氣候變化對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育影響分析

胡根華　魯向暉

摘要系統(tǒng)分析總結(jié)前人有關(guān)氣候變化對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育影響的研究進(jìn)展，重點(diǎn)探討氣溫、CO2濃度、降水以及極端氣候事件對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量及品質(zhì)的影響。結(jié)果表明，氣溫的升高可導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)；CO2濃度升高可促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)，使農(nóng)田耗水量增加，并可使糧食品質(zhì)下降；降水的變化可使我國糧食遭受區(qū)域性干旱的面積增大；極端氣候事件發(fā)生的概率和持續(xù)時(shí)間的增加對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的威脅則更為嚴(yán)重。

關(guān)鍵詞氣候變化；作物生長(zhǎng)發(fā)育；產(chǎn)量；品質(zhì)；影響

中圖分類號(hào)S162.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào)0517-6611（2017）22-0129-03

AbstractThis paper systematically summarized the previous research on the impact of climate events on crop growth and development，the effects of temperature，CO2 concentration，precipitation and extreme climate change on the growth development，yield and quality of crops were discussed.The results showed that the increase of temperature could lead to crop reduction.Elevated CO2 concentration could promote crop growth，increase farmland water consumption，and reduce food quality.Precipitation changes could increase the regional drought area of China's food.The increase in the probability and duration of extreme climate events was even more severe for crop growth and development.

Key wordsClimate change； Crop growth and development； Yield； Quality； Impact

IPCC在第四次氣候評(píng)估報(bào)告中明確指出，全球氣候系統(tǒng)正經(jīng)歷著一次以變暖為主要特征的顯著改變。與此同時(shí)，全球環(huán)境、資源也發(fā)生了重大變化，出現(xiàn)了包含生態(tài)系統(tǒng)退化、水資源短缺、生物多樣性銳減、土壤侵蝕加劇、冰凍圈退縮在內(nèi)的重大生態(tài)環(huán)境、自然資源問題[1]。因此，氣候變化所引發(fā)的資源環(huán)境問題已成為全世界各國政府、民眾和科技界關(guān)注的重大問題[2]，也是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的重要問題。農(nóng)田生態(tài)環(huán)境是自然環(huán)境的重要組成部分，為人類生存發(fā)展提供了必需的資源。而農(nóng)田生態(tài)環(huán)境亦會(huì)對(duì)氣候變化產(chǎn)生響應(yīng)，導(dǎo)致其向人類所提供的資源量改變。然而氣候變化和農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育之間作用機(jī)理復(fù)雜，降水與氣溫的變化對(duì)作物的生長(zhǎng)均會(huì)產(chǎn)生正面或負(fù)面的影響。因此，鑒于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況對(duì)人類生存發(fā)展的決定性價(jià)值，研究氣候變化對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響對(duì)于調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、保障糧食安全以及制定相應(yīng)的適應(yīng)氣候事件對(duì)策均具有重要的意義。

長(zhǎng)期的觀測(cè)事實(shí)和大量的研究表明，無論是在漫長(zhǎng)的歷史時(shí)期內(nèi)，還是近百年來，地球氣候系統(tǒng)均一直發(fā)生著變化[3]。氣象學(xué)專家們對(duì)未來氣候變化的情景進(jìn)行了預(yù)測(cè)，到21世紀(jì)末全球平均地表溫度與1980—1999年相比可能會(huì)升高1.1～6.4 ℃；高溫、熱浪及強(qiáng)降水等災(zāi)害天氣的發(fā)生頻率可能增加，臺(tái)風(fēng)和颶風(fēng)的強(qiáng)度將有加強(qiáng)的可能；全球平均海平面將在21世紀(jì)末上升0.18～0.59 m，過去和未來人為排放的CO2將使全球增暖、海平面上升，該現(xiàn)象可延續(xù)達(dá)千年以上[2]。氣候變化尤其是災(zāi)害性天氣的增加必將會(huì)對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量、品質(zhì)等產(chǎn)生重要的影響[4]。有關(guān)氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響也引起了各國農(nóng)業(yè)科學(xué)家的重視[5]，并通過溫室實(shí)驗(yàn)室控制、作物生長(zhǎng)模型模擬及根據(jù)歷史長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)等方法進(jìn)行了廣泛的研究。筆者系統(tǒng)分析總結(jié)前人有關(guān)氣候變化對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育影響的研究進(jìn)展，重點(diǎn)探討氣溫、CO2濃度、降水以及極端氣候事件對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量及品質(zhì)的影響。

1氣溫變化對(duì)農(nóng)作物可能造成的影響

農(nóng)作物生物量增長(zhǎng)和干物質(zhì)分配的速率會(huì)受到氣溫影響，氣溫的升高均會(huì)導(dǎo)致作物的干物質(zhì)積累及籽粒產(chǎn)量有所下降。Brown等[6]在美國中部利用EPIC（Erosion-Productivity Impact Calculator）模型模擬氣溫升高對(duì)作物的影響，結(jié)果顯示，日平均氣溫增加3 ℃會(huì)導(dǎo)致玉米、小麥、高粱和大豆的產(chǎn)量下降16%左右。對(duì)稻類作物而言，氣溫的升高首先會(huì)影響稻穗的不育率，在開花期高溫會(huì)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[7]。在當(dāng)前CO2濃度下，平均氣溫每升高1 ℃，可導(dǎo)致亞洲水稻主產(chǎn)區(qū)水稻產(chǎn)量下降7%[8]。氣溫升高還會(huì)加速葉片和植株整體的呼吸消耗，高溫對(duì)呼吸作用的促進(jìn)作用大于對(duì)光合的促進(jìn)作用；影響植物器官尤其是生殖器官的生長(zhǎng)發(fā)育，縮短小麥、水稻等籽粒的灌漿期，從而影響產(chǎn)量[3]。

對(duì)于C3和C4植物，夜間氣溫的升高有可能使它們的呼吸消耗增加，在不遭受過熱的情況下，氣溫的升高可提高C3和C4植物對(duì)水分的利用效率。另外，氣溫升高可使在寒冷季節(jié)播種的作物種植時(shí)間與一年生作物的成熟時(shí)間提前，致使作物的生長(zhǎng)期縮短，從而導(dǎo)致作物減產(chǎn)。

2CO2濃度變化對(duì)農(nóng)作物的影響

CO2是作物光合作用的原料，對(duì)作物的生長(zhǎng)至關(guān)重要。研究表明，CO2濃度增加對(duì)不同類型作物產(chǎn)量的影響有明顯的差異。對(duì)于包括小麥、水稻、豆類和根系作物在內(nèi)的C3植物，CO2濃度增加可提高作物的光合作用率和水分利用效率，促進(jìn)作物生長(zhǎng)；對(duì)包括玉米、高粱、小米和甘蔗在內(nèi)的C4植物，影響不大。Tubiello等[9]研究認(rèn)為，當(dāng)CO2濃度增至550 μmol/mol時(shí)，C3和C4植物的產(chǎn)量將分別增加10%～20%和0～10%。分析認(rèn)為，造成CO2濃度對(duì)C3、C4植物不同影響的原因主要是由于C3、C4植物對(duì)CO2的同化途徑和CO2濃度飽和點(diǎn)不同造成的[10]。國內(nèi)外對(duì)CO2濃度影響作物生長(zhǎng)的研究結(jié)論認(rèn)為，CO2被植物綠葉通過光合作用固定，大氣CO2濃度的上升提高了葉肉細(xì)胞內(nèi)的CO2濃度，增強(qiáng)CO2同O3競(jìng)爭(zhēng)戊糖二磷酸羧化酶的能力，抑制C3植物的光呼吸，提高C3植物單位葉面積凈光合速率，CO2從350 mL/m3上升至700 mL/m3，C3植物葉片凈光合速率增長(zhǎng)40%，C4植物增長(zhǎng)5%左右[11]。CO2濃度的上升可直接促進(jìn)光合同化物的生產(chǎn)，使植物獲得光、水和養(yǎng)分資源的能力獲得間接的提高，從而加速植物生長(zhǎng)，使植物的生長(zhǎng)量明顯增加。

CO2濃度上升可使葉片水分利用效率顯著提高，其原因是CO2濃度上升減小了葉片的氣孔開度，增大了水蒸氣通過氣孔的阻力，降低了單位葉面積的水分蒸騰速率，使單位葉面積的凈光合速率得到了提高[12]。具體來講，CO2濃度上升可使C3植物的凈光合大幅度增長(zhǎng)，進(jìn)而使葉片的水分利用效率增加；蒸騰減少則是C4植物的葉片水分利用效率提高的主要原因。干物質(zhì)產(chǎn)量的增加使生長(zhǎng)季植物總的水分利用效率提高，總的用水量可能并不會(huì)減少，原因是CO2濃度上升使植物葉面積增加，且CO2濃度上升降低了葉片蒸騰速率，導(dǎo)致葉片溫度的上升，都會(huì)增加植株的用水量。

CO2濃度的上升對(duì)糧食的生產(chǎn)也存在一定的負(fù)面影響，這主要是表現(xiàn)在對(duì)糧食品質(zhì)和農(nóng)田環(huán)境影響方面。CO2濃度的上升使植物的C/N值增大，導(dǎo)致籽粒的蛋白質(zhì)含量降低，從而使糧食的品質(zhì)下降，植物的葉面積增大將會(huì)消耗更多的土壤養(yǎng)分，增加了農(nóng)田的投入；CO2濃度升高與氣候變暖共同作用將會(huì)導(dǎo)致農(nóng)田雜草的數(shù)量和種類的增加，并有可能導(dǎo)致病蟲害的加重及新的病蟲害的產(chǎn)生，增加了防治難度，這都將會(huì)對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生負(fù)面影響。

3水分狀況對(duì)農(nóng)作物的影響

水分狀況是影響作物生長(zhǎng)的重要因素，尤其是在干旱半干旱地區(qū)，大氣降水幾乎是作物生長(zhǎng)的主要水分來源。未來氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響有利也有弊，其影響是利還是弊的決定因素是降水和作物生長(zhǎng)季的變化。由于降水存在巨大的不確定性，目前在科學(xué)上還不能準(zhǔn)確地估計(jì)未來氣候變化下降水的變化情況，尤其是在一些受地形和自然現(xiàn)象影響的地區(qū)（如受地形影響的青藏高原地區(qū)和受厄爾尼諾影響的南部非洲地區(qū)），在對(duì)降水的預(yù)測(cè)方面依然存在著很大的不確定性[3]。

IPCC第四次氣候評(píng)估報(bào)告指出，近50年來全球的降水量都在增加。在20世紀(jì)，不同區(qū)域的降水格局都發(fā)生了變化，北半球中高緯度陸地的降水量增加了（0.5%～1.0%）/10 a，熱帶陸地增加了（0.2%～0.3%）/10 a，亞熱帶陸地則減少了0.3%/10 a，而南半球的大部分區(qū)域降水的系統(tǒng)性變化不大。丁一匯等[13]分析認(rèn)為，我國降水量變化在近100年和近50年的變化趨勢(shì)不顯著，但年際波動(dòng)增大；近20年來我國降水量呈增加趨勢(shì)，1990年以來，多數(shù)年份全國降水量均高于平水年；從季節(jié)上看，近100年我國秋季降水量略為減少，而春季降水量稍有增加。我國降水量的變化趨勢(shì)區(qū)域差異比較明顯，20世紀(jì)后半時(shí)期（1956—2000年），長(zhǎng)江中下游和東南地區(qū)年降水量平均增加了60～130 mm，西部大部分地區(qū)、東北北部和內(nèi)蒙古大部分地區(qū)的年降水量均有一定程度的增加；華北、西北東部、東北南部等地區(qū)的年降水量出現(xiàn)下降趨勢(shì)，1956—2000年黃河、海河、遼河和淮河流域年降水量平均減少了20～120 mm。降水量的增減可能會(huì)改變土壤的蒸發(fā)、冠層的蒸騰和土壤水分含量，這些因素又會(huì)對(duì)植物的生長(zhǎng)以及水分的收支產(chǎn)生影響。因此，在以上氣候變化的背景下，我國的干旱面積略有增加但變化趨勢(shì)不顯著。對(duì)于各區(qū)域而言，華北和西北東部干旱化趨勢(shì)顯著；東北地區(qū)的干旱化趨勢(shì)在近20多年來也十分明顯。華北、西北東部和東北地區(qū)在近半個(gè)世紀(jì)中顯著的區(qū)域氣候變暖，可能也是這些區(qū)域干旱化趨勢(shì)進(jìn)一步加劇的原因，而加劇的干旱化趨勢(shì)對(duì)農(nóng)作物的威脅也將加重[14]。

4極端氣候事件對(duì)農(nóng)作物的影響

IPCC第四次氣候評(píng)估報(bào)告指出，極端天氣氣候事件的發(fā)生與全球變暖有關(guān)，是氣候變化的表現(xiàn)方面之一。極端氣候事件包括洪水、干旱、極端高溫和低溫等。在氣候變化的背景下，極端氣候事件發(fā)生的頻率、持續(xù)時(shí)間都有所增加，而這些極端氣候事件對(duì)農(nóng)田生態(tài)的影響較為嚴(yán)重。極端的降水事件可導(dǎo)致暴發(fā)洪水的可能性增加和過度的土壤濕度。洪水事件經(jīng)常給農(nóng)業(yè)帶來巨大的直接經(jīng)濟(jì)損失，并可使土壤侵蝕和礦物質(zhì)的淋溶加重；過度的土壤濕度可以導(dǎo)致作物處于長(zhǎng)期的缺氧狀態(tài)，對(duì)作物的生長(zhǎng)造成直接的傷害，而且還可能使作物受到病蟲害的威脅。極端氣候干旱事件的發(fā)生會(huì)加重作物生長(zhǎng)階段的水分脅迫，從而導(dǎo)致作物減產(chǎn)。

我國的主要極端天氣氣候事件發(fā)生的頻率和強(qiáng)度在近50年出現(xiàn)了明顯的變化，連續(xù)災(zāi)害事件頻發(fā)，性質(zhì)相異的災(zāi)害事件轉(zhuǎn)換快。如2007年，極端天氣氣候事件發(fā)生比較頻繁，我國全年干旱面積偏大，暴雨和洪澇造成的損失比較嚴(yán)重，雷擊等災(zāi)害造成的傷亡比較多；其中，淮河流域在夏季發(fā)生了特大暴雨洪澇災(zāi)害，北方地區(qū)發(fā)生了大范圍的春旱并出現(xiàn)了歷史罕見的秋雨，東北夏伏旱比較嚴(yán)重，嚴(yán)重的高溫伏旱和50年一遇的特大秋旱襲擊了江南和華南等地，熱帶氣旋和強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的高頻發(fā)生給海南等東南沿海各省造成了嚴(yán)重的損失。而2008年年初，我國出現(xiàn)了大范圍持續(xù)的低溫雨雪冰凍天氣，多項(xiàng)氣象指標(biāo)突破了20世紀(jì)50年代我國有氣象系統(tǒng)記錄以來的極值：長(zhǎng)江中下游及貴州低溫日數(shù)和連續(xù)冰凍日數(shù)均達(dá)到了歷史最大值[15]；湖南、湖北冰凍天氣的持續(xù)時(shí)間、安徽省降雪的持續(xù)時(shí)間和江蘇省區(qū)域性暴雪的持續(xù)時(shí)間均達(dá)到了極值[16]。這次持續(xù)的低溫雨雪冰凍天氣給湖南、湖北、安徽、江西、廣西、貴州等20個(gè)?。▍^(qū)、市）的交通運(yùn)輸、能源供應(yīng)、電力傳輸、通信設(shè)施、農(nóng)業(yè)及人民群眾生活造成嚴(yán)重影響，受災(zāi)人口達(dá)1億多人，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)540多億元，農(nóng)作物受災(zāi)面積和直接經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重[15]。楊尚英[17]分析華北地區(qū)最近半個(gè)世紀(jì)的干濕指數(shù)演變特征發(fā)現(xiàn)，在此期間華北地區(qū)以旱為主，存在非常強(qiáng)的干旱化趨勢(shì)，且以夏、秋旱為主，多為兩季連續(xù)干旱。

5小結(jié)與討論

全球氣候變化對(duì)農(nóng)作物的影響是極為復(fù)雜和多方面的，主要是通過溫度、CO2濃度、降水和極端氣候事件的變化來直接、間接影響農(nóng)作物生長(zhǎng)的。筆者總結(jié)了氣候變化對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)影響的方式、程度及作用機(jī)理等方面的現(xiàn)有研究，得到以下主要結(jié)論：

（1）全球氣候變化將導(dǎo)致氣溫升高，氣溫的升高會(huì)縮短玉米、小麥、高粱和大豆的生長(zhǎng)期，使稻類植物的不育率上升，加速葉片和植株整體的呼吸消耗，對(duì)呼吸的促進(jìn)大于光合，影響植物器官尤其是生殖器官的生長(zhǎng)發(fā)育，縮短小麥、水稻等籽粒的灌漿期，從而降低這些作物的產(chǎn)量。

（2）CO2濃度增加可提高C3植物的光合作用率和水分利用效率，促進(jìn)作物生長(zhǎng)，對(duì)C4植物影響不大。CO2濃度增加會(huì)增加植物葉面積，使糧食品質(zhì)下降，而植物葉面積的增大將會(huì)消耗更多的土壤養(yǎng)分，增加了農(nóng)田的投入。另外，CO2濃度增加會(huì)導(dǎo)致農(nóng)田雜草的數(shù)量和種類的增加，并有可能導(dǎo)致病蟲害的加重及新的病蟲害的產(chǎn)生。

（3）近幾十年來，由氣候變化引發(fā)的降水時(shí)空特征改變致使我國干旱面積略有增加，但趨勢(shì)不顯著。其中，華北和西北東部干旱趨勢(shì)顯著，東北地區(qū)近20年來表現(xiàn)顯著的干旱趨勢(shì)。加劇的干旱化趨勢(shì)對(duì)農(nóng)作物的威脅也將加重。

（4）氣候變化使全球極端氣候事件發(fā)生的頻率、持續(xù)時(shí)間都有所增加，進(jìn)而導(dǎo)致洪水暴發(fā)可能性增加和過度土壤濕度的產(chǎn)生，使作物生長(zhǎng)階段的水分脅迫加重，從而導(dǎo)致作物減產(chǎn)。我國主要極端天氣氣候事件發(fā)生的頻率和強(qiáng)度在近50年出現(xiàn)了明顯的變化，連續(xù)災(zāi)害事件頻發(fā)，對(duì)作物生長(zhǎng)威脅較大。

為應(yīng)對(duì)氣候變化對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的影響，趨利避害，在今后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)充分利用氣候變暖帶來的熱能資源，遵循區(qū)域差異規(guī)律，開展專題研究，開發(fā)作物新品種，并適時(shí)調(diào)整農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)，提高復(fù)種指數(shù)，緩解氣候變暖對(duì)我國農(nóng)業(yè)的沖擊；通過推廣設(shè)施農(nóng)業(yè)和精細(xì)農(nóng)業(yè)，減小CO2濃度增加對(duì)糧食品質(zhì)的影響，降低雜草及病蟲害對(duì)作物生長(zhǎng)的影響；通過發(fā)展水利設(shè)施及制定應(yīng)急預(yù)案提高應(yīng)對(duì)極端氣候事件的能力，減少氣候?yàn)?zāi)害對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。同時(shí)，加強(qiáng)科技投入，借鑒國外應(yīng)對(duì)氣候變化的先進(jìn)成果，構(gòu)建保障我國糧食安全及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的長(zhǎng)效機(jī)制，以增強(qiáng)我國應(yīng)對(duì)未來氣候變化的能力。

參考文獻(xiàn)

[1]

秦大河.氣候變化科學(xué)的最新進(jìn)展[J].科技導(dǎo)報(bào)，2008（7）：1.

[2] IPCC.Climate Change 2007：Synthesis report[C]//PACHAURI R K，REISINGER A.Contribution of working groups I，II and III to the Fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change.Geneva，Switzerland：IPCC，2007.

[3] 熊偉.未來氣候變化情景下中國主要糧食作物生產(chǎn)模擬[D].北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2004.

[4] IPCC.Climate change 2007：Impacts，Adaptation and Vulnerability[C]//PARRY M L，CANZIANI O F，PALUTIKOF J P，et al.Contribution of Working Group Ⅱ to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change.Cambridge，UK：Cambridge University Press，2007：1-976.

[5] 秦大河，羅勇，陳振林，等.氣候變化科學(xué)的最新進(jìn)展：IPCC第四次評(píng)估綜合報(bào)告解析[J].氣候變化研究進(jìn)展，2007，3（6）：311-314.

[6] BROWN R A，ROSENBERG N J.Sensitivity of crop yield and water use to change in a range of climate factors and CO2 concentrations：A simulation study applying EPIC to the central USA [J].Agricultural and forest meteorology，1997，83（3/4）：171-203.

[7] PENG S B，HUANG J L，SHEEHY J E，et al.Rice yields decline with higher night temperature from global warming[J].Proceedings of the national academy of sciences of the united states of america，2004，101（27）：9971-9975.

[8] MATTHEWS R B，KROPFF M J，HORIE T，et al.Simulating the impact of climate change on rice production in Asia and evaluating options for adaptation[J].Agriculture system，1997，54（3）：399-425.

[9] TUBIELLO F N，SOUSSANA J，HOWDEN S M.Crop and pasture response to climate change [J].Proceedings of the national academy of sciences of the united states of america，2007，104/（50）：19686-19690.

[10] 王春乙，潘亞茹，白月明，等.CO2濃度倍增對(duì)中國主要作物影響的試驗(yàn)研究[J].氣象學(xué)報(bào)，1997，55（1）：86-94.

[11] DAHLMAN R C.CO2 and plants：Revisited [J].Plant ecology，1993，104/105（1）：339-355.

[12] 李吉躍.全球[CO2]變化與植物水分關(guān)系[J].世界林業(yè)研究，1997（5）：16-25.

[13] 丁一匯，任國玉，石廣玉，等.氣候變化國家評(píng)估報(bào)告（I）：中國氣候變化的歷史和未來趨勢(shì)[J].氣候變化研究進(jìn)展，2006，2（1）：3-8.

[14] 翟盤茂，鄒旭愷.1951-2003年中國氣溫和降水變化及其對(duì)干旱的影響[J].氣候變化研究進(jìn)展，2005，1（1）：16-18.

[15] 王凌，高歌，張強(qiáng)，等.2008年1月中國大范圍低溫雨雪冰凍災(zāi)害分析.I：氣候特征與影響評(píng)估[J].氣象，2008，34（4）：95-100.

[16] 劉穎杰.氣候變化對(duì)中國糧食產(chǎn)量的區(qū)域影響研究：以玉米為例[D].北京：首都師范大學(xué)，2008.

[17] 楊尚英.氣候變化對(duì)我國農(nóng)業(yè)影響的研究進(jìn)展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006，34（2）：303-304.