农业气象学是研究环境气象条件与农业生产和农业生态相互影响及其规律的一个边缘学科研究领域。它既是气象科学中应用气象学科的一个重要分支领域, 又是农业科学研究中的重要基础之一。农业气象研究既要研究农业生产、农业生态对环境气象的要求和反应, 研究环境气象对农业生产、农业生态的影响及其反馈影响, 更要不断探索、认识并应用这些科学规律, 发展应用技术, 促进农业生产和农业生态的可持续发展和农业生态环境的保护。

本文在简要回顾了20世纪我国农业气象学科的发展历程后, 重点阐述了50年来中国气象科学研究院在农业气象研究领域所取得的若干重大进展; 并从当前面临的挑战与机遇出发, 探讨了其未来的可能研究热点趋势。

中国是古老的农业大国, 远在3000多年前, 人们就认识到春夏秋冬的季节变化对农业的意义。许多古代典藉和大型农书中早有“春耕、夏耘、秋收、冬藏”和“不违农时”的论述。《逸周书》记载了七十二候及相应的物候现象; 《淮南子》中更有完整的二十四节气与农事活动的记载。这些早期的农业气象知识与经验, 对促进中国古代农业的发展起着重要的作用。但作为一门学科, 农业气象学是在19世纪末农业科学和气象科学发展的基础上逐步形成的。

我国现代农业气象科学的形成与发展始于20世纪的上半叶。1922年竺可桢专文论述了“气象与农业的关系”, 提出在中国的气候条件下, 农业应因地制宜多种经营, 并指出根据气象条件预报作物产量的重要意义^[1-2]。1945年涂长望《农业气象之内容及其研究途径述要》一文的发表, 较详细地论述了农业气象学科4个主要研究内容的意义、任务和方法途径^[1,3]。20世纪50年代起, 随着农业气象观测 (1954年)、业务 (1956年)、科研 (1953—1958年) 和教育 (1956年) 机构的逐步建立, 作为农业气象研究基础的农业气象观测、试验及站网建设、农业气候调研和农业气象旬报情报服务取得了较快的进展^[4]。50年代, 橡胶树寒害防御和北移以及小麦的霜冻灾害指标及防御研究。60年代, 在华北干热风、南方寒露风和东北低温冷害等灾害指标和防御技术研究上取得了明显的进展。70年代以来, 随着中国农业现代化和植物生理生态学以及计算机和卫星遥感技术等相关学科的快速发展, 特别是多种学科间的相互渗透和协作, 使农业气象研究从定性分析为主向定量研究发展^[4-5]。进入80年代, 农业气象研究领域获得了更大的拓展和深入:应用生态学观点研究天气气候与农业的相互关系、农业气象数学模式和数值模拟研究、作物生长模拟、土壤-植物-大气系统中物质、能量和水分的交换、传输和平衡 (守恒) 研究, 全国农业气候资源的分析和区划、热带亚热带丘陵山区农业气候资源的开发利用、农业产量的气象预测预报、卫星遥感综合估产技术、全球气候变暖对中国农业生产的影响以及农业气象灾害预警防御技术等方面都取得了长足的进展, 基本上达到了与国际前沿性研究的接轨, 并在农业产量气象预测预报、遥感监测和综合估产以及农业气象信息情报服务等方面迅速形成业务能力。

可见, 农业气象学科在我国是一门既古老又年轻的学科。近百年的发展历程表明, 它的形成和发展始终与国民经济发展息息相关, 同步发展; 大致经历了3个阶段, 即:20世纪20—40年代的启蒙阶段, 50—60年代的初创阶段和70—80年代起的发展成长阶段。特别是改革开放以来, 为农业气象学科提供了前所未有的发展机遇, 大大拓展了农业气象研究与应用领域, 是我国农业气象学科蓬勃发展和茁壮成长的时代, 更是我国农业气象科技百花齐放和成果频出的大好时代。

回顾中国气象科学研究院农业气象研究50年来的进展与所取得的成果, 大体上经历了2个发展阶段, 即20世纪50—60年代的初创起步阶段和70年代末80年代以来的发展成长阶段。尤其是80年代以来, 农业气象研究百花齐放, 学术论文、科学论著丰富多彩, 科技成果频出, 农业气象研究无论在基础研究上, 还是在应用研究上都取得了长足的进展, 提高到了一个崭新水平。

中国气象科学研究院的农业气候调查和区划研究始于20世纪50年代末至60年代中, 初期在部分省区开展了大量普查调研, 还选点进行了区划试验, 部分省区探讨性地编制了粗线条的农业气候区划^[4]。70年代末, 为配合“1978—1985年全国科学发展规划纲要”的农业自然资源调查和农业区划任务, 掀起了全国规模的农业气候资源调查和农业气候区划研究。80年代中后期, 通过与农业科研部门和高校的合作, 先后完成了全国、省级和大部分地县级的农业气候资源分析和区划研究。逐步形成了以地域差异规律为基础, 应用农业气候相似性和差异性原理揭示地带性和非地带性的农业气候资源分布规律及其与农业生产格局形成和发展潜力的关系, 并运用对农业生物地理分布、生长发育和产量形成有决定性意义的农业气候指标体系对不同尺度的地域空间进行分类划区构成区划体系的区划理论和技术方法。相应地完成了符合中国气候和农业生产实际的中国农业气候区划 (程纯枢、李世奎等), 中国农林作物气候区划 (崔读昌等), 中国牧区畜牧气候区划 (徐德源等), 中国农作物种植制度气候区划 (韩湘玲等) 等系列区划成果。上述以中国气象科学研究院李世奎和王石立等人研究完成的“全国农业气候区划”为主的系列成果, 于1988年获国家科技进步一等奖。这些区划及其有关资源的分析利用, 不仅深化了对我国农业布局和农业气候资源利用配置中有关问题的认识, 诸如农牧过渡气候带、农业气候资源优势区等, 还有利于当前市场经济导向下高新技术的引进, 促进农业气候区划由静态向动态, 由规划应用向实用技术的转化^[6-7]。作为主要完成人之一, 张养才在近十年的中国热带亚热带丘陵山区农业气候资源开发利用研究中, 提出了山区农业气候资源的立体层次性概念和立体农业生态开发策略, 在建立喜温果树和名贵药材基地以及利用坡向种植早熟反季蔬菜和开发冬季逆温资源等方面均有明显的经济效益^[8-10], 于1991年获国家科技进步二等奖。“九五”和“十五”期间在上述研究基础上, 从资源、环境和可持续发展的角度, 应用地理信息系统、卫星遥感等新技术, 建立山区农业气候资源信息系统和优质高产气候生态评估模式, 进一步开展山区带 (基带)、层 (垂直分层)、形 (地形)、态 (生态环境) 的农业气候资源高效持续利用的综合开发途径研究, 为加速山区农业区域开发、结构调整和西部开发决策提供科学依据, 并在资料序列延伸基础上作了修正完善和精细区划与应用开发研究。

我国的农业气象预报始于20世纪30—40年代, 当时曾根据降水等条件预测各省水稻、棉花等作物的收成年景。50年代后期曾根据冬小麦生育所需积温编发了华北地区的冬小麦播种期预报^[11-12]。70年代中后期至80年代中, 受国务院农村发展研究中心委托, 中国气象科学研究院王馥棠、赵四强等人主持完成的农业产量预报研究课题 (1979—1986年), 无论在现代农业气象预报机理研究上、还是在模式应用技术以及预报种类上, 都取得了重大进展。通过课题组全国数十名专家近10年的协作研究, 大大丰富了农业气象产量预报的基本原理, 包括环境气象条件对生物生长发育过程作用的持续-滞后效应原理, 各种农业气象条件对农作物生长影响的不等同性、阶段性和综合性原理, 作物生长发育的不可逆性及前后关联性原理, 以及一定空间地域内作物群体生长和气象条件演变过程的相对稳定性原理等; 提出了趋势产量、气象产量和随机 (噪声) 误差产量的数理解析概念及其具体模拟计算方法; 构建了模拟作物光合-呼吸、叶面积生长动态和干物分配-器官形成等生长发育过程的作物生长动力 (态) 模拟模型; 创新研制了各种气象-产量预测的理论概念模型以及适用于不同作物和各种时空尺度的业务运行模式; 还以卫星遥感绿度值与作物长势相关为基础, 建立了简单的遥感估产回归统计模型^[13-18]。这些成果从80年代中开始, 获得了广泛的应用, 在气象部门逐步建立起农业气象产量预报业务, 开拓了气象科学为农业服务的新领域。多年的预报实践表明, 其预报精度和时效均达到了国际先进水平, 1987年获国家科技进步三等奖。80年代中后期, 受国家经委委托, 中国气象科学研究院李郁竹等人主持开展的“全国冬小麦遥感综合估产”研究 (1985—1989年), 在利用气象卫星遥感信息进行冬小麦的长势动态监测、种植面积测算和综合估产研究上, 取得了重大进展。不仅论证了以电磁波传输、吸收和反射原理为基础的卫星遥感估产理论的科学性、可行性和有效性, 还开发研制了多种气象卫星遥感信息的提取、加工和反演处理技术以及遥感综合估产的实用处理技术与软件, 包括地面监测综合分层网络技术, 作物长势和灾情的动态监测评估技术, 像元分解-面积测算技术和绿度指数-气象要素-作物产量预测方法, 以及多种预报结果的综合集成技术等^[19]。80年代末90年代初, 建成了我国北方冬小麦气象卫星动态监测与估产系统, 其预测精度和时效均属国际先进水平。上述研究成果在气象部门转入业务运行, 开拓了气象卫星遥感动态监测农业生产为农业服务的新领域, 1991年获国家科技进步二等奖。

我国地处东亚季风区, 各种气象灾害频繁发生, 是制约农业生产持续发展的重要因素之一。因此自20世纪50年代起, 各种农业气象灾害的发生规律、诊断技术、预测方法和防御措施的研究始终是中国气象科学研究院农业气象研究的重要内容之一^[5,20]。50年代的冬小麦霜冻, 60—70年代的华北干热风、东北的低温冷害和南方寒露风, 80年代的柑桔冻害和森林火灾 (险) 以及各种病虫害的蔓延迁飞等都曾作为重要课题立项, 开展过颇具规模的协作研究。在灾害的发生机理、时空分布、气象指标、诊断预测技术和防御措施途径等方面取得了一系列科研成果, 为我国农业生产的趋利避害作出了重要贡献^[20-23]。80年代, 安顺清等人主持完成的“华北平原作物水分胁迫与干旱研究”课题 (1983—1987年), 在针对华北农业干旱缺水的试验研究中, 根据小麦生长发育所需的最佳耗水量指标, 干旱指标和适宜水分指标, 研制了以土壤水分变化规律为基础的作物干旱预报方法和气象旱度模式, 进一步制定了小麦的优化灌溉方案^[24]。初步的推广应用表明, 实施该方案是华北农业的有效节水途径之一, 1990年获国家科技进步二等奖。90年代, 中国气象科学研究院徐祥德和王馥棠主持完成的“九五”国家科技攻关项目“农业气象灾害防御技术研究”, 历经野外试验、科研攻坚、集成组装调试和大田示范推广等5年的艰苦努力, 最终取得了8个方面的综合应变减灾集成性防御技术, 以中国气象科学研究院为主完成的有华北农业干旱综合应变防御技术研究、人工增雨农业减灾技术研究和农作物低温冷害综合防御技术研究等3项重大科技成果。这些成果在河南、河北、山东、甘肃、陕西、山西、安徽、江西、湖北、吉林、四川和内蒙古等地进行了大面积示范试验与推广应用, 取得了重大社会经济效益^[25-27]。“十五”期间, 王春乙、王石立、霍治国和郭建平等人主持完成的“农业气象灾害预警技术研究”、“农业气象灾害影响评估技术研究”和“并发性农业气象灾害影响评估和防御技术研究”等国家科技攻关课题, 通过引进作物生长模型, 与区域气候模式及遥感监测信息相联接, 开发研制了新一代农业气象灾害动态监测预警技术, 并进行了业务应用开发与推广^[28-30]。此外, 还研制了由风险辩识、风险估算和风险评价组成的我国主要农业气象灾害的风险评估体系, 并用风险概率与风险指数进行了风险区划^[31-33]。

气候变暖对农业的影响是一个十分敏感和引人关注的重要课题。20世纪80年代中后期开展起来的气候变暖对农业-生态影响研究, 虽然起步较晚, 但在有关部门和科学家们的大力支持和推动下, 取得了明显的进展^[34-36]。1992年, 王馥棠、赵宗慈等将7个GCM模式输出的合成气候情景与植被-种植熟制的气候生态指标相联接进行了0.5°×0.5°经纬度网格计算。研究表明, 气候变暖将使我国现有的特征性植被分布和种植熟制格局发生很大变化:我国北方的寒温带针叶林几将消失; 华南的热带季风雨林将大面积向北扩展; 西藏高原高山植被将大大缩小; 其他中介性植被 (林带) 均将明显的北移。特征性植被的这种大规模迁移演替将对目前的土地利用产生重大影响^[37-38]。在种植熟制格局上, 两熟区大部分将被各种不同组合的三熟制取代, 两熟制区界将向北移至目前一熟区的中部。结果是三熟区北界将由目前的长江流域北移至黄河流域, 而一熟区将缩小达37%之多^[38-40]。当前, 人们在正确认识气候变暖及其影响研究的科学和经济不确定性基础上, 比较一致地认为, 气候变暖将使我国地区的农业气候热量资源变得更为丰富, 进而使现有的农业气候带和各种种植熟制界限大大向北推移, 这将有利于农业生产多样性的发展, 进一步提高耕地复种指数, 并使困扰我国北部寒冷地区的低温冷害获得明显缓解^[36,38-40]。与此同时, 王春乙、郭建平、高素华等利用开顶式气室开展了温室气体浓度 (CO₂, O₃) 增加对作物生长发育直接影响的试验研究, 采集了对我国主要农作物影响试验的大量数据; 还在此基础上进行了O₃和CO₂的复合影响试验, 从生理生态、土壤微生物及碳氮循环角度出发, 探讨空气质量变化对农业生态系统功能的可能影响, 为评估近地层大气CO₂和O₃浓度的变化对农业生产以及农业生态系统功能的可能影响提供科学依据^[41-42]。但未来气候变暖并不伴随有同步的降水增多, 而蒸发蒸腾的较大幅度增加将导致高温和干旱胁迫危害增加; 此外, 气温升高, 作物呼吸消耗增多, 生育进程加快以及C₃与C₄作物间的竞争和病虫害加剧等不利影响将大大抵消上述的有利影响, 最终将导致减产。王馥棠、张宇和王石立等在3种平衡GCM模式 (GFDL, MPI和UKMO-H) 产生的2050年气候变化情景基础上, 利用经过改进的适合于我国农业实际的水稻 (ORIZA1) 和小麦 (CERES) 等模型就气候变化对作物产量的可能影响进行模拟计算。结果表明:在上述气候变化情景下, 到2050年上述主要作物的产量平均将可能减少5%~10%^{[36,40,43-46]}。“九五”期间, 作为主要完成人之一, 王馥棠等主持完成了国家重点科技攻关项目“我国短期气候预测系统的研究”第三课题“气候异常对国民经济影响评估业务系统的研究”, 与王石立等研制了气候异常对我国江南双季稻和东北玉米影响的评估模式, 与短期气候业务预测系统相联接, 建立了可供准业务运行的影响评估系统, 为进一步提高我国的气候变化对农业影响的业务评估能力提供了科技支撑^[47], 于2003年获国家科技进步一等奖。

根据作物生产和科学研究的需要, 运用数学方法描述、生态环境模拟和计算机数值试验等技术途径, 人为地再现作物生长发育演变全过程, 简称为作物生长模拟或作物生长动力 (态) 模拟。它是数值模拟技术40多年来在作物生长与环境关系研究中获得成功应用和发展的新领域, 也是农业气象科学基础研究的新拓展。

中国气象科学研究院作物生长动力模拟研究虽起步较晚, 但自20世纪80年代中期以来, 在连续10多年的田间试验和计算机生长模拟基础上, 取得了长足的进步。王馥棠、王石立等以土壤-植物-大气系统理论为基础, 以生态环境中最为活跃的气象因子为主导, 先后研制了我国春小麦、冬小麦、水稻、玉米以及与双季稻种植制度相适应的双季稻生长模拟模式^[43-47]。从农田生态系统中的水循环、物质能量输送以及农田光热水气等生态环境因子对生长发育的作用角度, 既动态地模拟了作物发育进程、叶面积生长动态、光合同化呼吸和消耗、同化物分配与传输以及籽粒产量的形成等各基础生长过程, 还包括环境水分的作用与胁迫影响以及土壤矿质营养的吸收及亏缺影响过程的模拟。90年代末, 经过5年国家重点科技攻关研究, 针对我国江南双季稻和东北玉米等两大主要粮食种植区, 研制了气候异常对作物生产的影响评估模式, 通过随机天气发生器与区域气候预测模式相联接, 初步建立了可供业务运行的气候异常对江南双季稻和东北玉米区域影响评估系统, 为提高我国气候变化影响的业务评估能力提供了科技储备^[47]。近5年来, 作物生长模拟模式在其业务应用开发研究上, 又进行了探索试验, 以与区域气候模式联接为基础, 进一步引入卫星遥感动态监测信息, 开发研制了新型的农业气象灾害动态监测预警技术, 取得了新的进展^[28-30,48]。

始于20世纪50年代中期的农业气象情报服务, 80年代以来, 在农业气象为国民经济和农业生产服务的业务开发应用上取得了重大的进展。太华杰、王建林等人在研制农业气象情报信息接收处理自动化系统、建立情报分析评判指标集、主要农业气象灾害判别指标集以及情报预测模式库等关键技术基础上, 逐步建立了由监测系统、传输系统、接受处理系统、分析评价系统和服务系统等组成的国家级农业气象情报服务系统和国家级农业气象产量预报业务系统; 相应地其服务内容已从当初的“全国农业气象旬 (月) 报”服务, 发展到目前覆盖了许多服务领域的“中国农业气象信息”服务, 主要包括:农业气象旬 (月) 报、农作物产量预报、关键农时季节农业气象条件影响报告、重大农业气象灾害影响报告、重大转折性天气和气候变化对农业生产的可能影响分析等等; 通过电视电台广播、报刊杂志等多种传播媒介以及及时地向国家宏观决策部门、生产领导部门提供多种情报分析产品等服务形式, 为我国国民经济和农业生产的持续发展作出了重要贡献, 取得了显著的社会经济效益, 得到了国家有关部委的好评和奖励。为了更好地满足国家需求, 促进农业气象信息服务的稳步发展, 还完成了新的“农业气象情报系统”、“作物产量预报系统”、“遥感信息和地面信息综合集成系统”、“电视产品制作系统”和“农业气象评价指标体系自动检索系统”等建设; 这些系统的建成, 为农业气象信息服务上一个新台阶奠定了较好的基础^[49-51]。

我国是农业大国, 但农业生产基础设施薄弱, 抗灾能力较弱, 对气象-生态环境依赖性很大。特别是当前人口庞大, 人均资源相对短缺和生态环境不断恶化, 使我国农业发展面临的形势更为严峻。据估计至2030年, 我国人口将达到16亿; 人均耕地仅及世界人均水平的1/4, 人均水资源不足世界水平的1/4;农业生态环境触目惊心的恶化以及人类活动造成的气候变暖和气候极端事件的负面效应等, 无疑将在更大程度上阻碍我国农业生产的可持续发展。面对我国21世纪16亿人口的粮食安全保障的当务之急, 除了加强投入、加强基础设施建设和国家进行科学的宏观调控外, 更重要的是大力发展能促使农业可持续发展的各项科学技术。而在影响农业可持续发展的诸多环境因素中, 最不稳定、最具威胁的当属农业生产的生态-气象环境, 它是实施21世纪16亿人口粮食安全保障的最关键的基础之一。也就是说, 当前大力促进和加强农业气象研究既可保障我国农业生产能趋利避害地持续发展, 最科学合理地开发利用有利的生态环境气候资源, 调控 (适度) 减免生态气候灾害等不利影响和损失; 更可进一步发挥各项农业高新科技的生态-气象环境的生产潜力和科技优势, 促进农业生产与国民经济发展与人口增长和环境保护相协调地持续稳定发展。

50年来, 农业气象学科虽几经风雨, 但随着国民经济的快速发展, 已取得明显进展。但与世界先进水平相比, 还有不小的差距。总体上估计仍相差近10~15年。作为一门年轻的学科, 较长时期以来, 其理论基础研究显得特别薄弱, 队伍结构尚欠合理, 人才素质和知识水平急待提高更新; 面对国民经济高速发展的需求, 当前农业气象研究不仅应与农业可持续发展以及气象科学和其他高科技发展相适应, 还应较全面地与国际上的研究发展接轨, 以在更多领域达到先进或领先水平, 这正是我国农业气象学科在世纪之交的今天所面临的严竣挑战与机遇。

由上可见, 当前中国气象科学研究院农业气象研究正处于世纪之交的发展新阶段。它日趋成熟, 正融汇于现代科技之林, 展示出强大的活力。综观其未来发展趋势, 可简要展望如下:

① 农业气象灾害监测预警与防御调控技术研究我国农业生产和农业生态的环境气象 (候) 灾害频繁、动态多变, 是一个阻碍农业可持续发展和21世纪16亿人口食物安全保障的重要因素之一, 实时动态监测诊断、预测和预警评估灾变影响, 尤其是在研究灾变机理基础上, 研制各种短期应变抗灾减灾和长期宏观调控防灾技术措施, 对减少灾害损失、保障农业稳定和高速的可持续发展具有重大意义。

② 气候变化与农业生态-气象 (候) 环境相互影响研究这是近年来引起人们普遍关注, 且意义十分深远的一个新兴研究热点。人类活动排放的痕量气体究竟将如何影响农业生产和生态环境, 后者将如何适应这一变化, 尤其是如何反馈影响环境气候和地球大气, 是当前保护大气-生态环境不进一步恶化、制定相应积极保护措施而迫切需要了解的科学依据, 也是我国农业耕作制度和结构布局调整发展的重要科学基础。

③ 生态环境气候资源区域优势的高效利用研究这是保障农业可持续发展的另一个基本前提, 合理开发和高效利用区域农业气候资源, 尤其是山区气候资源和区域资源综合优势的开发利用是发展我国农业的重要途径之一; 也是我国农业可持续发展的重大潜力所在。它包括气候生产潜力的动态估测与气候灾害的风险评估以及水资源的有效利用等。

④ 作物生长动力模拟与卫星遥感、信息技术等高新技术 (RS, GIS, GPS等) 的结合应用研究这是农业气象研究中的高科技新生长点之一, 是作物生长动力模式区域应用及其与GCM结合进行气候影响评估的进一步发展, 是卫星遥感动态监测技术应用于农业生产可持续发展的重要途径之一。

⑤ 卫星遥感动态监测和估产研究拓展卫星遥感宏观监测农业生产和农业生态气象环境的动态演变和估产品种, 包括对各种灾变和灾情的实时动态监测, 是建立早期警报预报系统, 监控生态环境恶化进程、保障农业生产可持续地稳步增长的基本途径之一。它还将推进农业气象学科与卫星遥感高技术的融汇发展。

未来农业气象研究的发展将在很大程度上取决于以下诸方面是否得到认同与发展:

① 更新观念突破现有学科研究界限以21世纪发展的眼光, 跳出现有学科研究领域的局限性来看待今后的发展, 也就是说, 当前各学科将会相互交叉, 一方面产生新的生长点, 发展为新的学科; 另一方面也将在更高层次上综合和融汇, 认知自然规律的原貌, 焕发出新的科技生产力。

② 加强基础理论研究如何突破目前农业气象基础研究水平低、差距大、队伍弱小和不稳定是农业气象研究能否进一步发展的关键, 也是开展国际前沿性热点研究和开发高科技应用技术的基础。

③ 研发应用现代高新技术包括卫星遥感技术、信息技术和计算机网络技术等, 从技术到产品、从结合到融汇, 促进农业气象研究现代化步伐, 在更高更新的层次上展现农业气象研究的活力; 并在生产实践层面上, 保障农业可持续发展与生态环境保护协调发展。