计将增加49.14%,频率增加5倍,导致洪水变得更加严重、水深更深、持续时间更长,水稻生产的经济损失显著增加。到2050年代,水稻淹没面积将增加12.61%,损失价值将上升超过21% 41。干旱则导致土壤水分亏缺,耕地退化,甚至引发沙尘暴,侵蚀表层土壤。高温热浪则可能导致土壤水分快速蒸发,加剧土壤板结和盐碱化,降低土壤肥力。此外,强风(如台风和飓风)能够直接摧毁温室、农用建筑和电力传输线路,中断农业生产所需的能源供应和物流运输。
对作物生长期的急性破坏:
极端天气事件在作物生长关键时期发生时,其破坏力尤为显著。
- 干旱:在作物需水高峰期(如播种、抽穗、灌浆期),干旱会导致作物生长停滞、籽粒不饱满,甚至死亡,从而大幅度降低产量 4243。全球范围内,气候变异性解释了约三分之一的作物产量变异,其中干旱是主要驱动因素之一 44。
- 高温热浪:高温胁迫会影响作物的光合作用效率、蛋白质变性,并干扰生殖器官发育,例如导致花粉失活、授粉失败,从而造成减产甚至绝收 42。有研究指出,全球平均气温每升高1摄氏度,玉米产量将平均减少7.4%,小麦减少6.0%,水稻减少3.2%,大豆减少3.1% 45。
- 极端降水:过量的降水和洪涝会使作物根系因缺氧而腐烂,延迟作物成熟期,并增加病虫害发生的风险 46。在孟加拉国,季风洪水导致水稻和黄麻等主要作物减产,平均每公顷水稻产量损失约2.25吨 46。
- 温度骤降/霜冻:生长季节的突发性低温或霜冻,特别是对于不耐寒的作物,可造成大规模冻害,导致作物死亡或产量严重下降。
引发的短期粮食供应波动与价格传导效应:
极端天气事件对农业生产的直接破坏会迅速传导至粮食市场,导致短期粮食供应波动和价格上涨。
- 供应冲击:区域性的作物歉收会直接减少市场供应量,尤其对于高度依赖单一作物或少数几个主产区供应的地区,影响更为剧烈。例如,在东非地区,气候变化、经济危机和冲突的叠加效应导致了粮食不安全,其中气候变化加剧了极端天气事件,从而降低农业生产力 47。
- 价格上涨:当粮食供应减少时,市场供需失衡将导致农产品价格上涨。这种价格上涨对低收入和贫困人口的影响尤为严重,因为他们食品支出占家庭总支出的比例更高,从而加剧粮食不安全状况。供应链中断如COVID-19疫情期间的封锁和贸易限制导致马来西亚大米进口波动,进一步加剧了区域性供应紧张 48。
- 供应链中断:极端天气事件不仅影响生产环节,还会通过对运输、储存等环节造成影响,从而破坏农业供应链。例如,多层次的气候变化和供应中断事件会对马铃薯供应链产生影响 49。供应链的脆弱性使得农产品从产地到消费者的流通效率降低,进一步加剧了区域性供应紧张和价格波动。
综合来看,极端天气事件通过物理破坏、生物影响和市场传导等多种途径,对全球粮食安全构成严峻挑战。其复杂性和系统性要求更全面和协调的应对策略。
3. 气候变化对粮食作物产能的长期影响规律
3.1 气候因子变化对主粮作物生长的作用机制
气候变化并非仅仅表现为极端天气事件的短期冲击,它更通过改变关键气候因子(如积温、降水格局和大气二氧化碳浓度)的长期趋势,深刻影响主粮作物的生理生化过程、生长发育周期和最终产量潜力。理解这些作用机制是评估气候变化对粮食安全长期影响的基础。
1. 积温变化对作物生长发育的影响:
积温(Growing Degree Days, GDD)是衡量作物生长发育速率的重要指标,通常定义为每日平均气温与作物生长基线温度之差的累积值。全球气温升高直接导致积温增加,进而加速了作物的生长发育进程。对于许多作物而言,生长周期缩短意味着营养生长期和生殖生长期被压缩,尤其是在灌浆期缩短,这可能导致籽粒灌浆不足,最终影响产量 5051。例如,小麦和水稻的生育期会因高温而加速,导致产量下降,因为留给光合作用和物质积累的时间减少了 5152。玉米和大豆等作物在超过最佳生长温度后,其产量增长甚至可能停滞 5354。然而,不同作物对温度升高的耐受阈值存在差异 52。例如,水稻在特定高温条件下,其籽粒充实过程可能受到不利影响,而小麦则可能表现出不同的响应。在温带和寒带地区,适度的升温可能延长无霜期,拓宽作物种植北界,或允许作物进行多季种植,从而在一定程度上增加区域粮食产量。但一旦超过作物的热耐受上限,即使是轻微的温度升高也会带来显著的负面影响 52。
2. 降水格局变化对作物水分利用的影响:
降水是作物生长的主要水分来源。气候变化导致降水总量、强度、频率和季节分布发生改变,直接影响作物的水分供应。
- 降水总量变化:一些区域可能面临总降水量的减少,加剧干旱风险,特别是在雨养农业区,这会严重限制作物生长,引发水分胁迫。干旱胁迫会通过影响光合作用、蒸腾作用和营养物质运输等多个生理过程,导致作物生长受阻和产量下降 5556。
- 降水强度和频率变化:极端降水事件的增多可能导致土壤侵蚀和养分流失,同时洪涝灾害会淹没作物根系,造成缺氧,影响根系对水分和养分的吸收。另一方面,降水频率的减少意味着作物在两次降水之间面临更长的干旱期。
- 季节分布变化:降水季节模式的改变可能导致作物在关键生长期(如播种期、花期和灌浆期)无法获得充足的水分,即使年总降水量没有显著变化。这要求农业生产必须适应新的降水模式,例如调整播种时间或采用节水灌溉技术。
3. 二氧化碳(CO2)浓度升高对作物光合作用和生长的影响:
大气CO2浓度是作物光合作用的底物,其升高通常被认为对C3作物(如小麦、水稻、大豆等)有“CO2施肥效应”,即提高光合作用效率,从而促进生物量积累和产量增加 5157。
- 光合作用增强:在CO2浓度升高条件下,C3作物由于更高的CO2浓度促进了光合作用,表现出更高的植物生长和生产力 58。这使得作物在相同的光照条件下能固定更多的碳,增加生物量 5759。例如,在未来CO2浓度下,小麦的生物量和产量均显著增加,尤其是在低纬度地区,大米产量可能会有所改善 50535960。
- 水分利用效率提高:高CO2浓度还会导致作物气孔导度下降,减少蒸腾失水,从而提高水分利用效率,这在一定程度上可以缓解干旱胁迫对作物生长的影响 51。
- 氮素利用效率变化:然而,CO2浓度升高也可能导致作物组织中氮含量相对下降,影响作物的营养品质,特别是蛋白质含量 515961。这意味着虽然产量可能增加,但作物的营养价值可能降低,对人类和牲畜的营养构成潜在影响。
- 与温度的交互作用:CO2施肥效应并非独立存在,它与温度变化存在复杂的交互作用 5057。例如,在高温条件下,CO2施肥效应的增产潜力可能被高温胁迫所抵消,甚至出现负面效应 5758。这是因为高温会加速作物的呼吸速率、增加蒸散量、加速生育期,并可能导致病虫害侵扰增加 58。
不同主粮作物的气候耐受阈值:
不同主粮作物对气候因子的变化具有不同的耐受阈值和响应模式。
- 玉米、大豆:这两种作物对高温的敏感性较高,一旦超过最佳生长温度,其产量增长将停滞,尤其是在高收入国家的中高纬度地区 535462。全球变暖2°C可能导致玉米产量同步下降的概率显著增加,对全球粮食贸易稳定构成威胁 54。
- 小麦、水稻:作为主要的C3作物,它们在CO2浓度升高时通常能获得较好的增产效应,但在高温下,生育期缩短会导致产量下降,且高温对花粉活力和灌浆的负面影响显著 5152。例如,全球变暖1.0°C到1.8°C的增温可能会抵消CO2倍增给英国冬小麦带来的增产效益 50。
- 耐旱、耐热品种:通过生物技术和传统育种,开发耐旱、耐热的作物品种是应对气候变化影响的关键策略之一 5563。这些品种通过调节渗透压、抗氧化酶活性、热休克蛋白表达等机制来增强对逆境的抵抗力 64。
总的来说,气候因子变化对主粮作物生长的影响是复杂且多维的,既有潜在的增产效应(如CO2施肥),也有显著的减产风险(如高温、干旱、生育期缩短)。各作物种类之间的耐受阈值和响应机制差异巨大,这使得在区域和全球尺度上评估和预测其长期影响变得更加复杂。
3.2 全球主粮作物产量波动与减产风险评估
气候变化对全球主要粮食作物产量的影响并非单一方向,而是呈现出复杂的波动性和普遍的减产风险。量化这些影响对于理解未来全球粮食安全面临的挑战至关重要。研究表明,全球变暖已对小麦、水稻、玉米等主要粮食作物的产量产生了显著的负面影响,且不同区域和作物类型面临的减产风险等级分布特征各异。
1. 玉米(Maize)
玉米是全球重要的主粮和饲料作物。多项研究指出,全球变暖对玉米产量的负面影响最为显著。
- 减产幅度:有研究估计,全球气温每升高1摄氏度,玉米产量将平均减少7.1% 65。在模拟未来气候情景时,有预测显示,到2055年,伊利诺伊州中部地区雨养玉米的产量可能下降23%–34% 66。即使在巴黎协定将全球升温限制在1.5℃的情景下,所有主要的玉米生产国仍将面临显著的暖化导致的产量下降 65。
- 高风险区域:中国玉米主产区,特别是西北玉米区、农牧交错带以及华中西部玉米区,未来面临较高的干旱风险和产量损失。在高排放情景下(SSP3-7.0和SSP5-8.5),中国受严重玉米干旱影响的区域(损失率大于0.2)分别占全国玉米总面积的20.79%和18.87% 67。气候模型预估,到本世纪末,巴西大部分地区的玉米产量将因极端高温而大幅下降。
- 影响机制:玉米对高温的敏感性较高,尤其是在开花和籽粒形成阶段,水分胁迫和热胁迫会导致严重的产量损失 66。气候变暖还会增加美国作物保险项目的赔付率和政府支出,因为平均产量会下降,并且产量风险会增加,例如在1°C升温情景下,作物保险费率平均可能增加39% 68。
2. 水稻(Rice)
水稻是亚洲地区多数人口的主食。气候变化对水稻产量的影响同样值得关注。
- 减产幅度:全球平均气温每升高1摄氏度,水稻产量估计将平均减少5.6% 65。高温对水稻产量形成的影响是一个重要因素,特别是高日温和高夜温都会减少分蘖/穗数、每株粒数,并降低粒重,从而对产量造成负面影响 69。
- 影响机制:水稻的产量形成对温度,特别是高夜温非常敏感。高温会导致水稻的灌浆不充分,从而降低最终的粒重和产量 69。虽然二氧化碳施肥效应可能在一定程度上抵消高温对水稻的部分负面影响,但综合效应仍倾向于减产。
- 高风险区域:亚洲大部分水稻种植区,特别是在高日温和高夜温频繁发生的区域,面临较高的减产风险 69。
3. 小麦(Wheat)
小麦是全球广泛种植的另一主粮作物。其产量对气候变化的响应也呈现出复杂性。
- 减产幅度:全球平均气温每升高1摄氏度,小麦产量将平均减少2.9% 65,且可能在空间和时间上变得更加不稳定 70。另一项研究估计,未来全球气温每升高1°C,小麦产量将下降约6% 70。
- 影响机制:气候变暖对小麦产量有负面影响,这可能导致收获面积的下降 71。此外,气候变化还会影响氮肥的全球需求,以改善小麦产量,例如,需要更多的氮肥来抵消气候变化的负面影响 72。气候模型预估,到2050年,即使考虑了CO2施肥效应,气候变化可能使小麦产量增加4.6%,但由于收获面积减少,整体产量将下降5.5% 73。
- 高风险区域:全球主要小麦产区,特别是那些面临日益增加高温和干旱威胁的区域,如摩洛哥的半干旱环境下的灌溉小麦产区和美国的冬小麦产区 7174,面临较高的减产风险。在半干旱地区,虽然通过优化种植系统可以抵消部分产量损失,但对水资源的需求模式会发生变化 74。
总体减产风险分布特征:
- 普遍性:气候变化导致的产量损失是全球性的,几乎所有主要粮食作物和产区都将受到影响 65。
- 区域差异:高纬度地区可能因升温而略微受益,例如作物生长期延长或新的种植区域出现,但在中低纬度地区,尤其是热带和亚热带区域,减产风险更为突出,这些地区作物已接近其热耐受极限 65。
- 脆弱性叠加:发展中国家和地区,由于农业基础设施薄弱、技术水平落后和经济能力有限,对气候变化的适应能力较差,因此面临更高的减产风险和粮食不安全挑战。
- 多重因素影响:产量波动和减产风险不仅受单一气候因素影响,更是温度、降水、CO2浓度以及病虫害等多重因素综合作用的结果。例如,干旱和高温的复合事件对作物产量的打击尤为严重 66。
下表总结了气候变化对主要主粮作物产量的影响:
| 主要作物 | 全球平均气温每升高1℃的产量变化 65 | 主要影响机制 | 高风险区域举例 |
|---|---|---|---|
| 玉米 | -7.1% | 高温、干旱、水分胁迫对授粉和籽粒形成影响显著 66 | 中国西北、华中西部;美国伊利诺伊州中部 6667 |
| 水稻 | -5.6% | 高日温、高夜温降低分蘖/穗数和粒重 69 | 亚洲水稻种植区 69 |
| 小麦 | -2.9% | 气候变暖对产量有负面影响 71 | 全球主要小麦产区;摩洛哥半干旱环境下的灌溉小麦产区;美国冬小麦产区 707174 |
综上所述,气候变化对全球主粮作物产量的长期影响是复杂的,主要表现为普遍的减产风险,尤其是在中低纬度地区。这种减产不仅直接威胁粮食供应,还可能导致价格波动,加剧全球粮食不安全状况。因此,需要采取综合性的适应和减缓措施,以应对日益严峻的挑战。
4. 气候变化对粮食生产支撑要素的扰动
4.1 气候变化对农业水资源供需的影响
气候变化对农业水资源的供需平衡构成了严峻挑战,主要通过改变降水格局、影响地下水补给以及加剧沿海区域海水入侵等途径,直接影响农业灌溉的水量和水质,并使雨养农业区面临日益增长的水资源短缺风险。农业是全球最大的淡水消耗部门,约占全球淡水取水量的70% 75。气候变化导致的供水不确定性将直接威胁到全球粮食安全。
1. 降水格局变化对农业灌溉水量、水质的影响:
气候变化正在深刻改变全球和区域的降水模式。一些地区可能经历降水总量的减少,这直接导致地表径流和河流流量下降,减少了可用于农业灌溉的水源。例如,斯里兰卡、中东的约旦河西岸和伊朗的扎扬德鲁德河流域等地区的研究都表明,气候变化已导致或预计将导致水资源可利用性的显著下降,从而加剧农业灌溉的水量短缺 767778。
与此同时,降水强度和频率的变化也带来了问题。极端降水事件的增多可能导致短期洪涝,但由于径流速度快,水分渗透到土壤和地下水中的时间减少,反而可能加剧长期干旱的风险。此外,强降水还可能引发土壤侵蚀,将泥沙和污染物带入水体,影响灌溉水质,对农作物生长造成不利影响。在加纳的沃尔特盆地及其他流域系统,气候变化情景下的水资源评估显示,即使在湿润情景下,所有用水需求(包括农业)也无法同时满足,这凸显了降水格局变化带来的供水压力 79。
2. 地下水补给能力下降对农业灌溉的影响:
地下水是许多农业区重要的灌溉水源,尤其是在地表水资源不足或干旱时期。然而,气候变化通过多种机制影响地下水补给。
- 降水减少:如前所述,降水量的减少直接导致地下水补给来源的减少。
- 蒸发蒸腾增加:全球气温升高导致地表蒸发和植物蒸腾作用增强,使得更多的水分在到达地下含水层之前就返回大气,从而减少了有效入渗量 80。
- 地表径流模式改变:积雪融水是许多地区重要的地下水补给来源,气温升高可能导致积雪提前融化,或者融化速度加快,改变了地下水补给的季节性,使其无法有效满足夏季农业灌溉需求。
长期以来,为了满足日益增长的农业生产需求,许多地区过度抽取地下水,导致地下水位持续下降。例如,印度的卫星数据显示,由于农业灌溉,其地下水储量正在以惊人的速度枯竭 81。美国加州的中央谷地,一个高产的农业区,也面临着严重的地下水枯竭问题,这主要归因于灌溉用水需求,且这种枯竭可能难以持续,对美国的经济和粮食安全构成潜在的灾难性后果 82。全球范围内,地下水枯竭是一个加速的全球性问题,需要区域性策略来应对 83。
3. 沿海区域海水倒灌(海水入侵)对农业水资源和耕地的影响:
沿海农业区面临海水入侵的特殊威胁,这将直接影响淡水资源的可用性和土壤质量。
- 海平面上升:全球气候变暖导致海平面上升,使得海水更容易侵入沿海地区的淡水含水层,提高地下水盐度,使其不再适合农业灌溉。
- 地下水过度抽取:沿海地区农业对地下水的过度抽取会降低淡水含水层的压力,进一步加速海水向内陆的入侵。例如,在马来西亚雪兰莪州的凯里岛沿海地区,海水入侵对农业可持续性产生了影响 84。在印度西孟加拉邦的沿海地区,海水入侵也对灌溉和农业产生了显著影响 85。
- 土壤盐渍化:海水入侵导致土壤盐渍化,土壤中钠离子浓度升高,破坏土壤结构,降低土壤肥力,抑制作物生长,甚至导致耕地废弃。全球范围内,约8700万公顷的沿海农田由于地势低洼和靠近海岸线而容易受到海水入侵的影响,其中地中海、南亚和东南亚以及中国渤海湾地区是主要的受影响热点区域 86。海平面上升预计将使北美、印度次大陆和东南亚的农田面临更高的海水入侵风险。阿尔及利亚尼罗河平原的案例研究也表明,海水入侵与硝酸盐污染的复合影响对沿海农业区的地下水造成了严重威胁 87。
4. 雨养农业区的水资源短缺风险评估:
雨养农业(即完全依赖降水进行灌溉的农业)在全球粮食生产中占据重要地位,特别是在发展中国家。气候变化对降水格局的改变直接威胁到这些地区的粮食安全。
- “绿水”稀缺风险:研究指出,全球雨养农田正面临日益加剧的“绿水”稀缺风险。“绿水”是指储存在土壤中的水分,是雨养农业作物生长的关键。基线情景下(1996-2005年),全球25%(1.83亿公顷)的雨养农田被归类为可靠(每年绿水稀缺时间≤1个月)。然而,在1.5°C和3°C全球变暖情景下,可靠的雨养农田面积将分别损失7000万公顷和1.06亿公顷,这些农田将转变为风险或高风险类别 88。
- 人口影响:这意味着在1.5°C变暖情景下,将有0.8亿人口的粮食生产受到威胁,而在3°C变暖情景下,这一数字将增加到1.2亿,对依赖雨养系统地区的冲击尤为严重。3°C变暖情景下,严重的绿水稀缺范围将比1.5°C情景下翻倍,凸显了农业风险的非线性增长 88。
- 适应策略:为了应对雨养农业面临的水资源短缺风险,需要实施综合性的水资源弹性策略,包括优先考虑土壤水分保持、选择适应性作物和可持续灌溉措施 88。在撒哈拉以南非洲等地区,雨水收集和管理技术对于提高雨养农业系统的韧性至关重要 89。
总体而言,气候变化对农业水资源的供需影响是全面而深远的。降水模式的不可预测性、地下水资源的过度消耗和海水入侵的加剧,共同构成了全球农业生产面临的重大水资源挑战,尤其加剧了雨养农业区的水安全脆弱性。
4.2 气候驱动下的农业病虫害危害特征变化
气候变化不仅直接影响作物生长环境,还通过多种机制深刻改变农业病虫害的发生发展规律,对全球粮食生产构成日益严峻的威胁。温度升高、降水格局改变以及二氧化碳浓度上升等气候因子,正在驱动病虫害的越冬界限北移、迁飞路径扩展、繁殖周期缩短,进而导致全球粮食产量的显著损失。
1. 温度升高导致的病虫害越冬界限北移和迁飞路径扩展:
温度是昆虫等变温生物生长发育、繁殖和扩散的关键环境因子。全球气温升高使得原本寒冷、不适宜害虫越冬的区域变得适宜,导致病虫害的地理分布范围向更高纬度和更高海拔地区扩张。
- 越冬界限北移:许多农业害虫通过滞育(Diapause)或休眠来度过寒冷的冬季 90。气候变暖使得冬季温度升高,降低了害虫越冬的死亡率,并使其能够成功在更北的区域越冬。例如,云浮褐飞虱(Sogatella furcifera)的越冬北界和海拔上限都在向北和向高处移动 91。褐家鼠臭虫(Nezara viridula)也通过改变其冬季滞育行为,响应气候变暖,使其分布范围向北扩展 92。斑翅果蝇(Drosophila suzukii)也表现出表型可塑性,使其在冬季生存能力增强,从而推动了其地理范围的扩张 93。
- 迁飞路径扩展:温度升高不仅影响越冬,也改变了害虫的迁飞行为。随着气温升高,害虫在迁飞过程中能够利用的“跳板”地区增多,使得其迁飞距离和范围进一步扩大。例如,一些在热带和亚热带地区起源的迁飞性害虫,如草地贪夜蛾,能够凭借有利的气候条件,迅速扩散到新的区域,对当地农业生产造成巨大威胁。
2. 繁殖周期缩短与世代数增加:
温度升高加速了病虫害的代谢速率,缩短了其完成一个生命周期所需的时间,导致在同一生长季内能够完成的世代数增加(即“多世代性”)。
- 世代数增加:对于许多昆虫而言,每升高1°C的平均温度,其繁殖率和种群增长率可能显著提高。例如,研究表明,气候变化可以导致农业害虫在每个季节产生更多的世代 9495。更多的世代意味着害虫种群数量的快速增长和对作物的更频繁、更严重的危害。
- 危害时间延长:同时,随着春季提前和秋季延迟,作物生长季延长,病虫害的活跃时间也随之延长,增加了作物受害的机会。这种影响在不同害虫种类之间可能存在差异,但总体趋势是增加了害虫的累积危害潜力。
3. 对病原微生物和杂草的影响:
气候变化对农业病原微生物(细菌、真菌、病毒等)和杂草的影响同样显著。
- 病原菌扩散和毒性增强:温度和湿度条件的变化可以直接影响病原微生物的存活、繁殖和传播。例如,真菌病害对温度和湿度条件非常敏感,气候变化可能导致一些地区真菌病害的暴发频率和强度增加 96。一些研究还表明,病原体的毒性在特定气候条件下可能会增强。
- 杂草竞争加剧:大气中CO2浓度的升高对C3和C4植物具有不同的影响。许多C3杂草在CO2浓度升高的情况下光合效率会提高,生长速度加快,从而增强其与C3作物的竞争能力。此外,温度升高可能改变杂草的地理分布,导致新的杂草种类入侵农业生态系统。
4. 病虫害带来的全球粮食产量损失规模:
气候驱动下的病虫害变化已造成巨大的全球粮食产量损失。
- 量化损失:在气候变化背景下,害虫和病害造成的全球作物产量损失可能会提高。有研究指出,全球气温每升高1°C,虫害造成的产量损失可能会额外增加10-25% 95。这意味着,如果不采取有效应对措施,未来粮食产量损失将更加严重。
- 区域性影响:不同地区受病虫害影响的程度也存在差异。例如,中国、美国、法国等主要粮食生产国已经面临作物害虫大规模侵扰及其带来的产量损失 95。在热带和亚热带地区,由于全年温度较高,害虫世代更替快,加之气候变化带来的新挑战,病虫害压力尤为突出。
- 复合胁迫:更复杂的情况是,气候变化导致的病虫害问题往往与高温、干旱等非生物胁迫同时发生,形成复合胁迫。植物在面对多种胁迫时,其抗性反应会发生复杂的变化,可能导致产量损失加剧 9798。例如,臭氧污染也能导致作物减产,且其危害区域往往与病虫害、热应力等高风险区重叠 98。
综上所述,气候变化正在通过多种途径加剧农业病虫害的危害,导致全球粮食产量面临越来越大的损失风险。这需要深入研究病虫害对气候变化的响应机制,开发新的监测预警技术和适应性管理策略,以减轻其对粮食安全的负面影响。
5. 适应性农业技术的减损增效作用与应用实践
面对气候变化对全球粮食生产的严峻挑战,发展和推广适应性农业技术成为提升粮食系统韧性、确保全球粮食安全的关键策略。适应性农业技术旨在帮助农业系统更好地应对气候变化带来的不确定性和极端事件,通过减小损失、提高效率和增强可持续性来实现增产增效。这些技术涵盖了从传统农艺优化到现代气候智慧型农业的广泛范畴。
5.1 抗逆型农艺优化技术应用
抗逆型农艺优化技术是应对气候变化影响的基石,通过改良作物品种和优化种植管理措施,提高农业系统对干旱、高温、病虫害等逆境的抵御能力,实现减损增效。
1. 抗高温、抗旱、抗病虫害品种培育:
育种是提高作物抗逆性的最直接和有效手段。通过传统杂交育种、分子育种以及基因工程等现代生物技术,培育出对气候变化具有更强适应性的作物品种。
- 抗高温品种:选育在高温条件下仍能保持较高光合效率、正常授粉和灌浆的作物品种。例如,对于玉米而言,集约化的公共部门育种工作和公私合作在开发和部署精英抗逆性玉米品种方面取得了显著进展,这些品种能够在热带雨养环境中的干旱、高温、涝渍、盐碱、寒冷以及病虫害等多种胁迫下保持产量 99。
- 抗旱品种:通过选育根系发达、水分利用效率高、渗透调节能力强的品种,使其能够在缺水条件下维持生长和产量。利用基因工程、分子育种和组学技术,可以操纵抗旱基因,整合有利的农艺性状,以增强作物的抗旱能力 100。
- 抗病虫害品种:通过引入抗病基因,培育对主要病虫害具有遗传抗性的品种,从而减少农药使用,降低生产成本,并减轻气候变化导致的病虫害蔓延风险。例如,通过多样化的作物种植,可以提高农业生态系统抑制病虫害爆发的能力 101。
2. 播期调整:
根据气候变化趋势,适时调整作物的播种时间是规避极端天气风险的有效措施。通过分析长期气象数据和气候预测模型,将作物的关键生育期(如花期、灌浆期)安排在最适宜的气候窗口内,避开高温、干旱或洪涝等不利时期。例如,越南Xo Dang族人民就通过调整种植日历来应对气候变化 102。在一些地区,春季提前或秋季延迟为作物提供了更长的生长期,农户可以据此调整播期以优化产量。
3. 轮作与间作:
轮作(Crop Rotation)和间作(Intercropping)是传统的农艺措施,但在气候变化背景下显示出越来越重要的适应性价值。
- 轮作:指在同一块土地上按一定顺序轮换种植不同作物。轮作能够有效改善土壤结构、增加土壤有机质含量、提高土壤肥力,并减少病虫害的累积。研究表明,作物轮作可以有效增强农业生产系统的气候韧性,并降低农业系统的脆弱性,尤其是在中国等面临极端气候挑战的地区 103。通过轮作,还可以打破特定病虫害的生命周期,减少农药用量。
- 间作:指在同一块土地上同时种植两种或多种作物。间作系统能够更有效地利用光照、水分和养分资源,提高土地利用效率。例如,豆科作物与非豆科作物间作可以固氮,减少化肥使用。此外,间作还可以通过增加生物多样性来抑制病虫害的发生,提高农业生态系统的稳定性 104。间作系统可以增强作物对极端天气的抵御能力,并通过改善土壤水分保持能力和为有益昆虫提供栖息地来促进授粉和自然害虫控制 104。
4. 土壤保育技术:
健康的土壤是农业生产的基础,也是增强气候韧性的重要环节。土壤保育技术旨在保护和提升土壤健康,提高土壤对水分的保持能力和养分循环效率。
- 免耕/少耕:减少或避免对土壤的耕作,能够保持土壤结构,减少土壤侵蚀和水分蒸发,增加土壤有机质含量。
- 覆盖作物(Cover Cropping):在主作物收获后或生长季节期间种植覆盖作物,可以保护土壤免受风蚀和水蚀,增加土壤有机质,改善土壤结构,抑制杂草生长。在欧洲葡萄园中,草地和草本覆盖作物被证明能增强多种调节性生态系统服务,包括水土保持、碳固存和改善水分渗透,从而提高葡萄园在气候胁迫下的韧性 105。
- 有机肥与堆肥施用:增加土壤有机质含量是提高土壤保水能力和缓冲极端温度影响的关键。有机质含量高的土壤能够像海绵一样吸收和储存水分,减缓干旱的影响。非洲撒哈拉以南地区的传统农业农民广泛采用有机肥料和传统有机堆肥作为适应气候变化的策略,以保持土壤整体健康、保持土壤水分和减少二氧化碳排放 106。
- 水土保持措施:在坡地农业中,修建梯田、等高种植、植被篱笆等措施可以有效减缓径流速度,增加水分入渗,减少水土流失,从而保护耕地资源。
这些抗逆型农艺优化技术并非孤立存在,往往需要结合当地的具体气候条件、土壤类型和作物种类进行集成应用,才能发挥最大的减损增效作用。它们是实现可持续农业和应对气候变化挑战的重要组成部分。
5.2 气候智慧型现代农业技术推广
随着科技的进步,一系列气候智慧型现代农业技术正逐步应用于农业生产,这些技术通过优化资源利用、提高生产效率和增强气候韧性,在应对气候变化挑战中发挥着越来越重要的作用。这些技术包括节水灌溉、病虫害绿色防控、农业气象智能预警和精准施肥施药等,其应用效果和成本收益特征值得深入分析。
1. 节水灌溉技术:
节水灌溉是提高农业水资源利用效率的关键技术,对于缓解气候变化带来的水资源短缺问题尤为重要。智能灌溉系统是其中的核心,它利用实时数据、机器学习算法和预测分析来优化灌溉用水,限制资源浪费,并提高作物产量 107。
- 应用效果:智能灌溉技术,如滴灌、喷灌、微喷灌以及基于传感器和物联网(IoT)的精准灌溉系统,能够根据作物需水状况、土壤湿度、天气预报等信息,实现精准的水量供应。研究表明,智能灌溉实践能够平均减少38.2%的灌溉用水和能源消耗,从而带来0.17%至62%的环境效益 108。单次评分结果显示,每吨产品的生命周期环境效益高达13% 108。在某些地中海园艺系统中,精确灌溉可以显著提高水-能源效率,获得经济优势,同时减少温室栽培的环境负担 108。
- 成本收益特征:尽管智能灌溉系统的实施需要前期投资成本,但这些成本可以通过节水和节能所带来的效益抵消 108。长期来看,水资源的节约、作物产量的增加以及劳动力成本的降低,使得智能灌溉系统具有显著的经济回报。例如,对人工智能(AI)智能灌溉系统的成本效益分析表明,特别是在水资源紧张的系统,其效益水平高且显著,对农场盈利能力、私人利益和环境保护都有积极影响 107。此外,减少投资成本和提高水价将进一步增强智能灌溉策略的盈利能力 108。
2. 病虫害绿色防控技术:
绿色防控技术旨在减少化学农药的使用,通过生物防治、物理防治、农业防治和生态调控等手段,实现对病虫害的有效控制,同时保护农业生态环境和农产品质量安全。
- 应用效果:绿色防控技术能够有效降低病虫害对作物的危害,减少因化学农药使用带来的环境污染和食品安全风险。例如,精准控制技术在农业病虫害防治中具有广泛的应用前景 109。生物防治通过引入或保护天敌来控制害虫;物理防治如性信息素诱捕、杀虫灯等;农业防治则通过轮作、选用抗病品种等优化措施;生态调控通过构建健康的农业生态系统来增强作物自身的抗逆性和天敌的保护作用。
- 成本收益特征:推广绿色防控技术可以显著促进农民的收入增长 110。虽然初期可能需要投入一定的技术培训和设施成本,但长期来看,减少农药开支、提高农产品品质和市场竞争力,以及改善生态环境带来的间接效益,使得绿色防控具有良好的经济和社会效益。政府补贴和质量认证也显著促进了农民采用绿色病虫害防治技术 111。机械化施药有助于减少农药使用并提高作物产量,外包农药施用可以减少农药支出,而农户内部使用机械化设备则会增加农药支出,但两者都能提高水稻产量 112。
3. 农业气象智能预警系统:
农业气象智能预警系统利用气象数据、遥感技术、作物模型和人工智能,对极端天气事件(如干旱、洪涝、霜冻、高温热浪)以及病虫害发生发展进行预测和预警,为农业生产提供决策支持。
- 应用效果:该系统能够提供及时、准确的气象信息,帮助农民提前做好防范措施,如调整播种计划、加强田间管理、及时灌溉或排水,从而有效降低气候灾害造成的损失。例如,全球综合干旱监测和预测系统(GIDMaPS)提供了基于多重干旱指标的干旱信息,包括近实时监测和季节性概率预测模块,这对于早期预警、采取预防措施和规划减缓策略至关重要 113。利用遥感热红外图像估算蒸散量的蒸发胁迫指数(ESI)也能够为农业系统干旱影响的早期预警提供及时信息 114。
- 成本收益特征:农业气象智能预警系统的投入主要体现在基础设施建设、数据获取和分析能力上。通过减少灾害损失和提高生产效率,该系统能够带来显著的经济效益。对农户而言,及时获取预警信息能够避免或减少因天气灾害造成的经济损失,例如减少因干旱导致的灌溉成本或因洪涝导致的作物减产。
4. 精准施肥施药技术:
精准施肥施药技术基于物联网(IoT)、大数据和人工智能(AI)等技术,通过对土壤、作物和环境状况的实时监测,实现对肥料和农药的精确管理,避免过量使用,提高利用效率。
- 应用效果:精准施肥可以根据作物不同生长阶段的营养需求和土壤养分状况,定量、定位施用肥料,提高肥料利用率,减少养分流失和环境污染。精准施药则能根据病虫害的发生区域和程度,有针对性地喷洒农药,减少农药用量,降低对环境和人体健康的危害。这些技术通过优化投入品管理,既能保证作物产量,又能降低生产成本,提高农产品质量。将IoT、大数据和AI技术整合到农业中,能够有效监测和减轻农业碳排放,推动气候智慧型农业和可持续农业实践 115。
- 成本收益特征:精准施肥施药技术的前期投入包括传感器、无人机、智能农机设备以及数据分析平台等。虽然初期投资较高,但通过节约肥料、农药成本,提高作物产量和质量,减少环境治理费用,能够带来可观的长期经济效益。例如,利用机器学习(ML)算法进行精准农业,可以提高监测排放、运营效率和环境合规性 115。在巴西乳品农场,农民表示“可获得的技术支持”和“投资回报率”(ROI)是采用精准技术最重要的决策标准 116。
综上所述,气候智慧型现代农业技术的推广应用,是应对气候变化、提升全球粮食安全的关键路径。这些技术通过提高资源利用效率、减少生产损失、优化环境表现,能够为农业系统带来显著的减损增效作用。然而,技术的落地和广泛应用仍面临成本、技术普及和农民接受度等挑战,需要政府、科研机构和企业等多方协同推动。
5.3 典型区域适应性技术实践案例
适应性农业技术的推广和应用在全球范围内呈现出多样化的实践模式,不同的气候带和农业系统根据其独特的挑战和资源禀赋,发展出具有区域特色的适应策略。本节将结合亚洲稻麦轮作区、非洲旱作农业区和拉丁美洲热带种植区的典型案例,总结不同气候带适应性农业技术的推广经验。
1. 亚洲稻麦轮作区:
亚洲是全球最大的粮食生产和消费区域之一,其中水稻-小麦轮作系统是南亚和东南亚许多国家重要的粮食生产模式。该区域面临的主要气候挑战包括干旱、洪涝、高温热浪以及病虫害扩散,尤其是在季风气候影响下,降水变率大。
- 经验总结:
- 气候智能型作物品种:在亚洲,特别是巴基斯坦,水稻和小麦这两种主要粮食作物的产量在2040-2069年间预计将分别减少15.2-17.2%和12-14.1% 117。为了应对这一挑战,育种科学家们致力于开发耐旱、耐热和耐涝的抗逆品种。例如,通过选育能适应短期淹水或在较高温度下仍能维持较高产量的水稻品种,以及抗旱性强、生育期灵活的小麦品种。
- 农艺管理优化:调整播种时间、优化种植密度、改进施肥和灌溉技术是该区域重要的适应策略 117。例如,在巴基斯坦的水稻-小麦轮作系统案例研究中,通过调整播种时间、种植密度、氮肥施用和灌溉措施,有助于提高在气候变化情景下的整体生产力和盈利能力 117。此外,免耕或少耕技术、秸秆覆盖等土壤保护措施也有助于提高土壤水分保持能力,减少土壤侵蚀。
- 水资源高效利用:由于水资源短缺日益严峻,推广节水灌溉技术(如水稻的间歇灌溉)变得尤为重要。在南亚,降雨收集等技术被视为重要的适应措施,能够为农作物提供灌溉用水,以应对气候冲击 118119。
- 早期预警与信息服务:利用农业气象智能预警系统,为农民提供及时准确的气候信息和病虫害预警,帮助他们做出更明智的种植决策。印度的研究表明,更好的农业推广和气候信息来源能够增强农户的适应能力,特别是对于土壤和水资源保护、作物保险和园艺种植等知识密集型适应策略 120。
2. 非洲旱作农业区:
撒哈拉以南非洲地区以旱作农业为主,是全球最脆弱的粮食不安全区域之一。该地区主要面临长期干旱、降水不确定性和土壤退化等问题。
- 经验总结:
- 雨水收集与水土保持:在埃塞俄比亚等非洲国家,雨水收集被认为是构建应对气候冲击韧性的重要一步 118119。尤其是在利姆波波省(Limpopo Province)的农村社区,雨水收集实践被63.8%的农户用于增加生活用水,尽管用于饮用的较少。研究显示,农户的认知、年龄和教育水平与雨水收集实践的采纳呈显著正相关 121。此外,修建梯田、等高种植等传统的水土保持措施,以及推广耐旱作物品种(如高粱、谷子)和抗旱性更强的玉米品种,对于提高产量和稳定性至关重要 117。
- 气候智能型农业(CSA):CSA在非洲旨在通过适应性强的机构和技术,提高低收入生产者和消费者的抵御能力 122。实践案例包括采用“气候智能村”方法,推广气候智能型技术和实践,如耐旱作物品种、高效灌溉系统和有机肥料的使用 122。此外,利用气候信息服务(CIS)来更好地管理气候变异性和极端事件,如早期预警系统和决策支持系统,对于降低农业风险至关重要 117122。
- 农林复合系统与作物多样化:在尼日利亚等国,农林复合经营和作物多样化被农民视为重要的气候变化适应策略,有助于增加农产品种类,降低单一作物歉收的风险,并改善土壤肥力 123。豆科植物的种植、作物轮作以及混养牲畜系统也为应对气候变化提供了机会 117。
- 改进的农业推广服务:增强农业推广服务和提高农民对气候变化信息的可及性,能够显著提升非洲小农户的适应能力。对埃塞俄比亚的评估表明,推广机构在帮助农民应对气候变化方面发挥着重要作用 122。
3. 拉丁美洲热带种植区:
拉丁美洲的热带种植区,如巴西、墨西哥等,拥有丰富的农业资源,但同样面临高温、极端降水、病虫害传播以及土地利用变化带来的挑战。
- 经验总结:
- 适应性育种与生物技术:利用生物技术开发适应当地气候特点的作物品种,例如,开发能够耐受高湿高温、抗病虫害(如对锈病具有抗性)的咖啡、可可、香蕉等热带经济作物和玉米、水稻等粮食作物。
- 可持续土地管理:推广生态友好型农业实践,如有机农业、保护性耕作和农林复合经营,以减少土壤侵蚀、提高土壤肥力、增加生物多样性,从而增强农田生态系统的气候韧性。
- 整合气候信息与风险管理:将气候预测信息整合到农业生产决策中,例如调整种植时间、选择合适的作物品种。在墨西哥,气候信息和保险产品有助于农民管理气候风险。
- 病虫害综合管理(IPM):鉴于热带地区病虫害发生频率和多样性较高,推广IPM策略,通过生物防治、物理防治和合理使用农药相结合,减少化学农药依赖,降低环境风险。
- 多元化农业生产系统:促进农牧结合、渔农结合等多元化生产系统,例如在坦桑尼亚北部,传统的畜牧生产系统正在向混合农业转变,以应对气候变化和人口增长带来的压力 124。这不仅提高了农业系统的韧性,也为农户提供了多样化的收入来源,增强了抵御风险的能力。
总的来说,不同气候带的适应性农业技术实践,虽然具体内容有所差异,但都强调了通过技术创新、农艺管理优化、水资源高效利用、早期预警系统以及政策支持等多种手段,共同提升农业系统应对气候变化的韧性。这些经验为未来全球范围内的适应性农业发展提供了宝贵的借鉴。
6. 提升粮食系统气候韧性的政策建议
面对气候变化对全球粮食安全的严峻挑战,单一国家或区域层面的努力往往不足以应对其系统性、跨国界的特点。因此,构建全球协同治理机制,辅以国家层面的政策支持和针对小农户的适配性帮扶,是提升粮食系统气候韧性的必然选择。
6.1 全球协同治理机制构建
全球协同治理机制旨在通过国际合作,应对气候变化对粮食安全的跨国影响,尤其是在气候减排, 粮食应急调配和农业技术转移等方面,以降低粮食安全脆弱区域的风险。
1. 跨国家的气候减排协同:
气候变化的根源在于温室气体排放,而减排行动具有全球公共产品属性。各国需要加强合作,共同推动《巴黎协定》目标的实现,即将全球平均气温升幅控制在工业化前水平以上2℃之内,并努力将升温限制在1.5℃以内。
- 统一的减排框架与核查机制:建立全球统一的温室气体排放核算标准和透明的核查机制,确保各国减排承诺的有效落实。这包括对农业排放(如甲烷和氧化亚氮)的监测和报告,并探索激励机制鼓励低碳农业实践。
- 发达国家对发展中国家的减排支持:发达国家应履行其历史责任,向发展中国家提供资金、技术和能力建设支持,帮助其在发展经济的同时实现低碳转型。这不仅有助于全球减排,也能避免发展中国家在追求粮食安全过程中走高排放的老路。
- 农业减排潜力挖掘:将农业部门纳入国家自主贡献(NDCs)的减排目标,并通过推广气候智能型农业实践(如减少化肥使用、优化土地利用管理、发展循环农业等)来挖掘农业自身的减排潜力。例如,通过改善作物和土壤管理,以及更好地管理牲畜饲料和粪便,可以减少甲烷和一氧化二氮的排放。
2. 粮食应急调配机制:
极端天气事件和气候灾害导致的区域性粮食危机需要高效的全球应急响应机制。
- 战略储备体系:参照现有区域性储备,如东盟+3大米应急储备(APTERR),并结合亚洲国家维持紧急粮食储备的实践 125,建立或强化全球及区域层面的战略粮食储备体系 126。该体系应具备快速响应能力,能够在灾害发生时迅速向受灾国调配粮食,以稳定市场、避免人道主义危机。
- 信息共享与预警系统:建立健全全球粮食市场信息共享平台和气候灾害早期预警系统,及时发布粮食供需状况、价格波动和潜在风险,帮助各国提前做好应对准备。例如,联合国粮农组织(FAO)的全球信息及预警系统(GIEWS)可进一步强化其数据整合和分析能力。
- 国际援助与合作框架:完善国际人道主义援助协调机制,确保粮食援助的及时性、有效性和公平性。这包括简化通关手续、优化物流路径、加强援助物资的质量监管,并确保援助与受援国的长期发展目标相符。例如,尼日尔在应对气候冲击中,展示了政府和项目实施者致力于通过多部门协同来减少粮食不安全和增强抵御气候冲击的决心 127。
3. 农业技术转移与创新合作:
气候变化对农业的影响因地而异,需要因地制宜的适应技术。发达国家拥有先进的农业技术和研发能力,应与发展中国家加强技术转移与创新合作,帮助其提升气候适应能力。
- “创新合作”取代“技术转让”:超越传统的“技术转让”模式,倡导“创新合作”框架 128。这意味着不仅仅是将成熟技术直接复制到发展中国家,更重要的是建立公平的伙伴关系,发展当地的创新能力,共同研发和适应适合当地生态和社会经济条件的气候智能型农业技术。
- 关键技术的普及与推广:优先将抗逆作物品种、节水灌溉技术、精准农业技术、病虫害绿色防控技术以及农业气象智能预警系统等关键适应性技术向发展中国家推广 129130。这需要通过建立技术示范区、提供技术培训、编写易于理解的推广材料等方式。例如,通过创新性的“气候韧性农业企业农民田间学校”模式,整合了农民田间学校、气候田间学校、气候智能型农业和当地传统知识,有效提升了东非地区小农户的适应行为和韧性 131。
- 知识产权与资金支持:在技术转移过程中,需要妥善处理知识产权问题,确保发展中国家能够以可负担的方式获取和使用核心技术。同时,设立专项基金,支持发展中国家进行适应性农业技术的研发、推广和能力建设。
- 建立国际农业研究合作平台:参考政府间气候变化专门委员会(IPCC)的模式,建议建立一个“国际粮食、营养和农业专题小组(IPFNA)” 132。该平台可以汇集全球顶尖专家,定期评估气候变化对粮食安全的影响,并提出基于科学证据的适应和减缓策略,促进全球农业科技创新和知识共享。
4. 健全多边治理机构:
现有全球治理体系在应对气候变化与粮食安全方面存在不足 132。需要强化和改革联合国粮食及农业组织(FAO)、世界粮食计划署(WFP)等现有国际机构的作用,确保其在政策协调、信息发布和援助实施方面的领导力。同时,鼓励区域组织(如东盟、太平洋岛屿论坛、南亚区域合作联盟)在区域层面加强气候变化和粮食安全政策的协调与实施,并积极与全球伙伴合作 133。例如,改革粮食安全委员会(CFS)及其高级别专家小组,使其在提供科学咨询和推动政策协同方面发挥更大作用 132。
6.2 国家层面政策支持体系建设
国家层面的政策支持对于提升本国粮食系统的气候韧性至关重要,它需要一套多维度、系统性的政策体系,包括农业基础设施的投入、农业保险的完善、种源研发的支持以及水资源保护的优化,以构建一个更能抵御气候变化冲击的农业生产体系。
1. 农业基础设施投入:
强健的农业基础设施是应对气候变化、保障粮食生产的基础。政府应加大对关键农业基础设施的投资力度。
- 灌溉与排水系统:气候变化导致降水模式愈发不确定,干旱和洪涝风险并存。因此,建设和维护高效的灌溉系统(包括渠道、泵站、管网等)和排水设施至关重要。这不仅能确保作物在干旱时期获得充足水源,也能有效应对极端降水造成的涝灾。例如,通过投资于智能灌溉技术,可以显著提高水资源利用效率,减少农业用水浪费 134。在一些高风险地区,对现有水利设施进行改造升级,使其具备应对极端水文事件的能力,如加高堤坝、扩建水库、完善排涝管网等。
- 仓储与物流系统:气候变化可能导致区域性粮食供应波动,高效的仓储和物流系统能够平抑这种波动。政府应投资建设现代化、抗灾能力强的粮食仓库,并完善冷链物流系统,减少粮食在储存和运输环节的损失。这对于保障粮食在不同季节和地区间的有效调配至关重要,特别是对于易腐烂的农产品。
- 道路与能源基础设施:改善农村地区的道路网络,确保农产品能够及时运出,农业物资能够顺利运入。同时,为农业生产提供稳定可靠的能源供应,特别是推广可再生能源在农业生产中的应用,降低对传统能源的依赖,减少碳排放。
2. 农业保险完善:
农业保险是转移气候风险、保障农民收入的重要手段,对于提升农业生产的韧性具有不可替代的作用。
- 扩大覆盖范围和险种:政府应扩大农业保险的覆盖范围,鼓励更多农户,特别是小农户参与。同时,开发更多针对气候变化的创新型保险产品,如天气指数保险(基于降水、温度等天气指数触发赔付),可以有效应对干旱、洪涝、高温等灾害造成的损失。天气指数保险因其简单、透明且赔付速度快的特点,特别适合小农户,减少了传统农业保险面临的定损困难和道德风险。
- 提高补贴力度和优化赔付机制:通过财政补贴降低农户购买保险的成本,提高参保积极性。同时,优化赔付机制,确保赔付及时、合理,真正起到保障农民收入和再生产能力的作用。例如,在西非,发展微型金融和保险计划被认为是应对气候变化适应策略的重要组成部分 135。
- 鼓励市场化运作:在政府引导和支持下,鼓励保险公司开发差异化、个性化的农业保险产品,并引入再保险机制,分散风险。
3. 种源研发支持:
优良的种源是农业生产的核心,也是应对气候变化影响的战略性资源。
- 抗逆品种培育:加大对耐高温、耐干旱、耐盐碱、抗病虫害等抗逆作物品种的研发投入,鼓励利用现代生物技术(如基因编辑、分子标记辅助育种)加速育种进程 136。例如,对小谷物等抗逆性强的作物进行基因增强研究,以解决食品和营养安全问题 137。非洲特有作物如“Enset”(非洲香蕉,一种重要的淀粉作物),因其抗旱性强,可在多种条件下生长,被认为是埃塞俄比亚乃至非洲地区潜在的粮食安全作物,需要更多研究支持其种质资源特性和育种开发 138。木薯(Cassava)因其在恶劣生长条件下的抗逆性,也被认为是南非农业缓解气候风险和替代进口的重要作物 139。
- 种质资源库建设与管理:建立健全国家级种质资源库,收集、保存和评估各种作物的遗传多样性,为抗逆育种提供丰富的基因资源 136140。确保种质资源的可持续利用和信息共享。
- 支持基础研究与应用研究:鼓励科研机构和企业开展针对气候变化下作物生理生态响应机制的基础研究,以及针对具体农业生产问题的应用研究,以科技创新驱动农业适应气候变化。
4. 水资源保护与高效利用政策:
鉴于水资源在农业中的关键地位,政府需要制定并实施更加严格和高效的水资源保护与管理政策。
- 水资源综合管理:实施流域尺度的水资源综合管理,协调农业、工业、生活用水之间的关系,确保农业用水优先权和可持续性。通过立法和政策手段,限制地下水过度抽取,促进雨水收集、中水回用和非常规水资源的利用 141。
- 水权交易与水价改革:探索建立水权交易市场,通过市场机制优化水资源配置。逐步推行农业水价改革,激励农民节约用水,鼓励采用节水灌溉技术 134。在水资源稀缺地区,水价改革可以促使农业部门向更高效、高附加值的作物结构调整。
- 水土保持与生态修复:加强坡耕地水土流失治理,保护河流源头和湿地生态系统,增加水源涵养能力。例如,通过退耕还林还草、生态移民等政策,修复脆弱生态环境。
- 监测与预警能力建设:强化水文气象监测网络建设,提高水资源预测预警能力,为农业用水管理提供科学依据。
通过上述政策体系的建设与实施,国家能够有效提升自身粮食系统的气候韧性,保障在气候变化背景下的粮食生产稳定和国家粮食安全。
6.3 小农户适配性帮扶政策设计
小农户在全球农业生产中占据主导地位,尤其是在发展中国家,他们是主要的粮食生产者,也是气候变化影响下最脆弱的群体之一。由于其资源有限、技术落后、市场议价能力弱等特点,气候变化带来的极端天气、病虫害等问题对其生计和粮食安全构成严重威胁。因此,设计和实施适配性帮扶政策,增强小农户的气候韧性,对于维护全球粮食安全至关重要。
1. 技术推广与培训:
提升小农户应对气候变化能力的核心在于赋能其掌握和应用适应性农业技术。
- 定制化技术培训:针对不同区域、不同作物类型的小农户,提供定制化的气候智能型农业技术培训,包括抗逆品种选择、节水灌溉技术、土壤健康管理、病虫害绿色防控等。这些培训应采用易于理解和实践的方式,例如,乌干达、加纳和孟加拉国的案例研究表明,小农户正因观测到气候和环境变化而改变农业实践,但女性农民由于经济或资源限制,以及在获取信息和推广服务方面受男性主导,适应能力较弱,这突出需要针对性的培训 142。
- 强化农技推广服务:增加农技推广人员的数量和质量,确保他们能够深入农村,为小农户提供及时、专业的指导。利用移动技术和数字平台,将农业技术知识和最佳实践传递给更多小农户,例如,肯尼亚的“硅谷”现象显示,数字农业工具已从“通用型”信息共享向“农场特定型”咨询服务发展,通过卫星图像和传感器提供诊断、预测和规范性建议 143。
- 引入创新模式:结合当地传统知识与现代农业科学,加强小农户的能力建设,包括创新、学习和预测能力,以应对气候变化对农业系统的影响。例如,通过加强灾害和预警系统、气候适应型基础设施、公共农业推广系统以及非正式安全网络和社交网络,可以建立气候韧性农业系统 144。
2. 生产补贴与农业保险:
经济支持是保障小农户生产积极性、降低气候风险影响的关键。
- 定向生产补贴:对采用气候智能型农业技术(如种植抗旱品种、建设节水设施等)的小农户提供直接的财政补贴,鼓励其进行长期投资。这有助于弥补小农户在转型初期可能面临的经济压力。
- 普惠型农业保险:推广和完善面向小农户的农业保险产品。政府应加大对小农户参保的保费补贴力度,降低其经济负担,以提高农民的参与率 145146。例如,在印度尼西亚西爪哇的农村地区,小农户对农业生产成本保险的平均支付意愿为每公顷每种植季30,358印尼盾(约合2.25美元),这比当前保费低16% 145。政府80%的保费补贴大大降低了农民的参与门槛,但仍需进一步提高参与率 145。
- 金融支持与信贷可及性:提高小农户获得低息贷款和适应性气候融资的机会,支持其购买抗逆种子、节水设备等。这需要金融机构开发符合小农户特点的金融产品,并简化贷款申请流程 147148。
3. 气象信息与早期预警服务:
及时、准确的气象信息和预警对于小农户进行生产决策、规避风险至关重要。
- 提升信息可及性:确保气象信息能够通过多种渠道(如广播、手机短信、社区会议、数字平台)及时传递给小农户,并以他们易于理解的语言和格式呈现 149150151。研究表明,获取气候信息服务能够显著提升小农户的气候智能型农业采纳率 149。
- 强化早期预警系统:建立健全针对小农户的区域性早期预警系统,预测极端天气事件(如干旱、洪涝、高温热浪、霜冻等)和病虫害爆发,并提供具体的应对建议 151152。例如,在加纳西北地区,早期预警与气候准备度呈正相关,且先前气候事件的经验(如干旱、洪水)也显著影响农民的准备度 151。埃塞俄比亚的案例研究也强调,提供气候变化信息和推广服务对农民选择适应措施至关重要 150。
- 灾害风险评估与规划:协助小农户进行农场层面的气候风险评估,并制定个性化的灾害应对预案,例如如何调整种植计划、储备物资、疏散牲畜等。
4. 市场链接与价值链强化:
增强小农户的市场参与度,提升其在价值链中的地位,是实现可持续生计和增强韧性的关键。
- 支持农产品加工与品牌建设:鼓励和支持小农户进行农产品的初级加工和品牌建设,提升产品附加值,减少因市场波动造成的损失。
- 建立稳定的供销关系:促进小农户与采购商、零售商建立长期稳定的合作关系,通过订单农业、产销对接等模式,保障农产品的销售渠道和合理价格。例如,通过将有机农业与社区支持农业(CSA)计划联系起来,增强市场准入和价值链发展,可以使传统农业更具盈利性和可持续性 153。
- 基础设施与物流改善:改善农村地区的道路、冷藏、加工设施等基础设施,降低小农户的运输和销售成本,提高农产品的市场竞争力。
- 合作社发展:鼓励和扶持小农户组建农业合作社,通过集体行动提升其议价能力、获取信贷和技术服务的机会,并共同应对市场风险。有研究强调,功能完善的农民合作社在促进小农户采纳CSA创新方面发挥着关键作用 154。
通过这些多层次、系统性的政策设计,可以有效解决小农户在资源、技术、信息和市场方面的短板,帮助他们更好地适应气候变化,从而在保障自身生计的同时,为全球粮食安全做出贡献。