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气候无国界，气候变化也已成为全人类的危机。最新的政府间气候变化专门委员会（IPCC） 评估报告显示，自1850 ~ 1900 年以来，全球地表温度已上升了约1℃，过去20年陆地温度升高了1. 59℃，升温速率达到了近2000 年来的最大值。根据当前的趋势，到21 世纪末温度升高将超过2℃，极端温度将达到或超过植物和人体的耐受阈值。与此同时，天气系统的不稳定导致热浪、暴雨、飓风及复合型极端气候现象变得更加剧烈和频繁，以前百年一遇的极端气候事件到21 世纪末可能每年都会发生。激烈的气候变化将自然生态系统推向了临界点，破坏将突如其来且在数百年到千年的时间尺度上不可逆转。
▲ 自然植被和栽培作物物候对气候变暖响应的示意图。植被物候主要由气候条件驱动，例如对于春季物候，温度升高会加速发育速率，提前物候时间；作物物候受环境和人为因素的共同作用，变暖会导致物候提前但是农艺管理如播期调整、品种更新可能补偿或逆转气候变化的影响
“靠天吃饭” 的农业是受冲击最大的行业，尤其是作为农业主体的作物生产与粮食安全。全球变化改变了农业气候条件，引起的极端天气超出了作物的适应能力，对粮食的可得性和稳定性构成了严重威胁。然而目前世界上还有8. 21 亿人面临着饥饿和营养不良的问题，预计到2050 年全球人口总数将超过90 亿人，粮食需求将翻一番。气候变化背景下如何保障粮食安全成为21 世纪人类面对的巨大挑战，是当前亟待解决的重大问题。
▲ 1981 ~2018 年不同区域的潜在产量、观测产量趋势（a） 以及观测产量（b）、潜在产量（c）、产量差（d） 趋势的空间分布模式
玉米、小麦和水稻是全球最重要的三大粮食作物，分布广、用途多、营养丰富，不仅是世界80 亿人口的主食，而且是重要的饲料和工业深加工原料，在保障粮食安全和维持经济发展方面发挥着举足轻重的作用。作物生长发育对温度极其敏感，有其适宜的温度区间，低于或者超过这个适宜温度都不利于作物生长，并最终影响产量。例如，温度超过其生理阈值会破坏作物生殖器官，降低光合作用，加速叶片衰老，阻碍干物质累积和分配，缩短生育期，进而造成严重减产。荟萃（Meta） 分析表明温度每升高1℃，全球玉米减产率最高，为7. 4%，小麦减产率6. 0%，水稻减产率也达3. 2%。当然CO₂ 浓度升高会刺激C₃作物（水稻、小麦） 光合作用，提高辐射利用率，补偿一部分气温升高导致的产量损失。但玉米是C₄作物，大气中的CO₂浓度是饱和的，CO₂的肥效作用并不显著，因此在急剧变化的气候条件下玉米将存在着更大的减产风险。
▲ CIMP6 SSP3-7. 0情景下的未来（2021~2100 年）水稻极端热害损失
中国是世界上主要的粮食生产国家，仅以9% 的耕地和6% 的淡水资源生产了全球23%的玉米、18%的小麦、37% 的水稻，养活着全球22% 的人口。以2021 年为例，全国粮食播种面积、单位面积产量和总产量分别为11 763. 2 万hm² （176 447 万亩）、5805kg/hm² （387kg/ 亩） 和68 285 万t （13657 亿斤）。其中玉米是当前我国第一大作物，其产量的80%以上供给了畜牧业和化工业，早已不再是单纯的口粮作物，已成为维持国民经济发展的战略性物资。随着产业结构调整和人民生活水平的提高，玉米需求刚性增长，国内玉米生产已供不应求，也是进口量最大的粮食作物。2021 年，我国玉米进口量为2623. 38万t，同比增长了2. 4 倍，创历史新高。进口的玉米主要来自美国（71. 9%）、乌克兰（27. 7%） 和俄罗斯（0. 3%）。然而当今国际形势复杂，贸易摩擦愈演愈烈，粮食流通充满着不确定性，玉米供给面临着严重威胁。在这样的背景下，实现2019 年中央一号文件所指出的“稳定玉米生产，确保谷物基本自给自足、口粮绝对安全” 极其重要。但是我国地处季风气候区，天气、气候条件年际变化大，气象灾害发生频繁，农业受气候变化的影响剧烈。同时，农业生产基础设施薄弱，抗御自然灾害能力较差，是全球变化最脆弱的地区之一。随着气候变化的持续，破坏程度越来越强，影响越来越复杂，应对难度越来越大，粮食生产面临着前所未有的挑战。
▲ 减缓N淋溶和温室气体排放的热点
此外，我国是典型的小农农业系统，小农户数量占农业经营主体的98%以上，小农经营的耕地面积占总耕地面积的70%。农民知识水平普遍不足，为了追求高产盲目过量施肥，一些地区农田养分输入甚至超过作物需求量的1 倍，33% 的耕地出现了氮磷过剩。联合国粮食及农业组织（FAO） 统计数据显示，中国三大粮食作物的平均施氮量为305 kg/ hm²，将近世界平均水平的5 倍，但氮肥利用效率仅为0. 25，不到发达国家（0. 65） 的一半。超额施肥造成了土壤酸化、水体富营养化、温室气体排放加剧等一系列问题。20 世纪80 年代以来耕地土壤pH 下降了0. 5 个单位，农田总氮和总磷流失污染了57%的水体，农业N₂ O 和温室气体（GHG） 排放量占全球人为温室气体总排放量的28% ~29%。不仅施肥，灌溉情况也相当严峻。20 世纪70 年代以来灌溉面积扩展了32%，2019 年达到了11. 1 亿亩，相当于总耕地面积的51%，消耗了全球灌溉水总量的13%。但水资源利用效率极低，每立方米水带来的粮食生产力不足1 kg。过度开发地表水和超量开采地下水使北方和华北地区成为全球水资源短缺最严重的区域之一。虽然农业资源投入居世界首位，但是作物产量中等偏下，增水增肥不增产的现象普遍存在。近30 年全国一半以上的种植面积作物产量停滞不前甚至下降，粮食增产举步维艰。而且当前气候变化加剧和环境问题日益严峻，农业节水减排引起全世界的关注，在国际上承受着政治、经济等多方压力。
▲ 研究框架与技术路线（以玉米为例）
综上，我国农业生产面临着粮食安全、气候变化和环境退化三重挑战，亟须厘清气候变化的影响，探明关键影响因子并给出丰产减排、趋利避害的应对策略。作为国内教育资源最为丰富和教育资历最为深厚的高等学府，北京师范大学粮食安全（京师粮食安全） 团队有能力和魄力肩负这项重任来破解上述困境。两年前，京师粮食安全团队勇敢尝试着迈出了第一步，出版了第一本有关粮食安全的专著—— 《农业灾害与粮食安全：极端温度与水稻生产》。两年后，第二部专著《农业灾害与粮食安全：影响评价与适应对策》（张朝等著. 北京：科学出版社，2024. 10）面世。
▲《农业灾害与粮食安全：极端温度与水稻生产》
《农业灾害与粮食安全：影响评价与适应对策》
《农业灾害与粮食安全：影响评价与适应对策》综合京师粮食安全团队近15 年的研究成果，尤其是最近5 年的最新研究，立足于我国三大主粮作物，基于翔实的野外观测、机理过程模型模拟、机器学习和文献调研等方法，探讨了近40 来年气候变化对我国作物生产系统生长发育过程和最终产量的影响；并针对粮食作物如何适应未来气候变化这一热点问题，分别从何时、何地需要更换新品种、未来品种应具备何种优良性状等农业生产应对气候变化的科学措施，以及如何实现农业保险产品的智能化设计等方面进行了创新、系统地论证，提出了我国玉米、小麦、水稻粮食作物生产应对气候变化的对策和措施。
本研究抓住了气候变化对农业生产影响亟须解决的关键科学问题，综合了多方可得的高质量数据，制定了针对性的研究方案，全面系统地研究了气候变化对我国玉米、水稻和小麦生产的影响并给出了丰产减排、趋利避害的应对策略，创新点主要体现在以下4 个方面。
基于目前时间序列最长、站点最密的物候观测数据，解析了20 世纪80 年代以来玉米、水稻和小麦物候对气候变化的响应和适应，提供了作物物候对气候变化敏感性下降的观测证据，揭示了昼夜增温的不对称影响及人为因素的作用超过了气候变暖，加深了对气候变化影响的理解，研究结果为品种培育、区域农业生产应对气候变暖提供了重要参考。
基于三大粮食作物主产区24 个代表性品种的田间实验数据和数百个站点的实际水肥管理数据，剖析了气候变化对玉米产量的影响，在全国尺度上量化了品种和水肥导致的产量差，明晰了限制产量提升的关键因子，揭示了品种对提升作物产量、适应气候变化的重要性。
首次构建了国内“作物模型-多目标优化” 系统，在权衡产量、资源和环境多标准的基础上优化了全国玉米、水稻和小麦水肥管理，明确了优化潜力，识别了减排热点，给出了区域水肥控制量并评估了社会环境效益，为区域可持续管理提供了科学依据，为农业生产与资源环境协同发展提供了实现途径。
耦合作物模型和机器学习发展了一种多尺度混合建模框架，完成了多情景、多品种气候变化影响评估，首次回答了现有玉米、水稻和小麦品种能否应对气候变化? 如果不能，何时何地需要更换品种? 以及怎样的品种有望适应未来气候条件? 为精准应对气候变化提供了新的思路和方法，对加速作物育种、保障我国乃至全球粮食安全具有重要的现实意义。
总而言之，我国实现农业与资源环境协同发展、粮食生产自给自足任重道远，需要持久的、全社会的共同努力。本书可供农业科学、地理科学、国家安全学，以及相关交叉科学本科生和研究生进行学习和科研的启蒙引导，也能为相关领域的科研院所研究者、高等院校的教育工作者和政府决策管理者等提供参考和决策依据。
本文摘编自《农业灾害与粮食安全：影响评价与适应对策》（张朝等著. 北京：科学出版社，2024. 10）一书：“前言”“自序”“后记”，有删减修改，标题为编者所加。
审图号：GS 京（2024）1851 号
ISBN 978-7-03-079891-6
责任编辑：刘 超