氣候變化對蔬菜學科的影響

鄒學校，蔡立湘，彭新德，朱校奇

（湖南省農(nóng)業(yè)科學院，湖南 長沙 410125）

全世界無數(shù)的獨立研究機構(gòu)多方觀測和研究結(jié)果表明：全球陸地、大氣、海洋以及極地都顯示出氣候變暖的趨勢。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）在其2007年的評估報告中表示，自20世紀中期以來，大部分已經(jīng)觀測到的全球平均氣溫的升高，很可能是人為產(chǎn)生的溫室氣體濃度增加所致[1]。

全球氣候變化受影響最大的是農(nóng)業(yè)。溫度升高將延長農(nóng)作物生長期，減少霜凍，二氧化碳的“肥料效應(yīng)”會增強光合作用，對農(nóng)作物等蔬菜生產(chǎn)有利。但土壤蒸發(fā)量上升，洪澇災(zāi)害增多和海水侵蝕等也將造成農(nóng)業(yè)減產(chǎn)。我國是世界上最大的蔬菜生產(chǎn)國，全球氣候變暖，總體上對我國的蔬菜生產(chǎn)發(fā)展利大于弊。特別是對我國葉菜類蔬菜種類的布局和生產(chǎn)、供應(yīng)和消費等將產(chǎn)生積極的影響。我國日益豐富的蔬菜生產(chǎn)實際，是我國蔬菜學科建設(shè)與發(fā)展的基礎(chǔ)。

1 蔬菜科學技術(shù)的概念

蔬菜學是以生物學為理論基礎(chǔ)，研究蔬菜作物生長發(fā)育和遺傳規(guī)律的一門學科，也是研究蔬菜種質(zhì)資源、遺傳育種、栽培、病蟲害防治及采后處理、貯藏、加工等應(yīng)用技術(shù)與原理的綜合性專業(yè)學科。

在我國蔬菜學作為一門實驗科學誕生于上世紀初，但直到改革開放之后，主要由于國內(nèi)消費的發(fā)展，才極大地促進了蔬菜科學技術(shù)的普及和發(fā)展；特別是改革開放以來近30 a的實踐，蔬菜育種、栽培、貯運、加工及蔬菜消費保障技術(shù)的不斷進步，蔬菜設(shè)施栽培技術(shù)不斷完善，又對我國蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了巨大的推動作用[2]。

2 全球氣候變暖對蔬菜生產(chǎn)的影響

全球氣候變化對我國蔬菜生產(chǎn)產(chǎn)生的影響是多方面的。有積極作用的是，由于生產(chǎn)季節(jié)熱量、雨量的分布發(fā)生變化，蔬菜適宜的種植區(qū)將擴大，如西北目前不適宜大規(guī)模生產(chǎn)蔬菜的傳統(tǒng)干旱區(qū)，將有條件發(fā)展生產(chǎn)，使蔬菜生產(chǎn)季節(jié)延長，適栽的蔬菜品種增加。同時，原用于蔬菜儲運的成本將大幅度下降。綜合各方面的因素估算，全國蔬菜生產(chǎn)成本將下降15%～20%。

全球氣候變化對我國蔬菜生產(chǎn)不利的影響更大、更深遠。如蔬菜的區(qū)域宏觀布局；區(qū)域內(nèi)的品種搭配；土地的連作、輪作、套種，土著品種的收集、整理、利用；蔬菜生產(chǎn)、加工、貯運、消費以及相應(yīng)的政策扶持等，都將產(chǎn)生一系列的深遠影響。

有人對我國1951～2003年氣候資料分析，我國氣溫呈明顯上升趨勢，特別是20世紀80年代中期以來，升溫速度顯著加快，全國各地區(qū)近20 a來溫度都是逐漸升高的，1998～2003年的6 a中有5 a是1951年以來最暖的年份，其中北方地區(qū)增暖趨勢非常顯著，華北、東北及西北地區(qū)增溫幅度達到0.4～0.8℃/10 a。與北方不同，我國南方各省區(qū)增暖趨勢沒有北方明顯。

經(jīng)過建立農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與氣溫、農(nóng)業(yè)投入關(guān)系的數(shù)學模型和測算，華北地區(qū)溫度的主效作用大于投入的主效，說明溫度變化對蔬菜等農(nóng)作物生產(chǎn)的影響比投入變化的大。同時，溫度與投入對產(chǎn)量的影響均達到0.01的顯著水平，但影響趨勢不同，負值表現(xiàn)為隨著溫度的升高，對總產(chǎn)量的增加有極大的抑制作用，而投入對產(chǎn)量的影響是一條開口向下的拋物線，即在早期產(chǎn)量隨著投入的增加有很大的提高，但到后期，雖然投入繼續(xù)加大，但產(chǎn)量增加變緩，甚至有所下降。

東北地區(qū)溫度的主效大于投入的主效，且溫度對蔬菜等農(nóng)作物總產(chǎn)量的正效應(yīng)達到0.01的顯著水平，表明溫度變化對產(chǎn)量的影響比投入變化的大。與華北地區(qū)不同的是，東北地區(qū)溫度的升高對總產(chǎn)量起到明顯促進作用。投入對產(chǎn)量的影響達到0.05的顯著水平，表現(xiàn)為開口向下的拋物線，即早期的投入增加提高了總產(chǎn)量，到后期投入增加，總產(chǎn)量的增加放緩，甚至還有所下降。

溫度和投入變化對華東地區(qū)的蔬菜等農(nóng)作物產(chǎn)量影響不顯著，這可能與播種面積的持續(xù)減少對總產(chǎn)量的影響有關(guān)。

中南地區(qū)溫度的增加對蔬菜等農(nóng)作物產(chǎn)量沒有顯著的抑制作用。

西南地區(qū)溫度與投入變化對蔬菜等農(nóng)作物產(chǎn)量的影響達到0.05的顯著水平，且溫度的主效大于投入的主效，溫度的升高對總產(chǎn)量增加產(chǎn)生很大的抑制作用，投入增加對總產(chǎn)量有促進作用。

西北地區(qū)溫度與投入對蔬菜等農(nóng)作物產(chǎn)量的影響達到0.05的顯著水平，但趨勢不同，溫度的主效大于投入的主效，表現(xiàn)為隨著溫度的上升，產(chǎn)量的增加受到抑制，隨著投入的加大，產(chǎn)量由開始的顯著增加，到后來增加變緩，甚至有所下降[3]。

氣候變暖使冬油菜及十字花科蔬菜的播種期推遲了7～13 d，停止生長期也相應(yīng)推遲，返青后的生育期提前了8～12 d，全生育期縮短17～32 d，是農(nóng)作物中全生育期縮短比較明顯的。馬鈴薯生產(chǎn)，如果地溫提高2.2～2.5℃,出苗期將提前13 d，全生長期會適當延長[4]。

氣候變暖已經(jīng)使西北地區(qū)農(nóng)作物種植面積和種植格局發(fā)生了較大改變。馬鈴薯適宜種植區(qū)上限海拔高度也平均提高了100～200 m，馬鈴薯的適宜種植范圍也有所擴大，尤其是甘肅隴中地區(qū)的種植面積擴大迅速。冬油菜及十字花科蔬菜的種植帶向北擴展了約100 km，種植區(qū)海拔高度提高了約100～200 m，種植面積擴大了大約1倍。

由于氣候變暖,多熟制種植帶向北推移，種植海拔高度提高了200～300 m；復種指數(shù)明顯提高，復種面積擴大了4～5倍。西北地區(qū)蔬菜等農(nóng)作物品種熟性總體上正在由早熟型向偏晚熟型發(fā)展。

西北地區(qū)冬油菜及十字花科蔬菜的產(chǎn)量與冬季平均氣溫密切相關(guān)。一般，每升高1℃，生物學產(chǎn)量將增加172 kg/hm2[5]。氣溫升高會使馬鈴薯等塊根類蔬菜減產(chǎn)。馬鈴薯產(chǎn)量與塊莖膨大期（7月份）的平均氣溫和分枝-開花期（6～7月份）的降水相關(guān)密切。一般，如果降水不變時,馬鈴薯等塊根類蔬菜產(chǎn)量會隨溫度升高而降低；若氣溫升高，降水量也變化時，產(chǎn)量與降水呈正相關(guān)，隴東南影響最大，隴東次之，隴中較小[6-9]。

總之，20世紀末與20世紀80年代相比,環(huán)境溫度升高，使綠洲灌溉區(qū)農(nóng)作物的生物學產(chǎn)量提高了10%～20%，特別是冬油菜及十字花科蔬菜、馬鈴薯等塊莖類蔬菜等的種植面積擴大，其生物學總產(chǎn)量可增加30%左右。

氣候變化對蔬菜等農(nóng)作物病蟲害的發(fā)生和流行均有比較明顯的影響。由于氣溫升高，特別是冬季溫度增加使目前大多數(shù)農(nóng)作物，尤其是蔬菜的病蟲害發(fā)生及危害呈逐年加重的趨勢[10]。

3 全球氣候變化對蔬菜品種多樣性的影響

生物多樣性和氣候變化之間的聯(lián)系是雙向的。氣候變化是生物多樣性喪失的一個重要驅(qū)動力。

Myers估計，在過去的兩億年中，大約每27 a就有一種高等植物滅絕。Wilson等估計，隨著人類活動的增加，現(xiàn)在物種的滅絕速率是自然的1000倍。中國的生物多樣性居世界第8位，北半球的第一位。同時，中國又是生物多樣性受到最嚴重威脅的國家之一。在《瀕危野生動植物種國際貿(mào)易公約（CITES）》列出的640個世界性瀕危物種中，中國占156種，約為其總數(shù)的1/4。目前，全世界絕大多數(shù)的糧食供應(yīng)，僅僅來源于100個物種的農(nóng)作物，而自人類有農(nóng)業(yè)以來（約12000 a前）曾種植過幾千個物種及更多的品種（或亞種）。美國農(nóng)業(yè)部1903年列出的商品蔬菜品種中，目前已有96%滅絕。

高、低溫及高低溫變溫的幅度，是蔬菜栽培過程中比較常見的兩種逆境因子，溫度變化過大會對蔬菜生產(chǎn)產(chǎn)生嚴重影響，有時可能造成失收，是蔬菜冬春和夏秋之交供應(yīng)淡季形成的主要原因[11]。

高溫脅迫對蔬菜的危害主要是高溫下水分失調(diào)、原生質(zhì)膠體結(jié)構(gòu)破壞、導致蛋白質(zhì)失活和降解。若及時采取相應(yīng)的栽培措施，改善植株體內(nèi)的水分狀態(tài)，提高細胞含水量特別是膠體束縛水的含量，將有助于增強植株對高溫的耐受能力和抗性[12]。

蔬菜作物對于高溫脅迫的響應(yīng)并非是完全被動的，其體內(nèi)會發(fā)生相應(yīng)的適應(yīng)反應(yīng)來降低脅迫造成的危害，以維持基本的代謝過程，甚至通過開啟某些基因的表達來緩解高溫的傷害。

蔬菜的抗熱育種，一般通過芽變選種、實生苗選種、雜種優(yōu)勢利用、誘變等育種途徑獲得；近年通過抗性強的砧木品種培養(yǎng)新的抗熱品種、利用細胞工程和基因工程等生物技術(shù)來培育抗熱突變體或轉(zhuǎn)基因植株，成為蔬菜育種的一個熱點。繆曼珉以抗性強的云南黑籽南瓜為砧木嫁接冬春季黃瓜，大幅度提高了夏季黃瓜產(chǎn)量；馬德華等通過雜交的方法，育成了適合華北地區(qū)越夏栽培的耐熱黃瓜品種。

轉(zhuǎn)耐冷基因育種，是科學家想盡快解決蔬菜耐冷問題的熱點。目前利用較多的是來自北極深海魚類的抗凍基因（AFPS）。將鰈魚科的抗凍基因轉(zhuǎn)入番茄，發(fā)現(xiàn)其具有抑制冰塊重新結(jié)晶的能力，從而使蔬菜免遭凍害。將美洲擬鰈抗凍蛋白基因AFP直接轉(zhuǎn)入番茄，得到的轉(zhuǎn)基因植株，在平均氣溫低于4.4℃的情況下生長好于對照，并且果實成熟提前。致死溫度也降低了l～2℃。

氣候變化會對蔬菜品種多樣性產(chǎn)生影響。一方面對土著蔬菜品種多樣性形成威脅、使生物多樣性不斷喪失；另一方面，蔬菜品種在長期的進化過程中，由于自然選擇、人為品種改良（包括轉(zhuǎn)基因育種等），形成了對氣候變化（高溫、低溫）的適應(yīng)，產(chǎn)生了新的基因型及表現(xiàn)型，一定程度上增加了蔬菜的生物多樣性。

4 應(yīng)對氣候變化蔬菜學科面臨的問題

氣候變化對蔬菜等農(nóng)作物生產(chǎn)發(fā)展的影響非常顯著，給蔬菜學科提出的問題是非常嚴峻和迫切需要解決的問題。首先，是國家要從保障國家食物安全的角度，思考和重新部署國家的蔬菜生產(chǎn)、貯運、加工和消費布局。有針對性的出臺相關(guān)政策和措施，積極應(yīng)對全球氣候變暖和極端性氣候事件可能給我國蔬菜生產(chǎn)、貯藏、運輸和消費等帶來的影響。

其次，要研究制定相應(yīng)的應(yīng)急方案，盡量利用氣候變化可能帶來的機遇，發(fā)展我國的蔬菜科學技術(shù)。目前，特別是要利用國際后金融危機時代給我國帶來的歷史機遇，集中優(yōu)勢力量，提高我國的自主創(chuàng)新能力；以提高我國蔬菜生產(chǎn)的科技水平為中心，保障國內(nèi)蔬菜消費的穩(wěn)步發(fā)展；確實轉(zhuǎn)變經(jīng)濟增長方式，促進我國蔬菜生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。

第三，要研究制定蔬菜科學技術(shù)發(fā)展目標。包括蔬菜學科的生態(tài)學目標、生物學目標等。要針對我國蔬菜生產(chǎn)過程中的污染問題，運用生態(tài)學的基本原理和方法，研究蔬菜生長及蔬菜安全、可持續(xù)生產(chǎn)環(huán)境的理論和技術(shù)。要根據(jù)現(xiàn)代消費的發(fā)展，研究蔬菜的個體和群體生理基礎(chǔ)，為蔬菜的鮮銷、延后或反季節(jié)生產(chǎn)、遠距離輸運和適于加工等專用性生產(chǎn)目標提供技術(shù)思路和方法。

第四，國家要出臺保障蔬菜生產(chǎn)和消費可持續(xù)發(fā)展的政策、法規(guī)。從當前我國蔬菜生產(chǎn)的實際著手，重點研究土著蔬菜品種資源及基因資源的收集、保存、利用。特別是重要戰(zhàn)略型品種資源、野生資源的嚴格保護，要及時發(fā)布和適時修改國家農(nóng)作物及近緣野生植物種質(zhì)資源保護名錄。加大對農(nóng)作物新品種選育的公共財政支持。支持開展具有我國特色的蔬菜生產(chǎn)及消費保障技術(shù)體系研究；加大對具有我國地方特色的蔬菜品種的研究，經(jīng)濟、適用的工程設(shè)施及科學的蔬菜低碳生產(chǎn)技術(shù)。出臺政策，把支持蔬菜生產(chǎn)和支持采用新技術(shù)結(jié)合起來。用實在的政策指導鼓勵生產(chǎn)者應(yīng)用新技術(shù)、新成果。

要利用我國目前正在加速走出去步伐，加快與世界融和的機遇，通過大范圍的合作，促進我國的蔬菜生產(chǎn)、蔬菜產(chǎn)品、蔬菜消費服務(wù)和消費文化走向國際大市場。

5 蔬菜學科應(yīng)對全球氣候變暖的對策

5.1 加強蔬菜生產(chǎn)布局規(guī)劃研究

蔬菜因品種類型豐富，不同氣候類型區(qū)基本上都有相適應(yīng)的品種可以栽培和生產(chǎn)，同時，蔬菜產(chǎn)量的高低以及品質(zhì)的優(yōu)劣也在很大程度上受到氣象條件的制約，因此使得蔬菜生產(chǎn)形成了相對穩(wěn)定的區(qū)域分布。現(xiàn)有的研究表明，氣候變暖將使作物生長期的光能資源和熱量資源增加,同時，各個地區(qū)的降水量還會增加或減少。因此，應(yīng)根據(jù)氣候變暖發(fā)展趨勢，適時調(diào)整蔬菜的種植結(jié)構(gòu)和分布，有規(guī)劃地將有關(guān)品種種植區(qū)域北移,包括喜溫蔬菜品種種植區(qū)域北移，也包括喜冷、耐寒蔬菜品種種植區(qū)域的北移問題。同時，應(yīng)根據(jù)各地氣候特點和生產(chǎn)實際，針對不同品種安排播期，充分考慮各季茬口安排，有效利用各地氣候資源發(fā)展蔬菜生產(chǎn)[13]。

5.2 培育抗逆性強的蔬菜新品種

氣候變暖將導致蔬菜生長環(huán)境的一系列和綜合性的變化，而且極端性天氣出現(xiàn)的頻率將增加，因而對蔬菜生長產(chǎn)生綜合性影響，選育優(yōu)良品種是最根本的適應(yīng)性對策之一[14]。應(yīng)充分挖掘我國豐富的蔬菜品種資源，加強生物技術(shù)與常規(guī)技術(shù)的融合，通過單倍體培養(yǎng)技術(shù)、原生質(zhì)融合技術(shù)、DNA重組技術(shù)以及雜種優(yōu)勢利用等，提高蔬菜育種的目的性和育種效率，培育出抗逆性強、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的蔬菜新品種。未來蔬菜品種抗逆性的目標要求，一是要耐高溫、耐干旱、抗病蟲害，以應(yīng)對氣候變暖和干旱的影響。氣候變暖對蔬菜病蟲草害發(fā)生與危害將產(chǎn)生重要影響。已有的研究表明，暖冬造成主要農(nóng)作物病蟲越冬基數(shù)增加、越冬死亡率降低、次年病蟲發(fā)生加重、全國大部地區(qū)病蟲發(fā)生期提前、危害加重，使農(nóng)作物害蟲遷入期提前、危害期延長[15]。二是要耐鹽堿，以滿足海平面升高而使部分地區(qū)鹽堿加重時發(fā)展蔬菜生產(chǎn)的要求，同時，土壤次生鹽漬化已成為影響蔬菜設(shè)施生產(chǎn)發(fā)展的主要問題之一[16]，對設(shè)施栽培品種特性也提出了同樣的要求。

5.3 發(fā)展蔬菜工程學理論和技術(shù)體系

蔬菜工程學是近幾年才發(fā)展起來的一門新興學科。特別是設(shè)施栽培技術(shù)的廣泛應(yīng)用，促進了蔬菜生產(chǎn)地膜、遮陽網(wǎng)、膜，蔬菜設(shè)施材料及保暖、降溫技術(shù)的發(fā)展。要立足我國的實際，繼續(xù)推廣行之有效的地膜覆蓋、薄膜小拱棚育苗栽培，以及遮陽網(wǎng)、容器育苗等技術(shù)。同時，要進一步開展集成技術(shù)研究，從不同地區(qū)適宜的設(shè)施選型與現(xiàn)有設(shè)施的改造升級，到設(shè)施栽培關(guān)鍵技術(shù)及標準化技術(shù)體系的研究與應(yīng)用，以及設(shè)施專用品種的選育等主要技術(shù)環(huán)節(jié)，聯(lián)合有關(guān)高校、科研單位、設(shè)施制造企業(yè)進行攻關(guān)，逐步建立起有中國特色的蔬菜工程學理論與技術(shù)體系。重點要針對我國現(xiàn)有的設(shè)施專用品種質(zhì)量和品質(zhì)與國外品種差距較大的狀況，加大設(shè)施栽培專用品種選育力度，盡快扭轉(zhuǎn)設(shè)施栽培品種需大量從國外進口的尷尬局面[17]。

要制定相應(yīng)的政策措施，鼓勵有實力的企業(yè)，特別是科技性企業(yè)加速與國際蔬菜市場的接軌。近期應(yīng)以我國周邊國家的合作為主，通過合作，積累經(jīng)驗，再逐步擴展。

5.4 大力發(fā)展蔬菜物流、加工和綜合利用技術(shù)

目前，我國已經(jīng)初步形成了以各類農(nóng)產(chǎn)品批發(fā)市場為中心，以城鄉(xiāng)農(nóng)貿(mào)市場為基礎(chǔ)，以直銷配送和連鎖超市為補充，以產(chǎn)區(qū)、銷區(qū)、集散地市場相結(jié)合的農(nóng)產(chǎn)品市場體系。但我國的蔬菜流通還處在時間長、消耗大、效率低、效益差的低層次上。蔬菜在物流環(huán)節(jié)上的損失率在25%～30%之間，而發(fā)達國家的蔬菜損失率則控制在5%以下[18]。要在加強市場體系建設(shè)，扶持蔬菜運銷大戶發(fā)展的基礎(chǔ)上，重點發(fā)展蔬菜第三方物流，為蔬菜供應(yīng)方或需求方提供包括蔬菜物流計劃、控制、執(zhí)行等不同層次的、高質(zhì)量的個性化蔬菜物流綜合服務(wù)。

其次，要立足全球視野，大力發(fā)展我國的蔬菜貯藏加工技術(shù)。在做好蔬菜產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后服務(wù)的基礎(chǔ)上，抓好冷藏保鮮、加工、包裝等蔬菜產(chǎn)后技術(shù)的研究與應(yīng)用。重點加強高溫瞬時殺菌、無菌包裝、膜分離等蔬菜制汁加工技術(shù)，超微粉碎等蔬菜制粉加工技術(shù)研究以及蔬菜功能成分提取技術(shù)與下游產(chǎn)品研發(fā)等。

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