全球增温变化对植物的影响

全球增温变化对植物的影响摘要:从全球增温变化对植物影响的分析,阐述温度对全球植物群落的影响,包括对植物群落分布的影响,物种多样性的影响,以及对群落中物种个体的影响。在温度较低的月份，人为增加温度能够提高群落的多样性指数。不同功能型物种(乔本幼苗、落叶型和常绿型灌木、草本类)物候和生长对增温响应的方式差异不明显，基本表现为春季物候提前、秋季物候推迟;营养生长增加，而生殖生长影响不大。但不同功能型物种对模拟增温度响应的强度存在一定程度的差异。关键词:全球变化;植物群落;物种多样性;物候；生长目前,全球变化(globalchange)、生物多样性(biodiversity)和可持续发展(sustainabledevelopment)等全球性环境问题为世人瞩目，被称为世界三大环境热点,而其中的CO2浓度升高导致的温室效应和全球气候变化以及其对陆地生态系统的影响,以及生态系统对全球气候变化的响应和反馈是关系到人类社会和经济生活、农林牧业生产、资源和生存环境的重大问题,成为众多科学工作者、各国政府领导人及普通民众所共同关注的焦点问题,全球变化与陆地生态系统(Globalchangeandterrestrialecosystem,GCTE)是全球变化研究的重要内容,而气候变化对陆地生态系统的影响及其反馈是GCTE研究的热点。气候变暖作为全球变化的主要表现之一,已经成为一个不争的事实。它是指当前的全球平均温度比过去数千年平均气温要高的现象。目前,有充分的证据表明,人类活动导致了大气层中“温室气体”的不断累积,从而使得全球气温逐步上升。根据IPCC的预测，CO2浓度和其它温室气体的共同作用将会导致全球平均气温每10年上升0.2工。在高原和高山极端环境影响下所形成的高寒草甸生态系统极其脆弱,对人类干扰和由于温室效应引起的全球气候变化极其敏感,对这些干扰和变化的响应具有超前性。因此,近年来气候变化对高寒草甸植被的影响,已引起众多科学工作者的广泛关注,但仅限于对整个群落方面的研究［1,2,6］。自工业革命以来，全球平均表面温度（陆地表面温度和海洋表面温度的平均）增加了±°C,这个值比截止到1994年的SAR（IPCC第二次评估报告）的估计值高出了°C,主要是由于1910~1945年和1995~2000年两个时段增温最明显。变暖程度冬季较夏季明显，高纬度地区比低纬度地区明显，夜间比白天明显，陆地比海洋显著。专家们估计到2030年，大气中的CO2~°C。大量监测和模拟研究己表明：由上个世纪开始的全球温室效应在新的世纪正在继续和扩大。在未来50~100年间，地球表面温度可能升高1~C~C。温度是植物生长的必需条件，温度变化不仅会影响地表植被的种群及群落结构，而且会影响各种植物的生长发育与繁衍。温度是植物发育的重要条件，是一种无处不起重要作用的生态因子，任何生物都是生活在具有一定温度的外界环境中并受温度变化的影响。当环境温度发生改变时，无性系植物和有性生殖的植物会对温度变化作出响应。温度控制着生态系统中许多生物化学反应速率，且几乎影响所有生物学过程。低温和短的生长季是高山生态系统两个主要的限制因子。植物物候与生长是对气候变化敏感且易观测得指标，两者的变化直接影响到生态系统碳收支。同时，植物物候过程在众多方面（生物间的相互作用，植被对大气界面层的反馈作用，碳、氮、水等主要生态系统过程及物种的迁移与适应）都扮演着重要的角色。因此植物物候的变化可能引起一系列生态学反应，最终对生态系统结构和功能造成某些不确定的影响。目前研究发现增温一般能延长生长季、促进植物生长发育，这将可能有助于北半球植被净初级生产力的增加，并对目前由大气CO2浓度升高引起的全球变暖形成一个负反馈，但全球气候变化导致的植被及其它生理过程的变化有可能减弱或抵消此正效应，目前对此研究还有极大的不确定性。1增温对植物个体的影响1.1植物物候的影响随着气候的变化植物物候期发生显著变化,明显地反映气候的变化与波动。有关植物物候的现有数据和知识,包括大量的实验研究,表明所观测到的变化大多是与不断升高的温度有关。温度升高使植物接近其最适温度且延长生长季节,植物的生长速度加快。增温条件下,矮嵩草草甸植物的生长期被延长,植物群落的枯黄期被延迟［2］。陈效逑等［3］对近50年来北京春季物候的变化分析发现,近50年来北京春季物候经历了3个周期的早晚振荡,近10多年来北京的物候异常偏早,这与北京连续10多年的暖冬和春季偏早一致,且未来10年春季物候仍将偏早。根据地面物候资料,加拿大西部山杨比半个世纪前提早了26d发芽⑷。1959-1993年间北美地区春季的生物物候提早了6d［5］。从表面来看增温可使植物生长期延长,利于增大生物量,植物发育生长速率加快,植物成熟过程提早,生长期反而缩短,生物量减少。这说明小气候的作用。环境条件诱发土壤结构变化,植被的种群结构也随之改变,甚至出现演替的过程,全球变暖不仅对植物的生物生产力影响较大,而且对植被类型的演替有着不可忽视的作用［6］。据徐振锋等研究，增温效应使岷江冷杉芽开放显著提前，早出叶可能有利于物种资源利用，因为随着叶片展开，通常净光合速率随之增加，直到叶子完全展开，光合速率能力达到最高峰。而早出叶也可能加大植物叶片遭受昆虫等小型动物取食的可能性。其次，物种与环境之间的关系是经过长时间自然选择而形成的，因此植物提前展叶或开花，会加大植物叶或花遭受春季霜冻的可能性。增温对糙皮桦芽开放时间影响不明显，而其落叶时间却显著推后，使得叶寿命显著延长。°C-°C[2,高纬度高海拔地区对温度升高的响应可能会更为敏感而迅速。温度控制生态系统中许多生物和化学反应速率，且温度几乎影响着所有生物学过程，植物物候也不例外。温度的升高直接影响着植物的物候。在温度增加的情况下，植物春季芽的展开提前，花期提前，秋季植物芽的休眠推后或无影响。增温对植物物候影响可能因物种和处理时间（短期/长期）而异。Henry和Molau在ITEX站点利用OTC控制环境温度，研究其对高寒植物物候的影响，结果发现物种的物候期发生了显著的变化，但植物物候对增温的短期反应只是个体特征，不能反映一般性的格局和强度。Dunne等利用辐射加热器控制环境温度研究了气候变化对11种亚高山灌丛和草本花期的可能影响，结果表明:各物种花期对增温的反应有所不同，他们认为花期对全球变暖的这种短期响应可能导致种间关系发生变化。Suzuki和Kudo利用开顶式同化箱法控制环境温度研究了对日本北部Taisctsu山脉高山极地植物物候的影响，结果表明:实验初期，各观测物种的生长季延长，落叶期滞后，而在实验进行到第三个生长季时，只有笃斯越橘（Vacciniumuliginosum）提前发芽，而其它物种（叶杜香,Ledumpalustre;北极果,Arctousalpinus;和岩高兰,Empetrumnigrum）则表现不明显。植物物候对温度升高的响应方式可能在不同功能群间存在一定的差异。Binings认为温度升高对不同物种的影响不同，但对同一功能群影响可能是相似的，因为同一功能群其生理特性、生殖结构和叶形态特征都相对一致。chapin等将极地及高山物种分为木本（落叶型和常绿型）草本（禾本类、非禾本类和莎草类）。Aift等通过meta-analysis方法对国际冻原计划（ITEX）13个站点短期（1-4y）主要物候现象（展叶、始花和休眠）观测结果进行综合定量分析，结果表明:展叶对模拟增温的响应在不同功能群间存在显著的差异，而花期和休眠的差异性较小。

同样Henry和Molau通过对国际冻原计划(rrEx)6个站点研究结果进行归纳发现，不同功能群物候对温度升高的响应存在明显的差异，且响应的敏感程度依次表现为非禾本草本类＞禾本类＞落叶型灌丛＞常绿型灌丛。植物物候对模拟增温的响应是否存在区域间的差异?Arft等对国际冻原计划(ITEX)13个站点短期(l-4y)研究结果统计分析表明，展叶和始花在区域间没有明显的差异，但秋季叶的枯萎则差异显著(温度升高使高山植物枯萎期推迟了，而对极地物种枯萎时间影响并不明显。同样,Henry和Molau认为除了个别物种，物候对模拟增温响应的方式和强度在研究的6个国际冻原计划(ITEX)站点间都是相似的。1.2植物形态特征的影响1.2植物形态特征的影响温度作为重要的生态因子之一,对植物的生长和发育起着至关重要的作用。温度变化主要通过影响植物的繁殖、叶片和高度等从而影响植物的生长和发育。Havstr6m,M等对南极不同地区植物进行研究发现:在温度较低的区域温度是植物生长的主要限制因子,而温度较高的地区营养成分则是植物生长的主要限制因子［7］。矮嵩草分蘖数的生长与地温密切相关,而且地温大约在9.8工时有利于矮嵩草分克隆繁殖(分蘖数增加),如果温度继续降低或增加都不利于矮嵩草的克隆繁殖(分蘖数减少)［8］。如果在增温的同时增加营养E.vaginatum的分蘖数增加显著;在单一因素控制时分蘖数增加不显著⑼。温度变化往往是通过影响植物根温来影响植物的生长和发育,有关研究发现,地温变化1°C就能引起植物生长和养分吸收的明显变化［io］,而叶片生长对根温的反应最为明显［11］。生长过程和生物量是生态系统重要的特征，也是评价生态系统的重要指标。全球变暖可能改变植物的生长特性，而且可能促进植物细胞分裂和生长，从而可以增加生物量。因此大量的控制实验用于研究植物生长对气候变化的响应，国内外主要表现为：Suzuki&Kudo用OTC模拟气候变暖研究其对日本北部高山植物生长特征的影响，实验初期，叶的面积和大小变化不明显，但年萌发叶的数量增加，而三年模拟增温后，所有常绿灌丛芽的生长量较大，而落叶灌丛表现不明显；同样，G.R.egory等通过转移积雪的方法提高土壤温度，研究其对阿拉斯加草本植物的影响，结果发现：叶片大小和萌发数量不受增温的影响；Arft等通过ITEX模拟增温效应的方法，研究了4年间极地高山植物生长的反应，结果发现：在实验初生长量达到高峰，草本植物生长状况较木本受增温影响更大；Jagerbrand等对极地附近苔鲜的研究发现：短期增温效应并不能明显改变苔鲜种丰富度和生长状况；Press等用模拟增温来研究其对瑞典亚极地矮灌丛的影响，发现：模拟增温使总生物量增加了16%，地衣受温度影响十分明显，地衣生物量增加了56%，且冠层高度明显增加；同样,Chapin等对阿拉斯加Toolik湖附近苔原研究发现，模拟增温使灌丛的生物量增加；但Parsons等研究了两个生长季里4种亚极地低矮灌从对模拟环境变化的响应，结果发现：地上生物量变化不明显；Naoya等利用OTC模拟气候升温研究其对高山植物生长和生物量的影响，结果表明：芽的生长和生物量对模拟增温的响应在不同物种间存在明显的差异，但增温使两种常绿灌丛生长和生物量都有明显的增加。我国周华坤等采用ITEX模拟增温效应对植被影响的方法，研究了青藏高原矮草草甸，发现：禾草地上生物量增加了%，莎草增加了1.18%，杂草减少了%，总生物量增加了3.53%。各类草的增减趋势与Zhang&Welker的实验结果一致。但模拟增温五年后，地上生物量较对照减少了9.8%。杨永辉用海拔高度的不同造成的温差模拟全球气候变暖研究对英格兰北部植物生物量的影响，结果表明：海拔变动造成的温度差异使生物量明显增加，增幅在50%以上。叶片数的变化与温度变化关系极为密切,矮嵩草叶片数随温度的升高而减少［8］。然而,F.StuartChapin对Ploygonum的研究则认为,增温使叶片总量减少,但如果适量增加植物营养则叶片数增加［9］,而且增温还可以使叶片干重和长度增加［12］。温度的变化将改变群落小环境,而特殊小生境将影响植物冠层高度、光合速率、养分的吸收和生长率等［13~17］。随着温度的变化,矮嵩草草甸的成层结构未发生太大变化,仍为两层,上层以禾草为主,下层以莎草科和杂类草为主。禾草占据上层空间形成郁闭环境,因此下层植物矮嵩草等为了争取更多的阳光和生存空间,种间竞争作用增强,植物高度整体增加［2］。叶寿命长期以来被认为是植物在长期适应过程中为碳获取最大化以及维持高效养分利用所形成的适应策略，是反映植物行为和功能的综合指标。在冬季低温的限制下，延长叶寿命成为一些物种进行生长发育和繁衍的基础。叶寿命延长可能途径有早出叶、晚落叶或两者兼有。作为植物碳获取策略的关键叶性状之一，比叶面积通常与叶寿命成负相关关系。这说明植物叶片结构的变化能改变植物的叶寿命。有研究发现，OTC内糙皮桦比叶面积较CK显著增加，而其叶寿命也明显延长（主要是通过晚落叶来实现的）OTC内糙皮桦叶寿命延长主要由于生长季末的增温效应。尽管岷江冷杉叶寿命没有被量化，但其叶寿命似乎同样被延长。因为OTC内岷江冷杉叶存活率（当年生和二年生）均显著高于CK内岷江冷杉叶存活率。其原因主要是温度升高引起的，而OTC得负面效应可能对此也有一定的贡献。高山地区，低温和短的生长季是植物生长发育两个重要的限制因子。因此增温可能延长生长季，刺激高山地区物种营养生长。极地和高山地区已有的研

究表明温度升高能提高营养生长。而日本北部高山物种生长受生长季所控制而非增温本身。模拟增温能增加物种叶生长速率和枝条生长速率，在一定程度上刺激营养生长。增温对生长基本上表现为正效应，但由于增温对物种定部芽造成一定的负面影响，这在一定程度上削减了增温对生长的正效应。芽的数量和质量是决定枝叶生长发育的基础。物种芽长对模拟增温的响应存在差异，在OTC增温效应影响下，延长的生长季仍能把部分营养物质从较老的器官转移到芽中，促进芽生长。叶片数量变化以及叶的扩展性生长，如叶长宽、叶面积和叶厚度，非常容易受到环境因子变化的影响。温度升高能刺激物种叶片生长，叶大小形状发生一定变化。Billings认为温度升高对不同功能性物种的影响不同，其可能是因为不同功能性物种生理特性、生殖结构和叶形态特征差异所造成的。Chapin和Shaver将极地物种分为木本（落叶型和常绿型）和草本（禾木类、非禾木类和莎草类）。Arft等通过Meta-analysis方法对国际冻原计划（ITEX）13个站点短期（1~4）主要物候现象（展叶、始花和休眠）观测结果进行综合定量分析，结果表明：展叶对模拟增温的响应在不同功能群间存在显著的差异，而花期和休眠的差异性较小。2增温对植物群落的影响2.1群落分布的影响在2.1群落分布的影响在21世纪,随着全球气候变暖,落叶林群落会向苔原地区扩展，而且这种扩展很明显。Grabherr.G等对北极维管属植物的研究发现,物种丰富度在过去几年里明显增加,在低海拔地区更加明显。通过在不同海拔退化草地上物种丰富度的比较发现,高山植物沿雪线向上发展是一种总趋势。而且,通过计算9种典型植物的迁移速率发现,最大值可达到每十年4m的速度。考虑到海拔每升高100m气温平均降低0.5乜这种增温在理论上将会导致植被带的高度将会以8~10m每十年的速度移动［18］。Komer等通过研究发现，增温通过增加枯草积累和加速土壤有机物及营养矿物质的分解速度而直接影响植物生长和发育,这将会导致目前营养受限制的群落的生产力增加［19］。Salix和Betula物种控制增长试验说明,对未来气候变暖植物的表现型是很重要的,未来气候变暖可能会导致就地保护主要植物功能型会快速从低灌丛向高灌丛或森林转变［20］。据大量孢粉资料分析,第四纪以来,我国植被由于构造运动和气候波动的影响,植物群在纬向移动约15~20°,垂向移动达1000~2000m【2i］。李克让的研究表明，由于气候变化,一些物种可能因不适应变化的气候环境,将导致竞争力低下而灭绝［22］。OTC改善了植物群落的小气候环境，一定程度上满足了植物对热量的需求,有利于植物的生长和发育,进而改变群落结构。温度升高条件下,大多种群高度增加,而部分物种密度却有下降趋势;大多数物种的重要值和综合优势比有不同程度的上升,这表明群落结构发生一定的变化。生物量是生态系统重要的特征,也是衡量物种竞争的重要指标。大气温度升高可能促进植物细胞分裂,增加土壤养分有效性及延长生长季,从而可以增加生物量。已有研究表明,模拟增温使亚极地矮灌丛和地衣、阿拉斯加Toolik湖苔原、青藏高原矮嵩草草甸及英格兰北部草原生物量显著增加。且发现生物量对模拟增温的影响在不同物种间存在一定的差异。各物种生物学特性及其对资源利用方式不同,因此对温度升高效应的敏感程度也就不同。温度的变化将改变群落小环境，而特殊小生境将影响植物冠层高度、养分的吸收和生长率等。气候变化影响着草原生态系统植物的种类和数量，受人类干扰的草原比天然草原更容易受气候变化的影响，对气候的阻抗小。Grime以英国两个情况不同的石灰岩草原为例，利用不受干扰的技术模拟了5年来局部的气候变化，研究植被对气候变化的抵抗力以及单位面积上生物的数量和种类组成是如何受温度和降雨量变化的影响，得出上述结论。赵建中在不同温度梯度上进行模拟增温研究，结果显示，随温度的升高，形成明显的群落层片结构，上层以禾草为主，下层以莎草科和杂类草为主。禾草占据上层空间形成郁闭环境，因此矮嵩草等下层植物为了争取更多的阳光和生存空间，植株高度整体增加。2.2物种多样性的影响随着气候变暖物种多样性也将会受到很大影响。随着气温沿着纬度梯度的快速增加,温度限制越来越起着重要的作用,随着气温升高植物种数量日益增多,植物增长增强［23~25］。在变化的气候条件下植物种类的地理分布区会改变,因此许多种类面临迁移或外来种入侵的问题,尤其是干旱和火灾会引起入侵种增加［26］。全球变暖对物种丰富度的影响也不可忽视。Davis认为适应进化的作用很重要,包括选择特殊群落(生态型)或者在种群内选择基因型［27,28］。在增温条件下所有的维管属植物的种群密度都增加或趋向于增加。同时增温将会导致植物的氮、磷积累和种群密度增加,而且这种增加在增温幅度较大的高寒高纬度地区更加明显。周华坤等［2］人采用国际冻原计划(ITEX),通过模拟增温对高寒草甸的研究结果表明，在温度增加1°C以上的情况下，矮嵩草(Kobresiahumilis)草甸的地上生物量增加%,其中禾草类增加%,莎草类增加%。增温对矮嵩草草原的群落结构产生一定的影响，使大多数物种的密度增加，但却使苔草(Carexspp.)、雪白萎陵菜(Potentillanivea)、双叉细柄茅(Ptilagrostisdichotoma)等的密度减少，升温使得建群种及其主要伴生种如矮嵩草、紫羊茅(Festucarubra)、早熟禾(Poaspp.)、甘肃棘豆(Oxytropiskansuensis)、异叶米口袋(Gueldenstaedtiadiversifolia)的盖度增加，而其他伴生种的盖度则减少。李英年等［6］通过5年模拟增温后观察表明:植物生长期为4~9月,暖室内10cm、20cm地下土壤平均增温°C,10cm、20cm地上空气平均增温°C,地表0cm平均增温1.87C,且增温在植物生长初期大于生长末期及枯黄期。在模拟增温初期年生物量比对照高,增温5年后生物量反而有所下降,增温使禾草类植物种增加,杂类草减少。Pyankoy在蒙古国草原上的考察结果表明，C4植物对温度的依赖程度较大，其丰富度沿着从北到南的温度梯度随纬度的减少而增加。高琼等人的研究分析表明，气温增加对羊草群落的恢复和角碱蓬群落的消失起抑制作用，不同群落对温度响应的机制不同。刘钦普在内蒙古利用地域条件的不同研究了羊草草原对温度变化的响应，结果发现植物的优势种（羊草、寸草苔、艾蒿）在温度升高时重要值和初级生产力均下降。而次优优势种（大针茅、西伯利亚羽茅、冰草）的重要值和初级生产力随温度升高而略有升高。增温后，禾草的盖度及生物量都显著增加,而杂草的盖度和生物量则呈显著下降。。Melillo等认为，增温后土壤含水量的减少或植物呼吸作用的增强，都能导致植物净初级生产力的下降。Dubrovsdy等的研究表明，土壤表土的干旱,将阻碍表层根系的生长。Edwards等则认为，土壤增温会导致根系死亡率的增加，从而减少根系的数量和聚集。Boeck等的研究结果也显示，由于增温导致土壤含水量的减少，地上和地下生量都明显下降，其中，地上生物量下降了18%,地下根系生物量下降了23%。有研究表明：增温对川西北高寒草甸植物群落结构及生物量生产有显著影响。增温后,直接导致了OTC内土壤相对含水量的减少。植物种间竞争关系被破坏，从而引起群落优势种和组成发生改变。OTC内禾草的地上生物量与对照样地相比显著增加，而杂草的生物量则显著减少。OTC内地上鲜体生物量和地下0~30cm的根系生物量与对照样地相比较，则出现了不同程度的减少。根系在土壤不同层中的分配比例明显改变,OTC内0~10cm土层的生物量分配比例增加，而20~30cm土层的生物量分配比例则明显减少。2.3温度上升对生产力的影响温度对植物生长及干物质分配的影响取决于不同的物种及其环境。有研究指出随着温度上升2^-3工以及降水量下降，在亚洲干旱和半干旱区域的草地生物量将下降40%~90%。Morgan通过研究发现，在未来温度升高°C的条件下，美国矮草草原的生产力将增加。Alward在西伯利亚没有树木的大草原上，通过对矮草的长期观察来研究全球最低温变化下草原的生态响应，发现最低温的变化与植被变化具有相关性：生态系统对气温上升敏感，显著表现在春季温度的上升与占优势的C4植物的初级生产力的减少及与C3非禾本草本植物数量和产量的增加具有正相关的关系。Carlen在欧洲冷带地区对草本植物的研究表明，随着温度的提高物种的干物质重，RGR和比叶面积等均呈升高的趋势，显示了温度是限制两种草本植物生长的关键限制因子John和Rebecca在落基山脉用红外线设备照射控制环境温度，研究其对草本植物的群落构成、生物量等，结果发现加热小区内在干环境下的Artemisiatridentata的地上生物量有所增加，在湿环境下的Pentaphylloidesfloribunda的地上生物量也增加了。这说明增温可以改变草地生境的物种的生产量。王谋通过研究高寒草原腹地，发现退化速率为•10a-i,而相应地在退化区内生物总量亦呈下降趋势，气候暖干化是引起高原腹地植被退化的原因。周华坤采用国际冻土计划（ITEX濮拟增温效应的结果表明，在温度增加1C以上的情况下，植物群落中种群的高度、盖度、重要值、群落结构、生物量均有明显的变化，矮嵩草草甸的地上生物量增加3.53%，其中禾草类增加12.30%,莎草类增加1.18％。许振柱的模拟研究表明，昼夜温差的加大将使单株羊草的生物量增加，分蘖和根的生物量增加，而鞘的生物量稍降低，对叶，根茎的影响较小。温差加大提高了分蘖和根的投资比例，而降低了其它器官的投资，表明夜间温度的降低将促进叶等源器官和鞘等暂储器官干物质的向外转移,增加对分蘖和根的投资，这是羊草对昼夜温差加大的适应性反应。参考文献expectationofimpactsofglobalclimatechangeonbiomesoftheTibetanPlateau.In:OmasaK,KaiK,TaodaH,UchijimaZ,Tokyo:Springer-Verlag,1996.[J].植物生态学报.2000,24^5):547—553.[J].中国农业气象,2001,22(1):1-5.Beaubien,E.G.andFreelandH.J.SpringphenologytrendsinAlberta,Canada: 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