粮食是人类生存最重要的物质基础,但是根据联合国粮农组织（FAO）估计,当前全球还有超过8亿人遭受饥饿。而随着未来全球人口继续增长,以及随着工业化与城市化导致的饮食结构改变,对粮食的需求也大大增加。预计到2050年,全球作物产量需要翻一番才能满足人类的需求。然而随着人类活动和温室气体的排放,导致温度和CO2浓度不断提升,全球气候变化正对粮食生产造成显著的影响。另外,气候变化与人类活动共同作用下的土地利用变化,也是影响全球粮食产量的重要因素。因此,结合气候变化与土地利用变化进行全球未来主要农作物的产量模拟,分析未来粮食产量变化的影响因素并评估不同地区粮食供需平衡,具有重要的现实意义和科学价值。目前已有诸多学者围绕气候变化对作物产量的影响开展了长期的大量的研究,如典型浓度路径（RCP）情景下升温可能会降低作物产量等。然而现有的未来作物产量模拟忽略了未来土地利用变化的影响,这一点在未来作物产量变化的模拟中不可忽视。这导致当前对全球未来作物产量的时空变化特征和影响因素仍缺乏足够的认识。更重要的是,在气候变化背景下,结合了土地利用变化的未来作物产量能否满足全球不同国家粮食需求,目前还所知甚少。针对以上问题,本文基于不同气候变化情景下的未来土地利用变化,估算了未来全球玉米、水稻、大豆和小麦作物分布。同时,基于该数据与未来气候情景,构建耦合人类活动与自然影响的、多情景、长时序的全球作物产量时空分布。研究进一步探讨了全球作物产量的时空变化趋势,以及气候变化与土地利用变化两个主要影响因素的贡献率。最后根据粮食产量模拟结果,评估了全球未来不同地区粮食供需平衡。主要研究内容和结论如下:（1）本研究基于考虑了未来气候变化与人类活动的耦合典型浓度排放路径和共享社会经济路径（SSP-RCP）情景,构建了全球2020～2100年每10年间隔的10 km分辨率多种作物产量的数据集。为了计算作物总产量,须提前估算未来新增耕地的收获面积。研究创新性的使用随机森林算法,基于历史作物收获面积、未来气候和土地利用数据以及田间管理数据进行递归模拟,获取了未来2020～2100年的作物收获面积。五种SSP-RCP耦合情景下,四种农作物的收获面积都呈现上升趋势,然而不同情景与不同区域间作物面积的趋势差异明显。由于全球作物分布不均,区域间耕地面积变化会不成比例的影响某一种或几种作物的收获面积。另外,结合收获面积数据,基于SIMPLE作物模型模拟了未来全球主要作物的产量。通过与历史作物产量数据对比,发现本研究模拟精度评价良好,模拟结果的数据范围、均值和标准差都与观测数据较为一致,能够准确反映作物的真实产量。（2）基于作物产量模拟结果,本研究在全球尺度上分析了未来粮食产量的变化趋势与时空规律。研究发现,玉米和小麦在不同情景下单产趋势出现明显差异,水稻在各情景下主要呈现下降的趋势,而大豆单产基本呈现上升趋势。但是如果增加灌溉,许多作物在部分情景下单产趋势会由下降转为上升,表明人为管理可以有效改变未来气候对作物的影响方式。根据Theil-Sen趋势分析和MK检验分析结果,发现作物总产量在SSP-RCP情景下总体呈现上升趋势,但在不同气候带表现相反,高纬度寒带地区产量显著增长,而低纬度热带则下降。（3）为探究未来气候和土地利用变化对全球作物产量的影响,本研究分别对气候变化、土地利用变化及二者共同作用下对产量的影响进行了分析。为了分析气候因子的作用,研究先对时间序列数据进行去趋势处理来避免数据自相关,再使用偏相关分析和统计气候和产量同时显著变化的像元数量进行分析。结果表明未来情景下,作物产量主要受到太阳辐射和温度变化的影响。总的来说,太阳辐射的增加有利于产量的提升,而未来温度升高在寒带地区有利于作物产量提升,但在热带地区会导致产量减少,同时降水的增加也在一定程度上有益于产量增加。但是不同情景的主要气候影响因素存在差异,低排放情景下太阳辐射和温度同时对产量变化造成重要影响,而高排放情景下温度是产量变化的主导因素。CO2施肥效应对全球未来作物产量也造成显著影响,在不同情境下其可以提升全球约0.4～2.4亿吨产量。另外,统计未来土地利用变化对全球作物总产量变化的影响可以发现,未来全球作物产量减少是由于耕地向草地和森林转移,而产量提升则主要是由于灌木和森林类型地表向耕地转移导致的。到2100年,各个情景下有大约13.5%～21.1%的作物产量是由于其他用地类型转变为耕地所带来的,同时也有6.5%～9.0%的产量减少是由于耕地减少,尤其是水稻,耕地面积减少导致水稻减产14.8%～21.6%,这可能会对以水稻为主食的人群造成一定影响。而城市扩张的影响也不容忽视,部分情景下大约有2.5%的产量损失由于城市扩张导致。而城市侵占耕地质量优异,其平均产量普遍高于当地平均产量,最高可达平均产量的2.3倍。最后,从土地利用变化影响相对气候变化影响的贡献度来看,低排放情景气候和土地利用的贡献度近似,而高排放情景下气候的贡献较高。但是从对总产量的影响来看,气候变化导致全球未来产量降低约1%～10%,而土地利用变化可以使得产量增加约6%～16%。除了SSP5-RCP8.5情景以外,其余四种情景土地利用变化对产量变化起到主导作用（54%～91%）。（4）本研究预测了未来全球作物需求,并结合上一部分中的作物产量模拟结果评估了全球不同地区的粮食供需平衡。结果表明,到2100年,各个情景下全球可能依旧存在10～30亿人面临四种作物不足的风险。其中,SSP3-7.0情景下人口数量增长最多,导致该情景对作物需求量也最高,面临粮食不足的人口也最多。而SSP4-6.0情景作物产量上升最多,加上其较低的人口和平稳的经济趋势,使得其对作物需求量较低,因此该情景粮食风险最低。未来土地利用变化增加的产量约能满足1.7～4.4亿人口的需求,但是非洲、南亚和东南亚地区的居民依旧存在较高的粮食风险。研究发现在未来气候和土地利用变化下,维持作物品种和管理措施不变可能会导致许多国家出现粮食短缺现象。而如果水分充足,提高的作物产量能较大程度缓解饥饿压力,饥饿人数可以减少约9～13亿人。这启示应进一步提升作物品种或改进管理措施,以便在未来人口和经济发展的情况下降低饥饿风险。