植物对全球气候变化的响应.ppt

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1、植物对全球气候变化的响应,生命科学学院CYX,全球气候变化的概念：全球气候变化是指全球气候平均值和离差值两者中的一个或两者同时随时间出现了统计意义上的显著变化。,导致全球气候变化的原因,全球气候变化表现在多个方面 例如：北极气温在过去100 年间已经增加到全球平均温度的2 倍，冰覆盖量以每10 年3%5%的速率下降，而多年厚冰覆盖量以每年7%10%的速率下降，俄罗斯的河流排泄量在增加，永久冻土正在融化,陆地积雪覆盖在减少。此外，在过去几年,格陵兰冰原已经损失了巨大的边缘,远远超过内部的增加积累量。,一、气温升高,近百年来气温升高速度明显加快，且有越来越快的趋势。温度地质年代增加率为0.0001

2、/年或0.00001/年,而近百年的温度增加率是约1/100年0.01/年,是地质年代的1001000倍1。,下图显示了1850年以来,全球平均的地表温度的变化及同时段的线性趋势。从图中我们可以明显的看出1850年以来全球平均气温呈现上升趋势。相对于19611990年的气候平均值。平滑曲线(蓝线)代表10年尺度 的变化。从18501899时段到20012005时段总温度增加为0.76 0.19。,二、CO2浓度升高,CO2浓度也在明显升高且有加快趋势。现在温室气体的测量表明，CO2已从工业化前(1750年)的280ppm增加到了2005 年的379ppm。2005年CO2 的大气浓度值已远远超

3、出了根据冰芯记录得到的65万年以来浓度的自然变化范围(180280ppm)。并且近10年(1995-2005年)来CO2大气浓度的增长率(每年1.9ppm)比过去有连续直接大气测量以来的增长速率(19602005:每年1.4ppm)要高很多。,下图为过去10000年大气CO2浓度的变化(相对于2005年).这是从冰芯资料分析和仪器测量得到的.纵坐标是CO2的浓度,单位为ppm2。从图中我们可以直观的看到近50年来 CO2的浓度显著上升。,三、冰川融化,世界各地冰川变化观测和研究表明，小冰期结束以来全球范围内冰川退缩成为主导趋势。据IPCC 小组估计，1960-1990 年期间，山地冰川的总体物

4、质平衡为-12050Gt/年，相应地对海平面上升的贡献约为0.330.14mm/年；1990-2004 年时段则增到-23066Gt/年，海平面平均上升0.630.18mm/年，山地冰川物质平衡的变化对海平面的上升贡献很大3。阿尔卑斯山1850-1975 年冰川面积缩小了35%，而到2000 年，这一比例增至50%4。南美冰川面积已由1950-1980 年的27002800km2 消减至20 世纪末的不足2 500km2 5。近50年来中国西部82.2%的冰川处于退缩状态，冰川面积减少4.5%6。,四、其他,此外，还有降水量变化，气温日较差降低，极端天气增多等。冰雹,全球气候变化对植物的影响,

5、全球气候变化对生态系统的影响全球气候变化对农作物产量的影响植物对气候变化生理生态响应的不确定性,全球气候变化对生态系统的影响,气候变化已经或正在对全球的生态系统和生物多样性产生着显著影响。包括使生态环境退 化或丧失,物种灭绝 速度加快，物种分布 范围发生变化，生物 物候期和物种繁殖行 为发生改变，种间关 系发生变化等。,全球气候变化对农作物产量的影响,CO2浓度升高温度升高CO2浓度升高与温度升高的交互作用降水的变化气温日较差（DTR）的变化极端天气气候事件气候变化的综合影响,1、CO2浓度升高,野外环境控制试验及模型研究表明，随着CO2 浓度增加,作物产量呈增加趋势。同时研究也表明，CO2

6、浓度增加对不同类型作物产量的影响有明显差异,其中C3类作物增长率明显大于C4类作物，在CO2浓度为550mol/mol时，C3和C4类作物的产量将分别增加10%-20%和0%-10%,这可能是由于C3和C4类作物对CO2 的同化途径和CO2 浓度饱和点不同决定的。,一些学者最近也指出,模型预测结果也许过高地估计了CO2浓度升高对作物的影响，因为植物生理学家和模型研究者认识到，现实状况下存在着许多制约因素，例如虫害、杂草、营养状况、资源的竞争、土壤水分和空气质量等,从而抵消掉了CO2浓度增加带来的正效应。尽管目前已经将基于过程的模型应用在估算气候和CO2浓度变化对产量可能产生的影响上，有些研究还

7、考虑了水和氮素对作物产量的限制作用，但仍需进一步在长期及大尺度上开展CO2浓度升高所带来的影响的研究,开展气候和CO2浓度变化对作物生长和产量的共同影响研究,尤其是在限制状况下的研究是十分必要的。,2、温度升高,许多研究表明，随着温度升高作物中的干物质及产量会下降。对稻类作物而言，温度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。温度升高还会改变作物的生长速率和生育期长度,从而影响产量。温度升高延长了作物的全年生长期,这对无限生长习性或多年生作物以及热量不足的地区有利,但对生育期短的作物生长不利。温度升高使作物生长发育速度

8、加快,生育期缩短。研究表明,作物生长期间气温每升高1，水稻生育期将缩短7 8d,冬小麦生育期将缩短17d,这就减少了作物光合作用积累干物质的时间。由此,夜间温度升高条件下,玉米、小麦和大豆产量的降低并不能全部归因于夜间呼吸速率的升高,水分利用效率的降低和生育期的缩短也是导致作物产量下降的原因之一。,3、CO2浓度升高与温度升高的交互作用,二者的交互作用表现在以下几点：（1）随着大气CO2 浓度的升高,净光合速率的最适温度会增加5 10；（2）CO2 浓度的升高会降低光呼吸，从而增加净光合速率。（3）当温度接近作物所能承受的上限温度时，不管CO2浓度如何,此时的温度都会对产量产生抑制作用。,（4

9、）温度的升高还可能会限制或改变CO2 浓度给作物带来的影响。（5）作物生长期间温度的升高增加了作物对水分的需求,这会间接地降低CO2 浓度的正效应。因此不可单纯说二者可以增加或减少作物产量。,4、降水的变化,降水的增加或减少可能会改变土壤的蒸发、冠层的蒸腾和土壤水分含量,这些因素反过来又会对植物的功能以及水分的收支产生影响。在干旱和半干旱环境条件下，降水格局的变化对生态系统机理的影响甚至超过了CO2浓度和温度升高单一因子或两者共同作用的影响。,除降水量减少及分配不均给农业生产造成损失外,极端降水事件的发生(如暴雨)也会给作物产量带来影响。,5、气温日较差（DTR）的变化,白天温度增加与夜间温度

10、增加会对作物生长产生不同的影响，作物的产量会随着DTR的变化而发生改变。若日平均气温不变，DTR变大对产物生长有利有弊。,一方面,DTR的增加会使作物产量下降。这是因为日最高气温的增加会导致水分胁迫发生，光合速率下降而且与DTR 升高相联系的日最低温度的降低也可能会对寒冷地区的作物产生冻害或造成死亡从而导致减产。,另一方面,在某些情况下，DTR的增加往往与较高的太阳辐射相联系，这对作物产量形成非常有益,尤其是在施肥和灌溉良好的土地上。在作物生长和灌浆速率对最高和最低温度较敏感的情况下,较低的夜间温度会使作物生育期变长,从而可以生产出更多的干物质。较低的夜间温度还会使一些水果和坚果树作物受益,D

11、TR的增加对它们的生长十分有利。,6、极端天气气候事件,短期的极端气候事件,例如高温、暴雨和洪水,以及长期(一年内或几十年)的气候极端事件和大尺度的大气环流变化,例如厄尔尼诺和南方涛动均会对作物生产产生重要的影响。,7、气候变化的综合影响,气候变化不仅直接影响作物的生长发育和产量形成过程,而且还可能影响作物布局、种植制度和农技措施等。,植物对气候变化生理生态响应的不确定性,植物对气候变化生理生态响应的不确定性包括植物响应模式的复杂性、多样性及可变性等。,造成这些不确定性的主要原因包括:(1)利用空间代替时间的样带研究中,往往忽略了植物的非线性响应。(2)样带及定点研究中,由于各种气候因子的耦合

12、,很难确定各种气候因子对植物生理生态学特性的影响。(3)定点控制实验中往往忽略了植物对气候变化的适应性,使实验结果很难代表更长时间尺度上的反映模式;(4)在相同的气候变化条件下,不同植物的响应有可能存在明显差异。,植物如何适应气候变化,气候变化会影响许多地区的气候。物种的生存能力将依赖于对新环境的适应性。对中国东北地区植物的调查研究显示，植物拥有多种适应性，这就使之能够在过量的降水下茁壮成长。适应性的多样化对未来植物的生存发展来说是个好兆头。,科学家对一种叫羊草的中国植物进行了适应性研究，发现它能够通过改变自身的生理结构和解剖结构来应对气候变化。在中国东北部，气候随地区变得越来越干燥。羊草取样

13、于光照相同，海拔和降水有差异的地区。这些地区依次有湿草地，干草地，沙漠。对这些植物进行研究发现，它们有特殊的解剖结构和生理结构去应对栖息地的降水量变化。,研究表明：,气候变干燥时，羊草通过增厚叶片减小气孔来保持水分。气孔是吸收二氧化碳，排放氧气与蒸发水汽的微小通道。在干旱的地区，植物试样具有较发达的维管系用来从土壤中吸收水分并把水运送到叶片。生长在干旱地区的植物也有其生化适应性，它使细胞维持水分免于脱水。受降水量影响的许多因素也随海拔的变化而变化。,不同热起源的植物适应气候变化的能力与叶片氮分配格局和代谢过程有关,资孙书存研究员课题组向双博士在中国科学院公派留学基金等助下，与澳大利亚国立大学O

14、wen Atkin教授等合作，在澳大利亚昆士兰州、维多利亚州和塔斯马尼亚州选择12个温带物种和13个热带物种进行研究，将来源于当地的植物幼苗种植于水分和养分条件良好的控温25C（大多数植被模型的模拟温度）的玻璃温室中，在生长期间进行气体交换和相关叶片属性的测定。,研究发现：,温带植物较热带植物呈现出较高的光合速率和呼吸速率；而温带植物较高的气体交换速率与叶片中相应的较高氮含量有关；这一研究揭示来自不同热起源物种的适应能力是与其内在的氮投资格局以及大气碳交换中植物关键代谢过程的适应能力密切相关的。,植物适应气候变化和特定基因有关,据国外媒体10月12日报道，面对急剧的环境变化，促进农业生产和成功

15、保护的能力要部分依赖于科学家对植物如何适应当地气候的理解。为了改善科学家对这一现象的理解，2011年10月7日发表在科学杂志的研究帮助人们明确植物适应当地气候的基因基础。在不同自然原生范围内种植了不同组的芥末植物拟南芥菌株，比如芬兰、德国、英国和西班牙。于是基因突变增加了植物对每个分布地的适应性得到证实。,拟南芥,结果显示：,一个相对小数量的基因赋予每组拟南芥气候偏好。不同的基因组控制对不同种类型气候的适应性。就单个植物来说，一组特定的气候基因的出现不一定和另一组特定气候基因互相排斥。,植物正以进化适应气候变化,联合早报报道 因为全球气候变暖，自然界的生物正面临越来越大的生存压力，英国几份科学

16、杂志最近发表报告指出，一些植物正发挥“适者生存”的本能，通过改变自身生长规律来适应环境的改变。,英国皇家学会生物学分会学报的最新报告说，美国杜克大学研究人员观察了落基山脉地区的芥末植株等植物从1973年到2011年的开花时间变化。结果发现，由于当地冬天越来越暖，山上积雪融化的时间提前，这些植物的开花时间提前了13天。,植物提前开花可以增强后代对环境变暖的适应力，因为提前开花让后代可以更早生长，能更多地利用温暖的季节，在与其他植物的竞争中具有优势。,有些生物还以另一种方式与气候变化赛跑，那就是改变自身形态。英国生物学通讯的报告说，澳洲阿德莱德大学研究人员发现，当地植物车桑子的叶片过去一百多年来变

17、窄了约2毫米。在天气热的地方，植物叶片变窄，可以减少水分蒸发。,车桑子,过去曾经发现因为气候变化，动植物大多会改变生活习惯，或是变换栖息地，但是很少有改变自身形态的例子。植物自身形态的改变，通常在时间跨度很大的古生物学研究中才会发现。,植物的这些反应说明，它们自身具有适应气候变化的能力，关键是气候改变的速度要在植物能承受的范围之内，否则植物就会在这场气候改变和自身适应的比赛中被淘汰。,但是，气候变化的速度越来越快，自然界中的动植物能否跟得上环境变化的速度，还要看人类如何对抗气候变化。如果出现大量生物灭绝的情况，对地球的生态系统来说，将是巨大的灾难。,濒临灭种的植物,红豆杉 英国杜松灌木,阿拉比

18、卡玫瑰 珊瑚树,南非野生山药 大戟科树,改善全球气候变化的几种方法,一、沙漠造林 沙漠造林能够吸收大气中更多 的温室气体，比如二氧化碳，这一 地球工程学方法已经扎根于非洲。例如，非洲13个国家正在建立“绿色长城”，希望让树林在阻止撒哈拉沙漠扩张的同时，吸收更多的二氧化碳。“撒哈拉森林计划”的组织者计划在可再生能源设施沿线植树造林，这些设施专门为世界各地的沙漠地区所设计。,二、制作“生物炭”亚马逊流域印第安人制作“生物炭”的做法是抗击全球气候变化的有效办法。据国际生物炭倡导组织介绍，生物炭数量丰富，渗透性强，可以通过加热农业废料制造，“生物炭”一旦重返土壤，它们可以在接下来的数百甚至数千年里在土

19、壤中吸收二氧化碳。除了吸收二氧化碳，“生物炭”还有改善土质营养质量的益处。,三、海藻农场 海藻在降低大气中二氧化碳含量中的作用，越来越引起专家的重视。据韩国釜山国立大学“海藻清洁发展机制项目”介绍，地球上一半的光合作用发生在海洋，而在海洋中，光合作用主要发生于一种称为浮游植物的微小海洋植物身上。浮游植物是无法在土地里种植的。相比之下，沿海地区可以轻易种植海藻，专家希望将这作为增强海洋吸碳能力的重要方案。,四、“造云船”的使用“造云船”由风能驱动，漂浮在海面上，向天空喷射雾状海盐，从而形成海洋云。这种云比正常的云密度更高、更白，所以能将更多的太阳热量反射回太空。美国企业研究所的瑟斯特罗姆的研究表明：“造云船”的造价相对较低，将约 1500 艘部署在海面上工作，就能起到立竿见影的冷却效果。,五、利用“白屋顶”如果将各种建筑的屋顶刷 成白色，这些建筑可以反射更 多的阳光，这也是解决气候变 化最简单的地球工程学方案之 一。美国劳伦斯 伯克利 国家实验室的研究人员表明：黑屋顶的反射率约为 10%至 20%，相比之下，白屋顶的反射率则达到70%至80%。此外，白屋顶还有一个好处：屋顶反光的建筑物里面不会像普通建筑物那么热，从而会降低空调的用电量。,谢谢观看！,