氣候變化對非洲水資源和農(nóng)業(yè)的影響*

楊 笛，熊 偉，許吟隆

（中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081）

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氣候變化對非洲水資源和農(nóng)業(yè)的影響*

楊 笛，熊 偉**，許吟隆1

（中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081）

摘要：盡管非洲是世界上溫室氣體排放總量或人均排放量最少的地區(qū)，但在承受氣候變化造成的惡劣影響方面首當其沖。氣候變化已經(jīng)給非洲的水資源、農(nóng)業(yè)、生物多樣性、人類健康和國家安全等帶來諸多嚴重影響，糧食生產(chǎn)和水資源一直是非洲長期面臨的兩大難題，也是深受氣候變化影響的兩大領(lǐng)域。本文系統(tǒng)梳理了氣候變化對非洲水資源系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響的研究成果和不足，以期為非洲氣候變化影響評估工作提供一定參考和借鑒。已有的觀測結(jié)果表明，氣候變化導致非洲許多山脈冰川面積正在大范圍縮減、大部分地區(qū)降水量有所減少，降雨的年際間分布也更為不穩(wěn)定，通過水文模型的模擬預測，未來氣候變化將進一步影響降水量和非洲部分地區(qū)河流的徑流量，導致非洲水資源供給壓力加大。同樣，氣候變化也給非洲農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，無論是觀測結(jié)果分析，還是統(tǒng)計模型和作物模型等對不同氣候情景和時間尺度下非洲農(nóng)業(yè)的模擬研究，都顯示氣候變化對非洲農(nóng)業(yè)以負面影響為主，導致非洲干旱加劇、生長季改變和糧食產(chǎn)量下降，并可能危及非洲的糧食安全。然而，現(xiàn)有研究結(jié)果還存在較多不確定性，其主要集中在未來氣候情景數(shù)據(jù)、研究方法、數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量等方面。與世界其它地區(qū)相比，非洲氣候變化影響研究無論是研究的深度和廣度都還較欠缺，需要在未來的研究中進一步加強，以探尋減緩氣候變化對非洲水資源和農(nóng)業(yè)不利影響的有效途徑。

關(guān)鍵詞：非洲農(nóng)業(yè)；氣候變化；影響評估；水資源；適應(yīng)

楊笛,熊偉,許吟隆.氣候變化對非洲水資源和農(nóng)業(yè)的影響[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2016,37(3):259-269

作為21世紀影響世界的主要和重要環(huán)境論題，氣候變化已成為科學研究的焦點問題，它不但涉及大氣、人類活動、海洋和陸地等多個自然生態(tài)系統(tǒng)，在一定程度上影響著所有領(lǐng)域，而且由于國際社會約束性的溫室氣體減排義務(wù)，制約著國家能源工業(yè)、制造業(yè)、國民經(jīng)濟和社會發(fā)展。IPCC第五次評估報告再次確認，自20世紀50年代以來，世界各地的氣候都在發(fā)生變化[1]。

非洲是全球溫室氣體排放總量或人均排放量最少的地區(qū)，撒哈拉以南非洲（SSA）人口占世界人口的11%左右，但其二氧化碳排放量僅占全球排放總量2%[2]。同時，非洲也是對氣候變化最敏感和最脆弱的地區(qū)之一，因此，在承受氣候變化造成的惡劣影響方面也首當其沖[3]。從20世紀90年代開始，關(guān)于氣候變化對非洲水資源和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響研究陸續(xù)開展。大部分觀測和研究認為，過去幾十年，氣候變化給非洲的水資源、農(nóng)業(yè)生物多樣性、人類健康和國家安全等方面帶來了諸多嚴重影響，例如東非的熱帶高原冰川消退；西非河流水力發(fā)電減少；卡里巴湖面變暖，水體分層增加；自1970年以來，薩赫勒地區(qū)土壤干旱增加；熱帶非洲水域的珊瑚礁退化減少；薩赫勒西部地區(qū)和半干旱的摩洛哥地區(qū)的樹木密度增加；多種植物和動物的生存范圍產(chǎn)生變化；乞力馬扎羅山的野火事件增多；卡里巴湖的漁業(yè)生產(chǎn)力下降等[4]。

非洲土壤貧瘠、水分不足，多數(shù)非洲國家的農(nóng)業(yè)主要“靠天吃飯”，農(nóng)業(yè)是非洲大多數(shù)國家的經(jīng)濟命脈。糧食生產(chǎn)系統(tǒng)是最容易受到氣候變化影響的系統(tǒng)之一，而非洲的糧食生產(chǎn)系統(tǒng)又是世界上最脆弱的，氣候變化給非洲農(nóng)業(yè)帶來的風險和挑戰(zhàn)將遠超越其它任何地區(qū)和國家，甚至直接威脅到非洲一些國家的糧食安全[3]。同時非洲大部分地區(qū)自然條件惡劣，自古以來淡水就是非洲最珍貴的資源之一，據(jù)聯(lián)合國教科文組織統(tǒng)計，非洲每年有6000人死于水資源缺乏，約有3億人因為缺水而生活在貧困中，然而非洲落后的經(jīng)濟水平導致了落后的水資源管理。因此，非洲大陸的很多河流對氣候變化，尤其是降水量變化高度敏感。氣候變暖后，非洲的河流也面臨極大的威脅，受其影響，在21世紀末1/4的非洲大陸將處于嚴重的缺水狀態(tài)[5]。因此，本文擬從水資源和農(nóng)業(yè)這兩個與非洲人民生產(chǎn)和生活息息相關(guān)的領(lǐng)域出發(fā)，總結(jié)和評述前人有關(guān)氣候變化對非洲影響的研究，梳理氣候變化對非洲水資源和農(nóng)業(yè)研究的現(xiàn)狀，總結(jié)研究取得的成果，找出現(xiàn)有研究的不足和問題，這不僅有助于了解非洲水資源和農(nóng)業(yè)對氣候變化的響應(yīng)機制，探尋有效的適應(yīng)途徑，促進氣候變化對非洲影響評估工作的深入開展和完善，為氣候變化對非洲水資源和農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的影響和評估研究獻策獻力，而且也可以為中國氣候脆弱區(qū)水資源和農(nóng)業(yè)的研究提供一定參考和借鑒。

1 氣候變化對非洲水資源的影響

1.1 冰川面積減少

雖然有關(guān)氣候變化對非洲水資源的影響已經(jīng)取得了到一定研究成果，但由于缺乏長期的水文數(shù)據(jù)和氣候觀測數(shù)據(jù)，目前關(guān)于非洲水資源對氣候變化響應(yīng)的認識仍較缺乏[6-7]。

在過去的50～100a，非洲大部分地區(qū)近地表溫度至少上升了0.5℃，最低氣溫上升速度遠高于最高氣溫[4]，受此影響，非洲山脈的冰川面積正在大范圍縮減[8-10]。1912-2000年，乞力馬扎羅山的冰川面積減少了81%，如果情況持續(xù)惡化，15a后山上的冰蓋將全部消失[8]。非洲其它一些山脈也存在同樣問題，如1976-2000年坦桑尼亞境內(nèi)的Furtwangler冰川和北冰原的面積縮減了60000m2，約減少了一半[9-10]；肯尼亞山的冰蓋也大范圍融化，自1963年以來該山40%的冰蓋已經(jīng)消失[3]。冰川的消退，導致許多發(fā)源于此地的非洲湖泊、河流日漸干涸，阿特拉斯山的積雪融化使摩洛哥的季節(jié)融水供應(yīng)減少[10]；維多利亞湖和乍得湖的水量在1973-2002年減少了一半，尼羅河、尼日爾河和贊比西河等也都出現(xiàn)了嚴重的水質(zhì)和水量下降的情況[3]。

1.2 降水量減少

據(jù)實測資料分析[11-14]，近年來，非洲部分地區(qū)年降水量有所減少，降雨的年際間分布也更加不穩(wěn)定。研究人員利用CRU(Climate Research Unit)提供的格點氣象資料，通過Mann-Kendall趨勢檢驗法發(fā)現(xiàn)，1951-2002年非洲大陸大部分地區(qū)的降水呈明顯減少趨勢，雖然撒哈拉以南非洲大陸在赤道附近有小部分地區(qū)降水量呈增加趨勢，但它仍是全球降水量減少最顯著且范圍最大的地區(qū)[15]。西非的撒哈拉沙漠以南地區(qū)年降水量逐年減少，如尼日爾的馬臘迪市1979-1982年歷年降雨量分別為557、512、413 和286mm[11]；分析全球歷史氣候網(wǎng)數(shù)據(jù)集GHCN （Global Historical Climatology Network）的5° × 5°氣候插值數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示，1901-2005年非洲的薩赫勒地區(qū)的降水明顯減少；1950-1999年，薩赫勒地區(qū)的夏季（7-9月）降水量顯著減少[16]，1997-2008年平均每年的干旱天數(shù)（日降水不超過1mm）超過300d[17]。受厄爾尼諾的影響，近年來東非的降水總體增加，但是在過去的30a間東非3-5/6月的降水減少，1949-2009年非洲之角的夏季（6-9月）季風降水呈減少趨勢[4]。在20世紀下半葉南半球的夏季，南部非洲降水減少，南非的西部、博茨瓦納和津巴布韋的降水呈現(xiàn)輕微的下降趨勢[16]。

而氣候變化對未來非洲降水量的影響，不同地區(qū)和時段的降水量變化程度不同[12-14]。應(yīng)用國際耦合模式比較計劃第五階段（CMIP5）的多模式模擬RCP8.5情景下非洲未來降水情況，結(jié)果表明，在21世紀中期，中非和東非的年均降水將會增加，而在21世紀中期和末期，北非的地中海地區(qū)和南部非洲的年均降水將會減少[4]。然而應(yīng)用區(qū)域氣候模式得到的各地區(qū)降水模擬結(jié)果與全球氣候模式的模擬結(jié)果不盡一致。12個CMIP3的全球氣候模式對21世紀末東非的降水模擬結(jié)果顯示，東非10-12月和3-5月的氣候?qū)兊酶訚駶?，干旱減少，模擬結(jié)果與東非降水的歷史趨勢相反[4]；而應(yīng)用區(qū)域氣候模式WRF（Weather Research and Forecasting Model）對東非未來降水的模擬結(jié)果顯示，相較于1981-2000年，21世紀末（2081–2100年）烏干達、肯尼亞和南蘇丹8-9月的降水將減少。在西非，Itiveh等[18]應(yīng)用HadCM3、PCM、CGCM和 CSIRO共4種全球氣候模式預測了21世紀70年代尼日爾河流域（西非最大的河流）的降水變化情況，HadCM3和PCM模型的模擬結(jié)果為尼日爾河流域降水將會增多，而CGCM和CSIRO模型的模擬結(jié)果則顯示降水減少。而ICTP（the International Centre for Theoretical Physics）區(qū)域氣候模式的模擬結(jié)果顯示，2031-2050年該流域的降水并不是在所有季節(jié)都減少，其中雨季降水將會減少而干季降水增多[19]。在北非的突尼斯的北部盆地，Bargaoui等[20]應(yīng)用6種區(qū)域氣候模式（CNR-A，DMI-A，DMI-B，ICT-E，SMH-B和SMH-E）模擬A1B情景下2051-2090年該地區(qū)冬季（12-2月）和春季（3-5月）降水情況，結(jié)果顯示，相較于1961-2000年，該地區(qū)降水將會分別下降23% 和35%。在南部非洲，CMIP3的多個全球氣候模式在A2情景下的模擬結(jié)果顯示，相較于1981-2000年，2081-2100年納米比亞和博茨瓦納部分地區(qū)的夏季干旱次數(shù)將增加10%～20%，冬季降水顯著減少[21]；而同樣在A2情景下，CCAM（Conformal-Cubic Atmospheric Model）的降尺度模擬結(jié)果顯示，2070-2100年南非的東南地區(qū)和德拉肯斯堡山脈的夏季將變得更加濕潤[22]。

1.3 徑流減少

氣候變化使某些地區(qū)徑流量減少，加大了當?shù)氐乃Y源供應(yīng)壓力，南部非洲地區(qū)尤為嚴重[23]。研究人員利用不同的降水徑流模型、氣候模式和氣候情景，進一步預測了不同氣候變化背景下未來南部非洲的河道徑流情況（表1）。從表1可見，大部分研究結(jié)果表明，非洲河流的徑流量將會減少[24]，但不同地區(qū)減少程度不同：12個全球氣候模式和Watbal降水徑流模型的模擬結(jié)果顯示，斯威士蘭主要流域的徑流量在未來（2021-2060年）將出現(xiàn)不同程度的減少，最嚴重的減少40%[25]；Beck等[26]使用水文模型將水資源需求情景和未來氣候數(shù)據(jù)結(jié)合，評估2050年南部非洲的贊比西河流域（南部非洲第一大河）可利用的水資源情況，結(jié)果顯示贊比西河流域的徑流量將減少，其中Cuando Chobe子流域徑流量甚至會下降100%；HBV水文模型和RCA3區(qū)域氣候模式的模擬結(jié)果顯示，與1961-1990相比，1991-2020年莫桑比克的Bué Maria子流域（屬蓬圭河流域）的部分地區(qū)的年均徑流量將減少55%～75%[27-28]；Zhu等[29]應(yīng)用半分布式水文模型和IMPACT的水模擬模塊，分析了4種氣候變化情景下2030年非洲東南部的林波波河流域的徑流量，結(jié)果顯示比1961-1990年減少35%；Andersson等[30]應(yīng)用Pitman水文模型和4個GCM模擬博茨瓦納的奧卡萬戈河流域未來的水流量變化，結(jié)果顯示，相較于基準年，A2（B2）情景下2050-2080和2070-2090年該地區(qū)的流量分別減少20%（14%）和26%（17%）。然而個別流域的徑流量也可能會增加，根據(jù)10個GCM的統(tǒng)計和動力降尺度模擬結(jié)果顯示，到2050年南非的圖蓋拉河的部分流域徑流量將會增加[31]，斯威士蘭的某些流域?qū)⒃黾?%～34%[25]。

表1 南部非洲地區(qū)的主要流域徑流量對未來氣候變化的響應(yīng)Table 1 The response of runoff of major basins in southern Africa to climate change in the future

1.4 地下水受其影響較小

對非洲地下水資源的觀測還比較缺乏，已有研究認為，氣候變化對非洲地下水的影響總體而言相對較小[32-35]，但在不同氣候區(qū)略有差別[4]。氣候變化對非洲地下水的影響和地下水供應(yīng)潛力的評估也還需要對非洲水資源現(xiàn)狀和潛力有更多的認識[35]。

綜上所述，氣候變化已經(jīng)在冰川面積、降水量、河流徑流量等多方面對非洲水資源產(chǎn)生影響，導致非洲水資源危機進一步加劇。但是也有研究認為，關(guān)于氣候變化對非洲水資源短缺的影響有夸大嫌疑，一些非氣候因素的影響才應(yīng)該承擔主要責任，如人口和經(jīng)濟的增長，灌溉農(nóng)業(yè)的擴張和水利調(diào)度等[13,34]。Droogers等[33]指出，2050年北非地下水資源的短缺其78%歸因于社會經(jīng)濟因素，而20%決定于氣候變化。

2 氣候變化對非洲農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響

2.1 干旱加劇

非洲是世界上氣候干旱面積最廣的大洲，約有3/5的地區(qū)屬于干旱、半干旱氣候區(qū)。許多地區(qū)都是旱災頻發(fā)地，受到周期性干旱的長期困擾[36]。干旱對非洲的經(jīng)濟、自然資源、生態(tài)系統(tǒng)、人類健康等產(chǎn)生巨大影響。近幾十年來，整個非洲干旱頻率和強度均有所增加。根據(jù)CRU的格點氣象數(shù)據(jù)，通過計算地表濕潤指數(shù)，發(fā)現(xiàn)1951-2002年全球大部分地區(qū)均出現(xiàn)干旱化趨勢，尤以非洲大陸的干旱化最為劇烈，明顯由濕向干轉(zhuǎn)換，1979 年以前的非洲大陸相對較濕，而從1979年開始轉(zhuǎn)為一個嚴重的干旱時段[15]。在過去的30～60a間，東非的干旱頻次增加，2011年非洲之角遭遇了特大干旱，降水量僅為正常年份的5%～50%不等。Lott等[37]使用海平面溫度觀測數(shù)據(jù)和HadGRM3-A模型下的ACE2010 （Attribution of Climate-related Extremes）系統(tǒng)來研究該次干旱發(fā)生的原因，結(jié)果顯示，由人類活動引起的氣候變化導致了此次大旱。IPCC第五次評估報告（2013年）指出，氣候變化背景下，非洲北部和非洲南部等干旱的地區(qū)將會更加缺水，干旱程度進一步加劇[4]。到2020年，旱災將會影響SSA地區(qū)的7500萬～2.5億多人口[23]；到2060年，SSA地區(qū)遭受旱災的地區(qū)可能增加6000萬～9000萬hm2，損失可達260億美元（以2003年的價格為標準）[2]。在東非和南部非洲的部分地區(qū)，由于降水減少和蒸散增加，干旱將會加劇，其中南部非洲的西南地區(qū)將會在21世紀末面臨非常嚴重的干旱[4]。

2.2 作物生長季變化

非洲許多國家盛行遷移農(nóng)業(yè)，多數(shù)地區(qū)的耕作方式和技術(shù)都非常落后，現(xiàn)代化水平極低，糧食單產(chǎn)不足世界平均水平的50%。但農(nóng)業(yè)又是大多數(shù)非洲國家的經(jīng)濟命脈，非洲國家25%～35%的國內(nèi)生產(chǎn)總值、60%的就業(yè)及農(nóng)村人口的主要收入都來自農(nóng)業(yè)。氣候變化對非洲農(nóng)業(yè)的影響涉及方方面面，如改變了生長季長短，加大了對高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的不利影響，影響病蟲害分布等，總體來說，以負面影響為主，但其影響程度也因區(qū)域、作物種類不同而存在差異[10,38-44]。

氣候變化使非洲生長季的長短發(fā)生改變，不同地區(qū)生長季縮短和延長的程度不同[45-46]。Cook等[46]模擬A1B情景下2041-2060年非洲生長季的長度，結(jié)果顯示：在西非，生長季對氣候變化的響應(yīng)表現(xiàn)出高度的區(qū)域性，幾內(nèi)亞海岸附近地區(qū)的生長季天數(shù)將減少20%，在東部地區(qū)將增加5%～10%；薩赫勒的中部和東部地區(qū)的生長季天數(shù)預計將增加30%，其它區(qū)域內(nèi)生長季將縮短；隨著印度洋變暖，東非越來越多種植區(qū)域的生長季縮短；中非大部分地區(qū)的生長季將增加20～60d（5%～15%）；非洲南部的絕大部分地區(qū)生長季將會縮短，其中西南地區(qū)的生長季將減少30～90d（40%～80%）。

2.3 糧食產(chǎn)量下降

糧食生產(chǎn)一直是非洲各國面臨的重要問題，近30a來，受單產(chǎn)和播種面積均增加的影響，盡管非洲糧食產(chǎn)量總體上呈現(xiàn)增加趨勢[47]，但人均糧食產(chǎn)量卻持續(xù)下降[48]，而這也是全球唯一人均產(chǎn)量持續(xù)下降的地區(qū)。氣候變化對糧食產(chǎn)量的影響，是氣候變化對非洲農(nóng)業(yè)影響評估領(lǐng)域的關(guān)注焦點，也是目前相關(guān)研究資料中涉及最多的方面。氣候變化對非洲主要糧食作物產(chǎn)量總體上以負面影響為主[4]。全球平均氣溫每升高1℃，非洲干旱地區(qū)農(nóng)作物產(chǎn)量將減少約10%[2-3]。Sivakumar[49]研究尼日爾的降雨格局變化與珍珠粟產(chǎn)量變化之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)1965-1988年的生長季降雨天數(shù)相對于1945-1965年減少5～20d，作物減產(chǎn)風險因此增大。Lobell等[41]通過對1999-2007年非洲2萬個以上的歷史玉米實驗數(shù)據(jù)進行分析，認為非洲玉米產(chǎn)量對熱量響應(yīng)的主要限制因素是水分，在充分灌溉和雨養(yǎng)兩種條件下，生育期內(nèi)日平均氣溫比30℃每增加1℃，玉米產(chǎn)量將分別降低1%和1.7%。

研究者利用不同方法（如統(tǒng)計模型、作物機理模型、計量經(jīng)濟學模型等），針對不同時間尺度和未來不同假設(shè)情景，進一步評估了未來氣候變化對非洲糧食產(chǎn)量的影響。Schlenker等[50]應(yīng)用面板回歸法分析了非洲多種作物的產(chǎn)量和歷史氣候數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)至21世紀50年代，氣候變化使撒哈拉以南非洲地區(qū)的主要糧食作物產(chǎn)量下降，玉米、高粱、稷、落花生、木薯產(chǎn)量分別下降22%、17%、17%、18%和8%；Lobell等[38]應(yīng)用統(tǒng)計模型分析非洲4個地區(qū)的10余種作物在20種氣候模式下2030年未來情景數(shù)據(jù)的響應(yīng)表明，以玉米為主的生產(chǎn)系統(tǒng)最易受到損害，尤其是在南部非洲地區(qū)，該地區(qū)的玉米將會減產(chǎn)30%左右；Thornton等[51]使用DSSAT模型模擬東非各國的未來產(chǎn)量，結(jié)果表明2030和2050年東非國家中玉米增產(chǎn)幅度最大的是肯尼亞（15.0% 和17.8%），玉米減產(chǎn)最多的分別是坦桑尼亞（3.1%）和烏干達（8.6%）。Eid等[52]的研究表明，北非的小麥對未來氣候變暖有很高的脆弱性。

非洲不同地區(qū)、不同作物種植系統(tǒng)受到氣候變化的影響和應(yīng)對氣候變化的能力不同。部分研究認為，由于氣候變暖和干旱，非洲大部分地區(qū)糧食減產(chǎn)將愈演愈烈，21世紀50年代，非洲總體的糧食產(chǎn)量預計將下降10%～20%，并且由于極端氣候，如高溫、干旱和洪水，某些地區(qū)產(chǎn)量損失將更嚴重[53-54]；Roudier等[42]基于16篇文獻的總結(jié)也得出相似的結(jié)論：非洲地區(qū)糧食作物平均減產(chǎn)11%。但也有研究認為，由于不同作物的最適溫度不同，其對氣候變化的響應(yīng)具有很強的空間異質(zhì)性，因此，并非所有作物都會因氣候變暖而減產(chǎn)，糧食產(chǎn)量整體上可能會略有增加，如使用GEPIC模型模擬21世紀30年代，撒哈拉以南非洲地區(qū)主要糧食產(chǎn)量，其中稷、水稻和玉米將分別增產(chǎn)7%～27%、5%～7%和3%～4%[39]。除了糧食作物，升溫將會使適宜種植高價值經(jīng)濟作物（茶、咖啡和可可豆等）的農(nóng)業(yè)氣候區(qū)面積縮減，可能會對出口產(chǎn)生不利影響[55-58]。另外，耕地面積將會減少，如果沒有足夠時間和切實有效的適應(yīng)措施應(yīng)對，將會嚴重影響農(nóng)業(yè)發(fā)展[59]。

玉米作為非洲一半以上人口的主要糧食作物，是非洲種植面積最廣的作物，也是目前被研究最多的作物，以玉米為主的生產(chǎn)系統(tǒng)最易受到氣候變化的不利影響[50]。模擬不同氣候情景下非洲的玉米產(chǎn)量對氣候變化的響應(yīng)后發(fā)現(xiàn)，沒有水分限制條件時，在CO2濃度加倍和日平均氣溫升高的條件下，玉米產(chǎn)量的變化會在CO2的有利影響和升溫的不利影響中達到一定程度的平衡。CO2濃度加倍和日平均溫度升高2℃時玉米將增產(chǎn)，但升高4℃則會導致減產(chǎn)。在所有情景下播期提前將促進玉米產(chǎn)量增加，從而減緩氣候變化帶來的不利影響[60]。

用元分析法對前人研究進行總結(jié)，發(fā)現(xiàn)到21世紀50年代非洲玉米產(chǎn)量變化顯著，將減產(chǎn)5.4%[61]，其中有研究認為減產(chǎn)幅度將達10%[50]。玉米產(chǎn)量變化顯著的地區(qū)包括南部非洲（-11.4%）、中非（+13.1%）、西非（-7.4%）和薩赫勒（-12.6%），東非和北非的玉米產(chǎn)量變化不顯著[61]。津巴布韋和南非是SSA地區(qū)化肥使用最高的國家，雖然這兩個國家平均產(chǎn)量高，但是也對溫度升高更加敏感，因此，津巴布韋和南非預計是撒哈拉以南非洲地區(qū)玉米減產(chǎn)幅度最大的區(qū)域[50]。在21世紀末（2070-2100年），南非玉米產(chǎn)量減產(chǎn)幅度可能高達28%[62]。

而有些地區(qū)產(chǎn)量則會受益于氣候變化，如在埃塞俄比亞高原靠近亞的斯亞貝巴的地方，局部地區(qū)作物增產(chǎn)幅度預計可達100%[50]。此外，非洲東部地區(qū)海拔1700m以上一些地區(qū)玉米的生產(chǎn)也將會受益于升溫的影響。目前非洲玉米生產(chǎn)主要分布在低海拔地區(qū)，因此未來非洲玉米生產(chǎn)的分布可能會發(fā)生改變[40]。

氣候變化還改變了非洲地區(qū)病蟲害的分布，從而進一步影響作物產(chǎn)量。如在東非高原，升溫使作物害蟲的活動范圍擴大到了以前熱量資源不足的地區(qū)。升溫使咖啡果小蠹對東非的阿拉比卡咖啡生產(chǎn)產(chǎn)生嚴重威脅，如埃塞俄比亞、肯尼亞、烏干達、盧旺達和布隆迪等國家的咖啡產(chǎn)區(qū)[63]。升溫還使東非的香蕉產(chǎn)區(qū)香蕉穿孔線蟲分布的海拔高度擴大[64]。至2020年，最低溫度的升高將會擴大黑葉條斑病分布的范圍[65]。

3 氣候變化對非洲糧食安全的影響

糧食安全是人類生存發(fā)展面臨的首要問題，它與社會和諧、政治穩(wěn)定、經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展息息相關(guān)。由于長期的殖民統(tǒng)治，非洲農(nóng)業(yè)畸形發(fā)展，重經(jīng)濟作物、輕糧食生產(chǎn)，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施及技術(shù)普遍落后，人才匱乏，抵御自然災害能力差，糧食持續(xù)嚴重短缺。在非洲，農(nóng)業(yè)年均增長率僅2.5%左右，糧食增長尚不夠養(yǎng)活增長的人口。聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）發(fā)布的報告稱，非洲撒哈拉以南地區(qū)是人口營養(yǎng)不良率最高的地區(qū)，饑餓人口占2/3，比例之高居全球之首，世界上30個急需糧食捐助的國家中，非洲有20個[48]。Smith等[66]使用食物能量赤字衡量評估12個非洲國家的目前平均糧食不安全率約為59%，F(xiàn)AO的評估結(jié)果為39%。

全球變暖給非洲帶來的最大挑戰(zhàn)就是糧食安全問題。氣候變化使南非西開普省的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到嚴重影響，導致22%的居民挨餓[3]；2008年，南非第一次成為糧食進口國[3]；2011年非洲東部的非洲之角遭遇了60a不遇的大旱，爆發(fā)了自20世紀80年代以來最嚴重的饑荒，據(jù)援助機構(gòu)估計，超過1000萬人口已經(jīng)受到了嚴重的影響，數(shù)萬人餓死，并由此引發(fā)了世界廣泛關(guān)注的糧食危機[67]。吳文斌等[68]利用構(gòu)建的評價框架和模型，選擇水稻、玉米、小麥和大豆等4種全球主要作物類型，對未來2020年的全球糧食安全狀況進行了評價，結(jié)果表明，到2020年，由于其人均糧食占有量和人均GDP兩個指標值都明顯降低，多數(shù)非洲國家存在高度的糧食危機和饑餓風險加重的趨勢。同樣，氣候變化還對非洲畜牧業(yè)產(chǎn)生嚴重危害。在農(nóng)牧過渡帶，包括西非薩赫勒地帶、非洲東部和東南部的海岸和中等海拔地帶，預計畜牧業(yè)將在2050年之前取代種植業(yè)，這些地區(qū)目前養(yǎng)活了3500萬人，并且長期面臨著糧食安全問題[51]。漁業(yè)也是事關(guān)非洲地區(qū)糧食安全問題的重要因素，非洲居民飲食中27%的蛋白質(zhì)來自魚類[3]。溫度升高使東非Tanganyika湖的漁業(yè)生產(chǎn)力降低，預計魚類產(chǎn)量減少約30%[69]。對132個國家的漁業(yè)脆弱性的評估結(jié)果顯示，其中2/3最脆弱的國家在非洲，如安哥拉、剛果、毛里塔尼亞和塞內(nèi)加爾。未來非洲地區(qū)對魚類的需求將增加，為了保證魚類的供需平衡，至2020年非洲的水產(chǎn)養(yǎng)殖需要增產(chǎn)近500%[70]。

可見，無論從廣義農(nóng)業(yè)的角度，還是狹義上的農(nóng)業(yè)，氣候變化都給非洲的糧食安全帶來了威脅，作為世界糧食危機的中心，撒哈拉以南非洲，預計在21世紀上半葉將面臨更為嚴重的糧食問題[71]。

4 研究的局限性

4.1 研究結(jié)果的差異性和不確定性

已有研究結(jié)果還存在一定的不確定性。不同的研究者、研究方法和時空尺度的評估結(jié)果差異較大，有些研究即使針對同一地區(qū)，其結(jié)果都存在較大差異，甚至是相互沖突的結(jié)論。這些不確定性主要集中在以下幾個方面：

（1）未來氣候情景數(shù)據(jù)的不確定性。無論是IPCC排放情景特別報告（Special Report on Emissions Scenarios，SRES）的排放方案，還是IPCC第五次評估報告提供的典型濃度路徑情景（Representative concentration pathways, RCPs），基于輻射強迫預測的未來氣候變化，都設(shè)定了多個級別的未來可能的情景假設(shè)，也由此生成了多套氣候情景數(shù)據(jù)。盡管這些氣候情景為氣候變化研究工作提供了科學參考，但是其自身仍不可避免地存在不確定性。依據(jù)這些氣候情景，利用不同的時間和空間的降尺度方法獲得了逐日天氣數(shù)據(jù)，而這一過程也不可避免地存在不確定性。盡管這些不確定性不可避免，但是如果評價過程中采用多套情景數(shù)據(jù)、多種模式進行分析將有助于有效地降低這些不確定性，并展現(xiàn)這些不確定的分布和來源。

（2）研究方法的不確定性。目前氣候變化對非洲農(nóng)業(yè)的影響和評估研究，主要采用作物模型、統(tǒng)計模型和經(jīng)濟模型3種方法。不同研究方法所得的結(jié)果往往存在較大差異，作物機理模型方法顯示的氣候變化對非洲農(nóng)業(yè)影響率范圍在-84%～62%；統(tǒng)計方法評價的影響率范圍則在-57%～30%；而用計量經(jīng)濟學方法研究顯示則處于-100%～168%[72]。

每種研究方法各有其優(yōu)缺點，也各有其本身的不確定性。作物模型可以基于不同的模型輸入數(shù)據(jù)，有效模擬出不同驅(qū)動因子對作物產(chǎn)量的時空影響。近年來，其在農(nóng)業(yè)決策管理、氣候變化影響評價、精準農(nóng)業(yè)以及農(nóng)田科學管理等方面發(fā)揮著日益重要的作用，也是目前非洲氣候變化研究領(lǐng)域中運用最多的研究方法。然而，利用作物模型進行模擬時，由于模型本身的缺陷（如模型不能反映病蟲草害的影響，還無法模擬一些氣象災害等）、觀測的誤差以及模型輸入數(shù)據(jù)質(zhì)量等原因，模擬結(jié)果存在著不確定性，而且不同的作物模型，由于其本身的機理、初始條件、輸入數(shù)據(jù)等不同，導致不同模型的模擬結(jié)果之間也存在較大差異。而統(tǒng)計模型在分析氣候變化影響評估研究中具有很多優(yōu)點，如需要較少的數(shù)據(jù)、能定量給出結(jié)果的置信區(qū)間和不確定性大小等，但受到所用數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量、統(tǒng)計模型選擇、以及簡化問題等因素限制，而且也很難將數(shù)據(jù)之間的統(tǒng)計關(guān)系外推到幾十年后的將來，故降低了這些統(tǒng)計結(jié)果的應(yīng)用價值[73-75]。而經(jīng)濟模型在評價經(jīng)濟作物產(chǎn)量受氣候變化的影響，以及農(nóng)民收入、產(chǎn)量系統(tǒng)和環(huán)境條件直接的統(tǒng)計關(guān)系等方面發(fā)揮著自身的優(yōu)勢，但是由于數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)量的限制，基于的相關(guān)假設(shè)，以及復雜問題的簡化等因素限制，其結(jié)果尚存在較大的不確定性。

今后的研究中，需開展作物模型與統(tǒng)計模型的比較研究，通過比較兩類模型結(jié)果的差異，取長補短，降低不確定性，提升研究成果的科學性和研究精度。

（3）數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)量引起的不確定性。研究數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量直接關(guān)系到研究結(jié)果的正確性和準確性。然而，受多種原因的影響，長期、全面的農(nóng)業(yè)和水資源觀測數(shù)據(jù)在非洲地區(qū)還較匱乏，諸如非洲地區(qū)作物栽培、管理、土壤條件、地下水量等資料都是非常難能可貴的。長時間序列的觀測數(shù)據(jù)，不但是模型參數(shù)校準和確定中所必需的，也在統(tǒng)計模型構(gòu)建中起著重要作用。然而目前非洲地區(qū)的數(shù)據(jù)無論是從質(zhì)量還是數(shù)量的角度，都難以滿足研究需要，導致研究的不確定性也相應(yīng)增大。

進一步收集非洲地區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)的同時，立足于非洲現(xiàn)有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水資源的實際情況和數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)量，科學分析和評估研究結(jié)果不確定性的來源和大小，將有助于提高研究結(jié)果的科學性。

4.2 進一步加強綜合性研究工作

目前已有的非洲氣候變化影響和評估研究，主要集中在溫度、降水變化等方面，而且主要是針對日平均溫度或降雨總量的變化進行分析。然而，氣候變化本身是一個多氣候因子相互作用的復雜過程，它不僅包括平均溫度、降水等氣候指標平均狀態(tài)的增減，而且包括各氣候因子的時間和空間的動態(tài)變化。況且糧食生產(chǎn)和水資源也不僅僅是農(nóng)業(yè)和水資源問題，還受到社會、經(jīng)濟、政策、勞動力、氣候環(huán)境、作物生理等多個方面影響，因此，有必要從多角度、多層面、系統(tǒng)性開展氣候變化對非洲糧食生產(chǎn)和水資源的影響研究，通過多學科、多領(lǐng)域的配合，全面了解和評估氣候變化的影響。

4.3 加強氣候變化適應(yīng)行動的研究工作

減緩和適應(yīng)是應(yīng)對氣候變化影響的有效途徑。隨著氣候變化對非洲影響認識的加深，非洲水資源和農(nóng)業(yè)對氣候變化的適應(yīng)問題也得到非洲國家以及國際社會的越來越多的關(guān)注和重視，如歐盟-非洲的氣候變化聯(lián)合行動，全球農(nóng)業(yè)磋商組織的氣候變化、農(nóng)業(yè)和糧食安全研究計劃，2008年聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署、中國和非洲簽署的南南合作以及世界銀行、21世紀議程和國家環(huán)境行動計劃提出的可持續(xù)水資源管理框架等[3,76]。非洲的部分國家也制定了相關(guān)的國家行動計劃來適應(yīng)氣候變化，在埃塞俄比亞的北部地區(qū)，正在推行一個全球環(huán)境基金資助的旨在遏制土壤退化和幫助農(nóng)牧民提高抗旱能力的計劃。

截至目前，部分非洲的農(nóng)戶和政府已經(jīng)提出或者采取了一定的適應(yīng)氣候變化的措施。南非和埃塞俄比亞調(diào)查了1800家農(nóng)戶，分析和總結(jié)了農(nóng)戶采取的適應(yīng)氣候變化的措施，主要包括品種更替，播期調(diào)整，植樹造林，水土保持和增加灌溉等，其中大部分當?shù)剞r(nóng)民并沒有調(diào)整耕作方式[77]。受氣候變化等因素的影響，近年來乍得湖水量急劇下降，當?shù)貪O民為了適應(yīng)這一變化已在裸露的河床上改種作物[5]。但是由于非洲農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系的特殊性，簡單的調(diào)整播期、更替品種等措施對改善和解決非洲農(nóng)業(yè)所面臨的糧食安全問題效果并不明顯。灌溉和施肥在糧食產(chǎn)量提高中的作用和貢獻不容忽視，F(xiàn)ox等在非洲生長季降雨為583mm 的布基納法索實驗農(nóng)場發(fā)現(xiàn)，灌溉可使高粱產(chǎn)量增加41%[78]。蘇丹自1978年就開始增加農(nóng)業(yè)灌溉面積，目前糧食產(chǎn)量已基本達到自給自足水平。因此，改變非洲農(nóng)業(yè)目前過于依賴天氣的現(xiàn)狀，在區(qū)域和國家層面上增加灌溉面積，合理施肥是提高農(nóng)業(yè)的適應(yīng)能力，保障糧食安全的重要和必要的舉措之一。然而，不斷增加的農(nóng)業(yè)灌溉用水需求與水資源缺乏之間的矛盾也會因此更為突出。為了緩解水資源緊張問題，Matondo[25]提出了高效用水、污水回用、雨水收集、利用地下水、水資源綜合管理（IWRM）、實現(xiàn)水資源開發(fā)和跨流域調(diào)水等應(yīng)對策略。

在非洲，盡管減緩和適應(yīng)措施在應(yīng)對氣候變化中的作用越來越得到肯定，但是目前相關(guān)研究仍然較缺乏。已有研究提出的應(yīng)對措施往往是政策性、宏觀層面的，可操作性和指導性較差，且缺乏適應(yīng)的風險分析、成本分析和效果分析等，容易導致適應(yīng)實施過程中的盲目性和主觀性，因此，今后仍需進一步加強非洲水資源和農(nóng)業(yè)的氣候變化的適應(yīng)性研究，探尋符合非洲區(qū)域特征的、有效而可行的適應(yīng)道路。

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A Review on Impacts of Climate Change on Water Resource and Agriculture in Africa

YANG Di, XIONG Wei, XU Yin-long
(Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081,China)

Abstract:Africa shares the lowest portion of greenhouse gases emission in the world both in total and per capita, yet she suffers mostly from climate change. Climate change affects Africa’s water resources, agriculture, biodiversity, human health, and national security. Food and water security are the two major challenges facing Africa whilst have been deteriorated by climate change. This study reviews the new findings of climate change impacts on water system and agriculture in Africa and their limitations, with the attempt to facilitate and promote enhanced researches related to climate change impact and vulnerability. Observation shows that climate change has led to rapid melting of glaciers, reduced rainfall and increased variability. Hydrological simulation demonstrates that further climate change would decrease precipitation and runoff in some areas, worsening current fragile water supply in most of Africa. Africa’s agriculture faces unprecedented challenges under climate change. Both observation and simulation indicate climate change posed negative effects on Africa’s agriculture. Increased risks of drought, changed growth season and decreased crop yield, would likely threat food security in Africa. Uncertainties in these studies mainly come from climate scenarios, methods, quality and quantity of data. Compared to other regions, Africa is short of comprehensive and in-depth researches related to climate change impact and vulnerability, therefore expectssubstantial investment on such activities to devise effective strategies in mitigating the negative effects of climate change on water resources and agriculture.

Key words:Africa agriculture; Climate change; Impact assessment; Water resource; Adaptation

doi:10.3969/j.issn.1000-6362.2016.03.001

* 收稿日期：2015-10-29**通訊作者。E-mail：xiongw@ami.ac.cn

基金項目：國家自然科學基金（41171093；41471074）；“十二五”科技支撐課題（2012BAC19B0101）

作者簡介：楊笛（1992-），女，碩士生，主要從事氣候資源與氣候變化研究。E-mail：yangdi_caas@126.com