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8月30日,刚刚结束赴加拿大学术访问的莫兴国,还没有完全调整好时差。面对记者的提问,他并不急于回答,总是习惯性地闭上眼睛,思考片刻,而后表述精准、比喻贴切,让人不得不佩服一名科学家的严谨。

莫兴国,中国科学院地理科学与资源研究所研究员, 博士生导师。

一个月前,他的项目回答了这样一个问题——气候变化下华北平原作物产量到底是增还是减。答案同样明确清晰,并且深入揭示了作用机制。这让莫兴国和他的研究团队感到骄傲。

核心对话

气温增加总体上将导致华北平原作物减产

记者:目前,在全球范围内,公众对气候变化的关注都达到了一个空前的高度。许多科研项目都放在了这一背景下进行研究,包括农业。根据您的研究结果,气候变化下华北平原作物产量到底是增还是减?

莫兴国:基于我们多年的田间实验,我们开发了立足华北平原的VIP分布式生态水文动力学模型。针对华北平原冬小麦—夏玉米作物轮作系统,采用南北比较、多站比较和区域分布式模拟,考虑华北平原土壤本底对作物生产力影响的空间分布,区别灌溉和雨养农田,采用VIP模型模拟,我们发现,若温度增加,特别是夜间温度增加,总体上将导致华北平原作物减产,作物生长季缩短是导致减产的主要因素之一。

当然,这并不排除温度升高到某个对作物更适宜的范围,造成作物产量提高的例子。

大气CO2肥效将减缓甚至扭转升温给作物产量带来的负效应

记者: 但我们又常听报道,说气候变化下小麦将会增产?

莫兴国: 这个跟我们的结论没有矛盾。前面的减产结论是仅仅考虑温度的因素。当考虑大气CO2肥效 (二氧化碳浓度增高使作物的产量增加现象)等因素时,这些因素会减缓升温给作物产量带来的负效应, 从而导致作物产量增加。通过对历史的模拟,我们也发现,去掉化肥等农业管理技术进步措施的影响,过去60年,华北平原产量逐年增高仍与较适宜的温度、降水和二氧化碳浓度等气候条件相关。可以肯定地说,大气中二氧化碳浓度的增加,对农业作物起到了增产的作用。

记者:增产的作用有多大?

莫兴国:二氧化碳的施肥效应对不同的作物效果不一样。对C3(大豆、小麦和水稻等)作物来讲,二氧化碳浓度加倍的时候,产量能够增加20%左右。对C4(玉米、高粱等)作物,增产效应不明显。

温度的升高使北方原本一些不能种植小麦的寒冷地区,能种小麦了,造成了小麦的生产界限北移,也达到了增加产量的作用。

记者:这些可不可以看做气候变化的积极影响?

莫兴国:从这个意义上讲,尤其对我国北方一些温度偏低的地方而言,是积极的影响。

减少灌溉量以保障水资源可持续利用

记者:制约农业生产的另一重要因素就是水资源,尤其在华北平原,水资源的可持续利用与粮食生产几乎形成了一对矛盾,您是怎么看这个问题的?

莫兴国:粮食单产的增加,伴随着作物耗水的相应增加。据估计,从上世纪六十年代到九十年代,华北平原小麦生长季耗水增量达130mm,玉米耗水增量为90mm,冬小麦—夏玉米一年两熟轮作体系的年耗水量从约700mm增加到目前将近1000mm。

记者:怎么理解您所谓的耗水量?

莫兴国:耗水量就是指作物生育内所消耗的水量,主要包括作物蒸腾和棵间蒸发。

记者:目前如此巨大的农业耗水量,造成什么后果?

莫兴国:黄淮平原南缘年降水量与此耗水量基本相当,而华北平原北部降水在500—600mm左右,灌溉需求极大。因此华北平原大部分地区地表水难以保障一年两熟耕作制度的用水需求,农田灌溉依靠抽取大量地下水维持,导致地下水位持续下降,产生了一系列环境问题。水已成为华北平原农业发展的关键限制因素。

记者:怎样才能做到既保证粮食生产,又保证水资源的可持续利用?

莫兴国:按照我们最新的计算结果,华北平原地区,每年的灌水量维持在240mm左右,不会对地下水造成过量开采,有望实现农业可持续发展。

另外,还应该采取有效灌溉措施,控制灌溉次数和每次灌溉的水量,同时采取秸秆覆盖和薄膜覆盖的方式减少蒸发,还有就是利用转基因技术培育一些节水品种。此外,我们还建议,对一些水资源短缺的地方,应该调整农业生产机构,因为小麦是一种高耗水作物,在一些干旱地方也采取玉米—小麦两季连种的农业生产方式,耗水量肯定是超过当地的降水量,不得不大量使用地下水灌溉,所以这些地方应该缩小小麦的种植面积,或者种植例如棉花、油菜等低耗水的作物。我们已经做出华北平原较高分辨率的耗水量、产量、水分利用效率的空间分布图,期望能对地方决策发挥作用。

关键在于保证国家粮食安全

记者:项目的最终结论能够为指导农业生产起到哪些实际作用?

莫兴国:地方农业部门可以使用我们的模型来指导生产管理。例如针对今年的气候条件,应该采取什么样的灌溉措施、什么样的施肥措施能够达到最好效益。

记者:那在其他方面还能发挥作用吗?

莫兴国:在粮食产量预测,保证国家粮食安全方面的意义比较重要。

我们所建立的VIP模型与短期、中短期的气候预报相结合,就能够预测出在一定的气候条件下,区域内的粮食产量。比如现在是4月份,根据气象资料,预测出未来两个月的气象条件是怎样的,我们就能够知道今年6月的小麦产量跟去年相比将是增加还是减少,以及增加多少减少多少。

西方国家每年也在预测我国的粮食产量,其研究结论影响着我国粮食安全保障的决策,为世界瞩目。我国粮食安全需要大量基于我国的原始数据,基于我们自主开发的立足国情的机理模型的研究结论可作决策支撑。

花絮

从田间到模型

虽然是学气象出身,但莫兴国的工作一直没离开田间地头。

  1990年,他来到中科院地理科学与资源研究所读博,当时的一项“主要工作”就是蹲在田间地头获取实验数据。

  “所里很早就开展了二氧化碳浓度变化对农业生产影响的研究。”莫兴国记得刚到所里的时候,院子里放着几十个高大的医用氧气瓶。“以前就是用那种瓶子往地里放二氧化碳来做实验。”到现在他还“收藏”着两个小一点的氧气瓶,“很精致的。”他说。

  试验站在山东禹城,每年的作物生长期——四、五月份,莫兴国都要“泡”在那里。莫兴国现在回忆起来那段“田园时光”,感到很美好。正是从那时就坚持的田间试验,为以后他们研究团队自主开发的VIP生态水文动力学模型打下了重要基础。

  人物档案

  莫兴国 1966年生于广西桂林。1988年和1990年在南京大学获大气科学学士和硕士学位。1993年在中国科学院地理研究所获自然地理学农业生态系统方向博士学位,毕业后留所工作至今。1996年起任副研究员。2004年起任研究员。先后到美国农业部土壤耕作实验室(National Soil Tilth Laboratory)、澳大利亚新南威尔士大学(University of New South Wales)数学系、英国兰卡斯特大学(Lancaster University)自然环境研究中心,加拿大多伦多大学(University of Toronto)地理系从事合作研究。任中国科学院大气物理研究所客座研究员,中国农学会农业气象专业委员会理事,《土壤》杂志编委,世界银行、全球环境基金会关于黄淮海农业应对气候变化项目的短期专家,中国自然资源学会水资源专业委员会委员,中国地理学会会员,国际水文科学协会会员和国际水资源协会会员。已发表90多篇论文和论著(章),研究领域是气候与生态水文。主要研究方向包括土壤—植被—大气系统(SPAC)关键过程机理、生态水文过程综合模型、气候—生态—水文相互作

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