《科学》杂志聚焦中国粮食安全问题

2013-2-18 08:27 来源: 中国科学报
收藏到BLOG

  我们想弄清全球变暖对农作物的影响……

  我们正在探索具有中国特色的气候变化。

  侯瑞兴(音译)在一块块的冬麦田间曲折地前进着,最终驻足于悬挂着红外线加热器的横梁下。为了模拟气候变化,中国山东省禹城综合农业试验站每隔15米就会安置一盏灯,这些临时使用的设备可以将室温升高1.6摄氏度,达到模型所预计的此地2030年的平均气温。作为一名研究生,侯瑞兴每年在实验站生活8个月。他指着两排小麦,解释着传统的人力耕作和机械耕作所面临的土地热量和水源的困境。他说:“实验室进行了大量的实验。”但是没有一项实验可以验证新品种的实际产量。

气候变化与中国农业

  半个世纪以来,由于该地地处被喻为中国粮仓的华北平原的东部边缘地带,大批中国科学家聚集到该地区,以研究这个紧迫的农业难题。该地区位于黄河正北方,是应对一系列粮食安全问题(如洪水防控、干旱、风化以及盐碱地)的前沿阵地。除了这些备受关注的问题之外,研究者现在将进一步探讨气候变化及其对粮食产量的影响,来自中国科学院地理科学与资源研究所的农业气象专家陶福禄说:“我们想弄清全球变暖对农作物的影响。”

  《科学》杂志指出,从全球范围来看,科学家和政策制定者正在研究气候变化对农业的影响。但是对于中国来说,这是一个极其紧迫的问题。中国拥有全球20%的人口,却只占有7%的耕地,由于快速的城市化进程,耕地面积正在持续缩减。中国国土资源部的资料显示,从1998年到2006年,每年平均有超过86万公顷的可耕地被城市吞噬。同时,变化中的饮食习惯在很大程度上加速了粮食消费的增长。随着中产阶级的不断发展,对于肉类的需求也持续增长,这将为土地和水资源带来更多的压力。根据美国的智囊团体——地球政策研究所的资料:1978年,中国肉类消费总计800万吨,但到2012年,这一数字激增至7100万吨。2011年,中国1/3的粮食被用于家畜饲养和水产养殖。

  气候变化会使情况更加恶化。根据2011年颁布的中国政府《第二次气候变化国家评估报告》,2050年,持续的海平面上升极有可能威胁到中国东部的水稻产区,同一时间,北部8省将可能会面临极其严重的缺水。

不适应就挨饿

  根据中国气象局(CMA)的记录,禹城附近2011年的平均气温已经比1955年高出了0.8摄氏度。在冬季和春季,这一变化的感觉尤为明显,而这一时期正是该区域的主要粮食作物——冬小麦的生长期。农作物生长会经历不同的阶段,从种子发育到开花结果。陶福禄认为,应当将气候变暖对多种农作物不同生长阶段所造成的影响绘制成图,这对了解气候变化的影响是极为重要的。

  他的团队发现,与传统观念不同的是,气候变暖导致中国心脏地区农作物的整体生长周期变短。尽管温暖的气候加速了小麦的早期发育,但对最终产量有决定性影响的再生产阶段并没有什么改变。陶福禄和其他研究者正尝试着梳理出这一情况对产量意味着什么。小麦的产量是种植的谷物数量和每株谷物重量的乘积。来自美国斯坦福大学粮食安全与环境研究中心的农业科学家David Lobell解释说:“谷物的数量由小麦生长的中间阶段决定,而每株谷物的重量则由再生产阶段决定。”陶福禄认为,对于禹城,Lobell的话揭示了这一事实:过快的生长将导致谷物的数量减少,最终导致产量降低,除非研究者能开发出新型的、对变化中的气候条件更加适应的新品种。

  根据CMA以及中国地方农业部门1980年到2008年的记录,陶福禄尝试着将气候因素从其他影响产量的因素(例如农作物管理以及农业化肥的使用)中梳理出来。在一份去年10月在线发表于《气候研究》杂志的报告中,陶福禄将近30年来的气候变化、降水量以及日照变化与小麦和玉米的产量相联系,并认为受上述3种气候因素变化影响,两种粮食作物产量分别减少1.3%和1.7%。这意味着数十万吨的粮食产量损失。来自中国农业科学院和美国国际粮食政策研究所的一个小组也认为气候变化对粮食生产具有重大影响。他们于2009年发表在《农业和森林气象学》杂志上的一份报告显示,1979年至2000年之间,气候变暖导致中国的小麦产量下降4.5%。

  《科学》杂志认为,区域差异使得问题更加复杂化。在寒冷的中国北部,平均气温的上升速度较全国平均水平更加迅速,这使得可耕地面积增加。但是陶福禄警告说,由于气候变化会在这一水资源本就短缺的区域增加干旱以及极端天气发生的频率,因此,潜在的农业利益可能是水中月、镜中花。

  中国北方大部分地区气候干旱,使得农业生产依赖黄河以及其他水源的灌溉,但是水污染导致中国的“母亲河”水质下降,同时不断发展的城市也在与农业灌溉争夺水源。过去40年里,大约有1200亿立方米的水源是从井水以及河水——而不是雨水中抽取,这导致地下水位不断地下降。陶福禄说:“最大的问题是缺水。”

  2009年,一项在禹城进行的试点项目中,农民以他们实际从灌溉网抽取的水资源为标准支付费用,而不是根据灌溉的亩数计算。老旧的混凝土灌溉河道上装有超声波传感器以便测量水位,并且向当地的用水协会实时提供用水数据。在实验中心,农民可以通过电脑终端检查他们的用水量信息。

  在中国的水稻产区,气候变暖或许可以短时间提高产量,但是同时也很可能会加剧高温带来的危害。陶福禄说:“不断增加的高温天气频率是一个危害因素。”时间非常紧迫,如果水稻在受粉期暴露于超过37摄氏度的温度下,例如2003年夏季的持续高温,花粉便可能不育。来自美国农业部农业研究院的农业科学家Jerry L.Hatfield说:“哪怕只是短时间地暴露在高温环境下,水稻的产量都将显著地减少。”

建立通用的生态模式

  《科学》杂志提出,面对这些挑战,中国正在思索应对策略。来自CMA的科学家周广胜正在编辑来自中国研究机构的有关气候变化和农业的数据,他说:“政府目前对于如何设计应对政策还没有一个清晰的思路,但是希望能够全面了解形势。”就目前他所观察到的趋势来看,与气候相关的灾害,包括旱灾以及其他自然极端天气的暴发频率呈上升趋势。

  备选的粮食安全应对策略包括变更耕作制度、调整灌溉方案,以及选种或培育新品种以适应新的气候条件。亚洲其他地区的研究对于中国有很多值得借鉴之处。在以菲律宾Los Banos为基地的国际水稻研究所(IRRI),科学家正在鉴别可以在气温不太热的清晨就散发花粉的品种。该机构还培育出了具有良好抗洪和抗旱特性的水稻品种,并且在印度东部地区已经开辟了试验田,该地区的水稻产量对降水量的依赖性极大,IRRI主管Robert Zeigler说:“我们谨慎乐观地认为,我们有能力培育出不同品种的水稻,可以适应气候变化带来的各种挑战。”

  把目光投回禹城,一些当地农民并非被动地等待如何应对的科学论断。47岁的农民赵夏珍(音译)摆弄着亮橘色的头巾说道,近年来,10月下旬小麦收获季节的气温一直在稳步上升。5年前,她们家注意到小麦长得比原来快。如果小麦成熟得过快,会因为霜冻而损失部分收成,因为,过快生长的小麦会更加脆弱。为了避免损失,她们开始推迟5到6天播种。她们的收成变得稳定。其他按照老方法循规蹈矩的农民就没有那么幸运了。赵夏珍说:“他们的庄稼受了损失。”

       来自地理科学与资源研究所的李云生认为,将这些观测结果转化成政策归根到底需要对不断变化的气温和降水模式进行更多的调研。为了建立一套在中国各地都通用的生态系统模式,李云生说:“我们正在探索具有中国特色的气候变化。”