氣候變化對農作物生長發育影響分析

胡根華　魯向暉

摘要系統分析總結前人有關氣候變化對農作物生長發育影響的研究進展，重點探討氣溫、CO2濃度、降水以及極端氣候事件對農作物生長發育、產量及品質的影響。結果表明，氣溫的升高可導致農作物減產；CO2濃度升高可促進農作物生長，使農田耗水量增加，并可使糧食品質下降；降水的變化可使我國糧食遭受區域性干旱的面積增大；極端氣候事件發生的概率和持續時間的增加對作物生長發育的威脅則更為嚴重。

關鍵詞氣候變化；作物生長發育；產量；品質；影響

中圖分類號S162.5文獻標識碼

A文章編號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在第四次氣候評估報告中明確指出，全球氣候系統正經歷著一次以變暖為主要特征的顯著改變。與此同時，全球環境、資源也發生了重大變化，出現了包含生態系統退化、水資源短缺、生物多樣性銳減、土壤侵蝕加劇、冰凍圈退縮在內的重大生態環境、自然資源問題[1]。因此，氣候變化所引發的資源環境問題已成為全世界各國政府、民眾和科技界關注的重大問題[2]，也是我國農業發展面臨的重要問題。農田生態環境是自然環境的重要組成部分，為人類生存發展提供了必需的資源。而農田生態環境亦會對氣候變化產生響應，導致其向人類所提供的資源量改變。然而氣候變化和農作物生長發育之間作用機理復雜，降水與氣溫的變化對作物的生長均會產生正面或負面的影響。因此，鑒于農業生產狀況對人類生存發展的決定性價值，研究氣候變化對農作物生長發育的影響對于調整農業生產、保障糧食安全以及制定相應的適應氣候事件對策均具有重要的意義。

長期的觀測事實和大量的研究表明，無論是在漫長的歷史時期內，還是近百年來，地球氣候系統均一直發生著變化[3]。氣象學專家們對未來氣候變化的情景進行了預測，到21世紀末全球平均地表溫度與1980—1999年相比可能會升高1.1～6.4 ℃；高溫、熱浪及強降水等災害天氣的發生頻率可能增加，臺風和颶風的強度將有加強的可能；全球平均海平面將在21世紀末上升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，該現象可延續達千年以上[2]。氣候變化尤其是災害性天氣的增加必將會對作物的生長發育、產量、品質等產生重要的影響[4]。有關氣候變化對農業生產的影響也引起了各國農業科學家的重視[5]，并通過溫室實驗室控制、作物生長模型模擬及根據歷史長期觀測數據等方法進行了廣泛的研究。筆者系統分析總結前人有關氣候變化對農作物生長發育影響的研究進展，重點探討氣溫、CO2濃度、降水以及極端氣候事件對農作物的生長發育、產量及品質的影響。

1氣溫變化對農作物可能造成的影響

農作物生物量增長和干物質分配的速率會受到氣溫影響，氣溫的升高均會導致作物的干物質積累及籽粒產量有所下降。Brown等[6]在美國中部利用EPIC（Erosion-Productivity Impact Calculator）模型模擬氣溫升高對作物的影響，結果顯示，日平均氣溫增加3 ℃會導致玉米、小麥、高粱和大豆的產量下降16%左右。對稻類作物而言，氣溫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，致使授粉率和谷粒數量降低，不育率上升，產量下降[7]。在當前CO2濃度下，平均氣溫每升高1 ℃，可導致亞洲水稻主產區水稻產量下降7%[8]。氣溫升高還會加速葉片和植株整體的呼吸消耗，高溫對呼吸作用的促進作用大于對光合的促進作用；影響植物器官尤其是生殖器官的生長發育，縮短小麥、水稻等籽粒的灌漿期，從而影響產量[3]。

對于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植物對水分的利用效率。另外，氣溫升高可使在寒冷季節播種的作物種植時間與一年生作物的成熟時間提前，致使作物的生長期縮短，從而導致作物減產。

2CO2濃度變化對農作物的影響

CO2是作物光合作用的原料，對作物的生長至關重要。研究表明，CO2濃度增加對不同類型作物產量的影響有明顯的差異。對于包括小麥、水稻、豆類和根系作物在內的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，促進作物生長；對包括玉米、高粱、小米和甘蔗在內的C4植物，影響不大。Tubiello等[9]研究認為，當CO2濃度增至550 μmol/mol時，C3和C4植物的產量將分別增加10%～20%和0～10%。分析認為，造成CO2濃度對C3、C4植物不同影響的原因主要是由于C3、C4植物對CO2的同化途徑和CO2濃度飽和點不同造成的[10]。國內外對CO2濃度影響作物生長的研究結論認為，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胞內的CO2濃度，增強CO2同O3競爭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40%，C4植物增長5%左右[11]。CO2濃度的上升可直接促進光合同化物的生產，使植物獲得光、水和養分資源的能力獲得間接的提高，從而加速植物生長，使植物的生長量明顯增加。

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，進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。干物質產量的增加使生長季植物總的水分利用效率提高，總的用水量可能并不會減少，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，導致葉片溫度的上升，都會增加植株的用水量。

CO2濃度的上升對糧食的生產也存在一定的負面影響，這主要是表現在對糧食品質和農田環境影響方面。CO2濃度的上升使植物的C/N值增大，導致籽粒的蛋白質含量降低，從而使糧食的品質下降，植物的葉面積增大將會消耗更多的土壤養分，增加了農田的投入；CO2濃度升高與氣候變暖共同作用將會導致農田雜草的數量和種類的增加，并有可能導致病蟲害的加重及新的病蟲害的產生，增加了防治難度，這都將會對作物的生長發育產生負面影響。

3水分狀況對農作物的影響

水分狀況是影響作物生長的重要因素，尤其是在干旱半干旱地區，大氣降水幾乎是作物生長的主要水分來源。未來氣候變化對農業生產的影響有利也有弊，其影響是利還是弊的決定因素是降水和作物生長季的變化。由于降水存在巨大的不確定性，目前在科學上還不能準確地估計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象影響的地區（如受地形影響的青藏高原地區和受厄爾尼諾影響的南部非洲地區），在對降水的預測方面依然存在著很大的不確定性[3]。

IPCC第四次氣候評估報告指出，近50年來全球的降水量都在增加。在20世紀，不同區域的降水格局都發生了變化，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域降水的系統性變化不大。丁一匯等[13]分析認為，我國降水量變化在近100年和近50年的變化趨勢不顯著，但年際波動增大；近20年來我國降水量呈增加趨勢，1990年以來，多數年份全國降水量均高于平水年；從季節上看，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區域差異比較明顯，20世紀后半時期（1956—2000年），長江中下游和東南地區年降水量平均增加了60～130 mm，西部大部分地區、東北北部和內蒙古大部分地區的年降水量均有一定程度的增加；華北、西北東部、東北南部等地區的年降水量出現下降趨勢，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改變土壤的蒸發、冠層的蒸騰和土壤水分含量，這些因素又會對植物的生長以及水分的收支產生影響。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不顯著。對于各區域而言，華北和西北東部干旱化趨勢顯著；東北地區的干旱化趨勢在近20多年來也十分明顯。華北、西北東部和東北地區在近半個世紀中顯著的區域氣候變暖，可能也是這些區域干旱化趨勢進一步加劇的原因，而加劇的干旱化趨勢對農作物的威脅也將加重[14]。

4極端氣候事件對農作物的影響

IPCC第四次氣候評估報告指出，極端天氣氣候事件的發生與全球變暖有關，是氣候變化的表現方面之一。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，極端氣候事件發生的頻率、持續時間都有所增加，而這些極端氣候事件對農田生態的影響較為嚴重。極端的降水事件可導致暴發洪水的可能性增加和過度的土壤濕度。洪水事件經常給農業帶來巨大的直接經濟損失，并可使土壤侵蝕和礦物質的淋溶加重；過度的土壤濕度可以導致作物處于長期的缺氧狀態，對作物的生長造成直接的傷害，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生會加重作物生長階段的水分脅迫，從而導致作物減產。

我國的主要極端天氣氣候事件發生的頻率和強度在近50年出現了明顯的變化，連續災害事件頻發，性質相異的災害事件轉換快。如2007年，極端天氣氣候事件發生比較頻繁，我國全年干旱面積偏大，暴雨和洪澇造成的損失比較嚴重，雷擊等災害造成的傷亡比較多；其中，淮河流域在夏季發生了特大暴雨洪澇災害，北方地區發生了大范圍的春旱并出現了歷史罕見的秋雨，東北夏伏旱比較嚴重，嚴重的高溫伏旱和50年一遇的特大秋旱襲擊了江南和華南等地，熱帶氣旋和強臺風的高頻發生給海南等東南沿海各省造成了嚴重的損失。而2008年年初，我國出現了大范圍持續的低溫雨雪冰凍天氣，多項氣象指標突破了20世紀50年代我國有氣象系統記錄以來的極值：長江中下游及貴州低溫日數和連續冰凍日數均達到了歷史最大值[15]；湖南、湖北冰凍天氣的持續時間、安徽省降雪的持續時間和江蘇省區域性暴雪的持續時間均達到了極值[16]。這次持續的低溫雨雪冰凍天氣給湖南、湖北、安徽、江西、廣西、貴州等20個省（區、市）的交通運輸、能源供應、電力傳輸、通信設施、農業及人民群眾生活造成嚴重影響，受災人口達1億多人，直接經濟損失達540多億元，農作物受災面積和直接經濟損失嚴重[15]。楊尚英[17]分析華北地區最近半個世紀的干濕指數演變特征發現，在此期間華北地區以旱為主，存在非常強的干旱化趨勢，且以夏、秋旱為主，多為兩季連續干旱。

5小結與討論

全球氣候變化對農作物的影響是極為復雜和多方面的，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、間接影響農作物生長的。筆者總結了氣候變化對農作物生長影響的方式、程度及作用機理等方面的現有研究，得到以下主要結論：

（1）全球氣候變化將導致氣溫升高，氣溫的升高會縮短玉米、小麥、高粱和大豆的生長期，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，對呼吸的促進大于光合，影響植物器官尤其是生殖器官的生長發育，縮短小麥、水稻等籽粒的灌漿期，從而降低這些作物的產量。

（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，促進作物生長，對C4植物影響不大。CO2濃度增加會增加植物葉面積，使糧食品質下降，而植物葉面積的增大將會消耗更多的土壤養分，增加了農田的投入。另外，CO2濃度增加會導致農田雜草的數量和種類的增加，并有可能導致病蟲害的加重及新的病蟲害的產生。

（3）近幾十年來，由氣候變化引發的降水時空特征改變致使我國干旱面積略有增加，但趨勢不顯著。其中，華北和西北東部干旱趨勢顯著，東北地區近20年來表現顯著的干旱趨勢。加劇的干旱化趨勢對農作物的威脅也將加重。

（4）氣候變化使全球極端氣候事件發生的頻率、持續時間都有所增加，進而導致洪水暴發可能性增加和過度土壤濕度的產生，使作物生長階段的水分脅迫加重，從而導致作物減產。我國主要極端天氣氣候事件發生的頻率和強度在近50年出現了明顯的變化，連續災害事件頻發，對作物生長威脅較大。

為應對氣候變化對農作物生長的影響，趨利避害，在今后的農業生產中，應充分利用氣候變暖帶來的熱能資源，遵循區域差異規律，開展專題研究，開發作物新品種，并適時調整農作物種植結構，提高復種指數，緩解氣候變暖對我國農業的沖擊；通過推廣設施農業和精細農業，減小CO2濃度增加對糧食品質的影響，降低雜草及病蟲害對作物生長的影響；通過發展水利設施及制定應急預案提高應對極端氣候事件的能力，減少氣候災害對農業生產的影響。同時，加強科技投入，借鑒國外應對氣候變化的先進成果，構建保障我國糧食安全及農業可持續發展的長效機制，以增強我國應對未來氣候變化的能力。

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