摘要 摘 要：农业气象学是研究气象条件与农业相互关系及其规律的一门学科, 既是基础农学的学科之一, 也是一门交叉边缘学科。回顾世界农业气象研究历史, 中国现代农业气象学六十多年的
摘 要：农业气象学是研究气象条件与农业相互关系及其规律的一门学科, 既是基础农学的学科之一, 也是一门交叉边缘学科。回顾世界农业气象研究历史, 中国现代农业气象学六十多年的研究发展轨迹表明:农业气象研究坚持需求和问题导向, 在解决农业生产重大需求和科学问题中得到不断发展;坚持跟踪国际学科发展前沿, 不断完善研究理论和方法, 实现了从解释科学到试验科学的质的飞跃;坚持吸收最新科学技术发展成果, 不断派生出新兴交叉和边缘学科分支。
全国农业气候区划、农业气候资源开发利用、农业气象产量预报与遥感估产、气候变化农业影响、温室气体排放测定与国家清单、旱作农业关键技术与区域治理、农业气象灾害防御技术、都市型设施园艺等重大技术成果在保障国家粮食安全、促进现代农业发展中发挥着基础性、关键性的科技支撑作用。未来农业气象学将在农业气候与农业布局优化、生物气象与农业绿色发展、农业气象灾害与风险管理、农业小气候与工厂化农业、农业气象信息与智慧农业等重点领域发挥越来越重要的作用。
关键词：农业气象学; 农业气候资源利用; 气候变化; 农业气象灾害; 农业小气候
0 引言
农业气象学是研究气象条件与农业相互关系及其规律的一门学科。它一方面研究与农业有关的气象条件, 即光照、温度、降水、大气CO2等气象要素的数量、质量及其时空耦合状况, 揭示其对农业动植物和微生物生长发育过程的影响规律;另一方面也研究制约农业的气象条件及其解决途径。这里的农业, 不单指农业生产, 还包括产前的部署、准备和产后的收获、贮藏、运输、加工、销售、金融服务等过程。农业气象学既研究农业气象指标、模式、规律、机制, 也研究农业气象措施、仪器、装备、制剂等, 而且两方面的研究需要彼此紧密联系。农业气象学是基础农学的学科之一, 也是一门交叉边缘学科。经过六十多年的发展, 中国现代农业气象学研究逐步形成了完善的学科体系, 包括作物气象、畜牧气象、林业气象、农业气候、气候变化、农田小气候、农业气象灾害、农业气象观测、农业气象信息、农业气象预报等。
1 世界农业气象研究发展概述
1854年俄国出版了《农业气象学》, 1901年俄国发行了农业气象学期刊, 代表近代农业气象学的初步建立[1]。1913年, 国际气象组织 (IMO, 1950年改为世界气象组织, WMO) 下设的农业气象委员会 (CAg M) 正式成立, 旨在推动世界范围内的农业气象学的研究和交流。20世纪前半叶, 世界农业气象的相关研究主要有[2]:农产品产量与气候变量的统计学关系;美国、欧洲和亚洲通过大量的实验室和大田实验研究模拟生物组织对天气或气候差异的响应;中东欧通过小气候和植物生长观测系统性仪器, 解释植物生长的气候原因、影响及其交互作用;土壤特性、热交换和水分运动间联系的研究;美国密苏里气候实验室开展的乳牛生理响应和产量与温度、风、辐射变化的关系研究。
加利福尼亚埃尔哈特植物研究实验室利用生长箱和人工气候箱开展变化环境条件下生物响应研究并建立模型。这一时期的农业气象的研究主要是揭示气象条件对农业影响的规律, 重点关注为什么作物和森林生长在特定的地点;植物生长如何受到天气、气候、小气候的影响;地球表面辐射和能量平衡的变化是如何改变小气候、气候和天气的;如何应用农业气象科学原理改进农田和森林管理等科学问题。
20世纪后半叶, 《农业气象》 (Agricultural Meteorology) 于1964年创刊, 1984年刊名改为《农林气象》 (Agricultural and Forest Meteorology) 。从该期刊发表论文看, 这一时期世界农业气象学关注最多的是与水相关的主题, 其次依次是能量平衡和热传输、森林生长和产量、气候变化、跨学科的病虫害综合管理和遥感等。现代数据管理系统和程序、气候变化影响与应对气候变异和气候变化的农业气象适应策略、新的环境公约和机会、数值模拟模型、估算方法、先进仪器开发与校准、温室等研究领域也成为热点。进入21世纪, 随着信息技术和生物技术的发展, 世界农业气象学的研究领域进一步拓展, 研究手段进一步提高。
同时随着气候变化和极端天气气候事件的频发, 农业气象灾害风险加大, 加强了作物模式与遥感和GIS技术的结合, 用于开展区域或全球气候变化背景下和情景下作物生产系统所受的影响及响应;多模式数值天气预报、基于农业专用参数的模拟模式与农业决策系统的耦合;面向用户需求的干旱等监测、早期预警和评估系统构建;围绕农业气象风险的防御、评估、减缓和适应等建立了农业气象风险管理研究体系, 特别是干旱监测、风险识别、干旱预测和早期预警服务已经建立了全球协同的原则性目标;注重多源数据的获取与管理;气候变化/变率与农业气象灾害研究成为热点;农业对气候状态的影响研究成为重点并提出了减排方案与减缓策略;不同尺度农业气象决策支持系统开发加强;气候变化区域层面适应研究加强;空气污染物监测评估与影响, 空气质量控制保护与农业温室气体排放开展联合研究;高分辨率天气和季节模式的农业应用研究取得突破;实地观测与遥感测量一体化技术, 以及多源数据融合方法研究提高了农业气象监测预警评估水平;农业气象测量技术和仪器研发进一步提高。
2 中国现代农业气象研究发展
1953年开始执行中国国民经济建设第一个五年计划, 为了满足农业发展要求, 决定开展农业气象研究工作。1953年3月6日成立了中国最早的农业气象研究机构—华北农业科学研究所农业气象组, 即现中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所的前身。1956年北京农业大学 (现中国农业大学) 设置农业气象专业, 沈阳农业大学也于1958年、南京气象学院 (现南京信息工程大学) 于1960年开始招收农业气象专业本科生, 并逐步开展硕士和博士学位研究生培养。1979年中国农业科学院研究生院成立并设立了农业气象专业[3]。1978年5月全国农牧科技规划会议决定恢复和发展中国农学会及分会活动。同年12月, 根据中国农业发展需求, 为加强全国的农业气象研究, 全国农业气象科技规划会议提出了成立农业气象学会的倡议, 并列入1978—1985年农业气象科技发展规划。1979年8月3日, 中国农学会批复同意筹备成立农业气象研究会, 作为中国农学会的二级学会, 挂靠在中国农业科学院农业气象研究室, 1994年, 农业气象研究会更名为中国农学会农业气象分会。1979年, 《农业气象》学术期刊 (现为《中国农业气象》) 正式创刊。农业气象专业研究机构的建立、大学农业气象专业的设立、中国农学会农业气象分会的成立和专业学术期刊的创立, 标志着中国现代农业气象学的教育、科学研究和全国大协作走上了正规和快速发展的轨道。
2.1 作物气象研究
20世纪50年代, 主要研究了小麦、水稻、棉花等主要农作物的生长发育农业气象指标及气象要素与作物生育、产量的关系;60年代主要研究了小麦生态气候型;70年代研究了作物生长发育、耕作制度、种植模式气候资源利用研究以及作物群体光合生产潜力及环境调控技术;80年代重点加强了作物品质与气象条件、经济作物与气象条件等的研究;90年代以来主要研究作物生产管理决策支持系统, 农田蒸发散量与作物产量模型, 作物 (包括经济作物) 生长发育、产量形成与气候变化特别是CO2浓度变化的关系成为热点。
2.2 农田小气候研究
先后开展了农业小气候观测方法研究, 结合生产开展农田耕作保墒、灌溉麦田、保护地小气候效应、密植丰产田、棉花蕾铃脱落、秧田保温育秧防止烂秧等小气候研究并提出改善小气候环境措施。
2.3 农业气候研究
20世纪50年代, 主要开展了农业气候资源分析;60—70年代, 重点研究作物生态气候, 进行中国农业气候资源调查和农业气候区划;80年代完成了中国主要农作物气候资源图集和中国农林作物气候区划;90年代, 重点加强气候与农业生产发展关系、提高中国农业气候资源开发利用与保护等研究, 重视农业气候理论应用的研究。21世纪, 开展气候变化背景下农业气候资源利用与区划研究, 结合GIS, 研制中国农业气候资源数字化图集, 分析和评估中国农业气候资源的时空分布特征。
2.4 畜牧气象研究
20世纪60—70年代, 主要开展畜牧生态气候、畜舍小气候、畜牧气象灾害及其防御、牧草与气象、畜牧业综合性宏观研究等。从1980年开展中国主要畜禽品种分布、生产性能、生态适应性与引种问题、气象灾害调查, 完成中国畜牧生态气候区划, 研究高温、高湿天气对奶牛的影响及其对策, 提出了几种控制奶牛热应激影响方法, 划分了热应激影响区, 完成了奶牛挤奶厅设计。90年代先后完成了草原群落生物量积累动态研究, 畜舍小气候如集约化畜禽环境自控系统与环境动态模型等理论和方法研究, 提出了节能高效太阳能畜舍环境控制技术、中国畜舍建筑气候区划、规模化畜舍环境调控关键技术等。
2.5 全球气候变化研究
气候变化情景构建研究始于20世纪80年代, 多采用实验和气候分析方法, 进行气候变化情景构建;90年代, 气候变化情景构建与国际接轨、以模型为核心的技术方法, 在脆弱性和适应对策, 以及温室气体清单、减缓对策等方面开展研究, 同时加强了与气候公约有关政策密切关联的基础和应用研究, 21世纪, 建立了中国区域21世纪SRES气候情景的计算机网络系统, 产生了大量的中国未来气候变化情景数据。气候变化农业影响评估研究始于20世纪80年代, 主要开展了基于模型驱动的气候变化对农业影响的宏观和微观研究, 基于长期的调研和田间试验, 建立中国农业适应气候变化技术清单。90年代以后陆续开展气候变化影响、适应气候变化关键技术、农业气候资源适应与减缓等中国农业 (包括种植、养殖、草地、水资源、渔业等) 影响与适应研究, 特别是在世界屋脊的藏北草地影响研究独具特色。农业温室气体研究始于20世纪90年代, 侧重于温室气体排放监测与清单编制, 参与IPCC清单编制方法研制, 建立了中国温室气体排放系统监测和估算方法。同期开展了温室气体减排和农业固碳技术研究, 开发规模化养殖场规划类CDM项目、草地可持续管理方法学、保护性耕作碳交易方法学等。气候变化外交政策支撑研究始于20世纪90年代, 开展温室气体排放贸易及气候变化国际协议相应对策研究, 并支撑相应的国际谈判。
2.6 农业气象灾害与减灾技术研究
重点针对干旱、低温冷害、高温热害、暴雨洪涝、大风冰雹、草原黑白灾、土壤渍化等灾害, 应用农业气象学、逆境生理学、突变灾害学等理论与方法, 致力于全面揭示各主要农业气象灾害的孕灾环境与演变规律, 阐明主要农业气象灾害致灾机理, 研究农业气象灾害监测预警基本理论和方法, 研制农业灾害监测预警系统平台, 研发农业减灾新材料, 开发防御与减轻农业气象灾害技术与产品, 研究农业灾害风险评估技术与方法, 研制农业灾害风险转移技术与产品, 为防御、抵抗、规避、减轻非生物灾害对农业的影响以及转移农业灾害风险提供科技支撑。
2.6.1 低温、霜冻害研究
在20世纪50—70年代, 针对其对农业造成的巨大损失, 开展了作物霜冻、冻害调查与防霜防冻的途径和方法研究, 包括华南引种橡胶和植胶区北移中出现的风害、寒害问题研究, 东北地区的“哑巴灾”和南方的“寒露风”研究, 柑橘冻害等。80年代, 开展了区域作物低温冷害的地理分布、生理致灾机制、冷害指标、冷害防御等研究。90年代, 防御区域作物冷害的知识库系统和专家系统建立。筛选出除冰核抗霜剂和抗霜菌;促进玉米早熟、推迟小麦拔节期、促进棉花吐絮的几种植物生长调节剂, 开辟了作物防霜冻的新途径;重点研究了综合防霜冻技术, 对化学调控、生物与药剂防霜冻、物理方法及农艺措施等防霜冻技术进行了组装集成, 形成了玉米、棉花、小麦3种作物综合防霜冻配套技术方法。2000年后, 全面开展作物抗低温生理指标的监测分析、减灾化学制剂配方与实验, 以及移动便携式低温灾害田间监控装置与系统的研发, 建立了不同作物低温灾害的远程决策管理系统与农业低温灾害监控网络平台。
2.6.2 干旱研究
20世纪60年代前后, 重点开展了北方干旱、干热风发生规律和防御措施研究。70年代, 研制了保墒增温剂, 揭示了小麦干热风机理并提出了对策。80年代, 对抗旱剂、保水剂在抗旱中的应用, 地膜覆盖、秸秆覆盖对抑制农田水分蒸发, 改善农田水分状况的作用等做了大量研究。90年代以来, 农业化学抗旱减灾技术研究得到发展, 在干旱防控领域研制了一系列的节水抗旱种衣剂;研究了系列大地形集水、田间集水、作物根区微集水技术, 通过技术集成, 形成防旱抗旱综合技术;研究水肥互作抗旱技术, 形成抑蒸集水防旱、抗旱集成技术。进入21世纪, 揭示了中国南方季节性干旱发生的时空规律, 建立了南方季节性干旱分区指标体系, 研究区域性农作物防旱避旱农作物种植结构优化布局方案;研制开发减轻季节性干旱的雨水入渗增强剂、生物保水剂、植物蒸腾抑制抗旱制剂等生化制剂;研究秋雨冬用、春雨夏用、丰水年雨水资源枯水年利用技术, 研究开发因地制宜的贮水配水技术;集成避旱减灾技术, 比较各种避旱减灾技术优劣, 总结各种避旱减灾技术操作规程, 开展应用示范。
2.6.3 农业灾害风险管理研究
农业灾害风险管理研究在21世纪初成为前沿热点。针对农业气象灾害损失巨大, 气候变化背景下气象灾害呈现新特征, 灾害损失测度难、评估方法和技术薄弱, 风险管理策略单一, 难以满足农业减灾需要等问题, 开展了农业气象灾害风险影响评价、农业灾害统计问题、农业灾害损失评估方法与技术、农业灾害风险转移技术、农业灾害政策管理等研究。
2.7 农业气象仪器研制与观测方法研究
20世纪50—60年代开展了土壤水分、农田温度、光照、风等小气候测定仪器研发;70年代研制的仪器进行批量生产和全国试用;80年代农田小气候综合测定仪在遥测、直读、高精度、多点测定等性能大幅提高, 产品在行业内大范围推广应用;同期研制了农田光合作用研究实验观测车、环境模拟实验装置、自然光人工气候箱等。同时, 农业气象要素的观测和农业气象试验的数据记录, 也开始向计算机化的全自动、大容量及快速处理方向发展。90年代农业气象仪器的研制紧密结合计算机新技术, 向现场化、微处理器化、智能化方向发展。21世纪始, 一大批网络化、无线传输、现场视频传输等农业气象观测仪器设备和装置相继完成了研发, 并投入了使用。如农田水碳通量监测及远程数据传输系统、分布式温室环境测控系统、农业产地环境监测系统、农业灾害远程监测预警系统、开放式大气CO2富集实验系统等。在农业气象观测方法研究方面, 50—70年代制定了农作物物候观测方法、蔬菜物候观测方法、土壤水分, 土壤蒸发测定方法、农田小气候观测方法等, 80年代CO2气体分析仪测定作物光合作用方法, 同化箱测定作物群体光合强度方法, 农田蒸散蒸发蒸腾测定方法、作物液流及蒸腾速率测定技术、植物群体光合速率测定方法、太阳总辐射和散射辐射分光测量及能量分配研究等都达到了较高的技术水平。90年代以后, 以农田现场的环境模拟和定点长期观测为主的农业气象观测方法建立。农田能量平衡和水分平衡以及水碳通量自动观测记录方法, 半开放式或开放式CO2富集实验舱 (圈) 的方法, 模拟观测农作物对气候变化的影响和适应性、半开放装置法测定农田温室气体排放量等。近年来, 农业气象环境与灾害精准监测取得重大进展。开展农业环境远程监控关键技术研究, 可对野外农田、温室设施环境及农业气象灾害等进行实时动态监测、远程传输、信息网络发布, 应用物联网监控技术, 集成化控技术和多种农艺管理措施, 建立了集成监测预警、灾情诊断、调控管理于一体的智能化远程管理系统。
3 中国农业气象研究重大成就
作为一门基础农学学科, 农业气象学60多年的研究发展轨迹表明:农业气象研究始终坚持需求和问题导向, 在解决农业生产重大需求和科学问题中不断得到发展;始终坚持跟踪国际学科发展前沿, 不断完善农业气象研究理论和方法, 是农业气象实现了从解释科学到试验科学的质的飞跃;始终坚持吸收最新科学技术发展成果, 不断派生出新兴交叉和边缘学科分支, 如小气候到设施农业和植物工厂、畜牧气象到畜禽环境工程, 气候资源到气候变化, 农业水文气象到旱作农业、农业气象到农业环境等。在学科发展的同时, 农业气象研究也取得了一大批重大成果, 在生产中发挥了重大基础和战略作用。20世纪50年代, 为打破国外封锁, 引种巴西三叶橡胶树, 以保障战略需求。依据气候、小地形原理, 创造性地提出防寒植胶的建议, 将国际橡胶种植的北界定义在了北纬32°, 对中国橡胶事业的发展做出重要贡献。60—70年代, 中国农业遭受大面积气象灾害, 围绕粮食生产的间作套作复种中的光热资源利用、干旱、干热风和低温冷害防御等方面创新性地开展研究, 提出了种植制度和农业气象防灾减灾技术等成果, 在生产中发挥了重要的作用。80年代, 为有效解决粮食安全问题, 全国农业气候资源利用及区划、作物和畜牧农业气候区划;干旱、低温冷害等主要气象灾害防御;农田、人工环境小气候、畜牧气象;北方旱地农业;气候波动与气候变化等一批研究成果在农业生产决策和生产中应用, 有效支撑了农业生产宏观布局和生产发展。同期, 建立了农业气象观测与试验站网, 农业气象业务开始与国际同步。90年代, 在世界农业气候与作物气候图集、农业应对气候变化、旱地农业、农业气象灾害监测预警与防控等方面取得重大科研突破, 作物模拟模型的应用与自主研发成果显著。进入21世纪以来, 生物技术和信息技术在农业气象研究中得到重视和广泛应用, 《农业气候资源数字化图集》、农业温室气体减排、设施环境控制与植物工厂、灾害风险管理等领域陆续取得重大成果, 为新世纪农业的转型发展奠定了科学基础。60多年来, 中国现代农业气象学科硕果累累, 在全国农业气候区划、农业气候资源开发利用、农业气象产量预报与遥感估产、气候变化农业影响、温室气体排放测定与国家清单、旱作农业关键技术与区域治理、农业气象灾害防御技术、都市型设施园艺等获得多项国家科技进步奖, 所发表的论文、著作、专利、标准等重大技术成果在保障国家粮食安全、促进现代农业发展中发挥着基础性、关键性的科技支撑作用。
4 学科发展展望
加快农业现代化转型发展和农业供给侧结构性改革, 推进农业绿色化和优质化发展, 是当前及今后一段时期农业发展的主要任务。同时, 全球范围内的农业科技革命方兴未艾, 生物技术、信息技术、新材料和先进制造等领域的科学技术不断向农业领域渗透。随着中国经济的持续稳定发展, 中国也必将逐步成为世界科学中心之一。展望未来, 作为基础和边缘交叉学科, 农业气象学将迎来又一次发展机遇, 并在以下重点领域发挥越来越重要的作用。农业气候与农业布局优化。综合农业气候资源和气候变化农业影响的研究成果, 围绕粮食生产功能区、重要农产品生产保护区和特色农产品优势区建设, 重点研究区域气候生产潜力、气象条件与品质、气象灾害风险等内容, 提出“三区”建设布局空间优化方案、技术措施和政策建议。农业气象与农业绿色发展。围绕农业绿色发展和循环发展需求, 重点研究农业气候资源承载力与种植制度、气象条件与投入品、病虫害气象、小气候与环境基准、农业温室气体减排等内容, 提出不同区域基于生产功能、气候资源承载力和生态系统环境容量的种植制度红绿灯制度, 建立循环农业模式和绿色技术体系。农业气象灾害与风险管理。围绕气候变化导致极端天气气候事件频发重发的特点, 加强农业气象灾害风险管理的科学研究, 在不确定的气候风险中, 重点关注常态的农业气象灾害和突发的、超出阈值的灾害, 完善结构避灾、工程防灾、生物抗灾、技术减灾、制度赈灾的理论方法和技术研究, 支撑农业和农村经济的稳定发展。农业小气候与工厂化农业。围绕设施农业、都市农业和动植物工厂等发展需求, 重点研究人工控制条件下光照、温度、CO2等气象要素及其耦合状况对动植物生长发育的影响、制约和应激响应等, 同时研究动植物生产对人工环境的影响, 建立不同类型工厂化农业高效、优质、安全、绿色生产环境控制模式与技术体系。农业气象信息与智慧农业。围绕智能感知和决策支持, 充分吸收生物科学和信息科学的最新成果, 强化作物模型的开发应用, 提高作物模型对作物生长环境、管理、基因相互作用的解释性, 研发基于现代IT技术的农业气象监测、预报预警、影响评估、决策支持、风险管理、应对技术措施等一体化解决方案, 指导不同基因型品种环境适应性筛选、智能灌溉施肥施药等, 发展气候智慧型农业模式与技术。随着新理论和新技术的不断涌现, 农业气象学这门古老的基础和边缘交叉学科将不断吸收其他学科的发展结果, 融合和派生出新的学科分支, 也必将在新时期农业转型发展中发挥新的更大的作用。
参考文献
[1]刘汉中.普通农业气象学[M].北京:北京农业大学出版社, 1990:5-6.[2]World Meteorological Organization.Commission for Agricultural Meteorology (CAg M) :The First Fifty Years[M].Geneve:World Meteorological Organization (WMO) , 2006:4-7.[3]中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所所志[M].北京:中国农业出版社, 2013.
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