植物對全球氣候變化的響應(yīng)

1、植物對全球氣候變化的響應(yīng)CYX1 全球氣候變化的概念： 全球氣候變化是指全球氣候平均值和離差值兩者中的一個或兩者同時隨時間出現(xiàn)了統(tǒng)計意義上的顯著變化。 2導致全球氣候變化的原因3 全球氣候變化表現(xiàn)在多個方面 例如：北極氣溫在過去100 年間已經(jīng)增加到全球平均溫度的2 倍，冰覆蓋量以每10 年3 %5 %的速率下降，而多年厚冰覆蓋量以每年7 %10 %的速率下降，俄羅斯的河流排泄量在增加，永久凍土正在融化,陸地積雪覆蓋在減少。此外，在過去幾年,格陵蘭冰原已經(jīng)損失了巨大的邊緣,遠遠超過內(nèi)部的增加積累量。4一、氣溫升高 近百年來氣溫升高速度明顯加快，且有越來越快的趨勢。 溫度地質(zhì)年代增加率為0. 0

2、001/年或0. 00001/年, 而近百年的溫度增加率是約1/100年0. 01/年,是地質(zhì)年代的1001000倍1。 5 下圖顯示了1850年以來,全球平均的地表溫度的變化及同時段的線性趨勢。從圖中我們可以明顯的看出1850年以來全球平均氣溫呈現(xiàn)上升趨勢。相對于19611990年的氣候平均值。平滑曲線(藍線)代表10年尺度 的變化。從18501899時段到20012005時段總溫度增加為0. 76 0. 19。6二、CO2濃度升高 CO2濃度也在明顯升高且有加快趨勢。 現(xiàn)在溫室氣體的測量表明，CO2已從工業(yè)化前(1750年)的280ppm增加到了2005 年的379ppm。2005年CO2

3、 的大氣濃度值已遠遠超出了根據(jù)冰芯記錄得到的65萬年以來濃度的自然變化范圍(180280ppm)。并且近10年(1995-2005年)來CO2大氣濃度的增長率(每年1. 9ppm)比過去有連續(xù)直接大氣測量以來的增長速率(19602005:每年1. 4ppm)要高很多。 7下圖為過去10000年大氣CO2濃度的變化(相對于2005年) . 這是從冰芯資料分析和儀器測量得到的. 縱坐標是CO2的濃度,單位為ppm2。從圖中我們可以直觀的看到近50年來 CO2的濃度顯著上升。8三、冰川融化 世界各地冰川變化觀測和研究表明，小冰期結(jié)束以來全球范圍內(nèi)冰川退縮成為主導趨勢。據(jù)IPCC 小組估計，1960-

4、1990 年期間， 山地冰川的總體物質(zhì)平衡為-12050Gt/年，相應(yīng)地對海平面上升的貢獻約為0.330.14mm/年；1990-2004 年時段則增到-23066Gt/年，海平面平均上升0.630.18mm/年，山地冰川物質(zhì)平衡的變化對海平面的上升貢獻很大3。阿爾卑斯山1850-1975 年冰川面積縮小了35%，而到2000 年，這一比例增至50%4。南美冰川面積已由1950-1980 年的27002800km2 消減至20 世紀末的不足2 500km2 5。近50年來中國西部82.2%的冰川處于退縮狀態(tài)，冰川面積減少4.5%6。9四、其他 此外，還有降水量變化，氣溫日較差降低，極端天氣增多

5、等。冰雹10全球氣候變化對植物的影響全球氣候變化對生態(tài)系統(tǒng)的影響全球氣候變化對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響植物對氣候變化生理生態(tài)響應(yīng)的不確定性11全球氣候變化對生態(tài)系統(tǒng)的影響 氣候變化已經(jīng)或正在對全球的生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性產(chǎn)生著顯著影響。 包括使生態(tài)環(huán)境退 化或喪失, 物種滅絕 速度加快，物種分布 范圍發(fā)生變化，生物 物候期和物種繁殖行 為發(fā)生改變，種間關(guān) 系發(fā)生變化等。12 全球氣候變化對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響CO2濃度升高溫度升高CO2濃度升高與溫度升高的交互作用降水的變化氣溫日較差（DTR）的變化極端天氣氣候事件氣候變化的綜合影響 131、CO2濃度升高 野外環(huán)境控制試驗及模型研究表明，隨著CO2 濃度增

6、加,作物產(chǎn)量呈增加趨勢 。同時研究也表明，CO2 濃度增加對不同類型作物產(chǎn)量的影響有明顯差異,其中C3類作物增長率明顯大于C4類作物，在CO2濃度為550mol/mol時，C3和C4類作物的產(chǎn)量將分別增加10%-20%和0%-10%,這可能是由于C3和C4類作物對CO2 的同化途徑和CO2 濃度飽和點不同決定的。 14 一些學者最近也指出,模型預測結(jié)果也許過高地估計了CO2濃度升高對作物的影響，因為植物生理學家和模型研究者認識到，現(xiàn)實狀況下存在著許多制約因素，例如蟲害、雜草、營養(yǎng)狀況、資源的競爭、土壤水分和空氣質(zhì)量等,從而抵消掉了CO2濃度增加帶來的正效應(yīng)。盡管目前已經(jīng)將基于過程的模型應(yīng)用在估

7、算氣候和CO2濃度變化對產(chǎn)量可能產(chǎn)生的影響上，有些研究還考慮了水和氮素對作物產(chǎn)量的限制作用，但仍需進一步在長期及大尺度上開展CO2濃度升高所帶來的影響的研究,開展氣候和CO2濃度變化對作物生長和產(chǎn)量的共同影響研究,尤其是在限制狀況下的研究是十分必要的。152、溫度升高 許多研究表明，隨著溫度升高作物中的干物質(zhì)及產(chǎn)量會下降。 對稻類作物而言，溫度的升高首先會影響稻穗的不育率，在開花期高溫會阻止花粉囊裂開和花粉散發(fā)，致使授粉率和谷粒數(shù)量降低，不育率上升，產(chǎn)量下降 。溫度升高還會改變作物的生長速率和生育期長度,從而影響產(chǎn)量。溫度升高延長了作物的全年生長期,這對無限生長習性或多年生作物以及熱量不足的地

8、區(qū)有利,但對生育期短的作物生長不利。溫度升高使作物生長發(fā)育速度加快,生育期縮短。研究表明,作物生長期間氣溫每升高1，水稻生育期將縮短7 8d, 冬小麥生育期將縮短17d,這就減少了作物光合作用積累干物質(zhì)的時間。由此,夜間溫度升高條件下,玉米、小麥和大豆產(chǎn)量的降低并不能全部歸因于夜間呼吸速率的升高,水分利用效率的降低和生育期的縮短也是導致作物產(chǎn)量下降的原因之一。163、CO2濃度升高與溫度升高的交互作用二者的交互作用表現(xiàn)在以下幾點： （1）隨著大氣CO2 濃度的升高,凈光合速率的最適溫度會增加5 10； （2） CO2 濃度的升高會降低光呼吸 ，從而增加凈光合速率。 （3）當溫度接近作物所能承受

9、的上限溫度時，不管CO2濃度如何,此時的溫度都會對產(chǎn)量產(chǎn)生抑制作用。 17（4） 溫度的升高還可能會限制或改變CO2 濃度給作物帶來的影響。 （5）作物生長期間溫度的升高增加了作物對水分的需求,這會間接地降低CO2 濃度的正效應(yīng)。 因此不可單純說二者可以增加或減少作物產(chǎn)量。184、降水的變化 降水的增加或減少可能會改變土壤的蒸發(fā)、冠層的蒸騰和土壤水分含量,這些因素反過來又會對植物的功能以及水分的收支產(chǎn)生影響。在干旱和半干旱環(huán)境條件下，降水格局的變化對生態(tài)系統(tǒng)機理的影響甚至超過了CO2濃度和溫度升高單一因子或兩者共同作用的影響 。 19 除降水量減少及分配不均給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成損失外,極端降水事件的

10、發(fā)生(如暴雨)也會給作物產(chǎn)量帶來影響。 205、氣溫日較差（DTR）的變化 白天溫度增加與夜間溫度增加會對作物生長產(chǎn)生不同的影響，作物的產(chǎn)量會隨著DTR的變化而發(fā)生改變。若日平均氣溫不變，DTR變大對產(chǎn)物生長有利有弊。21 一方面,DTR的增加會使作物產(chǎn)量下降。這是因為日最高氣溫的增加會導致水分脅迫發(fā)生，光合速率下降而且與DTR 升高相聯(lián)系的日最低溫度的降低也可能會對寒冷地區(qū)的作物產(chǎn)生凍害或造成死亡從而導致減產(chǎn)。 22 另一方面, 在某些情況下，DTR的增加往往與較高的太陽輻射相聯(lián)系，這對作物產(chǎn)量形成非常有益,尤其是在施肥和灌溉良好的土地上。在作物生長和灌漿速率對最高和最低溫度較敏感的情況下,

11、較低的夜間溫度會使作物生育期變長,從而可以生產(chǎn)出更多的干物質(zhì)。較低的夜間溫度還會使一些水果和堅果樹作物受益,DTR的增加對它們的生長十分有利。236、極端天氣氣候事件 短期的極端氣候事件,例如高溫、暴雨和洪水,以及長期(一年內(nèi)或幾十年)的氣候極端事件和大尺度的大氣環(huán)流變化,例如厄爾尼諾和南方濤動均會對作物生產(chǎn)產(chǎn)生重要的影響。 247、氣候變化的綜合影響 氣候變化不僅直接影響作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量形成過程,而且還可能影響作物布局、種植制度和農(nóng)技措施等。25植物對氣候變化生理生態(tài)響應(yīng)的不確定性 植物對氣候變化生理生態(tài)響應(yīng)的不確定性包括植物響應(yīng)模式的復雜性、多樣性及可變性等。26 造成這些不確定性的主

12、要原因包括: (1) 利用空間代替時間的樣帶研究中,往往忽略了植物的非線性響應(yīng)。 (2) 樣帶及定點研究中,由于各種氣候因子的耦合,很難確定各種氣候因子對植物生理生態(tài)學特性的影響。 (3) 定點控制實驗中往往忽略了植物對氣候變化的適應(yīng)性,使實驗結(jié)果很難代表更長時間尺度上的反映模式; (4) 在相同的氣候變化條件下,不同植物的響應(yīng)有可能存在明顯差異。27植物如何適應(yīng)氣候變化 氣候變化會影響許多地區(qū)的氣候。物種的生存能力將依賴于對新環(huán)境的適應(yīng)性。對中國東北地區(qū)植物的調(diào)查研究顯示，植物擁有多種適應(yīng)性，這就使之能夠在過量的降水下茁壯成長。適應(yīng)性的多樣化對未來植物的生存發(fā)展來說是個好兆頭。 28科學家對

13、一種叫羊草的中國植物進行了適應(yīng)性研究，發(fā)現(xiàn)它能夠通過改變自身的生理結(jié)構(gòu)和解剖結(jié)構(gòu)來應(yīng)對氣候變化。在中國東北部，氣候隨地區(qū)變得越來越干燥。 羊草取樣于光照相同，海拔和降水有差異的地區(qū)。這些地區(qū)依次有濕草地，干草地，沙漠。對這些植物進行研究發(fā)現(xiàn)，它們有特殊的解剖結(jié)構(gòu)和生理結(jié)構(gòu)去應(yīng)對棲息地的降水量變化。29研究表明： 氣候變干燥時，羊草通過增厚葉片減小氣孔來保持水分。氣孔是吸收二氧化碳，排放氧氣與蒸發(fā)水汽的微小通道。在干旱的地區(qū)，植物試樣具有較發(fā)達的維管系用來從土壤中吸收水分并把水運送到葉片。生長在干旱地區(qū)的植物也有其生化適應(yīng)性，它使細胞維持水分免于脫水。受降水量影響的許多因素也隨海拔的變化而變化。

14、30不同熱起源的植物適應(yīng)氣候變化的能力與葉片氮分配格局和代謝過程有關(guān) 資孫書存研究員課題組向雙博士在中國科學院公派留學基金等助下，與澳大利亞國立大學Owen Atkin教授等合作，在澳大利亞昆士蘭州、維多利亞州和塔斯馬尼亞州選擇12個溫帶物種和13個熱帶物種進行研究，將來源于當?shù)氐闹参镉酌绶N植于水分和養(yǎng)分條件良好的控溫25C（大多數(shù)植被模型的模擬溫度）的玻璃溫室中，在生長期間進行氣體交換和相關(guān)葉片屬性的測定。31研究發(fā)現(xiàn)： 溫帶植物較熱帶植物呈現(xiàn)出較高的光合速率和呼吸速率；而溫帶植物較高的氣體交換速率與葉片中相應(yīng)的較高氮含量有關(guān)； 這一研究揭示來自不同熱起源物種的適應(yīng)能力是與其內(nèi)在的氮投資格局

15、以及大氣碳交換中植物關(guān)鍵代謝過程的適應(yīng)能力密切相關(guān)的。32植物適應(yīng)氣候變化和特定基因有關(guān) 據(jù)國外媒體10月12日報道，面對急劇的環(huán)境變化，促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和成功保護的能力要部分依賴于科學家對植物如何適應(yīng)當?shù)貧夂虻睦斫狻?為了改善科學家對這一現(xiàn)象的理解，2011年10月7日發(fā)表在科學雜志的研究幫助人們明確植物適應(yīng)當?shù)貧夂虻幕蚧A(chǔ)。 在不同自然原生范圍內(nèi)種植了不同組的芥末植物擬南芥菌株，比如芬蘭、德國、英國和西班牙。于是基因突變增加了植物對每個分布地的適應(yīng)性得到證實。33擬南芥34結(jié)果顯示： 一個相對小數(shù)量的基因賦予每組擬南芥氣候偏好。不同的基因組控制對不同種類型氣候的適應(yīng)性。就單個植物來說，一組特

16、定的氣候基因的出現(xiàn)不一定和另一組特定氣候基因互相排斥。 35植物正以進化適應(yīng)氣候變化 聯(lián)合早報報道 因為全球氣候變暖，自然界的生物正面臨越來越大的生存壓力，英國幾份科學雜志最近發(fā)表報告指出，一些植物正發(fā)揮“適者生存”的本能，通過改變自身生長規(guī)律來適應(yīng)環(huán)境的改變。36英國皇家學會生物學分會學報的最新報告說，美國杜克大學研究人員觀察了落基山脈地區(qū)的芥末植株等植物從1973年到2011年的開花時間變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于當?shù)囟煸絹碓脚?，山上積雪融化的時間提前，這些植物的開花時間提前了13天。37 植物提前開花可以增強后代對環(huán)境變暖的適應(yīng)力，因為提前開花讓后代可以更早生長，能更多地利用溫暖的季節(jié)，在與其

17、他植物的競爭中具有優(yōu)勢。38 有些生物還以另一種方式與氣候變化賽跑，那就是改變自身形態(tài)。英國生物學通訊的報告說，澳洲阿德萊德大學研究人員發(fā)現(xiàn)，當?shù)刂参镘嚿Ｗ拥娜~片過去一百多年來變窄了約2毫米。在天氣熱的地方，植物葉片變窄，可以減少水分蒸發(fā)。39車桑子40 過去曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)因為氣候變化，動植物大多會改變生活習慣，或是變換棲息地，但是很少有改變自身形態(tài)的例子。植物自身形態(tài)的改變，通常在時間跨度很大的古生物學研究中才會發(fā)現(xiàn)。41 植物的這些反應(yīng)說明，它們自身具有適應(yīng)氣候變化的能力，關(guān)鍵是氣候改變的速度要在植物能承受的范圍之內(nèi)，否則植物就會在這場氣候改變和自身適應(yīng)的比賽中被淘汰。42 但是，氣候變化的速度

18、越來越快，自然界中的動植物能否跟得上環(huán)境變化的速度，還要看人類如何對抗氣候變化。如果出現(xiàn)大量生物滅絕的情況，對地球的生態(tài)系統(tǒng)來說，將是巨大的災(zāi)難。43瀕臨滅種的植物 紅豆杉 英國杜松灌木 44 阿拉比卡玫瑰 珊瑚樹45 南非野生山藥 大戟科樹46改善全球氣候變化的幾種方法 一、沙漠造林 沙漠造林能夠吸收大氣中更多 的溫室氣體，比如二氧化碳，這一 地球工程學方法已經(jīng)扎根于非洲。 例如，非洲13個國家正在建立 “綠色長城” ，希望讓樹林在阻止撒哈拉沙漠擴張的同時，吸收更多的二氧化碳?！叭龉钟媱潯?的組織者計劃在可再生能源設(shè)施沿線植樹造林，這些設(shè)施專門為世界各地的沙漠地區(qū)所設(shè)計。47二、 制作 “生物炭” 亞馬遜流域印第安人制作 “生物炭” 的做法是抗擊全球氣候變化的有效辦法。 據(jù)國際生物炭倡導組織介紹，生物炭數(shù)量豐