全球氣候變化對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的影響

全球氣候變化對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的影響

世界氣候變化是自20世紀(jì)90年代以來最受關(guān)注的環(huán)境和科學(xué)問題之一，引起了國政府、科學(xué)和公眾的關(guān)注。而農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是受人類強(qiáng)烈干預(yù)的人為控制系統(tǒng),也是自我調(diào)節(jié)機(jī)制較為薄弱的生物系統(tǒng),是全球氣候變化的主要承受者。目前有關(guān)全球氣候變化的研究主要集中在大氣中CO2濃度升高、酸雨增加、O3增加、紫外線增強(qiáng)等對作物的影響以及農(nóng)田和反芻動物的CH4、N2O、SO2等溫室氣體的排放規(guī)律等方面。本文就當(dāng)前國內(nèi)外有關(guān)全球氣候變化對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)影響的研究狀況及其動態(tài)做一綜述,重點(diǎn)介紹全球氣候變化對作物和土壤的影響,以闡明全球氣候變化的影響機(jī)制,揭示農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的適應(yīng)機(jī)理,為制定農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展對策提供依據(jù)。1全球氣候變化對作物的影響1.1co濃度增加對植物的影響1.1.1兩種光合速率大氣CO2濃度提高對植物最直接的影響是其光合作用的變化。C3植物一般隨CO2濃度升高光合速率提高,凈光合生產(chǎn)力提高;C4植物則對CO2濃度升高的反應(yīng)不十分敏感。王修蘭等研究表明,700μmol·mol-1CO2濃度下大豆從三葉至結(jié)莢期的凈光合速率比350和500μmol·mol-1濃度下分別增長42%-79%和13%-61%。Horieetal研究發(fā)現(xiàn)CO2濃度提高使水稻葉片光合速率提高30%-70%。一般認(rèn)為,CO2濃度升高使葉片的光合速率升高,但對于不同的物種,在不同的生態(tài)環(huán)境條件下,所測得的增加幅度不一。Curtis采用整合分析方法總結(jié)38項(xiàng)研究結(jié)果得出,CO2濃度倍增將使植物葉片的光合作用增強(qiáng)50%。但大量研究表明,大氣中CO2濃度升高,短期內(nèi)會使植物光合速率上升,而隨著時(shí)間的延長,其光合速率將恢復(fù)到原來的水平,甚至下降,這可能是光合馴化的結(jié)果,導(dǎo)致植物體內(nèi)核酮糖二磷酸羧化酶(rubisco)活力下降以及光合作用產(chǎn)物的“源—庫”平衡受到破壞。1.1.2采用密度指標(biāo)法測定葉片與冠層的ph值變化從葉片水平而言,隨著空氣中CO2濃度升高,植物葉片凈光合速率提高,蒸騰速率下降,因而葉片的水分利用效率大大提高。愈梅等研究發(fā)現(xiàn),水分利用率(WUE)隨CO2濃度的升高幾乎呈線性增長趨勢,CO2700μmol·mol-1比300μmol·mol-1WUE提高近100%。大型生長箱模擬研究表明,高CO2濃度(746μmol·mol-1)使得發(fā)育盛期向日葵的日冠層水汽通量較當(dāng)前CO2濃度(399μmol·mol-1)增加11%,水分利用率提高26%;而CO2濃度倍增條件下葉片水平的水分利用率將倍增,甚至更多,表明葉片與冠層尺度對CO2濃度的適應(yīng)性存在較大差異。從群體水平來說,由于植物在整個(gè)生育期內(nèi)的耗水隨空氣中CO2濃度升高變化不大,而其生物量積累和籽粒產(chǎn)量增加幅度相對較大,從該角度來講其水分利用效率還是提高了,且C3植物比C4植物提高較為明顯。Horieetal研究表明,最適宜溫度下CO2濃度倍增可使水稻W(wǎng)UE提高40%-50%,主要原因是生物量增加及蒸騰減少,當(dāng)溫度超過最適宜范圍時(shí)WUE則急劇下降。1.1.3mol-1增加量CO2濃度升高既有利于作物干物質(zhì)積累,也有益于產(chǎn)量提高。王春乙等研究表明,CO2濃度倍增使棉花、玉米產(chǎn)量分別增加27.4%和22.9%。Kimballetal根據(jù)37種植物430個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明,若大氣中CO2濃度由350μmol·mol-1增至700μmol·mol-1時(shí),全球農(nóng)作物產(chǎn)量和生物量可增加24%-43%。崔讀昌在研究大氣中CO2濃度上升后的溫室效應(yīng)對我國主要作物產(chǎn)量形成和產(chǎn)量的影響時(shí)指出,這種影響因地區(qū)和作物種類而存在正負(fù)效應(yīng)。在某些地區(qū)的一些作物上,CO2濃度上升可提高作物干物質(zhì)生產(chǎn)能力,增強(qiáng)微生物的固氮能力,促進(jìn)土壤的有效利用,對作物產(chǎn)量增加是有利的,但CO2濃度上升也會產(chǎn)生雜草繁茂、病蟲害加重、農(nóng)藥和肥料效果減弱、干旱激化、地力耗損等負(fù)作用。CO2濃度的升高還可能導(dǎo)致農(nóng)作物品質(zhì)下降。在CO2濃度升高的情況下,作物吸收的C增加、N減少,體內(nèi)C/N比升高,蛋白質(zhì)含量將降低,從而使作物品質(zhì)降低。以大豆和小麥為例,CO2濃度倍增條件下,大豆氨基酸和粗蛋白含量分別下降23%和0.83%;冬小麥籽粒粗蛋白和賴氨酸分別下降12.8%和4%。1.216-b輻射增強(qiáng)對植物的影響1.2.1不同葉位的uv-b照射UV-B輻射的增強(qiáng)抑制了作物的凈光合速率。紫外線輻射使氣孔開張度減小,導(dǎo)致光合作用速率下降,并且可以改變植株對不同氮源的吸收利用方式,引起碳、氮代謝的變化。孫谷疇等研究表明,UV-B輻射可使香蕉葉片的光合速率下降。但不同作物對UV-B輻射增強(qiáng)的適應(yīng)方式和強(qiáng)度不同。Vanetal對13種植物進(jìn)行UV-B照射,發(fā)現(xiàn)植物的凈光合速率對UV的反應(yīng)相差甚大,C4植物對UV不太敏感,而C3植物較為敏感。不同葉位的凈光合作用速率測定值表明,隨著葉位升高,UV輻射對光合作用的抑制作用增強(qiáng),表明幼葉對UV的反應(yīng)比老葉敏感。大量研究表明,UV-B對敏感的植物的光合作用有直接和間接的影響。直接影響主要表現(xiàn)為破壞PSII、PSI,加速葉綠素的分解,降低RUBP酶的活性,減少CO2的固定。間接影響表現(xiàn)為促使氣孔關(guān)閉,降低氣體交換率,增加葉的厚度,減小葉面積、使葉的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化等,從而改變?nèi)~光合作用小環(huán)境。UV輻射對作物光合作用的影響,因光強(qiáng)、氣溫及水分等環(huán)境因子的差異而不同,在光強(qiáng)弱、溫度適宜、水分充分的情況下,UV的抑制作用最為明顯。1.2.2對水稻氣孔的影響UV-B輻射增強(qiáng)將導(dǎo)致作物蒸騰作用減弱。Teramuraetal認(rèn)為主要原因是UV-B輻射影響氣孔的開閉,從而導(dǎo)致蒸騰速率的變化。鄭有飛等的試驗(yàn)結(jié)果表明,UV輻射顯著抑制大豆和小麥葉片蒸騰速率,同時(shí)使得氣孔導(dǎo)度降低為對照的68.8%。Mireckietal研究發(fā)現(xiàn),UV減弱大豆的蒸騰作用與植物本身的水分狀態(tài)有關(guān)。旱年在過量的UV輻射下,大豆的蒸騰、氣孔傳導(dǎo)率和葉水勢都無明顯異常,而在正常年份里,營養(yǎng)生長期的蒸騰未受UV影響,但生殖生長期間則有明顯降低。這表明水分虧缺掩蓋了UV效應(yīng)。顏景義等對小麥的試驗(yàn)亦得到相同的結(jié)論。Dai用對UV-B敏感的水稻品種在溫室中接受40%臭氧減少的UV-B照射20d,發(fā)現(xiàn)蒸騰速率明顯降低;不僅氣孔關(guān)閉,而且根系活力也下降,導(dǎo)致吸水減少。另外,由于紫外線輻射對作物光合作用的抑制效應(yīng)遠(yuǎn)大于對蒸騰的抑制效應(yīng),紫外線使得作物水分利用效率下降。1.2.3uv-b輻射對作物生長及產(chǎn)量的影響研究表明,紫外線通過長期對作物生理活動的限制及光合面積的減少,最終使得作物經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量下降,作物穗數(shù)、粒數(shù)、粒重等產(chǎn)量指標(biāo)均下降。鄭有飛等研究表明,隨著UV輻射強(qiáng)度增大,干物質(zhì)累積量下降,UV輻射增大8%,大豆干物重下降53.3%;UV輻射增大10%,小麥生物學(xué)產(chǎn)量下降25.5%。UV輻射對作物干物質(zhì)積累量的影響隨生育期不同而不同。Teramuraetal連續(xù)6年觀察了UV-B對大豆生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響,發(fā)現(xiàn)大豆對UV-B輻射最敏感時(shí)期是從營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)向生殖生長階段。另外,作物對UV-B輻射的敏感性還具有種間、品種間差異。在美國29°N地區(qū)進(jìn)行UV-B對10種作物產(chǎn)量影響的比較研究發(fā)現(xiàn),小麥、馬鈴薯和南瓜分別減產(chǎn)5%、21%和9%;而水稻、花生和玉米的產(chǎn)量不受影響。同時(shí),UV-B輻射還影響小麥品質(zhì),影響大豆粗蛋白和脂肪含量,產(chǎn)量和品質(zhì)的變化是植物對UV-B輻射增強(qiáng)綜合反應(yīng)的結(jié)果。1.3農(nóng)業(yè)增長劑rodin對作物生長的影響在高緯度地區(qū),氣溫升高能延長作物生長季節(jié),加快生長速度,從而縮短作物生長周期;在低緯度地區(qū),尤其是生長季節(jié)主要由降雨決定的地區(qū),氣溫升高對作物的效應(yīng)還不清楚。一般認(rèn)為,隨著葉片溫度的升高,氣孔關(guān)閉、葉肉細(xì)胞的胞間CO2濃度升高,從而提高葉片的水分利用效率。Rodin研究表明,棉花葉片在30℃、水汽壓虧缺為3kPa時(shí)葉片每消耗1molH2O可吸收3.5mmolCO2,而當(dāng)溫度升至40℃、水汽壓虧缺為6kPa時(shí),葉片每消耗1molH2O僅吸收0.8mmolCO2。高溫下,光合作用被嚴(yán)重抑制,凈光合速率明顯下降,高溫的損傷作用表現(xiàn)在破壞光系統(tǒng)Ⅱ,使光系統(tǒng)Ⅱ的量子產(chǎn)率Fv/Fm降低,而使初始熒光F0升高。有關(guān)溫度升高對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響國內(nèi)外頗不一致。模擬研究表明,高溫造成水稻生育期特別是灌漿期縮短,導(dǎo)致光合時(shí)間減少,光合產(chǎn)物向穗部的轉(zhuǎn)移效率下降。同時(shí),氣溫升高致使作物呼吸消耗急增,干物質(zhì)積累減少,對提高產(chǎn)量不利。然而,從積溫增加使有效生長季延長這點(diǎn)考慮,農(nóng)業(yè)可增產(chǎn)2%。尤其是東北、內(nèi)蒙因夏季增溫有利,估計(jì)平均氣溫上升3℃糧食產(chǎn)量將增長30%以上。2全球氣候變化對土壤的影響2.1對生態(tài)和氣候變化的影響大部分土壤過程依賴于溫度和水分,因此對氣候變化的反應(yīng)敏感。高溫可加快有機(jī)質(zhì)消耗,降低肥力。但高CO2濃度時(shí),土壤中碳的儲存量會增加,豆科作物的固氮能力也會加強(qiáng)。但各種交互影響的最終結(jié)果是很難預(yù)測的。對大部分分布廣泛的土壤來講,CO2增濃對土壤的影響是積極的,引起土壤肥力的提高和土壤物理性狀的改善。幾個(gè)全球循環(huán)模型的模擬結(jié)果顯示,提高了作物和植被生產(chǎn)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騰作用所抵消,導(dǎo)致地被植物普遍增加,從而更好抵制徑流和侵蝕的影響。大部分分布不是很廣泛的土壤的變化,包括具有較高生物活性和周期性減少的永久凍土將會消失。在海拔較低、未被保護(hù)的海岸區(qū),由于海水侵蝕,幾十年后可能引起酸性硫酸鹽土層的形成。國家氣候變化協(xié)調(diào)組第二工作組對全球氣候變化對我國農(nóng)業(yè)的可能影響進(jìn)行了預(yù)測,氣候變暖伴隨蒸發(fā)加劇,導(dǎo)致北方一些地區(qū)鹽漬化;長江以南亞熱帶丘陵和低丘地帶將面臨紅壤砂化,地力衰退。溫度升高還將促使土壤有機(jī)質(zhì)分解,導(dǎo)致富饒的東北黑土肥力迅速下降。估計(jì)西北地區(qū)由于鹽堿危害加重,至少損失耕地9.6×106hm2。由氣候變化(溫度和降水)引起的其他變化可適當(dāng)?shù)乇辉S多土壤的礦物質(zhì)成分、有機(jī)質(zhì)含量和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性所緩沖。然而由于區(qū)域降雨量下降而不能被CO2效應(yīng)所補(bǔ)償,引起的植被、一年生或多年生作物的減少可能引起土壤結(jié)構(gòu)的退化和孔隙度降低,從而增加了坡地的徑流和侵蝕。大多數(shù)案例顯示,人類活動對土壤的直接影響遠(yuǎn)大于氣候變化對土壤的直接影響。因此,應(yīng)當(dāng)有計(jì)劃地采用使土壤持續(xù)生產(chǎn)力最優(yōu)化的土壤管理方法,適當(dāng)?shù)窒捎跉夂蜃兓疝r(nóng)業(yè)土地的退化。2.2大氣co對土壤碳平衡的影響全球氣候變化對土壤有機(jī)碳礦化速率的影響是目前的熱點(diǎn)問題之一。對于土壤有機(jī)碳的礦化作用來講,溫度是其主要的驅(qū)動因子之一,溫度升高加快土壤有機(jī)碳礦化速率。但是,由于全球氣候變化不僅僅是溫度的變化,可能還伴隨著降水等變化,而且溫度變化引起其他一系列土壤物理、化學(xué)和生物反應(yīng)的變化。由此對土壤有機(jī)碳礦化作用的綜合影響目前還沒有一個(gè)統(tǒng)一的認(rèn)識。Alvarezetal預(yù)測,阿根廷將因全球氣候變化導(dǎo)致有機(jī)碳輸入量減少而使土壤礦化速率增大,將出現(xiàn)土壤有機(jī)碳減少的趨勢,土壤將成為一個(gè)凈大氣碳源。大氣CO2濃度升高對土壤有機(jī)碳礦化和積累的影響則是最近才受到關(guān)注的問題。大氣CO2濃度升高對土壤碳平衡的影響可能比較復(fù)雜,因?yàn)樯婕暗阶魑锷锪康淖兓?從而影響到進(jìn)入土壤有機(jī)碳量的變化。Cardonetal研究表明,大氣CO2濃度升高對土壤有機(jī)碳礦化的影響是比較復(fù)雜的。在高CO2濃度下,由于根系生物量增加,且較容易為微生物利用,土壤微生物趨向于從利用老的土壤有機(jī)碳向利用根系分泌有機(jī)碳轉(zhuǎn)移。另外,UV-B輻射增強(qiáng)后能改變土壤中的碳儲量,從而影響到陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)。3氣候變化影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的生態(tài)大環(huán)境效應(yīng)全球氣候變化對畜牧業(yè)的影響一方面表現(xiàn)在對牲畜的直接影響,例如氣溫升高會影響牲畜的體表溫度,進(jìn)而影響牲畜的熱平衡。溫度過高,牲畜食欲下降,食料轉(zhuǎn)化率和牲畜生殖能力也會降低。另一方面是對畜牧業(yè)的間接影響,即影響飼料生產(chǎn)而抑制了畜牧業(yè)的發(fā)展。牧草大多分布于中緯度溫帶地區(qū),高溫干旱將使許多牧場的土壤水分嚴(yán)重虧缺,使牧草產(chǎn)量和品質(zhì)降低,如植物細(xì)胞壁加厚、細(xì)胞內(nèi)可溶性物質(zhì)減少、難消化的纖維含量提高。同時(shí),牧草病蟲害更加頻繁,使產(chǎn)量和品質(zhì)降低。有關(guān)研究指出,溫度升高會使目前一些受溫度限制的害蟲活動范圍擴(kuò)大,其中以高緯度地區(qū)可能性最大。全球氣溫升高后,某些病蟲的分布區(qū)域可能擴(kuò)大,同時(shí)溫室效應(yīng)還使一些病蟲害發(fā)生的起始時(shí)間提前,使多世代害蟲繁殖代數(shù)增加,一年中危害時(shí)間延長,從而影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。李淑華研究發(fā)現(xiàn),氣候變暖后,在18°-27°N(粘蟲冬季繁殖氣候帶)、27°-33°N(粘蟲越冬氣候帶)、33°-36°N(粘蟲春季遷入氣候帶)及在36°-39°N的冀東北、山東半島、北京等地,粘蟲發(fā)生世代均將在原來的基礎(chǔ)上增殖1-2代。氣候變暖也加劇了氣候?yàn)?zāi)害對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。一些研究認(rèn)為,氣候變暖會使熱帶風(fēng)暴增強(qiáng),從而對低緯度地區(qū),尤其是對海岸線上的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生嚴(yán)重影響;氣溫升高,大氣熱浪將會頻繁發(fā)生,尤其在熱帶、亞熱帶地區(qū)更為突出;大氣層中氣流交換增強(qiáng),大風(fēng)天氣會增多,風(fēng)暴頻率和強(qiáng)度都會有所增強(qiáng),某些區(qū)域的風(fēng)蝕作