气候变化对农作物生长发育影响分析

胡根华　鲁向晖

摘要系统分析总结前人有关气候变化对农作物生长发育影响的研究进展，重点探讨气温、CO2浓度、降水以及极端气候事件对农作物生长发育、产量及品质的影响。结果表明，气温的升高可导致农作物减产；CO2浓度升高可促进农作物生长，使农田耗水量增加，并可使粮食品质下降；降水的变化可使我国粮食遭受区域性干旱的面积增大；极端气候事件发生的概率和持续时间的增加对作物生长发育的威胁则更为严重。

关键词气候变化；作物生长发育；产量；品质；影响

中图分类号S162.5文献标识码

A文章编号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在第四次气候评估报告中明确指出，全球气候系统正经历着一次以变暖为主要特征的显著改变。与此同时，全球环境、资源也发生了重大变化，出现了包含生态系统退化、水资源短缺、生物多样性锐减、土壤侵蚀加剧、冰冻圈退缩在内的重大生态环境、自然资源问题[1]。因此，气候变化所引发的资源环境问题已成为全世界各国政府、民众和科技界关注的重大问题[2]，也是我国农业发展面临的重要问题。农田生态环境是自然环境的重要组成部分，为人类生存发展提供了必需的资源。而农田生态环境亦会对气候变化产生响应，导致其向人类所提供的资源量改变。然而气候变化和农作物生长发育之间作用机理复杂，降水与气温的变化对作物的生长均会产生正面或負面的影响。因此，鉴于农业生产状况对人类生存发展的决定性价值，研究气候变化对农作物生长发育的影响对于调整农业生产、保障糧食安全以及制定相应的适应气候事件对策均具有重要的意义。

长期的观测事实和大量的研究表明，无论是在漫长的历史时期内，还是近百年来，地球气候系统均一直发生着变化[3]。气象学专家们对未来气候变化的情景进行了预测，到21世纪末全球平均地表温度与1980—1999年相比可能会升高1.1～6.4 ℃；高温、热浪及强降水等灾害天气的发生频率可能增加，台风和飓风的强度将有加强的可能；全球平均海平面将在21世纪末上升0.18～0.59 m，过去和未来人为排放的CO2将使全球增暖、海平面上升，该现象可延续达千年以上[2]。气候变化尤其是灾害性天气的增加必将会对作物的生长发育、产量、品质等产生重要的影响[4]。有关气候变化对农业生产的影响也引起了各国农业科学家的重视[5]，并通过温室实验室控制、作物生长模型模拟及根据历史长期观测数据等方法进行了广泛的研究。笔者系统分析总结前人有关气候变化对农作物生长发育影响的研究进展，重点探讨气温、CO2浓度、降水以及极端气候事件对农作物的生长发育、产量及品质的影响。

1气温变化对农作物可能造成的影响

农作物生物量增长和干物质分配的速率会受到气温影响，气温的升高均会导致作物的干物质积累及籽粒产量有所下降。Brown等[6]在美国中部利用EPIC（Erosion-Productivity Impact Calculator）模型模拟气温升高对作物的影响，结果显示，日平均气温增加3 ℃会导致玉米、小麦、高粱和大豆的产量下降16%左右。对稻类作物而言，气温的升高首先会影响稻穗的不育率，在开花期高温会阻止花粉囊裂开和花粉散发，致使授粉率和谷粒数量降低，不育率上升，产量下降[7]。在当前CO2浓度下，平均气温每升高1 ℃，可导致亚洲水稻主产区水稻产量下降7%[8]。气温升高还会加速叶片和植株整体的呼吸消耗，高温对呼吸作用的促进作用大于对光合的促进作用；影响植物器官尤其是生殖器官的生长发育，缩短小麦、水稻等籽粒的灌浆期，从而影响产量[3]。

对于C3和C4植物，夜间气温的升高有可能使它们的呼吸消耗增加，在不遭受过热的情况下，气温的升高可提高C3和C4植物对水分的利用效率。另外，气温升高可使在寒冷季节播种的作物种植时间与一年生作物的成熟时间提前，致使作物的生长期缩短，从而导致作物减产。

2CO2浓度变化对农作物的影响

CO2是作物光合作用的原料，对作物的生长至关重要。研究表明，CO2浓度增加对不同类型作物产量的影响有明显的差异。对于包括小麦、水稻、豆类和根系作物在内的C3植物，CO2浓度增加可提高作物的光合作用率和水分利用效率，促进作物生长；对包括玉米、高粱、小米和甘蔗在内的C4植物，影响不大。Tubiello等[9]研究认为，当CO2浓度增至550 μmol/mol时，C3和C4植物的产量将分别增加10%～20%和0～10%。分析认为，造成CO2浓度对C3、C4植物不同影响的原因主要是由于C3、C4植物对CO2的同化途径和CO2浓度饱和点不同造成的[10]。国内外对CO2浓度影响作物生长的研究结论认为，CO2被植物绿叶通过光合作用固定，大气CO2浓度的上升提高了叶肉细胞内的CO2浓度，增强CO2同O3竞争戊糖二磷酸羧化酶的能力，抑制C3植物的光呼吸，提高C3植物单位叶面积净光合速率，CO2从350 mL/m3上升至700 mL/m3，C3植物叶片净光合速率增长40%，C4植物增长5%左右[11]。CO2浓度的上升可直接促进光合同化物的生产，使植物获得光、水和养分资源的能力获得间接的提高，从而加速植物生长，使植物的生长量明显增加。

CO2浓度上升可使叶片水分利用效率显著提高，其原因是CO2浓度上升减小了叶片的气孔开度，增大了水蒸气通过气孔的阻力，降低了单位叶面积的水分蒸腾速率，使单位叶面积的净光合速率得到了提高[12]。具体来讲，CO2浓度上升可使C3植物的净光合大幅度增长，进而使叶片的水分利用效率增加；蒸腾减少则是C4植物的叶片水分利用效率提高的主要原因。干物质产量的增加使生长季植物总的水分利用效率提高，总的用水量可能并不会减少，原因是CO2浓度上升使植物叶面积增加，且CO2浓度上升降低了叶片蒸腾速率，导致叶片温度的上升，都会增加植株的用水量。

CO2浓度的上升对粮食的生产也存在一定的负面影响，这主要是表现在对粮食品质和农田环境影响方面。CO2浓度的上升使植物的C/N值增大，导致籽粒的蛋白质含量降低，从而使粮食的品质下降，植物的叶面积增大将会消耗更多的土壤养分，增加了农田的投入；CO2浓度升高与气候变暖共同作用将会导致农田杂草的数量和种类的增加，并有可能导致病虫害的加重及新的病虫害的产生，增加了防治难度，这都将会对作物的生长发育产生负面影响。

3水分状况对农作物的影响

水分状况是影响作物生长的重要因素，尤其是在干旱半干旱地区，大气降水几乎是作物生长的主要水分来源。未来气候变化对农业生产的影响有利也有弊，其影响是利还是弊的决定因素是降水和作物生长季的变化。由于降水存在巨大的不确定性，目前在科学上还不能准确地估计未来气候变化下降水的变化情况，尤其是在一些受地形和自然现象影响的地区（如受地形影响的青藏高原地区和受厄尔尼诺影响的南部非洲地区），在对降水的预测方面依然存在着很大的不确定性[3]。

IPCC第四次气候评估报告指出，近50年来全球的降水量都在增加。在20世纪，不同区域的降水格局都发生了变化，北半球中高纬度陆地的降水量增加了（0.5%～1.0%）/10 a，热带陆地增加了（0.2%～0.3%）/10 a，亚热带陆地则减少了0.3%/10 a，而南半球的大部分区域降水的系统性变化不大。丁一汇等[13]分析认为，我国降水量变化在近100年和近50年的变化趋势不显著，但年际波动增大；近20年来我国降水量呈增加趋势，1990年以来，多数年份全国降水量均高于平水年；从季节上看，近100年我国秋季降水量略为减少，而春季降水量稍有增加。我国降水量的变化趋势区域差异比较明显，20世纪后半时期（1956—2000年），长江中下游和东南地区年降水量平均增加了60～130 mm，西部大部分地区、东北北部和内蒙古大部分地区的年降水量均有一定程度的增加；华北、西北东部、东北南部等地区的年降水量出现下降趋势，1956—2000年黄河、海河、辽河和淮河流域年降水量平均减少了20～120 mm。降水量的增减可能会改变土壤的蒸发、冠层的蒸腾和土壤水分含量，这些因素又会对植物的生长以及水分的收支产生影響。因此，在以上气候变化的背景下，我国的干旱面积略有增加但变化趋势不显著。对于各区域而言，华北和西北东部干旱化趋势显著；东北地区的干旱化趋势在近20多年来也十分明显。华北、西北东部和东北地区在近半个世纪中显著的区域气候变暖，可能也是这些区域干旱化趋势进一步加剧的原因，而加剧的干旱化趋势对农作物的威胁也将加重[14]。

4极端气候事件对农作物的影响

IPCC第四次气候评估报告指出，极端天气气候事件的发生与全球变暖有关，是气候变化的表现方面之一。极端气候事件包括洪水、干旱、极端高温和低温等。在气候变化的背景下，极端气候事件发生的频率、持续时间都有所增加，而这些极端气候事件对农田生态的影响较为严重。极端的降水事件可导致暴发洪水的可能性增加和过度的土壤湿度。洪水事件经常给农业带来巨大的直接经济损失，并可使土壤侵蝕和矿物质的淋溶加重；过度的土壤湿度可以导致作物处于长期的缺氧状态，对作物的生长造成直接的伤害，而且还可能使作物受到病虫害的威胁。极端气候干旱事件的发生会加重作物生长阶段的水分胁迫，从而导致作物减产。

我国的主要极端天气气候事件发生的频率和强度在近50年出现了明显的变化，连续灾害事件频发，性质相异的灾害事件转换快。如2007年，极端天气气候事件发生比较频繁，我国全年干旱面积偏大，暴雨和洪涝造成的损失比较严重，雷击等灾害造成的伤亡比较多；其中，淮河流域在夏季发生了特大暴雨洪涝灾害，北方地区发生了大范围的春旱并出现了历史罕见的秋雨，东北夏伏旱比较严重，严重的高温伏旱和50年一遇的特大秋旱袭击了江南和华南等地，热带气旋和强台风的高频发生给海南等东南沿海各省造成了严重的损失。而2008年年初，我国出现了大范围持续的低温雨雪冰冻天气，多项气象指标突破了20世纪50年代我国有气象系统记录以来的极值：长江中下游及贵州低温日数和连续冰冻日数均达到了历史最大值[15]；湖南、湖北冰冻天气的持续时间、安徽省降雪的持续时间和江苏省区域性暴雪的持续时间均达到了极值[16]。这次持续的低温雨雪冰冻天气给湖南、湖北、安徽、江西、广西、贵州等20个省（区、市）的交通运输、能源供应、电力传输、通信设施、农业及人民群众生活造成严重影响，受灾人口达1亿多人，直接经济损失达540多亿元，农作物受灾面积和直接经济损失严重[15]。杨尚英[17]分析华北地区最近半个世纪的干湿指数演变特征发现，在此期间华北地区以旱为主，存在非常强的干旱化趋势，且以夏、秋旱为主，多为两季连续干旱。

5小结与讨论

全球气候变化对农作物的影响是极为复杂和多方面的，主要是通过温度、CO2浓度、降水和极端气候事件的变化来直接、间接影响农作物生长的。笔者总结了气候变化对农作物生长影响的方式、程度及作用机理等方面的现有研究，得到以下主要结论：

（1）全球气候变化将导致气温升高，气温的升高会缩短玉米、小麦、高粱和大豆的生长期，使稻类植物的不育率上升，加速叶片和植株整体的呼吸消耗，对呼吸的促进大于光合，影响植物器官尤其是生殖器官的生长发育，缩短小麦、水稻等籽粒的灌浆期，从而降低这些作物的产量。

（2）CO2浓度增加可提高C3植物的光合作用率和水分利用效率，促进作物生长，对C4植物影响不大。CO2浓度增加会增加植物叶面积，使粮食品质下降，而植物叶面积的增大将会消耗更多的土壤养分，增加了农田的投入。另外，CO2浓度增加会导致农田杂草的数量和种类的增加，并有可能导致病虫害的加重及新的病虫害的产生。

（3）近几十年来，由气候变化引发的降水时空特征改变致使我国干旱面积略有增加，但趋势不显著。其中，华北和西北东部干旱趋势显著，东北地区近20年来表现显著的干旱趋势。加剧的干旱化趋势对农作物的威胁也将加重。

（4）气候变化使全球极端气候事件发生的频率、持续时间都有所增加，进而导致洪水暴发可能性增加和过度土壤湿度的产生，使作物生长阶段的水分胁迫加重，从而导致作物減产。我国主要极端天气气候事件发生的频率和强度在近50年出现了明显的变化，连续灾害事件频发，对作物生长威胁较大。

为应对气候变化对农作物生长的影响，趋利避害，在今后的农业生产中，应充分利用气候变暖带来的热能资源，遵循区域差异规律，开展专题研究，开发作物新品种，并适时调整农作物种植结构，提高复种指数，缓解气候变暖对我国农业的冲击；通过推广设施农业和精细农业，减小CO2浓度增加对粮食品质的影响，降低杂草及病虫害对作物生长的影响；通过发展水利设施及制定应急预案提高应对极端气候事件的能力，减少气候灾害对农业生产的影响。同时，加强科技投入，借鉴国外应对气候变化的先进成果，构建保障我国粮食安全及农业可持续发展的长效机制，以增强我国应对未来气候变化的能力。

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