近日，南方科技大学环境科学与工程学院研究教授田展团队与他们的国际合作者在PNAS美国国家科学院院刊姐妹刊PNAS NEXUS发表题为“Increase in grain production potential of China under climate change”的论文。中国对粮食的需求预计将在未来几十年继续增长，主要原因是生产富含蛋白质的食物所需的饲料需求不断增加。这使得人们对气候变化下中国未来粮食的生产潜力以及中国对世界粮食市场的依赖程度产生了极大的担忧。虽然农学和气候经济学的现有文献表明，气候变化对水稻、小麦和玉米产量的不利影响占主导地位，但缺乏评估气候变化引起的复种机会变化的研究。
在一年内从一个地块收获两次或更多次作物被称为复种。复种是一种土地利用管理策略，旨在最大限度地利用农业气候资源。在中国，近一半的耕地已经实行复种，但关于全球变暖影响下复种制度变化导致的粮食产量变化的研究相对较少。针对这一问题，本研究在农业生态区(AEZ)建模框架内建立了一个模块，以评估未来复种条件的空间变化。该方法基于多气候模式和气候情景集合模拟，同时考虑了灌溉水的稀缺性约束。
结果表明，未来中国一熟、两熟和三熟的耕作区域将向北扩展，为作物轮作以适应气候变化提供了良好的机会。图1显示了在四个 RCP 情景驱动的五个 GCM 集合下，三熟制地区将向北延伸多达 8.17 Mha（中位数）或 9.32 Mha（平均值）；两熟区将向西北延伸，净增 3.07 Mha（中位数）或 3.46 Mha（平均值）；两年三熟的种植区域将向西北和东北方向扩展，净增5.59 Mha（中位数）和 5.38 Mha（平均值）。
图1.灌溉农田复种范围从基期（1981-2010）到 2050 年代（2041-2070）20 个 GCM-RCP 情景模拟的集成变化
图2报告了从基期（1981-2010 年）到 2050 年代（2041-2070 年）在现有农田和现有灌溉水供应的当前和未来灌溉效率提升下粮食总生产潜力。在所有情景下，粮食生产潜力均有所增长。在基期(1981-2010年)和21世纪中期(2041-2070年)之间，在当前灌溉效率下，复种机会的增加将使年粮食生产潜力平均增加89(±49)Mt。在未来灌溉效率提升情景下，平均增加143(±46)Mt。
通过我们的研究发现，气候变化将会增加中国的复种指数，从而提高中国粮食的总生产潜力，在 2050 年将灌溉效率提升至0.8的条件下，若按照当前生产潜力和粮食产量的转化比例，新增的生产潜力2/3转化为粮食产量，即将可增加 94.4（±30.6）吨粮食产量，相当于2021年中国粮食进口量的144.4%（±46.8%）和中国粮食自主产量的14.9%（±4.8%），将能有效保障中国粮食安全，缓解全球粮食市场压力。
为了实现这一目标，需要提前进行技术和政策的贮备。尽管复种在气候变化条件下具有可行性，但近期观察到的中国东南部和南部复种趋势表明，实际复种率正在下降，其原因是由于农业劳动力机会成本增加。这种情况表明，未来的复种制度将面临很大挑战。由于灌溉农田占中国农田总面积的一半，占中国目前粮食产量的 70% 以上，因此提高灌溉用水效率对于利用未来气温升高的农气资源至关重要，尤其是在北方和东北地区。
杭州市气象局高级工程师梁卓然为本论文第一作者，美国马里兰大学教授孙来祥为共同第一作者，田展为唯一通讯作者。合作者包括国际应用系统分析研究所研究员Günther Fischer和中国科学院地理科学与资源研究所闫慧敏博士。该成果获得了国家自然科学基金项目的大力支持。
供稿：环境科学与工程学院
通讯员：晏梓添
编辑：朱增光
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