国家粮食安全是关系国民经济发展、社会稳定和国家自立的全局性重大战略问题。但我国粮食安全基础整体较为薄弱，尤其是21世纪以来，在粮食消费需求刚性增长的同时，粮食产量受极端气象灾害的影响却越发严重。本书先行阐明了粮食安全的意义及重要性，再以水稻为例详细介绍了我国典型农业气象灾害的空间分布特征和发展变化趋势，综合运用统计学、作物模型和机器学习方法深入研究了自然灾害影响下的水稻脆弱性，并提出如何使用农业保险和田间管理等方式缓解自然灾害带来的不利影响，最终从粮食安全可供性视角评价我国农业的可持续发展能力。 本书可供农业气象学、农学、作物栽培学、国家安全学、资源和环境学、地理学等专业的本科生和研究生进行启蒙学习和科学引导，也能为相关领域的科研院所研究者、高等院校的教师工作者、政府决策管理者等提供参考资料。

第1章农业灾害与粮食安全概述
　　1.1概念与内涵
　　“粮食安全是指所有人在任何时候都能在物质、社会和经济层面上获得充足、安全和富有营养的粮食，以满足其积极健康生活的膳食需求和食物偏好。”
　　——世界粮食首脑会议，1996
　　随着人们对农业发展和世界贸易认识的深入，粮食安全的含义自20世纪90年代起，开始在衡量国家粮食总产安全的基础上变得日趋丰富而深化，至今已形成为涵盖多层次标准的综合指标。
2006年联合国粮农组织（Food　andAgriculture　Organization　of　the　UnitedStates，FAO）提炼出粮食安全的定义中的4个重要维度：可得性（availability），可取性（access），可用性（utilization）和稳定性（stability）（表1.1），并一直沿用至今。其中，可得性、可取性和可用性这三维内涵表现为递进的层次关系，稳定性是*为关键的核心维度，4个维度间的具体关系如图1.1。
　　（1）世界的粮食安全现状
　　世界粮食安全现状不容乐观。由于贫困和持续上涨的粮食价格，截至2016年仍有八九亿人因无法获得食物而处于长期食物不足的饥饿状态，长期营养不良的人数相当庞大。尤其是在撒哈拉以南的非洲和西亚地区，由于自然灾害、战争冲突等，粮食安全形势愈发严峻。人口增长导致的粮食需求持续增长对粮食安全不断施加压力，并且这种需求增长还将持续，粮食不安全状态愈发险峻。加上饮食结构向高蛋白质需求的改变，以及生物燃料的大量生产降低了粮食的转化效率，直接用于食用的粮食比例在不断减小；国际粮价的上涨，能源价格的浮动等诸多因素造成粮食市场供需不平衡的现状。为了实现今后全人类的粮食安全，世界粮食产量必须进一步增长，基本要达到当前粮食产量的双倍，才可能改善当前粮食窘迫困境。然而气候变化又给粮食安全形势带来了新的挑战，特别是发展中国家，若不能适应气候变化合理布局农业种植，可能面临单产损失、土地资源退化等一系列问题，威胁本国乃至世界粮食安全的可持续发展。当前，实现粮食安全，尤其是国家层面的粮食安全，有效提高粮食总产量起到至关重要的作用。而作物单产和种植面积能够直接决定总产量大小。
　　从开源的角度，尽管在过去的30年间，农业种植和管理技术不断进步，杂交作物栽培、精细农业带来了谷物（水稻、小麦、玉米等）作物单产的显著增长。但是，气候、土壤和技术条件等决定了单位面积作物的生产能力，在亚洲精耕细作的种植模式下，部分水稻种植区单产能力已经趋于顶板，难以突破生理极限，并且受土地报酬递减的影响，单产提升的空间相当有限。不仅是水稻，小麦和玉米的单产也都面临着大范围的停滞，甚至缩减的问题。三大作物中，水稻和小麦的单产停滞问题尤为严重，假如当前缩减的趋势没有逆转的话，将难以满足未来更大的需求缺口。但与此同时，又必须注意由农业带来的一系列环境问题。不合理地施用肥料、杀虫剂或是不合理的灌溉措施，都可能导致水资源污染、土质退化。而近年来，全球农用地范围显著扩张，尤其是热带地区通过伐木毁林开辟农用地，造成了当地森林生态系统的严重破坏。这对生态系统支持下的作物产量可持续发展有着潜在的威胁。因此在当前供给紧张的状况下，要提高粮食总产量需要通过加大农业投入，改进田间管理的方式，以高产区为主要控制目标，中低产区为关键区域，增加作物单产。并在作物需求和控制农田面积之间进行权衡。
　　从节流的角度，减少粮食的损失和浪费可能是一条通往未来粮食安全的新途径。相比增加单产和解决耕地面积两难的窘境，减少粮食损失和浪费可能是*有效的，其实全球约有1/4的食物浪费在供应链的流转中。粮食损失和浪费影响农业和粮食系统的可持续性和抵御力及其保障当代及子孙后代粮食安全和营养的能力。减少粮食损失与浪费有助于更好地利用自然资源，减少消耗生产食物所需的土地和水资源成本。同时，改变当前人们偏好多蛋白质的饮食习惯，也能够节约食物成本，改善农业资源的利用结构。
　　（2）我国的粮食安全现状
　　中国的水资源和耕地资源分别占全球总量的6%和9%，但是人口数量占全球总人口的21%。保障粮食安全一直是国家发展的重中之重。我国始终将农业放在发展国民经济的首位，在满足粮食产量稳定增长、保障居民食物消费和经济社会发展方面，取得了长足发展，对实现世界粮食安全意义重大。20世纪末我国很多学者存在这样一种共识——2004年的中国，在国家总供给（宏观）水平上，不但不存在国家粮食安全危机问题；而且中国的粮食安全水平比其他的发展中国家高，是粮食*为安全的国家之一；不但如此，高水平的粮食安全还会在未来几十年间得以维持。当时的粮食安全体现在：中国自1983年始，成为粮食净出口国，并且截至2003年，出口量仍持续增加；国内粮价虽上涨，但和国际市场价格呈同步变化，并能在一定程度上起到增加农民收入，促进农民种粮积极性的作用。那么10多年过去了，当前的农业是否还保持着高度的粮食安全呢？当前，我国粮食安全基础薄弱，处于长期供需紧平衡状态，这表明了粮食安全问题的严峻性。如图1.2所示，2000年以来，水稻、小麦和玉米的进口量以每年0.29kmtkmt为千公吨，1kmt=1000t。，0.36kmt和1.29kmt的速度增长，并分别从2009年、2008年、2008年开始，出口量小于进口量，形成贸易逆差，并且随着时间的推进，其中水稻和玉米的逆差额开始不断增加，小麦呈波动上升。量级上，玉米具有*高的贸易逆差额，在2020年的贸易逆差更是高达29.6kmt（图1.2）。至此中国已经从粮食出口国成为净进口国，这也就意味着，我国目前的粮食供给将必然受到世界粮食市场的影响。然而在能源短缺，能源价格高位运行的环境下，能源与食品都在争取粮食供应，全球粮食供求将长期趋紧，导致利用国际市场弥补国内短缺的难度显著增大。可见，粮食净出口国的形势已然逆转，而进口粮食又必将受制于价格波动，并持续升温的国际粮食市场，要实现我国的粮食安全就必须促进国内农业迅速发展。自2004年起，中央1号文件已连续多年聚焦我国“三农”问题，努力推动农业和农村经济的增长，实现国内粮食自给，粮食安全。
　　图1.2自2000年以来，三大谷物的进出口量及贸易逆差
　　粮食需求的日益增长要求现有的耕地生产力实现有效增长，而在可持续发展的前提下提高耕地生产力又意味着更大的挑战。因此，对已有的耕地资源进行生产潜力评估非常必要。在对作物生产潜力质量和数量认知的基础上进行开发利用，有利于更有效地利用环境资源、改善生产状况、提高生产能力，制定粮食安全政策，合理分配耕地资源。生产潜力的空间分布情况掌握得越确切越精细，越有利于指导农业集约、可持续发展。耕地生产力的发展需要土壤质量的持续监测以及管理方式的不断改进，而定量化的土壤质量指数有助于监测土地生产力的可持续发展。作物生产潜力由于可以定量土壤、气象因子对产量的影响程度，作为土壤质量指数被应用于提高土壤质量和耕地生产力。很多现有耕地的生产力与其所具有资源禀赋是不相匹配的。适宜的气候、土壤条件原本可以提供更为富余的产量，帮助减少其他产粮地区的负担。但是存在很多这样的适宜耕地不能有效地利用其资源禀赋，生产力依旧处于较低水平。因此，尽管在空间分布上存在差异，但是现有的耕地资源仍然具有丰富的生产潜力可以在可持续生产的前提下继续挖掘。尤其是玉米，部分地区单产的可提升空间甚至可以达到70%，远高于水稻和小麦的生产潜力。与此同时，在我国玉米的需求量日益增长，已经远远超过了水稻和小麦。到2012年，玉米的需求量已经达到三大作物总需求量的45%以上，并可能持续增长，2019年后一直徘徊在50%左右（图1.3）。其中饲料比例和食用比例发生下降，食用比例在2012年发生突减（图1.4）。因此为适应可持续型、集约型农业发展的需要，识别具有生产潜力的种植区，对我国粮食生产意义尤为重大，具体涉及：判定并控制影响作物生产力继续提高的限制因素，设定技术管理投入的优先等级，评估气候变化以及其他情景对产量的影响，以及评估粮食安全状况等。
　　图1.3自2000年以来，三大谷物需求量比例
　　图1.4自2000年以来，不同作物用途需求量的比例
　　1.2气候变化与我国的粮食安全
　　21世纪初，地球表面升温达0.78℃，同时极端温度和降水事件频率也在不断上升。虽然我国幅员辽阔，气候变化特征具有地域分异的特点，但是总体上，年均气温升高，冬春季节升温更加明显，日照时数显著缩减，东北、华北和西南地区全年降水量呈减少趋势，

目录
前言　i
第1章　农业灾害与粮食安全概述　1
1.1　概念与内涵　1
1.2　气候变化与我国的粮食安全　6
1.3　极端温度与水稻生产的研究背景及意义　8
1.4　极端温度对水稻产量的影响机理概述　9
1.5　国内外研究进展　12
参考文献　14
第2章　我国历史水稻极端温度灾害概述　18
2.1　极端温度灾害的时空变化特征　18
2.2　极端温度灾害对水稻产量的影响评估　35
参考文献　45
第3章　基于作物模型的我国历史水稻单产损失模拟　49
3.1　作物模型概述　49
3.2　MCWLA-Rice作物模型参数率定和结果验证　54
3.3　极端低温致损的时空变化特征　61
3.4　极端高温致损的时空变化特征　68
3.5　极端低温和极端高温综合致损的时空变化特征　74
3.6　小结　80
参考文献　82
第4章　基于作物模型-机器学习混合建模的水稻脆弱性曲线研究　85
4.1　材料与方法　85
4.2　作物模型的模拟结果　101
4.3　机器学习的模拟结果　106
4.4　极端温度胁迫下的脆弱性曲线　108
4.5　小结　111
参考文献　112
第5章　农业保险的研究概况　114
5.1　中国农业保险的发展　114
5.2　天气指数保险的发展历程　116
5.3　天气指数保险的计算　119
5.4　不同空间尺度的天气指数保险纯费率　120
5.5　小结　126
参考文献　128
第6章　未来极端天气影响下的水稻热害损失　132
6.1　CMIP6气候情景概述　132
6.2　未来水稻热害损失的计算　134
6.3　未来天气指数保险的效益分析　137
6.4　小结　139
参考文献　140
第7章　湖南省一季稻热害适应性措施的评价　141
7.1　研究背景及DSSAT模型介绍和评估　141
7.2　湖南省一季稻生产极端高温风险评估　148
7.3　湖南省一季稻极端高温适应性措施分析　153
7.4　小结　168
参考文献　169
第8章　粮食安全评价案例　171
8.1　我国三大粮食作物可持续性生产评价　171
8.2　全球粮食安全的评价　180
8.3　小结　182
参考文献　183