全球气候变化对植物的影响

全球气候变化及其对植物的影响摘要：本文综述了全球气候变化及其对植物的影响情况。论述了气候变化的影响因素,反映出人们应对气候变化问题更加关注的主题。重点介绍了气候变化对农作物的7个具体影响因素：CO2浓度升高、温度升高、CO2浓度升高与温度升高的交互作用、降水的变化、气温日较差的变化、极端天气气候事件及气候变化的综合影响。最后指出了植物对气候变化生理生态响应具有不确定性，仍需在以后的研究中不断完善与改进。关键词: 气候变化；CO2浓度升高；作物产量 Review on the global climate change and its influence on plants当今世界气候变化已经成为各国政府及普通民众日益关注的热点问题。诸如两极冰川融化、卡特里娜飓风、印度洋海啸、印度热浪以及我国的南方雨雪冰冻灾害等灾害无时无刻不在提醒着我们全球气候的巨大变化。地球作为我们赖以生存的家园，不仅孕育着人类文明，更承载和维持着整个生态系统，其上的动物、植物、微生物，高山、河流、湖泊、海洋都为人类的生存与发展提供者必不可少的条件。然而全球气候变化正在严重的威胁着整个地球生态系统的稳定。1 全球气候变化概况 全球气候变化表现在多个方面，例如：北极气温在过去100 年间已经增加到全球平均温度的2 倍，冰覆盖量以每10 年3 %5 %的速率下降，而多年厚冰覆盖量以每年7 %10 %的速率下降，俄罗斯的河流排泄量在增加，永久冻土正在融化,陆地积雪覆盖在减少。此外，在过去几年,格陵兰冰原已经损失了巨大的边缘,远远超过内部的增加积累量。1.1 气温升高近百年来气温升高速度明显加快，且有越来越快的趋势。温度地质年代增加率为0. 0001/年或0. 00001/年, 而近百年的温度增加率是约1/100年 0. 01/年,是地质年代的1001000倍1。下图显示了1850年以来,全球平均的地表温度的变化及同时段的线性趋势2。从图中我们可以明显的看出1850年以来全球平均气温呈现上升趋势。相对于19611990年的气候平均值。平滑曲线(蓝线)代表10年尺度的变化。从18501899时段到20012005时段总温度增加为0. 76 0. 19。CO2浓度升高同温度一样，CO2浓度也在明显升高且有加快趋势。现在温室气体的测量表明，CO2已从工业化前(1750年)的280ppm增加到了2005 年的379ppm。2005年CO2 的大气浓度值已远远超出了根据冰芯记录得到的65万年以来浓度的自然变化范围(180280ppm)。并且近10年(1995-2005年)来CO2大气浓度的增长率(每年1. 9ppm)比过去有连续直接大气测量以来的增长速率(19602005:每年1. 4ppm)要高很多1。下图为过去10000年大气CO2浓度的变化(相对于2005年) . 这是从冰芯资料分析和仪器测量得到的. 纵坐标是CO2的浓度,单位为ppm2。从图中我们可以直观的看到近50年来 CO2的浓度显著上升。 1.3 冰川融化世界各地冰川变化观测和研究表明，小冰期结束以来全球范围内冰川退缩成为主导趋势。据IPCC 小组估计，1960-1990 年期间， 山地冰川的总体物质平衡为-12050Gt/年，相应地对海平面上升的贡献约为0.330.14mm/年；1990-2004 年时段则增到-23066Gt/年，海平面平均上升0.630.18mm/年，山地冰川物质平衡的变化对海平面的上升贡献很大3。阿尔卑斯山1850-1975 年冰川面积缩小了35%，而到2000 年，这一比例增至50%4。南美冰川面积已由1950-1980 年的27002800km2 消减至20 世纪末的不足2 500km2 5。近50年来中国西部82.2%的冰川处于退缩状态，冰川面积减少4.5%6。1.4 其他 此外，还有降水量变化，气温日较差降低，极端天气增多等，在此不再赘述。2 气候变化原因气候变化是一个高度复杂的过程,它不但涉及到各种物理过程,而且涉及到地球生物化学过程,并且它们大部具有明显的相互作用1。包括太阳活动、火山爆发、气候系统的内部变率等在内的自然因素在气候变化中扮演着重要角色。另外，更加值得关注的是，现代的气候变化已不完全由自然的因素造成，人类活动起着重要作用，在最近50年甚至可能起主要作用1。人类活动对气候变化的作用主要表现为三个方面7 : (1)化石燃料燃烧排放的CO2等温室气体通过温室效应影响气候,这是人类活动造成气候变暖的主要驱动力；( 2 ) 农业和工业活动排放的CH4，CO2 ，N2O，PFC， HFC，SF6 等温室气体，也通过温室效应增强气候变暖；(3)土地利用变化导致的温室气体源变化和地表反照率变化进一步影响气候变化,这包括森林砍伐、城市化、植被改变和破坏等所引起的温室气体浓度增加和减少或清除。3 全球气候变化对植物的影响3.1 全球气候变化对生态系统的影响气候变化已经或正在对全球的生态系统和生物多样性产生着显著影响(Kerr & Packer, 1998;Williams, 2000; Walther et al., 2002)。包括使生境退化或丧失, 物种灭绝速度加快(Thomas et al., 2004)，物种分布范围发生变化(Wilson et al., 2005; Waltheret al., 2005; Colwell et al., 2008)，生物物候期和物种繁殖行为发生改变(Parmesan & Yohe, 2003; Rootet al., 2003)，种间关系发生变化等(Kappelle et al.,1999; Thuiller, 2007)。3.2 全球气候变化对农作物产量的影响3.2.1 CO2浓度升高野外环境控制试验及模型研究表明，随着CO2 浓度增加,作物产量呈增加趋势8,9 。同时研究也表明，CO2 浓度增加对不同类型作物产量的影响有明显差异,其中C3类作物增长率明显大于C4类作物，在CO2浓度为550mol/mol时，C3和C4类作物的产量将分别增加10%-20%和0%-10%10,这可能是由于C3和C4类作物对CO2 的同化途径和CO2 浓度饱和点不同决定的9。一些学者最近也指出,模型预测结果也许过高地估计了CO2浓度升高对作物的影响，因为植物生理学家和模型研究者认识到，现实状况下存在着许多制约因素，例如虫害、杂草、营养状况、资源的竞争、土壤水分和空气质量等,从而抵消掉了CO2浓度增加带来的正效应。尽管目前已经将基于过程的模型应用在估算气候和CO2浓度变化对产量可能产生的影响上，有些研究还考虑了水和氮素对作物产量的限制作用，但仍需进一步在长期及大尺度上开展CO2浓度升高所带来的影响的研究,开展气候和CO2浓度变化对作物生长和产量的共同影响研究,尤其是在限制状况下的研究是十分必要的11。3.2.2 温度升高 许多研究表明，随着温度升高作物中的干物质及产量会下降。对稻类作物而言，温度的升高首先会影响稻穗的不育率，在开花期高温会阻止花粉囊裂开和花粉散发，致使授粉率和谷粒数量降低，不育率上升，产量下降12 。温度升高还会改变作物的生长速率和生育期长度,从而影响产量。温度升高延长了作物的全年生长期,这对无限生长习性或多年生作物以及热量不足的地区有利,但对生育期短的作物生长不利13。温度升高使作物生长发育速度加快,生育期缩短。研究表明,作物生长期间气温每升高1，水稻生育期将缩短7 8d, 冬小麦生育期将缩短17d,这就减少了作物光合作用积累干物质的时间14。由此,夜间温度升高条件下,玉米、小麦和大豆产量的降低并不能全部归因于夜间呼吸速率的升高,水分利用效率的降低和生育期的缩短也是导致作物产量下降的原因之一。3.2.3 CO2浓度升高与温度升高的交互作用二者的交互作用表现在以下几点：1）随着大气CO2 浓度的升高,净光合速率的最适温度会增加510；2） CO2 浓度的升高会降低光呼吸15 ，从而增加净光合速率。3) 当温度接近作物所能承受的上限温度时，不管CO2浓度如何,此时的温度都会对产量产生抑制作用16。4) 温度的升高还可能会限制或改变CO2 浓度给作物带来的影响。5) 作物生长期间温度的升高增加了作物对水分的需求,这会间接地降低CO2 浓度的正效应。因此不可单纯说二者可以增加或减少作物产量。3.2.4 降水的变化降水的增加或减少可能会改变土壤的蒸发、冠层的蒸腾和土壤水分含量,这些因素反过来又会对植物的功能以及水分的收支产生影响。在干旱和半干旱环境条件下，降水格局的变化对生态系统机理的影响甚至超过了CO2浓度和温度升高单一因子或两者共同作用的影响17. 。除降水量减少及分配不均给农业生产造成损失外,极端降水事件的发生(如暴雨)也会给作物产量带来影响。3.2.5 气温日较差（DTR）的变化白天温度增加与夜间温度增加会对作物生长产生不同的影响，作物的产量会随着DTR的变化而发生改变。若日平均气温不变，DTR变大对产物生长有利有弊。一方面,DTR的增加会使作物产量下降。这是因为日最高气温的增加会导致水分胁迫发生，光合速率下降18而且与DTR 升高相联系的日最低温度的降低也可能会对寒冷地区的作物产生冻害或造成死亡从而导致减产19。另一方面, 在某些情况下，DTR的增加往往与较高的太阳辐射相联系，这对作物产量形成非常有益,尤其是在施肥和灌溉良好的土地上。在作物生长和灌浆速率对最高和最低温度较敏感的情况下,较低的夜间温度会使作物生育期变长,从而可以生产出更多的干物质。较低的夜间温度还会使一些水果和坚果树作物受益,DTR的增加对它们的生长十分有利19。3.2.6 极端天气气候事件短期的极端气候事件,例如高温、暴雨和洪水,以及长期(一年内或几十年)的气候极端事件和大尺度的大气环流变化,例如厄尔尼诺和南方涛动均会对作物生产产生重要的影响。3.2.7 气候变化的综合影响气候变化不仅直接影响作物的生长发育和产量形成过程,而且还可能影响作物布局、种植制度和农技措施等。3.3 植物对气候变化生理生态响应的不确定性植物对气候变化生理生态响应的不确定性包括植物响应模式的复杂性、多样性及可变性等。造成这些不确定性的主要原因包括: (1) 利用空间代替时间的样带研究中,往往忽略了植物的非线性响应,存在明显的阈值; (2) 样带及定点研究中,由于各种气候因子的耦合,很难确定各种气候因子对植物生理生态学特性影响的权重; (3) 定点控制实验中往往忽略了植物对气候变化的适应性,使实验结果很难代表更长时间尺度上的反映模式; (4) 在相同的气候变化条件下,不同植物的响应有可能存在明显差异20。4 关于气候变化及其对植物影响的思考近年来，全球气候变化导致的极端气候一次又一次的无情的打击着人类，给人造成了巨大的物质和精神损失，这不断的提醒着人类：以破坏环境为代价追求来的经济利益终究会被自然夺走，只有与自然和谐相处，节能减排，倡导低碳生活才能达到人与自然的双赢，为人类创造良好的生存发展环境。1 丁一汇. 全球气候变化中的物理问题.物理. 38卷(2009年) 2期2 IPCC. Climate Change 2007: Physical Science Basis. Cambridge: Cambridge University Press, 2007.9963 Peter Lemke, Jiawen Ren. Observations changes in snow,ice and frozen groundA. Working Group I Contribution to the IPCC Fourth Assessment Report Climate Change2007: The Physical Science Basis. 4 Michael Zemp, Wilfried Haeberli, Martin Hoelzle,et al.Alpine glaciers to disappear within decades. Geophysical Research Letters, 2006, 33(13):L13504.5 Kaser G, Ostmaston H. Tropical Glaciers. Cambridge University Press, 2002.6 刘时银, 丁永建, 李晶等. 中国西部冰川对近期气候变暖的响应. 第四纪研究, 2006, 26(5): 762-771.7 丁一汇,张锦,徐影等. 气候系统的演变及其预测,北京:气象出版社, 2003. 137 Ding Y H, Zhang J, Xu Y et al. Evolution of the Climate System and Its Prediction. Beijing: Meteorological Press, 2003. 137 ( in Chinese) 8 Long S P,Ainsworth E A,LeakeyA D B, et al. Food for thought: Lower-than-expected crop yield stimulation with rising CO2 concentrations. Science, 2006, 312: 1918-19219 王春乙,潘亚茹,白月明等. 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