氣候變化對中國主要糧食作物單產影響的文獻計量Meta分析

解偉　魏瑋　崔琦

摘要 氣候變化對糧食安全的影響越來越受到各級政府和學界的關注。然而，已有研究在評估氣候變化對糧食單產的影響時，因情景設定、模型方法、參數設定或作物種類等不同，得出的結果存在差異，甚至出現正負截然相反的評估結果，給氣候變化經濟學者在評估氣候變化對糧食供需、價格和貿易的影響時選用哪篇文獻的結果作為依據進一步評估造成困擾。本文研究目的是以已有文獻中有關氣候變化對中國未來糧食單產影響的評估結果為統計樣本，構建氣候變化對糧食單產影響的損失函數，給出統一情景下氣溫、降水變化對中國主要糧食作物單產的影響。本文從1 366篇文獻中通過層層篩選，找到34篇高度相關的文獻，基于此獲得了288個研究樣本，采用統計描述分析和文獻計量Meta分析方法估計氣候變化關鍵變量對主要糧食作物單產的影響。研究結果表明，氣候變化對主要糧食作物單產的影響大小與氣候變化情景、作物種類、種植地區、是否考慮C02肥效等有關。綜合不同氣候變化情景的結果，發現：氣溫每提高1℃，中國三大糧食作物的單產整體下降約2.6%;降水每增加1%.中國三大糧食作物的單產整體約增加0.4%;C02肥效的影響存在較大爭議。綜合氣溫和降水對糧食單產的影響，本研究表明氣候變化將對中國糧食安全造成一定的沖擊，可能部分抵消技術進步等帶來的正面效應。本研究綜合相關文獻結果，提供了統一情景下氣溫、降水變化對中國主要糧食作物單產的影響，將為氣候變化的農產品供需市場模型或者氣候變化綜合評估模型（1AM）研究提供可靠的數據基礎。

關鍵詞 溫度;降水;C02肥效;糧食單產;損失函數;Meta分析

中圖分類號 F062.1;F062.2 文獻標識碼 A文章編號1002 - 2104（2019） 01 - 0079 - 07

DOI：10.12062/cpre.20181014

近年來，糧食安全相關政策和研究高度重視氣候變化影響這一要素。糧食安全事關國家全局，不僅引起全球關注，更是各國政府工作的重中之重。傳統的“糧食安全”相關政策和研究中，多關注諸如價格、收入等對需求的影響，以及科技、基礎設施投入、生產要素等對供給的影響。然而，“糧食安全”最新政策和研究越來越重視氣候變化這一非傳統要素。國際上，世界糧食安全委員會糧食安全與營養問題高級別專家組（HLPE）于2012年出版專刊討論氣候變化與糧食安全。之后，2014、2018年國際農業經濟學會（IAAE）和近年美國農業經濟學會（AAEA）舉行的年會都特別設置了氣候變化與糧食安全的主題論壇。在中國，近些年中央一號文件都指出氣候變化對農業生產的影響日益加深。

準確評估氣候變化對主要糧食作物單產的影響是回答氣候變化與糧食安全關系的前提，然而已有研究在評估氣候變化對糧食單產的影響時，因影響要素和模型方法不同，得出的結果存在差異，甚至出現正負截然相反的兩類評估結果。已有研究注意到模型不同對評估結果會造成影響，并通過開展國際上7個典型作物生長模型、5個全球大氣模式的比較以期找到差異提高評估準確度。即便這樣，常因輸入的氣候情景不同，以及是否考慮適應措施、CO，肥效和技術進步，也還常常有多個評估結果。如，與1961-1990年比，全球平均氣溫升高1℃，如果不考慮C02肥效，中國水稻單產變化- 18.6%～-6.1%，如果考慮CO2肥效，水稻單產變化-10.1%～3.3%。也有研究結果認為，與1961-1990年比，A2情景下到2020s如果不考慮CO2肥效，中國水稻單產將增加6.3%，如果考慮C02肥效，水稻單產將增加15.8%。顯然，是否考慮C02肥效會導致多個結果。另外，由于氣候情景不同，前者是升高l℃，后者是A2情景，所以出現不同的評估結果，甚至同在不考慮C02肥效情況下出現正負相反的結果。從其他文獻看，是否考慮適應措施和技術進步，是否區分灌溉農業和雨養農業評估，研究區和研究時間是否相同，這些都會得出不同的評估結果。

由于不同文獻得出的氣候變化對糧食單產的影響存在差異，氣候變化經濟學者在評估氣候變化對糧食供需、價格和貿易的影響時究竟選用哪類單產影響參數常比較困惑。眾所周知，大量研究評估了氣候變化對糧食單產的自然影響，但氣候變化經濟學家所發展的綜合評估模型（IAM）仍沒有使用現有研究中的信息構建氣候變化對糧食單產影響的損失函數。如DICE/RICE模型從20世紀90年代開始一直沿用氣溫升高2.5℃導致中國農業產值上升0.02%，美國農業產值上升0.03%，俄羅斯農業產值下降0. 82%;如FUND模型構建了全球各國一樣的農業產值與最佳溫度、實際溫度以及肥效之間的經驗公式，其中參數的估計沒有依據已有文獻評估的氣候變化對作物單產的影響結果。

文獻計量Meta分析恰恰可以充分利用現有文獻中的信息，基于源自文獻的氣候變化對糧食單產的影響結果這一樣本，控制氣候變化影響主要糧食作物單產的各個因素，獲取已有研究中溫度、降水、C02肥效等關鍵變量對于作物單產的平均影響。本文基于此研究目的，對氣候變化領域相關文獻進行梳理，匯總與單產變化相關的樣本統計量及相關控制變量，重點研究以下幾個問題：①氣溫變化對于單產變化的定量分析;②降水變化百分比對于單產變化的定量分析;③C02肥效是否對作物單產產生影響以及影響程度如何。以期這一研究能幫助進一步認識氣候變化對糧食單產的自然影響。

1 數據收集與樣本

為了分析氣候變化對中國主要糧食作物單產的影響，對國內外相關研究進行了細致搜索和收集。文獻搜索的具體方法如圖1所示：首先，以“氣候變化（暖）”“產量/單產”“作物/玉米/小麥/水稻”“氣候情景/模擬”等為關鍵詞在中國知網全文期刊數據庫（CNKI）、萬方數據庫等全文數據庫進行相關文獻檢索。同時以“Climate changescenario”“Crop/rnaize/rice/wheat”“Yield change”等關鍵詞在Web of Science、Science Direct、Google Scholar等外文數據庫進行文獻檢索。最終獲得相關文獻1 366篇。同時本文將中國作為研究區域，只選取文獻中涉及中國或中國某一區域研究結論的文獻。剔除掉不涉及中國的文獻，進一步篩選后，獲得文獻298篇。

本文重點研究預估年代下，不同情景下氣候變化對單產的影響，因此，在研究中國氣候變化對作物單產影響的298篇文獻中進一步篩選，要求文獻必須是評估未來年份的單產變化情況，針對玉米、小麥、水稻三大糧食作物，不符合任意一條原則的剔除，得到55篇文獻。進一步詳細閱讀文獻并根據作物類型進行數據分類梳理，對于定性分析以及關鍵變量（氣溫、降水）缺失的文獻進一步剔除，最終得到文獻34篇。值得說明的是，本文層層篩選出的文獻樣本必須確保符合如下原則：①必須是對中國整體或某區域進行評估的文獻，不包括對國外和全球評估的文獻;②必須是評估氣候變化對未來作物單產影響的文獻，不包括評估氣候變化對歷史單產影響的文獻;③必須是對三大類作物單獨開展評估的文獻，不包括對農業整體評估的文獻，也不包括對病蟲害、耕地、種植制度等其他方面開展評估的文獻;④必須是基于各類作物模型（文獻中主要使用的定量評估方法）的定量評估，不包括各類定性論述文獻。盡管根據直覺，應該有大量氣候變化對農業影響的文獻，甚至不少雜志還出專刊討論這一問題，但不符合上述原則的文獻都不在本文樣本中。2016年出版的《第三次氣候變化國家評估報告》對符合上述條件的文獻也進行了梳理，文獻數為26篇，比本文樣本文獻少8篇。Challinor對全球及主要國家符合上述條件的文獻也進行了梳理，文獻數也僅89篇，同時包括了全球總體及分國別結果。

我們將每篇文章中不同預估年代、不同情景下的糧食作物單產變化作為一個觀測樣本（例如，如果一篇文獻中，針對玉米、小麥、水稻三種主要糧食作物，在RCP2.6與RCP8.5情景下，分別預估2020，2050，2080三個年代的產量情況，則該文獻提供了3 x2 x3 =18個樣本觀測值）。同時再將每個樣本觀測值針對氣溫變化情況、降水變化百分比、是否考慮CO2肥效、作物類型等等進行歸納整理，這樣將每篇文章拓展為包含以上信息的多個樣本觀測值。根據上述樣本處理方式，本文對最終選取的34篇文獻進行分類匯總，最終得到樣本統計量288個。其中，玉米作物的樣本量為108個，小麥的樣本量為106個，水稻的樣本量為74個。

2 溫度、降水變化與主要糧食作物單產的統計關系

通過文獻梳理得到以下關鍵研究變量：氣候變化情景、作物種類、種植地區、灌溉條件、是否考慮C02肥效等，目前研究最多的要素是氣溫變化、降水變化和CO2肥效。氣溫越高，農作物的生長發育就越快，當活動溫度積累到一定水平時，作物完成了整個發育周期。在氣候變暖的情況下，高溫使得農作物的發育周期縮短，減少了通過光合作用積累物質的時間，從而使得產量直接減少，品質也會下降。中國地域廣、跨度大，氣候變化背景下降水的區域差異顯著，南方地區出現明顯的降水減少，使得南方地區雨養作物出現減產情況;東北地區東南部、華北降水出現小幅增加趨勢，使得灌溉作物的單產適當增加。降水對于作物單產的影響具有明顯的地域差異。C02是作物光合作用的基本要素，也是氣候變化情景構建的主要指標。C02含量增加可以提高作物的光合速率，直接刺激作物生長，提高干物質的含量，使得產量增加。這三者是本文研究氣候變化下影響單產變化的主要考察因素，利用文獻整理數據，分析這三者與作物單產之間的相關關系。

由圖2可以看出，在未考慮CO2肥效的情況下，隨著溫度升高，糧食作物單產呈明顯的下降趨勢，在溫度升高超過4℃時單產下降比例超過10%;在考慮CO2肥效的情況下，擬合曲線出現明顯的增長趨勢，單產變化明顯高于未考慮C02肥效時的估計結果，統計顯著為正。這說明了C02肥效對于氣溫升高造成的單產損失具有一定的抵消作用。同時，在變化相同溫度時，考慮肥效后的產量變化比例明顯低于未考慮肥效的變化比例，這意味著在考慮C02肥效情況下，氣溫升高造成的減產只能抵消部分負影響。

由圖3可以看出，未來作物單產變化隨著降水變化百分比的增加出現小幅增加的趨勢，但是趨勢不明顯。降水變化百分比在20%以內時，作物單產的波動較大;降水變化比例超過20%時，單產的估計值較少。根據文獻整理發現，水稻的研究區域主要來自南方地區，少量是來自于東北地區，而玉米、小麥的研究區域主要來自北方地區。從圖中可知，現有文獻對于未來降水變化百分比的估計普遍認為是增加的，這種增加能夠提高南方地區水稻、北方地區玉米和小麥的產量;從整體趨勢看，未來降水增加，三大作物的總產量還是會出現上漲的趨勢。

3 Meta回歸結果及穩定性檢驗

從前述統計描述中，可以發現溫度、降水變化均與主要糧食作物單產百分比變化存在明顯的相關關系。然而，統計描述具有一定的局限性：①只能分析三者之間的相關關系，難以考慮溫度與降水變化的相互作用以及二者與單產變化之間的定量關系;②難以定量分析C02肥效對作物單產的影響。因此，本節利用Meta回歸模型，定量分析溫度、降水變化、C02肥效等因素對小麥、玉米和水稻等主要糧食作物單產的影響。

根據Challinor等，Meta回歸的基本模型具體設定如下：域氣候模式（RegCM4.0）測算中國區域氣候變化情況，認為到21世紀末，在RCP4.5、RCP8.5情景下，平均氣溫分別增加1.8℃和3.8℃（第三次氣候變化國家評估報告）。基于我們的回歸分析結果，在RCP4.5情景下，到2100年中國主要糧食作物單產將會下降約4.6%（2.568×1.8=4.6），大體相當于過去4年中國糧食單產提高的水平（從2011年到2014年，三大類糧食作物單產從5166kg/hm2提高到5385kg/hm2，提高了約4.2%）。進一步，在RCP8.5情景下，中國主要糧食作物的單產將會下降約9.8% （2.568 x3.8 =9.8）。這超過了過去7年中國主要糧食作物單產提高的水平（從2008年到2014年，三大類糧食作物單產從4 951 kg/hm2提高到5385 kg/hm2，提高了8.8%）。考慮到水土資源、勞動力成本等制約因素之后，氣候變化對未來中國主要糧食生產將會帶來更大的威脅。

第二，降水的增多將提高糧食作物的單產。根據表1的結果，降水變化的系數顯著為正（0.371，第2行），即降水每增加1%，糧食作物的單產約增加0.4%。利用區域氣候模式（RegCM4. 0）測算到21世紀末，在RCP4.5與RCP8.5情景下，降水分別增加6.3%與8.0%。基于現有降水與產量的相關分析統計（見圖3），也發現未來降水變化呈現增長趨勢。結合回歸分析結果，認為降水的增加將提高未來中國糧食作物單產，但增長幅度不大（<3%）。

第三，C02肥力顯著增加三大糧食作物單產，甚至抵消氣溫升高造成的損失。從表1中可以看到，C02肥效的系數顯著為正（16.48，第3行）。估計結果表明，在考慮C02肥效的影響下，未來糧食作物的單產會增加約16%。我們有關CO2肥效與糧食作物單產的計量分析也印證了已有研究結論，在不同情景下的未來預估年代下，C02肥效能夠降低溫度變化造成的產量損失。同時，CO2肥效不僅能夠彌補溫度升高造成的損失，甚至帶來產量的增加。盡管CO2肥效對于作物產量的影響在自然學科領域存在很大的爭議，但是基于本研究的Meta分析結果看，C02肥效對于作物產量還是具有顯著正影響。

在Meta回歸分析的基礎上，我們利用多因素方差分析（ANOVA）進一步探討各類變量的組間方差對主要糧食作物單產總方差的影響，分析導致研究結論差異的主要影響因素。表3中的平方和表示基于均值水平的各類變量組件方差估計的平方和，將其除以總平方和得到各變量組間方差的貢獻率。顯著性基于F檢驗，表明各組變量的組間方差是否顯著影響總體方差。結果表明氣候變化對主要糧食作物單產影響的差異主要來自C02肥效、作物品種、溫度和降水的差異，分別可以解釋結論差異的51.0%、20.4%、11.5%和5.7%，四個變量可以解釋模型部分的88.6%。這與Meta回歸結果一致，正是不同研究在以上方面的差異，最終導致了關于氣候變化對主要糧食作物單產影響的不同結論。

4 結論

為進一步認識氣候變化對糧食單產的自然影響，利用已有文獻中有關氣候變化對三大糧食作物單產影響的評估結果作為樣本，通過層層篩選確定了34篇高度相關的文獻，最終獲得288個樣本，采用文獻計量Meta分析方法開展統計分析和計量估計。研究結果表明：氣候變化對主要糧食作物單產的影響因素包括氣候變化情景、作物種類、種植地區、是否考慮C02肥效等，目前研究最多的是氣溫、降水和C02肥效。氣溫每提高1℃，中國主要糧食作物的單產將下降2.6%;降水每增加1%，糧食作物的單產約增加約0.4%;在考慮C02肥效的影響下，糧食作物的單產平均增加約16%。有關氣候變化對三大糧食作物單產影響的差異主要來自不同研究在C02肥效、作物品種、溫度和降水方面的差異。

綜合氣溫和降水對糧食單產的綜合影響，本研究表明氣候變化將對中國糧食安全造成一定的沖擊。根據第三次國家氣候變化評估報告，在RCP8.5情景下到2100年中國氣溫將上升3.8℃，同時降水將提高8.0%，兩方面影響共同作用導致中國糧食單產將下降約6.7%。這也正是本研究能夠服務政策制定的方面，本研究綜合相關文獻結果，提供了統一情景下氣溫、降水變化對中國主要糧食作物單產的影響，將為氣候變化的農產品供需市場模型或者氣候變化綜合評估模型（IAM）研究提供可靠的數據基礎。

在不考慮糧食播種面積調整和氣候變化適應措施下，未來氣候變化帶來的糧食作物產量變化比較顯著。現有研究還較少考慮糧食播種面積調整和氣候變化適應行為。盡管氣候變化將在一定程度上降低中國糧食單產，但糧食產出減少同時會提高糧食的價格，在一定程度上會刺激糧食播種面積的擴大。氣候變化對糧食產量的影響最終要取決于糧食單產與播種面積的雙重影響，未來研究應當進一步考慮氣候變化對糧食播種面積的影響。另一方面，政府與農戶均可實施氣候變化的適應措施，包括加強田間管理、水利建設、調整耕作時間等，將在一定程度上抵消氣候變化的影響。但是現有研究還很少在研究氣候變化的農業影響時考慮政府與農戶的適應行為，未來的研究也應在該方面加以改進。最后，氣候變化對不同糧食作物單產的影響也可能存在差異，需要在未來的研究中深入研究氣候變化對不同區域、不同作物單產的影響。