全球氣候變化對作物產(chǎn)量的影響

全球氣候變化對作物產(chǎn)量的影響

自100年前以來，地球氣候經(jīng)歷了世界溫暖和可持續(xù)發(fā)展的顯著變化，全球氣候變化受到了廣泛關(guān)注。政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第4次評估報告第1工作組的決策者摘要(IPCC,2007)中明確指出,近50年來全球平均溫度升高超過90%的可能性是由于人為溫室氣體排放所引起。預(yù)計21世紀(jì)末,全球平均地表氣溫將會上升1.8~4.0℃,浮動范圍在1.1~6.4℃。目前全球氣候變化已經(jīng)成為不容置疑的事實。農(nóng)業(yè)是氣候變化最敏感的領(lǐng)域之一。在全球大氣變化中,以CO2等為代表的溫室氣體含量增加會對農(nóng)作物生產(chǎn)產(chǎn)生明顯影響。[CO2]和溫度升高對農(nóng)業(yè)會產(chǎn)生或利或弊的影響,但基本上是以不利影響為主。2009年9月第3次世界氣候大會期間,聯(lián)合國世界糧食計劃署代表Delbaere強調(diào),及時提供氣候變化信息對加強糧食安全至關(guān)重要。中國是一個農(nóng)業(yè)大國,也是一個人口大國,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特別是糧食生產(chǎn)直接關(guān)系到社會的穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展?？梢?探討全球氣候變化過程中[CO2]和溫度增加對農(nóng)業(yè)的影響對于未來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。1不同方法對農(nóng)作物和農(nóng)作物溫度增加影響的研究主要有利弊[CO2]和溫度增加對農(nóng)業(yè)的影響已經(jīng)受到國內(nèi)外許多學(xué)者、科學(xué)家的關(guān)注。為保證研究結(jié)果的可靠性與準(zhǔn)確性,根據(jù)不同試驗?zāi)康倪\用的研究方法也不盡相同。目前,對于[CO2]和溫度增加對農(nóng)作物的影響研究一種是通過人工模擬試驗方法進行評價,其中比較主要的有控制環(huán)境試驗、開頂式氣室、自由CO2氣體施肥試驗、溫室試驗等,各種方法各有利弊。另一種方法就是利用模式進行影響評估,目前國內(nèi)使用最多的是將GCM(全球氣候模式)和RCM(區(qū)域氣候模式)模擬出來的未來氣候情景數(shù)據(jù)與作物模型相結(jié)合,分析氣候變化對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。1.1人工模仿試驗方法1.1.1短期試驗點和優(yōu)缺點建立在室內(nèi)或戶外開闊地帶。一般以鋁合金作骨架,以透明材料(玻璃、塑料薄膜等)罩在外面,裝置處于封閉狀態(tài)。優(yōu)點是室內(nèi)環(huán)境相對穩(wěn)定且造價低,可人為控制溫度和[CO2]等因素,適用于短期試驗。缺點是光照減小、晝夜溫差減少、光溫不能同步。另外,植物與外界隔離,試驗環(huán)境與野外實際條件差異大。最大的缺陷是大部分植物種在花盆中,植物根系生長的空間受限。另外,這種試驗通常用植物幼苗為試驗材料,所得結(jié)論能否應(yīng)用于田間狀態(tài)下的成熟植株值得懷疑。1.1.2不符合實際狀況的增溫和現(xiàn)有氣候變化條件的情況下,所有物理要素可基本結(jié)構(gòu)與CE相同,只是頂部開放,與大氣相通?？梢宰詣涌刂芠CO2],使之與溫度變化同步,生長環(huán)境基本接近于自然狀態(tài)。不過其在描述增溫時與現(xiàn)有氣候變化中的非對稱性增溫差異很大,主要表現(xiàn)為白天增溫幅度大于夜晚,夏季增溫幅度大于冬季。另外,裝置內(nèi)植物與外界隔離,內(nèi)部光照、相對濕度、風(fēng)速、病蟲害狀況等因素與野外仍有差異。值得注意的是,以上兩種方法均由于自身條件的限制,無法達到與田間實際情況一致。因此,其結(jié)果精確度仍需進一步驗證。1.1.3溫度對植物生長空間的影響由一圈垂直的管道直接將CO2通入大田,形狀多為正多邊形。最大特點在于溫度、濕度、風(fēng)速、光照等環(huán)境條件與周圍大氣基本一致,同時植物的生長空間也明顯增大。雖然造價偏高,且CO2消耗大,但由于其試驗環(huán)境基本與大田一致,能夠較真實地反映野外的氣候條件,因此結(jié)果可信度高于前兩種方法,這也是前兩種方法不可比擬的。但多年的試驗發(fā)現(xiàn),FACE也存在一些問題。例如Long等發(fā)現(xiàn),由于FACE設(shè)立在野外,風(fēng)向和風(fēng)速對CO2富集的均勻性都有很大影響。另外,FACE試驗難以模擬溫度,使因子交互研究受到一定限制。1.1.4開頂式氣室增溫器,在一般意義上可以利用將整個環(huán)境增溫比現(xiàn)有的氣候變化的和以實際的溫度充放電源溫室作為一種被動的增溫方法,被廣泛用于多種環(huán)境中,主要是一些高緯度與高海拔地區(qū)。其樣式多種多樣,如玻璃溫室、塑料溫室、圓頂式帳篷等。其有操作簡便,造價低、維修費用少等優(yōu)點,可以用于一些偏遠沒有電力的地區(qū)。不過在描述增溫時,缺陷同OTC類似,與現(xiàn)有的氣候變化的增溫非對稱性有差異。另外,溫室還會影響濕度、氣體組成、光照、風(fēng)速等因素,因此并不能充分模擬溫度變化。紅外線輻射器是一種新型的增溫裝置。該裝置是通過懸掛在樣地上方,以散發(fā)紅外線輻射的燈管來實現(xiàn)環(huán)境增溫。與溫室和開頂式氣室相比較,其樣地所處環(huán)境與野外條件基本一致,因此可以真實地模擬全球變暖的機制,在人工模擬系統(tǒng)控制試驗中逐漸得到應(yīng)用。但值得注意的是,由于長時間接受輻射,土壤溫度可能高于空氣溫度,這與自然狀態(tài)有差異。1.2作物作物模型作物模型是作物生長模擬模型的簡稱,用以定量動態(tài)地描述作物生長、發(fā)育和產(chǎn)量形成過程及其對環(huán)境的反應(yīng),是研究氣候變化對作物產(chǎn)量影響的有力工具。關(guān)于作物生長與產(chǎn)量模型的研究,其在深度和廣度上都得到快速發(fā)展,并趨于綜合與應(yīng)用化。近20多年來,各國陸續(xù)推出了一系列模型,如美國的CERES系列作物模型、棉花模型GOSSYM/COMAX、土壤侵蝕-生產(chǎn)力影響模型EPIC等,荷蘭的一年生作物模型MACROS、SUCROS模型、水稻模擬模型ORYZA系列、WOFOST等作物模型,澳大利亞的APSIM系列模型等[15,16,17,18,19,20,21]。近年來我國作物模型發(fā)展較為迅速,其中有代表性的如江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高亮之等研制的RCSODS系列模型、戚昌瀚等建立的水稻生長日歷模擬模型RICAM、棉花生長發(fā)育模擬模型COTGROW等。氣候情景是氣候變化、氣候模擬影響評估等的基礎(chǔ),用來描繪未來世界發(fā)展的一種可能變化。IPCC在過去十多年的研究中,一直在對其排放情景進行更新。并在1990年、1992年、2000年幾次發(fā)布情景,應(yīng)用于未來氣候變化及其影響評估。2007年IPCC在第25次會議上決定,本身不再開發(fā)情景,而由專業(yè)的研究團隊承擔(dān)未來第5次評估報告(AR5)所需的開發(fā)情景任務(wù),同時建議新情景用典型濃度路徑RCPs(Representativeconcentrationpathways)來表示,以加速綜合情景的開發(fā)進程,使氣候模型同時能模擬排放情景。2[co]和溫度上升對農(nóng)業(yè)生理的影響2.1對作物光合速率的影響CO2是作物進行光合作用的必要原料,作物吸收太陽能,將CO2和水轉(zhuǎn)化成糖。因此,大氣中[CO2]的變化必然會影響作物的光合過程。許多研究表明,高[CO2]對作物光合速率有促進作用。Horie等研究發(fā)現(xiàn)[CO2]升高可使水稻葉片光合速率提高30%~70%。Tang研究表明,短期內(nèi)提高[CO2],可使水稻光合作用速率升高45%。Peng等也表示[CO2]升高可以促進光合作用,進而增加生物量的生產(chǎn)。我國白莉萍、王修蘭等也有類似結(jié)論。王修蘭表示,[CO2]倍增后凈光合速率大豆增加63%,小麥增加31%,玉米增加16%,大白菜增加68%。與此同時,也有學(xué)者認為[CO2]對作物光合作用的影響存在短期和長期效應(yīng)。短期內(nèi)高[CO2]使植物光合速率提高,但長期處于高[CO2]條件下時,CO2對植物光合速率的促進會隨著時間的延長而漸漸消失,出現(xiàn)光適現(xiàn)象。Seneweera等也報道了水稻劍葉光合作用的適應(yīng)現(xiàn)象。Sakai等則從水稻冠層或群體水平證明了水稻光合作用存在明顯的適應(yīng)現(xiàn)象。廖鐵等通過研究不同生育期內(nèi)高[CO2](FACE)和普通空氣[CO2]下水稻葉片的凈光合速率發(fā)現(xiàn),FACE圈葉片的凈光合速率在分蘗期和拔節(jié)期明顯高于對照圈,之后差異逐漸縮小,到抽穗期和灌漿期幾乎沒有差異(這幾個時期FACE/對照比值分別為123%、118%、102%和101%)。但也有研究者報道[CO2]的增加正效用不明顯甚至有抑制作用。Soo-Hyung等在人工氣候箱內(nèi)觀察玉米時發(fā)現(xiàn),其光合速率并沒有因為[CO2]增加而改變。Baker等也有類似結(jié)論。而Sage則表示長期暴露在高濃度CO2下,作物葉子光合速率將會下降。Larcher指出,C3和C4植物在響應(yīng)大氣中[CO2]上升方面存在很大差異。C3作物的凈光合速率增長幅度明顯高于C4作物。Cure等研究發(fā)現(xiàn),C3作物在[CO2]倍增條件下光合速率提高10%~50%甚至更大,C4作物提高幅度小于10%,或不增加。這與C3、C4作物各自不同的光合途徑有關(guān)。C3作物的CO2補償點大大高于C4作物,在低[CO2]下C3作物因光合原料供應(yīng)不充足,光合作用受到明顯抑制,光合速率低于C4作物,一旦[CO2]升高,其光合速率便迅速增長;C4作物則不同,即使在低[CO2]下仍能進行同化作用,光合速率顯著高于C3作物,而當(dāng)[CO2]升高,其光合速率的增長率不及C3那樣高、那樣迅速。2.1.2溫度和光照對光合速率的影響CO2和溫度是作物生長過程中非常重要的兩個因子,[CO2]與溫度升高將綜合影響植物光合生產(chǎn)力。一般來講,隨[CO2]升高,植物的光合最適溫度也會升高5~10℃。有研究發(fā)現(xiàn),達到最適溫度之前,溫度升高對作物的光合速率有促進作用。Reddy等研究發(fā)現(xiàn)晝夜溫度為30/22℃以下時,棉花冠層光合作用隨溫度上升而增加,[CO2]倍增后趨勢相同。我國的廖建雄等利用開頂式氣室方法研究發(fā)現(xiàn),水分充足條件下,溫度升高對春小麥光合有促進作用。劉建棟等在對冬小麥的研究中發(fā)現(xiàn),6:00~10:00或16:00后的時段內(nèi),溫度低于光合作用的最適溫度,因此略有增溫,只要其溫度不越過最適溫度,冠層光合速率隨溫度上升而增加。但中午前后兩小時左右的時間內(nèi),溫度已經(jīng)達到了最適溫度,隨著溫度的升高,冠層光合速率下降。David等研究表明,氣溫5℃時小麥葉片凈光合速率很小(僅為最大值的25%),當(dāng)氣溫增至適宜范圍時小麥葉片凈光合速率隨之增加,但高溫(>25℃)時則減少并于高溫40℃時停止。同時,溫度過高會對作物產(chǎn)生抑制作用。如Gesch等研究發(fā)現(xiàn),[CO2]升高條件下,溫度升高對植物葉片光合速率有抑制作用。Polley研究表明,溫度升高對農(nóng)作物光合影響很大,處于高溫條件下的農(nóng)作物,光合作用受阻,甚至中斷或終止作物的正常生育過程。一些研究表明,高溫和高[CO2]具有協(xié)同促進作用。Idso等研究表明,夏季[CO2]升高對酸橘光合作用的促進作用比冬季高,且溫度升高使這種促進作用進一步增大。林偉宏等對水稻的研究表明,[CO2]和溫度對水稻葉片光合作用有協(xié)同促進作用,單葉光合受到的促進作用大于群體光合。然而,目前同時考慮大氣溫度和[CO2]交互作用對光合作用的影響還缺乏足夠的、有說服力的研究,因此研究結(jié)果不具有統(tǒng)一性。He等對大豆的研究則并未發(fā)現(xiàn)CO2與溫度之間具有顯著協(xié)同作用。目前對作物光合作用變化機制仍未明確,為更真實、更準(zhǔn)確地預(yù)測未來大氣[CO2]升高及全球氣候變化對農(nóng)作物的影響,還有待于繼續(xù)研究探索。2.2溫度對植物呼吸強度的影響Lloyd等指出光合作用對溫度和[CO2]的響應(yīng)不能完全地反映整株植物生長的情況。因為植物生長對[CO2]和溫度增加的響應(yīng)不僅包括葉光合作用,也包括整株植物呼吸作用。許多試驗表明大部分作物的呼吸作用隨[CO2]的升高而下降。Ziska等研究表明,[CO2]上升到950μmol·mol-1時,大豆呼吸速率下降40%。Reuveni等在其試驗中發(fā)現(xiàn),紫花苜蓿在950μmol·mol-1[CO2]下,暗呼吸下降10%。劉建棟等發(fā)現(xiàn)在一定溫度下,作物呼吸強度隨[CO2]升高而降低。原因可能是[CO2]升高,將造成保衛(wèi)細胞收縮,氣孔關(guān)閉,從而使細胞內(nèi)氧分壓降低,呼吸作用因之降低。但是,[CO2]升高抑制呼吸作用的現(xiàn)象并非在所有作物中發(fā)現(xiàn)。如有試驗顯示棉花葉片的夜間呼吸速率在高[CO2]下增加。在美國生物圈2號內(nèi)長期生長在較高[CO2]下的10種植物,8種C3植物暗呼吸作用明顯升高,2種C4植物變化不明顯或略有下降。汪杏芬等研究不同測定溫度條件[CO2]倍增對玉米等10種植物暗呼吸的影響發(fā)現(xiàn),在較低溫度下,[CO2]倍增對植物的暗呼吸影響不顯著,而在較高溫度下,多數(shù)植物的暗呼吸顯著增強。另有研究表明,呼吸作用對[CO2]增加存在短期與長期響應(yīng)。短期內(nèi)增加[CO2]可降低呼吸速率,但長期狀態(tài)下,其影響效果逐漸減小。Drake等對23個種植物進行分析指出,短期效應(yīng)表現(xiàn)為比呼吸速率下降20%。而Gifford和Baker等對17個種植物的長期試驗發(fā)現(xiàn),呼吸速率僅下降5%。目前,相對于光合作用研究而言,有關(guān)[CO2]升高與作物呼吸作用的關(guān)系研究報道較少,且呼吸作用隨[CO2]升高發(fā)生變化的機制尚不十分清楚,這方面的研究工作有待今后加強。2.3不同類型植物葉片蒸騰、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率的變化[CO2]升高會導(dǎo)致葉片氣孔張開度縮小,部分氣孔關(guān)閉,降低氣孔導(dǎo)度,從而單位葉面積蒸騰強度下降,水分利用率提高。Leakey等利用FACE試驗得出,無水分脅迫情況下,[CO2]增加使氣孔導(dǎo)度下降。Kang等通過對不同大氣[CO2]下小麥、玉米、棉花的研究顯示,高[CO2]使葉面氣孔導(dǎo)度下降,蒸騰降低。Alejandro等在試驗中也發(fā)現(xiàn),[CO2]升高對氣孔導(dǎo)度有抑制作用。然而不同類型的植物反應(yīng)亦有差異。有研究表明,較高[CO2]下C3植物氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率的降低幅度大于C4植物。美國生物圈2號內(nèi)生長在較高[CO2]下的10種植物,其氣孔導(dǎo)度與蒸騰速率的降低幅度、水分利用效率的提高幅度均為C3植物大于C4植物。大多數(shù)研究認為,[CO2]增加,光合作用增強,植物生長和葉片伸展速度加快,將有可能造成植株高度和葉面積增加。如Li等的研究得出小麥葉面積指數(shù)會隨[CO2]增加顯著提高。康紹忠等也發(fā)現(xiàn),[CO2]倍增時,春小麥葉面積平均增加22%,春大豆增加17%。由于葉面積增大,植物的蒸騰作用有所增加,因此[CO2]增加所導(dǎo)致的作物葉面積增加會抵消一部分因氣孔阻力變大而使蒸騰減少的效應(yīng)。但Soo-Hyung等通過人工氣候箱試驗,得出[CO2]變化對水稻葉面積沒有影響,這說明不同作物葉面積對[CO2]升高的響應(yīng)并不具有統(tǒng)一性。3[co]和溫度上升對作物生產(chǎn)的影響3.1氣候變化對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響很多學(xué)者在研究[CO2]倍增對主要農(nóng)作物影響后表明,在最適條件下增加[CO2]可促進作物生長。提高[CO2]可以對作物地上生物量與產(chǎn)量有促進作用。這是由于[CO2]增加作物生長發(fā)育加快,同時能抑制作物的呼吸作用,提高植物水分利用率,導(dǎo)致產(chǎn)量增加。Mark和Kim等通過FACE試驗發(fā)現(xiàn),提高[CO2]會使谷物和水稻產(chǎn)量有所提高。我國楊連新等利用同樣的方法發(fā)現(xiàn),[CO2]增加200μmol·mol-1,冬小麥將增產(chǎn)24.6%。Xiao等也得出類似結(jié)論。[CO2]升高對不同類型作物產(chǎn)量的影響效果不同。Kimball等利用FACE試驗發(fā)現(xiàn),當(dāng)[CO2]增加到850μmol·mol-1時,C3作物如水稻和小麥產(chǎn)量升高約40%,而C4作物玉米產(chǎn)量僅升高15%。然而,最新的FACE試驗證明,農(nóng)作物產(chǎn)量在[CO2]提高后增產(chǎn)效果并沒有預(yù)計的高。David等通過多個田間FACE試驗研究表明,當(dāng)前研究過高地估計了[CO2]升高對作物產(chǎn)量的影響。Long等在總結(jié)現(xiàn)有FACE試驗基礎(chǔ)上認為,實際的CO2作用僅僅是先前和現(xiàn)有模型結(jié)果的一半。同時還指出,[CO2]變化對C4作物產(chǎn)量沒有影響。Adam等的14年人工控制溫室試驗發(fā)現(xiàn),CO2施肥效應(yīng)有下降趨勢。因此,在當(dāng)前條件下,對[CO2]增加提高農(nóng)作物產(chǎn)量的定量研究結(jié)果仍需進一步證實。近些年來,各國在開展氣候變化對農(nóng)業(yè)的影響評價方面發(fā)展較快,一種是通過人工模擬試驗方法進行評價,另一種方法就是利用模式進行影響評估。杜瑞英等將PRECIS與CERES-Wheat模型連接,分析了未來SRES(排放情景特別報告)A2、B2氣候情景下氣候變化對我國干旱/半干旱區(qū)小麥生產(chǎn)的影響;熊偉等利用排放情景特別報告的A2和B2方案,通過區(qū)域氣候模式和區(qū)域作物模型模擬未來2080s我國小麥產(chǎn)量的變化。在氣候變化對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響評價中,大多數(shù)學(xué)者從是否考慮CO2的肥效作用兩方面來分析。大多研究表明,如果單獨考慮溫度的升高,作物的生育期將會縮短,從而導(dǎo)致產(chǎn)量的減少。Muhuddin等利用模型模擬未來氣候?qū)π←湲a(chǎn)量的影響,他表示,如無CO2條件下,小麥產(chǎn)量有降低趨勢,可導(dǎo)致小麥減產(chǎn)約29%,而[CO2]升高能彌補4%的小麥減產(chǎn)。Krishnan等利用ORYZA1模型研究表明,[CO2]倍增后可使水稻產(chǎn)量提高30.73%。熊偉等將隨機天氣模型與CERES-小麥模型相結(jié)合,預(yù)測氣候情景A2、B2情況下未來糧食產(chǎn)量問題。結(jié)果表明,如果不考慮CO2的肥效作用,未來我國3種主要糧食作物(小麥、水稻和玉米)均以減產(chǎn)為主?？紤]CO2的肥效作用,[CO2]增大引起的產(chǎn)量增長,將會抵消一部分由于高溫引起的產(chǎn)量減少。然而對于模型模擬結(jié)果的可靠性還需進一步證實。Long等在總結(jié)現(xiàn)有的FACE試驗后認為,未來CO2肥效作用并沒有室內(nèi)試驗(如溫室、OTC試驗等)所估計的那么高。他表示當(dāng)前的大多數(shù)模型是基于溫室或OTC試驗等室內(nèi)試驗研究的結(jié)果,而室內(nèi)所模擬的環(huán)境與野外真實環(huán)境差異較大,CO2肥效作用也與實際有偏差。因此,在應(yīng)用模型時,應(yīng)該更加慎重或進一步用FACE的試驗結(jié)果修正CO2對產(chǎn)量影響的參數(shù)。目前我國氣候變化對農(nóng)作物產(chǎn)量影響的研究中,模型模擬和預(yù)測結(jié)果并不統(tǒng)一。有研究認為氣候變化下華北和長江中下游地區(qū)部分農(nóng)作物有增產(chǎn)趨勢,而東北地區(qū)成減產(chǎn)趨勢。也有研究認為未來北方大部分地區(qū)小麥均以增產(chǎn)為主。產(chǎn)生不同結(jié)果的原因可能是模型本身的誤差、作物品種遺傳參數(shù)的誤差、空間數(shù)據(jù)的誤差及品種和管理參數(shù)引起的誤差等,但多數(shù)研究未見任何試驗研究對模擬結(jié)果進行驗證。3.1.2對作物產(chǎn)量的影響氣候變暖使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不穩(wěn)定性增加,作物產(chǎn)量波動加大。多數(shù)學(xué)者認為溫度升高將對作物產(chǎn)量起到負效應(yīng)。Quirin認為,氣候變暖的國家作物產(chǎn)量將下降。Michael也表示,溫度升高2℃將導(dǎo)致全球作物產(chǎn)量降低。Krishnan等利用ORYZA1和INFOCROPrice模型模擬當(dāng)前[CO2]條件研究表明,若升高1℃,水稻產(chǎn)量分別降低7.20%和6.66%。Xiong等利用排放情景特別報告的A2和B2方案,通過區(qū)域氣候模式和區(qū)域作物模型研究表明,在不考慮CO2作用的前提下,溫度升高超過2.5℃,稻谷、小麥、玉米的產(chǎn)量持續(xù)下降;而溫度過高更可能使農(nóng)作物受到高溫脅迫的影響,使光合作用受阻,甚至中斷或者終止作物的正常生育過程。另外溫度升高會導(dǎo)致蒸發(fā)率過高,可能抵消因[CO2]增加而提高的水分利用率,導(dǎo)致作物的水分脅迫更加嚴重。農(nóng)作物的呼吸消耗也將隨著溫度升高而呈指數(shù)遞增,直接導(dǎo)致光合同化產(chǎn)物被植株自身為維持呼吸作用而大量消耗。溫度的升高還會使土地更多的氮元素以NH3、N2O等形式遺失,危害農(nóng)作物的正常生長。不過,也有學(xué)者認為氣候變暖對于某些較冷區(qū)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還是有益的。朱大威等利用模型預(yù)測未來氣候?qū)ψ魑锂a(chǎn)量影響時發(fā)現(xiàn),在北方寒冷地區(qū),氣候變化對大豆、水稻產(chǎn)量起促進作用。杜瑞英等用隨機天氣模型,研究氣候變化對我國北方小麥生產(chǎn)的影響后發(fā)現(xiàn),無論是否考慮CO2肥效作用,北方地區(qū)的小麥都有增產(chǎn)趨勢。如果考慮CO2肥效作用后,趨勢更加明顯。蘭濤等也有類似結(jié)論。最新的研究認為溫度對某些作物產(chǎn)量影響是非線性的,當(dāng)溫度高于關(guān)鍵溫度后其產(chǎn)量會迅速下降。Bannayan等利用Ceres-maize模型研究不用玉米品種對溫度的響應(yīng),發(fā)現(xiàn)在35℃之前最高溫度升高對玉米生物量有正效應(yīng),而當(dāng)最高溫度超過35℃時,將對生物量的積累產(chǎn)生負效應(yīng)。Krishnan等利用ORYZA1模型得出,在現(xiàn)有CO2條件下,[CO2]倍增后可使水稻產(chǎn)量提高30.73%,溫度升高1℃,水稻產(chǎn)量降低7.20%,若氣溫提高4℃,則增產(chǎn)效果消失。到目前為止,關(guān)于[CO2]和溫度升高的綜合作用對農(nóng)作物產(chǎn)量影響方面的研究還不很多。但從已有的研究結(jié)果看,還是比較樂觀的。如DeCosta等在OTC環(huán)境中分析高溫、高[CO2]條件下的水稻產(chǎn)量,結(jié)果表明,提高[CO2]收獲時總生物量提高23%~37%,可使穗粒數(shù)顯著提高24%。即使在高溫條件下,水稻仍然對[CO2]的提高有積極的響應(yīng)。Heinemann等利用溫室研究大豆生長發(fā)育時發(fā)現(xiàn),低溫水平和高[CO2]水平下,大豆地上生物量有顯著提高。但也有試驗證明,溫度升高將會減弱[CO2]升高對作物增產(chǎn)的效果。Cheng等利用環(huán)境控制方法研究表明,持續(xù)提高[CO2]下,夜間高溫會減少他們對于水稻產(chǎn)量增加的刺激。在模型中,印度通過CROPGRO作物模型,得出[CO2]倍增可使作物產(chǎn)量提高50%,但氣溫提高3℃可使增產(chǎn)效果抵消;CERES(小麥和水稻)模型被應(yīng)用于評價氣候變化對印度西北部的產(chǎn)量影響,小麥因為[CO2]倍增可以提高產(chǎn)量28%,但氣溫升高3℃足以抵消這種增產(chǎn)效應(yīng);水稻因為[CO2]倍增可以提高產(chǎn)量15%,但氣溫升高2℃,足以抵消這種增產(chǎn)效。3.2對小麥籽粒品質(zhì)的影響全球環(huán)境變化對作物品質(zhì)影響的重要性倍受關(guān)注。大多數(shù)學(xué)者認為在[CO2]升高的情況下,作物吸收的碳增加、氮減少,體內(nèi)碳/氮比升高,蛋白質(zhì)含量將降低,從而使作物品質(zhì)降低。以水稻為例,Seneweera等在[CO2]倍增條件下,在灌漿期進行短期刺激,發(fā)現(xiàn)籽粒中蛋白質(zhì)含量降低。Lieffering等運用FACE系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn),[CO2]升高水稻籽粒中氮含量降低。Yang等利用FACE系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn),水稻在高于大氣[CO2]200μmol·mol-1處理下,籽粒中蛋白質(zhì)含量比對照降低0.6%。Fulco等也表示,提高[CO2]可導(dǎo)致小麥籽粒蛋白質(zhì)含量降低。同時,王修蘭等表示,[CO2]倍增我國和全球農(nóng)作物C吸收可增加21%~26%。有學(xué)者研究表明[CO2]升高對作物品質(zhì)影響亦因作物品種而異。通常情況下,[CO2]增高C3作物氮含量減少9%~16%,而C4作物只減少約7%。也有研究認為[CO2]升高有利于作物品質(zhì)的升高。王春乙等利用同化箱與開頂式氣室研究發(fā)現(xiàn),[CO2]增加使小麥籽粒蛋白質(zhì)、賴氨酸、脂肪含量增高,淀粉含量下降,品質(zhì)