全球气候变化对农业生态系统的影响

全球气候变化对农业生态系统的影响

世界气候变化是自20世纪90年代以来最受关注的环境和科学问题之一，引起了国政府、科学和公众的关注。而农业生态系统是受人类强烈干预的人为控制系统,也是自我调节机制较为薄弱的生物系统,是全球气候变化的主要承受者。目前有关全球气候变化的研究主要集中在大气中CO2浓度升高、酸雨增加、O3增加、紫外线增强等对作物的影响以及农田和反刍动物的CH4、N2O、SO2等温室气体的排放规律等方面。本文就当前国内外有关全球气候变化对农业生态系统影响的研究状况及其动态做一综述,重点介绍全球气候变化对作物和土壤的影响,以阐明全球气候变化的影响机制,揭示农业生态系统的适应机理,为制定农业可持续发展对策提供依据。1全球气候变化对作物的影响1.1co浓度增加对植物的影响1.1.1两种光合速率大气CO2浓度提高对植物最直接的影响是其光合作用的变化。C3植物一般随CO2浓度升高光合速率提高,净光合生产力提高;C4植物则对CO2浓度升高的反应不十分敏感。王修兰等研究表明,700μmol·mol-1CO2浓度下大豆从三叶至结荚期的净光合速率比350和500μmol·mol-1浓度下分别增长42%-79%和13%-61%。Horieetal研究发现CO2浓度提高使水稻叶片光合速率提高30%-70%。一般认为,CO2浓度升高使叶片的光合速率升高,但对于不同的物种,在不同的生态环境条件下,所测得的增加幅度不一。Curtis采用整合分析方法总结38项研究结果得出,CO2浓度倍增将使植物叶片的光合作用增强50%。但大量研究表明,大气中CO2浓度升高,短期内会使植物光合速率上升,而随着时间的延长,其光合速率将恢复到原来的水平,甚至下降,这可能是光合驯化的结果,导致植物体内核酮糖二磷酸羧化酶(rubisco)活力下降以及光合作用产物的“源—库”平衡受到破坏。1.1.2采用密度指标法测定叶片与冠层的ph值变化从叶片水平而言,随着空气中CO2浓度升高,植物叶片净光合速率提高,蒸腾速率下降,因而叶片的水分利用效率大大提高。愈梅等研究发现,水分利用率(WUE)随CO2浓度的升高几乎呈线性增长趋势,CO2700μmol·mol-1比300μmol·mol-1WUE提高近100%。大型生长箱模拟研究表明,高CO2浓度(746μmol·mol-1)使得发育盛期向日葵的日冠层水汽通量较当前CO2浓度(399μmol·mol-1)增加11%,水分利用率提高26%;而CO2浓度倍增条件下叶片水平的水分利用率将倍增,甚至更多,表明叶片与冠层尺度对CO2浓度的适应性存在较大差异。从群体水平来说,由于植物在整个生育期内的耗水随空气中CO2浓度升高变化不大,而其生物量积累和籽粒产量增加幅度相对较大,从该角度来讲其水分利用效率还是提高了,且C3植物比C4植物提高较为明显。Horieetal研究表明,最适宜温度下CO2浓度倍增可使水稻WUE提高40%-50%,主要原因是生物量增加及蒸腾减少,当温度超过最适宜范围时WUE则急剧下降。1.1.3mol-1增加量CO2浓度升高既有利于作物干物质积累,也有益于产量提高。王春乙等研究表明,CO2浓度倍增使棉花、玉米产量分别增加27.4%和22.9%。Kimballetal根据37种植物430个实验结果分析表明,若大气中CO2浓度由350μmol·mol-1增至700μmol·mol-1时,全球农作物产量和生物量可增加24%-43%。崔读昌在研究大气中CO2浓度上升后的温室效应对我国主要作物产量形成和产量的影响时指出,这种影响因地区和作物种类而存在正负效应。在某些地区的一些作物上,CO2浓度上升可提高作物干物质生产能力,增强微生物的固氮能力,促进土壤的有效利用,对作物产量增加是有利的,但CO2浓度上升也会产生杂草繁茂、病虫害加重、农药和肥料效果减弱、干旱激化、地力耗损等负作用。CO2浓度的升高还可能导致农作物品质下降。在CO2浓度升高的情况下,作物吸收的C增加、N减少,体内C/N比升高,蛋白质含量将降低,从而使作物品质降低。以大豆和小麦为例,CO2浓度倍增条件下,大豆氨基酸和粗蛋白含量分别下降23%和0.83%;冬小麦籽粒粗蛋白和赖氨酸分别下降12.8%和4%。1.216-b辐射增强对植物的影响1.2.1不同叶位的uv-b照射UV-B辐射的增强抑制了作物的净光合速率。紫外线辐射使气孔开张度减小,导致光合作用速率下降,并且可以改变植株对不同氮源的吸收利用方式,引起碳、氮代谢的变化。孙谷畴等研究表明,UV-B辐射可使香蕉叶片的光合速率下降。但不同作物对UV-B辐射增强的适应方式和强度不同。Vanetal对13种植物进行UV-B照射,发现植物的净光合速率对UV的反应相差甚大,C4植物对UV不太敏感,而C3植物较为敏感。不同叶位的净光合作用速率测定值表明,随着叶位升高,UV辐射对光合作用的抑制作用增强,表明幼叶对UV的反应比老叶敏感。大量研究表明,UV-B对敏感的植物的光合作用有直接和间接的影响。直接影响主要表现为破坏PSII、PSI,加速叶绿素的分解,降低RUBP酶的活性,减少CO2的固定。间接影响表现为促使气孔关闭,降低气体交换率,增加叶的厚度,减小叶面积、使叶的内部结构发生变化等,从而改变叶光合作用小环境。UV辐射对作物光合作用的影响,因光强、气温及水分等环境因子的差异而不同,在光强弱、温度适宜、水分充分的情况下,UV的抑制作用最为明显。1.2.2对水稻气孔的影响UV-B辐射增强将导致作物蒸腾作用减弱。Teramuraetal认为主要原因是UV-B辐射影响气孔的开闭,从而导致蒸腾速率的变化。郑有飞等的试验结果表明,UV辐射显著抑制大豆和小麦叶片蒸腾速率,同时使得气孔导度降低为对照的68.8%。Mireckietal研究发现,UV减弱大豆的蒸腾作用与植物本身的水分状态有关。旱年在过量的UV辐射下,大豆的蒸腾、气孔传导率和叶水势都无明显异常,而在正常年份里,营养生长期的蒸腾未受UV影响,但生殖生长期间则有明显降低。这表明水分亏缺掩盖了UV效应。颜景义等对小麦的试验亦得到相同的结论。Dai用对UV-B敏感的水稻品种在温室中接受40%臭氧减少的UV-B照射20d,发现蒸腾速率明显降低;不仅气孔关闭,而且根系活力也下降,导致吸水减少。另外,由于紫外线辐射对作物光合作用的抑制效应远大于对蒸腾的抑制效应,紫外线使得作物水分利用效率下降。1.2.3uv-b辐射对作物生长及产量的影响研究表明,紫外线通过长期对作物生理活动的限制及光合面积的减少,最终使得作物经济学产量下降,作物穗数、粒数、粒重等产量指标均下降。郑有飞等研究表明,随着UV辐射强度增大,干物质累积量下降,UV辐射增大8%,大豆干物重下降53.3%;UV辐射增大10%,小麦生物学产量下降25.5%。UV辐射对作物干物质积累量的影响随生育期不同而不同。Teramuraetal连续6年观察了UV-B对大豆生长发育及产量的影响,发现大豆对UV-B辐射最敏感时期是从营养生长转向生殖生长阶段。另外,作物对UV-B辐射的敏感性还具有种间、品种间差异。在美国29°N地区进行UV-B对10种作物产量影响的比较研究发现,小麦、马铃薯和南瓜分别减产5%、21%和9%;而水稻、花生和玉米的产量不受影响。同时,UV-B辐射还影响小麦品质,影响大豆粗蛋白和脂肪含量,产量和品质的变化是植物对UV-B辐射增强综合反应的结果。1.3农业增长剂rodin对作物生长的影响在高纬度地区,气温升高能延长作物生长季节,加快生长速度,从而缩短作物生长周期;在低纬度地区,尤其是生长季节主要由降雨决定的地区,气温升高对作物的效应还不清楚。一般认为,随着叶片温度的升高,气孔关闭、叶肉细胞的胞间CO2浓度升高,从而提高叶片的水分利用效率。Rodin研究表明,棉花叶片在30℃、水汽压亏缺为3kPa时叶片每消耗1molH2O可吸收3.5mmolCO2,而当温度升至40℃、水汽压亏缺为6kPa时,叶片每消耗1molH2O仅吸收0.8mmolCO2。高温下,光合作用被严重抑制,净光合速率明显下降,高温的损伤作用表现在破坏光系统Ⅱ,使光系统Ⅱ的量子产率Fv/Fm降低,而使初始荧光F0升高。有关温度升高对农作物产量的影响国内外颇不一致。模拟研究表明,高温造成水稻生育期特别是灌浆期缩短,导致光合时间减少,光合产物向穗部的转移效率下降。同时,气温升高致使作物呼吸消耗急增,干物质积累减少,对提高产量不利。然而,从积温增加使有效生长季延长这点考虑,农业可增产2%。尤其是东北、内蒙因夏季增温有利,估计平均气温上升3℃粮食产量将增长30%以上。2全球气候变化对土壤的影响2.1对生态和气候变化的影响大部分土壤过程依赖于温度和水分,因此对气候变化的反应敏感。高温可加快有机质消耗,降低肥力。但高CO2浓度时,土壤中碳的储存量会增加,豆科作物的固氮能力也会加强。但各种交互影响的最终结果是很难预测的。对大部分分布广泛的土壤来讲,CO2增浓对土壤的影响是积极的,引起土壤肥力的提高和土壤物理性状的改善。几个全球循环模型的模拟结果显示,提高了作物和植被生产力和水分利用效率,加之一般的和稍微高的降雨量并未完全被高的蒸腾作用所抵消,导致地被植物普遍增加,从而更好抵制径流和侵蚀的影响。大部分分布不是很广泛的土壤的变化,包括具有较高生物活性和周期性减少的永久冻土将会消失。在海拔较低、未被保护的海岸区,由于海水侵蚀,几十年后可能引起酸性硫酸盐土层的形成。国家气候变化协调组第二工作组对全球气候变化对我国农业的可能影响进行了预测,气候变暖伴随蒸发加剧,导致北方一些地区盐渍化;长江以南亚热带丘陵和低丘地带将面临红壤砂化,地力衰退。温度升高还将促使土壤有机质分解,导致富饶的东北黑土肥力迅速下降。估计西北地区由于盐碱危害加重,至少损失耕地9.6×106hm2。由气候变化(温度和降水)引起的其他变化可适当地被许多土壤的矿物质成分、有机质含量和结构稳定性所缓冲。然而由于区域降雨量下降而不能被CO2效应所补偿,引起的植被、一年生或多年生作物的减少可能引起土壤结构的退化和孔隙度降低,从而增加了坡地的径流和侵蚀。大多数案例显示,人类活动对土壤的直接影响远大于气候变化对土壤的直接影响。因此,应当有计划地采用使土壤持续生产力最优化的土壤管理方法,适当抵消由于气候变化引起农业土地的退化。2.2大气co对土壤碳平衡的影响全球气候变化对土壤有机碳矿化速率的影响是目前的热点问题之一。对于土壤有机碳的矿化作用来讲,温度是其主要的驱动因子之一,温度升高加快土壤有机碳矿化速率。但是,由于全球气候变化不仅仅是温度的变化,可能还伴随着降水等变化,而且温度变化引起其他一系列土壤物理、化学和生物反应的变化。由此对土壤有机碳矿化作用的综合影响目前还没有一个统一的认识。Alvarezetal预测,阿根廷将因全球气候变化导致有机碳输入量减少而使土壤矿化速率增大,将出现土壤有机碳减少的趋势,土壤将成为一个净大气碳源。大气CO2浓度升高对土壤有机碳矿化和积累的影响则是最近才受到关注的问题。大气CO2浓度升高对土壤碳平衡的影响可能比较复杂,因为涉及到作物生物量的变化,从而影响到进入土壤有机碳量的变化。Cardonetal研究表明,大气CO2浓度升高对土壤有机碳矿化的影响是比较复杂的。在高CO2浓度下,由于根系生物量增加,且较容易为微生物利用,土壤微生物趋向于从利用老的土壤有机碳向利用根系分泌有机碳转移。另外,UV-B辐射增强后能改变土壤中的碳储量,从而影响到陆地生态系统的碳循环。3气候变化影响农业生产的生态大环境效应全球气候变化对畜牧业的影响一方面表现在对牲畜的直接影响,例如气温升高会影响牲畜的体表温度,进而影响牲畜的热平衡。温度过高,牲畜食欲下降,食料转化率和牲畜生殖能力也会降低。另一方面是对畜牧业的间接影响,即影响饲料生产而抑制了畜牧业的发展。牧草大多分布于中纬度温带地区,高温干旱将使许多牧场的土壤水分严重亏缺,使牧草产量和品质降低,如植物细胞壁加厚、细胞内可溶性物质减少、难消化的纤维含量提高。同时,牧草病虫害更加频繁,使产量和品质降低。有关研究指出,温度升高会使目前一些受温度限制的害虫活动范围扩大,其中以高纬度地区可能性最大。全球气温升高后,某些病虫的分布区域可能扩大,同时温室效应还使一些病虫害发生的起始时间提前,使多世代害虫繁殖代数增加,一年中危害时间延长,从而影响农业生产。李淑华研究发现,气候变暖后,在18°-27°N(粘虫冬季繁殖气候带)、27°-33°N(粘虫越冬气候带)、33°-36°N(粘虫春季迁入气候带)及在36°-39°N的冀东北、山东半岛、北京等地,粘虫发生世代均将在原来的基础上增殖1-2代。气候变暖也加剧了气候灾害对农业生产的影响。一些研究认为,气候变暖会使热带风暴增强,从而对低纬度地区,尤其是对海岸线上的农业生产产生严重影响;气温升高,大气热浪将会频繁发生,尤其在热带、亚热带地区更为突出;大气层中气流交换增强,大风天气会增多,风暴频率和强度都会有所增强,某些区域的风蚀作