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气候变化对土壤的影响范文1
一
气候变化(climate change)是指能够识别(如采用统计检验)的气候状态的变化,即平均值变化和/或各种特性的变率,并持续较长的时间,一般可达几十年或更长时间[1]。全球气候变化已经是不容争辩的事实,只是气候系统和气候要素变化的原因、幅度和区域分布迥异,且未来气候变化预测还存在太多的不确定性。气候变化影响了粮食的安全。所谓粮食安全,是指“保证任何人在任何地方都能够得到为了生存和健康所需要的足够粮食”。(联合国粮农组织)中国的一些学者结合中国国情,根据FAO的定义,对粮食安全概念作了进一步阐释。例如,郭书田认为:“中国粮食安全应该包括五方面内容,即粮食自给率、粮食库存率、农民收入、生态环境、食物安全等。”[2]翟虎渠认为:“现代粮食安全的概念应包括数量安全、质量安全和生态安全。”[3]从以上对粮食安全的定义可以看出,无论国际或者中国学者怎样定义粮食安全,其中有一点是相通的,那就是都要确保有足够的粮食。充足的粮食储存量是国家安全的先决条件,离开这个条件谈国家安全,那国家安全就好比是空中楼阁。
二
“王者以民人为天,而民人以食为天。”(《史记·郦生陆贾列传》)民以食为天的观念如此源远流长,反映了中国几千年文明史和农业关系至为密切。粮食是国民经济基础中的基础,是关系到国计民生的战略物资。目前,全球气候的变化对中国的粮食安全有如下的影响:
第一,气候变化影响中国粮食的充足供应。粮食的充足供应,指在数量上和市场上有粮可食,包括粮食生产、粮食储备以及外来粮食援助等。全球气候体系的异常导致中国在降水、气温、自然灾害爆发频率和分布、水资源利用、病虫害发生机制等方面出现反常,最终冲击中国粮食的生产和供应。
温度对粮食单产的影响。在中国,升温对东北农业区来说是有利的,因为升温可以延长作物生长季节,而且减少低温冷害的威胁,是其有利的方面;另一方面,气候变暖会导致积温增加,从而使作物的生长期延长。但增温也有不利的一面,气候变暖,特别是冬季温度升高,将有利于害虫和病原体安全越冬,使来年的虫病源基数增大,加重危害程度。
气温升高对水分有效性也将产生影响。气温升高使蒸发量增加,导致了作物灌溉用水量大幅度增加。即使是良好的灌溉条件,也只能一定程度地缓和蒸发量增大引起的干旱,并不能完全补偿增温带来的减产效应。另一方面,土壤水分条件通过影响土壤的透气性而影响土壤固有有机碳的矿化分解和外源有机碳的降解,进而影响土壤有机碳含量。若土壤水分充足,那么土壤空隙度就大,就促进了有机碳的矿化分解[4],增加土壤肥力。但蒸发量变大会使得土壤水分不足,影响有机碳的矿化分解从而影响粮食单产量。
而在气温升高而降水量不增加的情况下,又将会出现中国农牧交错带向南扩展。首先,东北与内蒙古接壤地区农牧交错带的界限将南移70千米左右。其次,华北北部农牧交错带的界限将南移150千米左右。再次,西北部农牧交错带界限将南移20千米左右[5]。农牧交错带的南移使得草原面积有所增加,但同时也加大了荒漠化的可能,导致中国粮食安全问题进一步加重。
第二,气候变化影响中国粮食市场价格的可持续性和稳定性。气候变暖后,土壤有机质的微生物分解将加快,这需要施用更多的肥料以满足作物生长的需要,而施肥量的增加意味着生产成本的增加。同时,气候变暖可能会加剧病虫害的流行和杂草蔓延,因此不得不增加农药和除草剂的施用量,而这将增大农业生产成本。粮食市场价格波动,实际上是通过生产投入要素变动来实现的。所以当生产成本发生变化时,市场对之进行反应的可能途径就是调整价格和增加市场供求量。而农民生产积极性受挫以及气候变化引起的自然灾害加重导致的粮食减产,使得粮食市场供不应求,粮价就会上涨。粮价上涨一方面对粮食增产起到刺激和促进作用[6];另一方面粮价上涨又会影响中国居民的生活水平,甚至引起通货膨胀,往往会发生经济社会的震动,1993 年和 2003 年就是两次典型案例。
三
气候变化已经对中国农业发展和粮食安全造成巨大挑战,要解决这一问题,需要积极开展气候变化应对策略的研究,进行远期的规划和防御,发挥优势避免劣势,保障农业生产的可持续发展和粮食安全。
第一,应对气候变化的粮食安全科研政策对策。综合运用气候学、农学、遗传育种学、灾害学、生产经济学等多门学科理论方法,以气候变化与粮食安全之间的相互作用为切入点,以农业主产区为重点研究区域,研究并揭示气候变化对农业生产系统的影响机理与适应机制,为农业应对气候变化理清科学思绪[7]。
第二,应对气候变化的粮食安全技术选择。采取有效得当的农业技术应对气候变化(如优质农作物品种选育及产业化技术、转基因生物技术、重大病虫草害预测预报及防御技术、高效低毒新型化学农药及生物农药的创制技术、高效低污染新型化肥农膜技术的研究与开发),不仅可以有效降低气候变化对农业生产所带来的破坏程度,而且在一定程度上也可以有效利用气候变暖所带来的有利农业生产条件。
气候变化对土壤的影响范文2
1甘肃省气候变化的特征
1.1整体暖干化,局部暖湿化
甘肃省气候总体上呈暖干化变化趋势,变化的分界线与黄河走向基本一致,黄河以东地区(简称河东,下同)呈显著暖干化趋势,以西地区(简称河西,下同)呈微弱暖湿化趋势[9-11],温度升高、降水减少,冬暖夏干是甘肃省现代气候变化的基本特征[14].1951—2010年甘肃省气温一直在波动中上升,气温增长率为0.175℃·10a-1,以冬季升温最快,为0.371℃·10a-1,是平均增长率的2.2倍[8].从图1可以看出,1986年为气候向暖干化转型的突变点,转型后1987—2010年与1960—1986年相比,全省年平均气温升高了1.1℃,其中河东和河西地区分别升高了0.9和1.4℃,全年以冬季气温升幅最大,平均为1.3℃,已连续经历了23个暖冬[9-10,14].年最低气温升高是全年气温升高的主要原因[15],气候变暖使极端气候事件增多,加剧了农业生产的波动性和不确定性[16-17].伴随着气温的持续升高,甘肃省降水总体上呈持续减少趋势,年降水分布由东南向西北递减,年降水量河东为减少趋势,河西为增多趋势,分界线也与黄河走向基本一致[10,18].1961—2008年全省平均年降水量总线性趋势变化率为-10.1mm·10a-1.其中,河西为3.4mm·10a-1,河东为-11.0mm·10a-1,全省冬、春、夏、秋四季平均降水量的线性趋势变化率分别为1.02、-2.94、-1.38和-6.77mm·10a-1,秋季降水量减少的趋势更加明显[19].近50年来,全省年平均降水量减少了28mm,河西平均增多12mm,河东平均减少51mm;近37年来河东雨养农业区3月上旬、4月中旬、9月上旬和11月上旬的降水量呈显著减少的变化趋势,但河西西部、陇中北部、陇南、陇东部分地方等区域性地区夏季降水则呈增多趋势,全年降水的不确定性显著增加,使农业生产的风险增大[20].
1.2旱区南移扩大,干旱频发
气候变化使甘肃省河东湿润塬区降水量逐年减少,向暖干化发展,半干旱川区逐年增多,向湿润化发展[21],使河西疏勒河、黑河和石羊河三大河流年出山径流量逐年缓慢下降[22].研究表明,年平均气温每增加1℃,≥0℃的积温等值线将向北推移50km[23],气候变化使甘肃省400mm降水量分界线和年蒸发量1550mm等值线向南扩张,干旱半干旱区整体南移扩大,面积增大[8,19-20,24-25].在祁连山以及青藏高原东侧,陇东西侧,自景泰经定西到陇西、天水、武都和文县,年均降水量200～400mm的区域形成中部由北向南伸展的干舌,成为甘肃旱灾最严重的区域[9].在河西走廊形成了“非灌不植”、“地尽水耕”现象,即没有灌溉就没有农业[26].气候变暖使甘肃省自20世纪90年代以来旱灾频率呈持续上升趋势.近60年来发生率达65%,其中重旱发生率为44%,特大旱灾发生率为21%[9].特大干旱一般都发生在降水年代际变化的少雨时期和年际变化的少雨时期同时出现的阶段,旱灾往往是多个时段连续发生,呈现多季连旱、旱冻叠加、多样化变化趋势[10].干旱发生频率由近500年的志书记载中的平均3.4年出现一次小旱,9年出现一次大旱,发展为近50年来的平均1.7年出现1次小灾,3.5年出现1次大旱的变化趋势和“两年一小旱、三年一大旱、二十年一特大旱”的灾害特征[27-28],旱灾频发与同期气温升高和降水减少密切相关.根据IPCC-AR4模式对中国21世纪气候变化的预估结果综合分析得出,在A1B温室气体排放情景下,预计到2020年,甘肃省平均气温增幅在0.68～0.95℃;到2050年,增幅达1.93～2.45℃,且都以河西西部增温略高,冬季升温最为明显,幅度达2.17～2.82℃.同期降水则呈现出一致的增加趋势,也以河西增加较为明显,达6%～7.6%.预计到2050年,除陇东的降水减少0.04%～1.68%外,其余地方的降水普遍增加5.36%～9.01%,但季节降水变化的不确定性也很大.降水增加、蒸发量剧增,甘肃省特别是极端干旱区和干旱气候区的基本现状没有根本改变.
2气候变化对甘肃省粮食生产的影响
2.1对农业自然资源要素时空变化的影响
气候变化直接导致光、温、水、土等主要农业资源要素时空格局发生变化.1986年气温突变后,全省平均≥0℃积温平均增加了161℃,≥10℃积温平均增加了151℃,热量资源显著增加使生长季延长了10～20d.从地域分布看,河西地区平均增温141℃,河东地区平均增温156℃[14].就河东地区而言,平均气温每增加1℃,≥0℃的积温等值线将向北推移50km[23].气候变化使甘肃农业可利用的水资源量急剧减少.甘肃境内7条主要河流年径流量以每年0.4851×108m3的速度下降[29],1990年代以来的年均径流量比1960年代减少了14.7％～57.1%[10].境内河西内陆河流域冰川面积和冰储量1956年至今分别减少了12.6％和11.5％,冰川厚度减薄5～20m,雪线(平衡线)上升幅度达100～140m,冰川积雪的“固体水库”作用削弱,除黑河和疏勒河外,大部分河流径流量呈减少趋势,使得依靠祁连山雪水灌溉的河西绿洲逐渐成为一条极度干渴的走廊[9,11,25].气候变暖加剧了农业对土壤水分的消耗.水分亏缺成为农田水分平衡的主要特征,导致作物生长发育关键期水分供需错位[30],在作物旺盛生长的6月上旬至7月上旬出现土壤含水量的低值槽区[31-33],在120～130cm土层出现干化现象,土壤含水量与最适宜状态水分含量夏季相差最大为50～100mm,秋季相差最小为20～40mm[34].河西内陆河流地表水资源开发利用率高达95%以上,气温升高、降水减少引发的干旱机率逐年增大[29].气候变化改变了土壤水热环境,进而影响土壤有机质、气体、水分、矿物质、微生物活动和繁殖,从而影响土壤肥力[35].气温升高或降水量减少将导致土壤有机碳含量的降低;降水减少通过影响土壤水分条件和通气性而影响土壤固有有机碳的矿化分解和外源有机碳的降解,进而影响土壤有机碳含量.土壤水分充足,则透气性差,有利于提高土壤有机碳含量;土壤水分不足,孔隙度大,则促进了有机碳的矿化分解.气候变暖影响土壤微生物生物量和微生物活动,改变土壤中养分利用和C、N循环,也加快了土壤有机质的分解和氮的流失[36].降水减少是黄土高原土壤有机质变化的主要原因[37],气候变化导致高温和强降水等极端气候事件增多,通过加剧水土流失造成土壤养分损失使甘肃黄土高原区土壤质量和肥力一直处于下滑状态[3,37].
2.2对粮食安全的影响
2.2.1对主要粮食作物发育特征的影响
小麦、玉米,马铃薯是甘肃省三大主要粮食作物,多年平均播种面积占全省粮食播种总面积的85%左右,对全省粮食安全起着决定性的作用.气温变暖对主要粮食作物生长发育产生了显著的影响,对越冬作物的冬前生长发育及喜温、喜热作物的全生育期生长发育均比较有利.使冬小麦播种期推迟,越冬天数减少7～8d,越冬死亡率下降到2%以下,返青至开花期天数延长7d,返青期与成熟期提前,生殖生长阶段提早,全生育期缩短8～10d;使春小麦生殖生长加快,乳熟至成熟期每10a缩短2～3d,全生育期每10a缩短4～5d;使玉米等喜热、喜温作物的生长发育速度加快,主要发育期提早,生殖生长阶段延长,生育期缩短6～8d;使具有无限生长习性的马铃薯生育前期的营养生长阶段缩短,生殖生长阶段延长,全生育期延长9～13d,但对灌区喜凉作物生长发育的影响相对较小[21,23,38-41].研究表明,冬小麦关键生育期均表现为与日照时数和日较差呈显著正相关,与气温、5月降水总量均呈显著负相关,最低气温升高是冬小麦生育期提前的主要原因[21-24].气温对春小麦产量形成的影响除出苗期和成熟期外均为负效应,降水量的影响除出苗期和成熟期为负效应外,其余时段均为正效应,降水量每减少10mm,生长期缩短约0.8d[14,40].气温变暖为玉米生长发育赢得了更加充足的热量资源,对生长和发育均比较有利[14].
2.2.2对种植制度与布局的影响
气候变暖条件下,有效积温增加、积温带北移使甘肃省主要作物宜种区向北推移、种植高度增加,熟性由早熟型向偏晚熟型发展,冬小麦种植北界向北扩展了50～100km,小麦、玉米、马铃薯种植海拔高度普遍增高了100～200m.1979—2012年35年间,温度升高或降水减少使水热供需错位的小麦播种面积每年平均减少1.5%,其中,冬小麦播种面积相对稳定,春小麦播种面积每年平均减少3.2%;使喜温适水玉米、喜凉适水马铃薯播种面积每年平均增加了3.3%和2.7%(图2).但使主要作物品种的布局发生根本性变化,与变化后温水条件相宜的秋粮播种面积每年平均增加了1.3%,与之错位的夏粮播种面积每年平均减少了1.8%,夏秋比也由1.5:1变为0.5:1(图3);相应的品种熟性也表现为强冬性冬小麦品种逐渐被抗寒抗旱性强的弱冬性品种取代,早熟玉米品种逐渐被中晚熟品种取代,高抗晚疫病、高淀粉含量、丰产性好的马铃薯播种面积逐年扩大[14,22,42].
2.2.3对作物主要病虫害的影响
气候变暖特别是暖冬凸显导致害虫全年可繁殖天数和越冬基数增加,越冬北界北移,向北迁出的时间提前,向南回迁的时间推迟,繁殖世代数增加,危害地理范围扩大、程度加剧.对条锈病、白粉病、蚜虫、红蜘蛛等农作物病虫害的发生和流行均有比较明显的影响[43-44].甘肃省陇南山区是我国小麦条锈病的主要发源地,冬季显著增温使小麦条锈病发生的海拔高度约升高100～300m,危害范围明显扩大,发生时间也由3月提早到2月.从生态系统的角度来看,气候变暖将会引起生物种间关系变化,气温升高将会扰乱生态系统中害虫-捕食者、害虫寄生天敌等种群间的平衡关系,有些害虫的天敌可能因适应不了气候变化而缩减甚至消亡[45].一些对高温敏感的病虫害呈减弱趋势,致使小麦条锈病、蚜虫等病虫由低海拔地区向高海拔地区迁移危害,甚至还有减弱趋势.相反在缺少天敌的有效控制条件下一些害虫则会迅速繁殖,形成流行暴发.小麦蚜虫的发生流行一般主要在5～23℃的温度条件下,大于24℃或小于4℃时,麦蚜虫数都会显著减少;小麦红蜘蛛病的适宜温度约在8～15℃,在20℃以上就会引起死亡;粘虫在冬季繁殖、越冬、春季迁入等均增殖1～2代,在温度升高2.69℃的情景下,粘虫的越冬北界将向北推移3°[14].耕作熟制改进、水肥条件改善也有利于害虫和病原体安全过冬,使作物病虫害的发生世代、越冬北界及分布范围发生变化,病虫害发生面积、危害程度和发生频率逐年增长[43-44].
2.2.4对粮食安全的影响
气候变化对粮食安全的影响已成为气候变化研究的一个重点领域[45-47].气候变暖将使雨养农业区大多数作物的光合速率明显下降,生育期显著缩短,对甘肃省主要粮食作物产量影响的不确定性增加,利弊兼有[17,48].研究表明,平均气温与农业受旱灾面积、粮食产量之间呈显著正相关,降水量与农业受旱灾面积、粮食产量之间呈显著负相关.气温升高,降水减少变率增大,气候暖干化导致了干旱灾害频繁发生,是农业受旱灾面积扩大、粮食减产的主要原因[19].春季低温对粮食生产的影响比冬季低温更明显,春季低温的影响具有显著性和持续性,而冬季低温的影响具有阶段性和滞后性的特点.降水减少是旱地粮食生产的最大威胁[49-50],雨养农业区3—10月年平均降水量与干旱受灾面积和粮食减产量呈显著负相关,平均气温与干旱受灾面积和粮食减产量均呈显著正相关[11,17,48].气候变暖,气温升高,将改变作物生长季节的长短,可能会加剧对光热敏感作物的吸收作用,降低作物干物质积累,最终导致作物产量降低.气候变暖不利于雨养农业,但有利于灌溉农业.研究表明,雨养农业区作物产量主要受降水量的影响,与生育关键期降水量呈正相关,“暖湿型”气候对生产活动更为有利,年气候生产力可增加13.7％～31.2％,而“冷干型”气候对生产活动更为不利,年气候生产力减少5.1％～27.1％.气候变化使绿洲灌溉区农作物的气候产量提高了10％～20％,使雨养旱作区农作物气候产量减少了10％～20％[14,51-52].气候暖干化加剧了水资源危机[10],改变作物种植格局、结构和熟性[23],造成土壤干旱、土壤养分流失,降低了土壤肥力和土地生产力[3],直接导致减产[49],进而威胁区域粮食安全.1950—2010年60年间,甘肃省成灾面积超过100万hm2的重旱就发生了18次,仅20世纪90年代以来就出现了10次.年均受旱面积、成灾面积、成灾率分别为70.94万hm2、52.84hm2和28.5%,旱灾造成粮食年均减产41.64万t,减产率达31.6％,受旱率和成灾率分别增加了1.25和1.6倍(图4,图5)[37,50].
3应对气候变化发展粮食生产的研究方向
温度升高、降水减少导致旱薄叠加负效应对甘肃省粮食生产的威胁最大[15,37,48].生产和实践都表明,以改善和提高有限降水利用率、土壤质量和土壤肥力为核心,治旱与治瘠有机结合,是甘肃省应对气候变化增加食物产出研究发展的主要方向.
3.1选育优势作物新品种,适温适水种植
加快培育和种植较为“强悍”的农作物,合理改变农作物种植方式,是应对全球气候变化、保障粮食生产的有效途径之一.气候变暖使甘肃省冬季气温升高、有效积温显著增加、作物生长周期有效延长,为培育弱冬性中晚熟小麦品种与中晚熟玉米品种提供了可能;使作物生长发育特性,宜种区、熟性和熟制向有利的方向改变,作物布局和种植制度优化调整优势加强,但在大尺度上因降水减少、低温冻害、干旱等极端气候事件的制约难以高效实现.与全国一样,甘肃省在应对气候变化的主要农作物多样性布局、基因资源发掘和新品种培育方面比较滞后,相关的理论和技术储备薄弱,应以发挥作物自身抗逆高效用水的品种特性为突破口,通过生物、分子或转基因育种,选育抗寒抗旱、高水分利用效率、弱冬性、中晚熟作物新品种,逐步取代生产上推广的强冬性、中早熟品种.并以“适水适温种植”、“逃旱避旱”为指导思想,针对喜温作物提早成熟、多熟制北移等气候变暖响应,压缩高耗水、水分利用效率低的作物种植面积,扩大与区域降水季节分布特点相吻合、低耗水、高水分利用效率的作物种植面积,使主要作物向宜种区集中,建立作物需水规律与降水时空分布规律相一致的作物种植布局和种植制度,是保障粮食安全生产的基础[53].
3.2集雨治旱,高效用水主动抗旱
“雨水治旱,主动抗旱”是甘肃省发展旱地农业生产的重要理论依据,传统上就地拦蓄雨水径流蓄墒防旱技术仍是雨水治旱重要的技术支撑[17,48,54].如,利用耐旱作物对降水的适应能力逃旱、避旱,“顺天时,量地力”高效利用自然降水;增施有机肥,以肥调水、以水促肥,提高水肥利用效率;利用精耕细作纳、蓄、保、用水;改变土壤微地形,“和土”集雨蓄墒;采用耕、耙、耱、压土壤精细集约耕作保墒防旱;坡改梯纳雨保墒等,是甘肃省发展现代旱地农业应采用的重要技术措施.富集叠加高效利用雨水主动抗旱是甘肃省应对气候变化发展旱农生产的主要方向.甘肃省依据“雨水富集叠加+就地入渗+覆盖抑蒸”与“作物旱后复水补偿超补偿效应”理论,研究建立了集水高效农业技术体系,组建的以“梯田+品种+施肥+覆盖+水窖+微灌”硬技术综合配套为特征的旱农综合增产技术,解决了降水少、变率大、季节分配不均,与作物需水供需错位等问题,增加了干旱时段水分供应,降低了干旱胁迫,使作物安全度过干旱期,实现稳产丰产,使作物增产31.6%～72.0%[55];提出的旱地稀植作物全膜双垄集雨沟播技术,通过地膜覆盖增温保墒、大小两个垄面集雨提墒改善了作物根区水热微环境,使玉米增产达30%以上[56];提出的密植作物全膜覆土穴播种植技术,有效解决了7—93个月降雨高峰期与高蒸发期同步、棵间蒸发损失大、地膜小麦苗穴错位、人工掏苗工作量大、放苗难等关键问题,使地膜小麦亩产比裸地提高29.1％[57].雨水治旱技术使甘肃省以相当于50%的全国平均人均占有水资源量生产了相当于90%的全国人均占有粮食,用全省1/4的粮食播种面积生产了全省56.3%的粮食,但其配套的水肥精准调控、地力培肥等关键技术仍需深化研究.
3.3治瘠沃土,水肥互促调
水治旱干旱和瘠薄互作负效应恶性循环降低土壤肥力和土地生产力,直接导致减产是甘肃省粮食安全生产的桎梏[10],治旱必治瘠是以肥调水高效用水的关键措施[38].化肥秋深施、有机无机配施、秸秆堆腐秋施还田和豌扁豆轮作是旱薄地地力提升的关键基础技术措施[38,58-59];优化施肥、平衡施肥和缓控施肥是均衡土壤养分供应、平衡作物养分汲取、减少养分损失、提高肥料利用率的重要技术支撑.但是适用于不同作物、不同耕作方式和不同栽培目的的具体培肥措施,以及各种措施的互作效应、集成效应和配套组装方式等仍需深化研究.
3.4结构调整,粮食生产向主产区集中分析
研究表明,甘肃省必须确保333.33万hm2耕地“红线”,才能确保1000万t粮食的有效供给.综合分析近10年生产实践数据认为,粮食作物播种面积应确保稳定在200万hm2以上,经济林果、油料、小杂粮及其他作物种植面积应稳定在133.33万hm2左右.合理的作物种植结构应为全膜双垄沟播玉米、地膜小麦、地膜马铃薯、经济林果、油料、小杂粮等其他作物各66.67万hm2,粮经比例为3:2.结合作者的研究实践分析认为,粮食生产必须向主产区集中.根据甘肃省农业区划[60],在陇东黄土高原农林牧区、陇南山地农业经济林区、甘南高原牧林区、陇中黄土高原农林牧区、河西走廊灌溉农业区、祁连山、马鬃山山地畜牧水源林区6个类型区中,陇东黄土高原农林牧区及陇南山地农业经济林区的大部,陇中黄土高原农林牧区、河西走廊灌溉农业区是甘肃省粮食的主产区,并分别代表年降水量250~550mm及其以上的雨养农业区和250mm及其以下的内陆沿黄和绿洲灌区,涵盖庆阳、平凉、定西、白银、天水大部、中部沿黄灌区和河西绿洲灌区,总耕地336.22万hm2,也是未来甘肃省发展粮食生产的重点区域.雨养农业区应重点发展集水高效农业,沿黄及绿洲灌区应着重发展节水高效农业,通过富集叠加高效利用雨水和节约高效利用灌溉水,达到资源持续高效利用、粮食稳定增产的目的.
3.5研究展望
气候变化对土壤的影响范文3
【关键词】气候变化；春旱；农作物
0.前言
“气候变化”有着漫长的历史时期，近百年来气候系统都发生着很大的变化[1]。近几十年里气候科学进展很快，并且气候变化和气象灾害频繁地影响人类经济活动[2]。而农业直接关系到人类生存，农业产量的稳定和可持续性是农业发展的关键[3]。农作物产量水平是农业可持续性的一个重要衡量标准，影响农业产量的一个重要的环境条件就是气候状况。它既为农作物提供物质、能量基础，又是农业技术有效实施的一个限制因素[4]。
河南是全国小麦生产第一大省，目前，全省形成了豫北、豫西优质强筋小麦各种植区，豫中、豫东、豫东南、豫西南优质强筋、中筋小麦种植区，豫南淮河两岸优弱筋小麦种植区。优质小麦规模化、区域化种植，也促进了制种业、粮食加工业等相关产业的发展。
1.气候变化条件分析
1.1温室效应为主因的全球气候变化对河南农业产量的影响
气候发生明显变化，河南各地区需要采取适当的适应措施减小气候变化对作物生产的影响。温度过高，将对花蕾的形成产生不利影响，从而影响作物的产量。因此可以采取适当的措施（提前或推后播种期）避开高温干旱的影响，从而减少气候变化对河南春旱的影响。温室效应使得我省积温及其持续日数增加 ，种植界限北移。复种面积扩大，这将有利于许多作物产量的提高。 然而气温升高 ，田间杂草、病虫害的发生也会加剧。还可导致土壤退化，影响种子质量，这将直接威胁到农业产量的可持续性。高温会加速肥料分解，而且导致土壤水分恶化[5]。
1.2年、季气候变动与作物产量
我省是我国重要的粮食产区，但产量变异系数较大，对气候变化较敏感。我省绝大部分地区位于暖温带半湿润和半湿润易旱气候区，而且受地形过渡带的影响，气候过渡性和灾害多发性均十分明显。气候变化改变了我省作物的生态环境，使农作物，特别是小麦生产不稳定性增加、产量波动大、种植熟制发生变化[6]。河南的气候变化正在发生着温度升高、降水减少的变化。
2.春旱
春旱是由于气温突然升高，降雨量偏少，土壤的保墒能力差，土壤的水分低于农作物需要的量，不利于农作物生长，产量降低的现象。作物所利用的水分最终来源是大气降水，利用形式是水分在土壤、植物、大气之间的循环过程，所以直接影响到作物水分利用的是土壤有效水分。
3.作物生长研究分析
3.1作物需水量计算方法介绍
作物需水量，指生长在大面积上的无病虫害作物，土壤水分和肥力适宜时，在给定的生长环境中能取得高产潜力的条件下，为满足植株蒸腾、棵间蒸发、组成植株体的水量之和。在生产实践中，人们就近似地认为作物需水量等于作物生长发育正常条件下的作物蒸发蒸腾量。作物理论需水量可用作物蒸散量代替。
3.2参考作物蒸散量
参考作物蒸散量为一种假想的参考作物冠层的蒸发蒸腾速率。假设作物高度为0.12m，固定的作物叶面阻力为70s/m，反射率为0.23，非常类似于表面开阔、高度一致、生长旺盛、完全遮盖地面而不缺水的绿色草地的蒸发蒸腾速率。
3.3作物需水量变化趋势
河南省各站点每月的月均参考作物蒸散量分布均呈较典型的抛物线型，其走势大致相同。但是地区间差异较大。各地区参考作物蒸散量的年内分布，都在盛夏的6月份达到全年的最高值；而在隆冬的11月或12月份降至全年的最低值；其它月份呈过渡阶段，即1月至6月ET0持续上升，其中3月至5月上升速度最快，而6月至11月ET0持续下降，其中6月至8月的下降速度最快；同时还可以发现，冬半年（10-3月）各站ET0值差别较小，而夏半年（4-9月）差别较明显。在40年里，月际日均ET0最大值为3.4各地区参考作物蒸散量的年内分布，都在盛夏的6月份达到全年的最高值；而在隆冬的11月或12月份降至全年的最低值；其它月份呈过渡阶段。
3.4主要作物需水量的空间分析
通过计算40年来河南省各个地区主要作物需水量变化趋势。结果表明：部分区域需水量显著增加或减少，但无一致变化趋势。夏玉米需水量主要表现为不显著减少趋势。40年来河南地区棉花需水量变化趋势为：1个站（许昌）为不显著增加趋势，其余站为减少趋势，8个显著减少趋势。从影响作物需水量的诸因素中，选择几个主要因素（ 水面蒸发、气温、湿度、日照、辐射），再根据试验观测资料分析这些主要因素与作物需水量之间存在的数量关系，得出主要作物需水量线性变化趋势。
4.春旱解决措施
利用各种水利设施，合理调配水源，扩大春耕面积如濮阳市地处黄灌区，当地政府可以充分利用有利水源，尽可能多放水缓解黄灌区与补源区之间的用水矛盾。古都安阳市则可充分引用境外水源进行春旱灌溉。红旗渠灌区、跃进渠灌区可引用漳河水源来缓解抗旱水源不足的状况等。
4.1突出抗旱措施，千方百计提高播种质量
合理安排播种顺序，播种前认真进行验墒，根据土壤墒情，先播半墒地、满墒地，后播无墒地，防止墒情较好地块后期跑墒失水；适时早播“抢墒”，深种浅盖，“接墒”播种。要抓住气温回升的有力时机，利用早春“返浆水”抢墒播种，在温度达到7-8℃播种比较适宜，可采取深开沟，浅覆土，重镇压的播种方法；育苗移栽。在旱情严重，土壤水分低于10%以下的地块种植青食玉米等作物，要尽量育苗移栽。选择合理品种，提早育苗备栽，育苗可用营养钵或纸袋，移栽时在定植穴内浇足水或选择雨后移栽，操作时要格外小心，不要碰伤根系，有条件的最好带土坨移植，时间要选择阴天或下午，以提高成活率，出现缺苗断垄时要及时移苗补栽。
4.2有机无机相结合，合理施肥
增施有机肥，与化肥配合施用。施用有机肥不仅能培肥地力，还可以提高化肥的肥效，改善土壤理化环境，提高土壤保肥保墒能力，增大田间持水量，从而达到以肥调水，使水肥协调，提高水肥利用率；增施磷钾肥：磷肥能促进早发根、快发根，提高抗旱能力，磷肥可做底肥一次性施入。钾肥对作物的生长发育有多方面的作用，增施钾肥促进根系发达，茎杆粗壮。还减少植株蒸腾，来提高水份利用率，增强作物自身的抗旱力；配方施肥：施肥要有个限度，要合理施肥，要适量，通过实施测土配方施肥技术，使得各种作物的施肥更加合理，防止干旱年份过量施肥给作物造成危害。尤其是氮肥的过量使用。
5.总结
总体而言，在全球变暖的大背景下，气候发生了明显变化，河南各地区需要采取适当的适应措施减小气候变化对作物生产的影响。作物需水量与平均气温、最高气温、风速和日照时数等气象因子密切相关。温度过高，将对花蕾的形成产生不利影响，从而影响作物的产量。因此可以采取适当的措施（提前或推后播种期）避开高温干旱的影响，从而减少气候变化对河南春旱的影响。 [科]
【参考文献】
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气候变化对土壤的影响范文4
关键词：气候变化；土地利用/覆被变化；情景分析；水文效应；SWAT；古浪河流域
中图分类号：P343 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2014）01-0042-05
流域水循环是一个复杂的过程，主要受气候、流域物理特性和人类活动的影响[1]。全球气候变化将引起气温变化和水文循环强度改变，人类活动主通过改变土地利用/覆被变化，从而影响水文循环过程。在气候变化的水文响应方面，冯夏清等[2]应用SWAT模型研究了嫩江水系乌裕尔河流域气候变化的水文响应，说明气候变化对径流量影响较为显著；夏智宏等[3]在汉江流域水资源气候变化响应的研究中指出，气候变化情景下径流变化较实际蒸散发的变化明显；于磊等[4]以漳卫南运河流域为研究对象，以流域径流量、腾发量和产水量三个指标探究了不同降水和气温交互作用情景下气候变化对中尺度流域水循环的影响。在土地利用/覆被变化的水文响应方面，Wenming Nie等[5]基于分布式水文模型SWAT在子流域尺度上运用回归分析的方法量化了不同土地利用/覆被方式对水文要素的影响；李恒鹏等[6]定量评估了土地利用变化对产流量的影响，并分析了产流量增加的区域差异。以上这些研究在探索气候变化和土地利用/覆被变化的水文效应时，主要以年为时间尺度，很少涉及水文效应的季节特征，且研究范围局限于湿润气候地区。
[HJ1.8mm]然而，全球气候变化和土地利用/覆被变化对局部地区水文循环的影响随着区域地理条件、气候条件等的不同而有很大不同：在湿润地区，即使是极端的土地利用变化对局部水量平衡也只引起相对较小的变化[7]，而在干旱半干旱且人类活动十分剧烈的生态脆弱地区，局部水文循环对气候变化和土地利用覆被变化则更为敏感。另一方面，干旱半干旱地区气候变化和土地利用/覆被变化（LUCC）的水文效应在年内分配也是极不均匀的。因此，在不同的时间和空间尺度上定量评估干旱半干旱地区土地利用方式和气候变化的水文效应，并分析其年内年际变化规律，对于流域水资源管理和利用具有十分重要的现实意义。[HJ]
1 研究区概况
石羊河是我国西北干旱半干旱地区的主要内陆河之一，发源于祁连山，消失于民勤盆地，包含的行政区主要有4市9县（区）：白银市的景泰县，武威市的凉州区、民勤县、古浪县、天祝县，金昌市的金川区、永昌县以及张掖市的山丹县、肃南县。石羊河有支流：古浪河、黄羊河、杂木河、金塔河、西营河于武威城附近汇成石羊河干流，经红崖山水库后消失于民勤盆地；西大河及东大河部分汇成金川河，经过金川峡水库后进入金昌盆地，大靖河主要分布在古浪县境内。在社会状况上，石羊河流域是我国西北内陆河流域灌溉农业发展最早、社会经济发达、人口密度最大、水资源开发利用程度最高、水资源供需矛盾最突出、生态问题十分严重的区域[8]。气候条件上，石羊河流域深居西北内陆，属大陆性温带干旱气候，太阳辐射强、日照充足、温差较大、降水少、蒸发强烈[9]。古浪河流域南部在天祝藏族自治县境内，是开发较少的天然林地；北部则位于古浪县境内，人类活动较为剧烈，是石羊河流域的典型流域。因此，本文选择古浪河流域作为研究对象。
古浪河共有黄羊川河、萱麻河等7条支流，通过红水河流入石羊河干流，进入民勤盆地，流域面积约876 km2。古浪河流域的气候特征具有石羊河流域的典型特征，干旱少雨，蒸发强烈。
2 SWAT模型构建
本文选择分布式水文模型SWAT来研究气候变化和土地利用变化的水文效应。SWAT模型是由美国农业部研究服务中心（USDA-ARS）开发的流域尺度的分布式水文模型，其主要作用是模拟和预测农业、土地管理等对水量、泥沙、水质等的影响。SWAT模型是连续的基于物理机制的日尺度模型，可以直接输出各水文要素的数量及空间分布，因此，在研究气候变化和土地利用/覆被变化的水文效应上具有独特的优势。在SWAT模型中，一个流域被分为多个子流域，每个子流域又根据特定的土地利用、土壤特性和坡度组合划分为多个水文响应单元（HRU），同一个HRU内部水文特性被认为是相同的。HRU是SWAT水文计算的基本单元，每个HRU满足水量平衡，子流域的产流为各HRU产流之和，每个子流域的产流又遵循一定的规律汇流至流域出口[10]。
[JP2]SWAT模型所需要的数据主要有流域的数字高程模型（DEM）、土壤分布及土壤属性数据、土地利用数据、日雨量数据及相对湿度、日最高气温等气象数据。本文所用DEM来自Aster Gdem 30 m分辨率数据，经过影像校正和裁切；基准期土地利用数据通过2002年Landsat TM遥感影像数据解译得到，并认为在模拟期土地利用/覆被的状况不发生变化；土壤数据来自中国科学院南京土壤研究所1∶100万全国土壤数据库，土壤属性数据由SPAW等软件计算得到[11]；降水数据来源于流域内8个雨量站2000年-2005年的降水数据（见图1），其中牛圈沟、崖头、头道沟、天祝、马家台、张家墩、古浪为月降水量，乌鞘岭为日降水量。因为SWAT模型要求输入的降水数据为日降水数据，因此，本文认为其它7个雨量站具有和乌鞘岭站相同的月内降水分布，从而生成日降水数据；气温、平均风速、最高最低气温、平均湿度数据来自于乌鞘岭气象站日观测数据，太阳辐射参考相关文献计算得到[12]。
对于土地利用/覆被变化的水文效应，常用的情景分析方法有参照对比法、历史反演法、模型预测法、极端土地利用法和土地利用空间配置法[15]。本文将综合极端土地利用法和模型预测法，对研究区域土地利用/覆被变化的水文效应进行探讨。土地利用变化情景的设计主要考虑三种情况：退耕还林/还草、继续开垦耕地、极限土地利用（即某一种土地利用方式为主体），共设置八种土地利用情景：情景1是现状土地利用，即2002年的土地利用状况；情景2是退耕还林，即将坡度大于等于25%的耕地全部退为有林地；情景3是将坡度大于等于25%的耕地退为草地；情景4是人口增加，继续开垦耕地，将坡度小于25%的草地和林地都开垦为耕地；情景5认为流域内除了水域、农村居民点及裸地之外都是林地；情景6设置为流域内除了水域、农村居民点及裸地之外都是草地；情景7则是流域内除了水域、农村居民点及裸地之外都是耕地；情景8设置为流域内除了水域就是农村居民点和裸地。设计情景下各种土地利用所占比重见表2。
半干旱地区蒸散发和地表径流的影响，并分析了该影响的年内变化规律。结果表明，气候变化和土地利用/覆被变化对蒸散发和地表径流的影响具有很强的季节特征，夏秋两季的变化幅度相对于冬春更大一些。降水增加（减少）将使得夏季的蒸散发量增加（减少），冬季蒸散发量减少（增加），降水增加（减少）会引起地表径流相应地增加（减少）；温度升高则会引起蒸散发增加，地表径流减少，且地表径流的减少集中在4月、5月份；林地和草地的增加都具有增加蒸散发、减少地表径流的作用，且林地的影响幅度更大一些；耕地增加则导致蒸散发减少，径流增加；农村居民点或裸地增加则会大幅增加蒸散发和地表径流。
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气候变化对土壤的影响范文5
[关键词]土壤 碳 森林
中图分类号：P467 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）14-0300-01
一、 森林的碳汇功能
自20世纪80年代以来，全球气候变暖已成为不争的事实，由此引起的一系列生态问题日益引起国际社会的广泛关注，气候变化是当前国际社会普遍关注的重大环境问题之一。最新数据显示，大气中温室气体水平已经超过了可能引起危险气候变化的极限，人类面临的缓减和适应全球气候变化任务变得更加严峻和紧迫。森林在维持全球碳平衡及潜在的碳储存方面发挥着不可替代的作用，已成为与全球气候变化密切相关的重要有机体。森林生态系统是地球上除海洋之外最大的碳库，森林碳库包括森林土壤碳库和植被碳库两部分，约占整个陆地生态系统碳库总量的50%，而这其中2/3的碳被固定在森林土壤中。土壤是陆地表层系统的重要组成部分，处于大气圈、岩石圈、水圈和生物圈的交汇处，被认为是处于活跃状态的最大碳汇。应对气候变化，关键是减少温室气体在大气中的积累，其做法是减少温室气体的排放（减排）和增加温室气体的吸收（增汇）。减少温室气体的排放主要是通过降低能耗、提高能效、使用清洁能源来实现。而增加对温室气体的吸收，主要是通过森林等植物的生物学特性，即光合作用吸收二氧化碳，放出氧气，把大气中的二氧化碳固定到植物体和土壤中，这个过程和机制实际上就是清除已排放到大气中的二氧化碳，因此，森林具有碳汇功能。由于森林吸收二氧化碳投入少、成本低、简单易行，有利于保护生物多样性。我国政府把林业纳入减缓和适应气候变化的重点领域，要求全力打好“森林碳汇”这张牌，充分发挥林业在应对气候变化中的特殊作用。
二、 研究方法
（一） 数据来源
本文涉及的土壤类型、面积、土层厚度等基础数据来源于2010 ―2012年黑龙江省市县森林资源调查数据。设置按林种，林分类型，林龄（幼龄林、中龄林、近熟林和成、过熟林），坡向（阴坡、阳坡），密度级（疏、密）有代表性地段设置标准地36个。
（二） 统计处理
采用Visual Foxpro 6.0软件计算土壤碳储量，采用excel和SPSS17.0软件统计处理数据。
三、 结果
（一） 空间分布
研究结果表明，不同土壤类型有机碳密度：沼泽土>暗棕壤>黑土>草甸土>白浆土。各土壤类型有机碳密度与年均降水量之间除暗棕壤外，均无显著相关性。小兴安岭北坡各土壤类型有机碳密度与年均降水量之间的相关性分析。森林土壤碳储量达1.65亿吨（不含森工集团所属区域）。各类型土壤碳储量分布规律为：暗棕壤>白浆土>沼泽土>草甸土>黑土。其中暗棕壤碳储量最高（1.62亿吨），黑土碳储量最低（27万吨）。有机碳密度：沼泽土>暗棕壤>黑土>草甸土>白浆土。各土壤类型有机碳密度与年均降水量之间除暗棕壤外，均无显著相关性，说明降水量对土壤有机碳密度影响不大。土壤碳储量分布规律为：暗棕壤>白浆土>沼泽土>草甸土>黑土。森林土壤有机碳储量整体呈先减后增趋势，这主要与森林经营导致的森林面积改变有关。
（二） 时间分布
森林土壤有机碳储量整体呈先减后增趋势。2011年土壤有机碳储量达1.63亿吨，较2010年减少278742吨，减少0.17%。2012年土壤有机碳储量达1.65亿吨，较2011年增加520794吨，增加0.32%。2010-2012年，土壤有机碳储量共增加242052吨，增加0.15%。2010～2012年，各类型土壤中草甸土碳储量增幅最大，增加11.65%；暗棕壤碳储量增幅最少，增加0.09%。土壤有机碳密度接近我国全土平均水平，但低于世界全土平均值。
四、森林经营对土壤有机碳储量的影响
气候变化对土壤的影响范文6
关键词 全球气候变化；森林生态系统；影响
虽然目前关于气候变化的预测还存在着很多不确定性[1]，其预测的结果也不一定准确，但是现有大量证据已表明：由于人类活动的影响，大气中二氧化碳浓度已由工业革命前的 280μmol/mol 增加到 90 年代初期的 350μmol/mol[2、3]，与此相对应，地球表面的年平均温度在一个多世纪以来也上升了 0.6℃[4]。因此，人类活动所引起的温室效应在不断加强是毋庸置疑的。许多科学家坚信：即使以目前 co2 排放的速率计算，到本世纪中后期，大气中二氧化碳浓度将倍增[4～6]，因此，在未来的一百年中全球气候格局将发生变化基本上是可以肯定的。目前，虽然各种大气环流模型 (gcms) 对未来气候变化预测的量上不尽相同，但其所预测的未来气候变化的总体趋势基本趋于一致[7]。纵观现有对大气中二氧化碳浓度倍增后有关未来气候变化的预测结果，可归结为以下几点：①全球平均气温将升高 1.5～4.5℃，全球气候带将向极地方向发生一定程度的位移；②最低温度的增幅比最高温度的增幅大，夜晚温度的增幅比白天温度的增幅大，冬季增温比夏季增温明显；③全球降雨量总体上有所增加，但全球降雨的格局将发生改变，降雨量可能因不同的地区和不同的季节而有很大的区别（如沿海地区的降雨将增加，而内陆地区的降雨则不变甚至减少）；④由于蒸散作用所损失的水分远大于降雨增加的量，因此中纬度内陆地区的夏季干旱将明显增加[7]。由于未来气候的变化可能将对全球的生态环境、社会和经济等产生巨大的影响，这是人们对气候变化密切关注的主要原因。
森林生态系统是地球陆地生态系统的主体，它具有很高的生物生产力和生物量以及丰富的生物多样性。目前，虽然全球森林面积仅占地球陆地面积的约 26%，但是其碳储量占整个陆地植被碳储量的 80% 以上，而且森林每年的碳固定量约占整个陆地生物碳固定量的 2/3[8]，因此，森林在维护全球碳平衡中具有重大的作用。此外，森林还为人类社会的生产活动以及人类的生活提供丰富的资源；在维护区域性气候和保护区域生态环境（如防止水土流失）等方面，森林也有着很大的贡献，所以，森林在维系地球生命系统的平衡中具有不可替代的作用。由于森林与气候之间存在着密切的关系，气候的变化将不可避免地对森林产生一定程度的影响。反过来，因全球森林生态系统是一个巨大的碳库，受气候变化的影响，它对大气中的 co2 起着源或汇的作用，从而进一步加强或抵消未来气候的变化。因此，未来气候的变化对森林的影响及森林对气候的反馈作用已引起人们极大的关注，并进行了大量的研究[7～9、13]。人们通过气室实验和模型模拟，在时间尺度上从几天到几世纪及在空间尺度上从叶片到个体、种群、群落、生态系统、景观、区域及全球等各个层次来阐述气候变化对树木生理、物种组成和迁移、森林生产力以及物种和植被分布等多方面的影响。
1 全球气候变化对森林生态系统结构和物种组成的影响
森林生态系统的结构和物种组成是系统稳定性的基础，生态系统的结构越复杂、物种越丰富，则系统表现出良好的稳定性，其抗干扰能力越强；反之，其结构简单、种类单调，则系统的稳定性差，抗干扰能力相对较弱。千万年来，不同的物种为了适应不同的环境条件而形成了其各自独特的生理和生态特征，从而形成现有不同森林生态系统的结构和物种组成。由于原有系统中不同的树木物种及其不同的年龄阶段对 co2 浓度上升及由此引起的气候变化的响应存在着很大的差别。因此，气候变化将强烈地改变森林生态系统的结构和物种组成。气候变化可能通过以下途径使森林物种组成和结构发生改变。
（1）温度胁迫：温度是物种分布的主要限制因子之一，高温限制了北方物种分布的南界，而低温则是热带和亚热带物种向北分布的限制因素。在未来气候变化的预测中，全球平均温度将升高，尤其是冬季低温的升高，这对于一些嗜冷物种来说无疑是一个灾害，因为这种变化打破了它们原有的休眠节律，使其生长受到抑制；但对于嗜温性物种来说则非常有利，温度升高不仅使它们本身无需忍受漫长而寒冷的冬季，而且有利于其种子的萌发，使它们演替更新的速度加快，竞争能力提高。
（2）水分胁迫：虽然现有大气环流模型预测全球降雨量将有所增加，但是由于地区和季节的不同而存在很大的差别。例如预测的结果还表明，在中纬度内陆地区其降雨会相对
减少尤其是在夏季，在一些热带地区其干旱季节也将延长。此外，气温升高也将导致地面蒸散作用增加，使土壤含水量减少，植物在其生长季节中水分严重亏损，从而使其生长受到抑制，甚至出现落叶及顶梢枯死等现象而导致衰亡。但是对于一些耐旱能力强的物种（如一些旱性灌丛）来说，这种变化将会使它们在物种间的竞争中处于有利的地位，从而得以大量地繁殖和入侵。
（3）物候变化：冬季和早春温度的升高还会使春季提前到来，从而影响到植物的物候，使它们提前开花放叶，这将对那些在早春完成其生活史的林下植物产生不利的影响，甚至有可能使其无法完成生命周期而导致灭亡，从而导致森林生态系统的结构和物种组成的改变。
（4）日照和光强的变化：日照时数和光照强度的增加，将有利于阳性植物的生长和繁育，但对于耐阴性植物来说，其生长将受到严重的抑制，尤其是其后代的繁育和更新将受到强烈的影响。
（5）有害物种的入侵：有害物种往往有较强的适应能力，它们更能适应强烈变化的环境条件而处于有利地位。因此，气候变化的结果可能使它们更容易侵入到各个生态系统中，从而改变由于系统的种类组成和结构。此外，气候变化还将通过改变树木的生理生态特性（如气孔的大小和密度、叶面积指数等）和生物地球化学循环等途径对不同物种产生影响。而不同物种的耐性、繁殖能力和迁移能力在新系统的形成中也起着重要的作用。总之，气候变化对森林生态系统的结构和物种组成的影响是各个因素综合作用的结果。它将使一些物种退出原有的森林生态系统中，而一些新的物种则入侵到原有的系统中，从而改变了原有森林生态系统的结构和物种组成。这些影响对不同森林生态系统之间的过渡区域可能尤为严重。
2 全球气候变化对物种和森林类型分布的影响
气候是决定森林类型（或物种）分布的主要因素，影响森林生态系统特点和分布的两个最为显著的气候因子是温度的总量和变量以及降雨量。植被（物种）分布规律与气候之间的关系早就被人们所认知，并由此而提出一系列气候—植被分类系统（如 holdridge 生命带、thorn thwaite水分平衡及 kira 温暖指数和寒冷指数等）。当前，人们正是基于气候与植被（或物种）间的关系来描绘未来气候变化下物种和森林分布的情形。而另一个有利于气候变化对物种和森林分布影响的证据是来自于全新世大暖期物种的迁移和灭绝，但是，与全新世相比，未来全球温度升高的速率更大，全球自然景观也因人类活动的影响而发生了巨大的变化，因此，未来气候变化将给物种和森林的分布带来更为严重的影响。目前，大多数有关气候变化对森林类型分布影响的预测都是根据模拟所预测的未来气候情形下森林类型分布图与现有气候条件下森林分布图的比较而得到，其结果都认为各森林类型将发生大范围的转移[13～16]。例如 smith 等人[13]利用 holdridge 模型，根据 gcms 对气候变化的估测结果来预测未来植被分布的变化，他们发现森林类型的分布将发生相当大的转移，例如北方森林转化为寒温带森林、寒温带森林转化为暖温带森林等，寒温带和热带森林的面积趋于增加，北方森林、暖温带森林和亚热带森林的面积则将减少。neilson[17] 同样发现森林覆盖的显著转移。然而需要指出的是这仅仅考虑了气候因素对森林分布的影响，而其它环境因子在森林的分布中实际上也起着很大的作用；此外，他们通常把某一森林类型作为一个整体（如温带森林等），而且认为它与气候之间是一种平衡关系，但实际情况并非如此。因为不同物种对气候变化的响应以及迁移能力等差异很大，因此，森林类型的转移（如从北方森林转化为寒温带森林）在很大程度上取决于不同物种通过景观的运动和新物种侵入现有群落中的能力。对于大多数物种来说，其迁移的时间尺度或许是几个世纪[18]。
由于在不同的区域其未来气候变化的情形不一致，而不同的森林类型也有其独特的结构和功能等特点，因此，气候变化对各个森林类型的影响是不同的。
（1）热带森林生态系统：一般认为，随着全球气候变暖，热带雨林的更新将加快。总体上，热带雨林将侵入到目前的亚热带或温带地区，雨林面积将有所增加，如李霞等[16]对我国植被在不同气候变化条件下（温度升高 4℃，降雨增加 10%；温度升高 4℃，降雨不变及温度升高 4℃，降雨减少 10%3 种情况）的模拟预测认为：全球气候变化后，我国热带雨林的面积将显著增加。但是有些地区降雨的减少也可能加速季雨林和干旱森林向热带稀树草原 (sava na)的转变。此外，从对环境变化的适应性来看，热带森林比温带森林更娇气一些，它的生长与水分的可利用性和季节性关系更为密切，所以热带森林在其干旱的边缘地带被草地或稀树草原的吞食以及周围村落等人为活动等影响下，可能会变得
比较脆弱。全球气候变暖的模式表明：湿热带区域的平均气温上升比中、高纬度地区要小，一般只有 1～2℃，但降雨量可能增加较多，降雨过多，土壤积水，就要限制湿热带许多森林的生长。此外，不按季节的降雨，会使大多数树木不落叶，地面的枯枝落叶层不能形成，节肢动物，如蜈蚣、甲虫等因缺乏栖息生境和食物而大量减少，由此影响到生物链上的一系列物种，进而影响整个森林生态系统的物质流、能量流，使原本复杂多样的森林生态系统失稳、简单化，直至构成一个更为脆弱的新平衡体系。此外，随全球变暖而增加的热带风暴对热带森林的结构和组成以及分布也将产生重大的影响。
（2）温带森林：温带森林是受人类活动干扰最大的森林，地球上现存的温带森林几乎都成片断化分布，因此，未来气候变化对温带森林的影响是巨大的。一般认为，随着全球气候变暖，温带将向极地方向扩展，而温带森林也将侵入到当前北方森林地带，而在其南界则将被亚热带或热带森林所取代，同时由于温带内陆地区将受到频繁的夏季干旱的影响，从而导致温带森林景观向草原和荒漠景观的转变。因此，温带森林面积的扩张或缩小主要取决于其侵入到北方森林的所得和转化为热带或亚热带森林及草原的所失。目前大部分模拟预测都认为温带森林面积将减少[13、15～17]。此外，由于温度的升高及夏季干旱频度和强度的增加，火干扰可能对未来气候变化下温带森林的变化起着决定作用。
（3）北方森林：北方森林被认为是目前地球上最为年轻的森林生态系统，还处于不断地形成和发育之中，易于受到各种外部因素的干扰。而在未来的气候变化中，由于高纬度地区的增温幅度远比低纬度地区的增温幅度大，因此，目前的研究基本一致地认为气候变化对北方森林的影响要比对热带和温带森林的影响大得多，而且其面积将大大减少[13、15、17]。
3 全球气候变化对森林生产力的影响
森林生产力是衡量树木生长状况和生态系统功能的主要指标之一。大气中 co2 浓度上升及由此而引起的气候变化被认为将改变森林的生产力。这主要表现在 co2 浓度升高的直接作用和气候变化的间接作用两个方面。一般认为，co2 浓度上升对植物将起着“肥效”作用。因为，在植物的光合作用过程中，co2 作为植物生长所必须的资源，其浓度的增加有利于植物通过光合作用将其转化为可利用的化学物质，从而促进植物和生态系统的生长和发育。目前，大部分在人工控制环境下的模拟实验结果也表明 co2 浓度上升将使植物生长的速度加快从而对植物生产力和生物量的增加起着促进作用，尤其是对 c3 类植物其增加的程度可能更大[19～24]。但是，并不是所有的植物都对 co2 浓度升高表现出一定的敏感性，也有一些研究表明：即使在高水平营养供给下，同样还有许多物种对 co2 浓度的升高没有反应[25～27]。此外，co2 浓度升高对植物的影响根据其所在的生物群区、光合作用方式和生长形式的不同而存在着较大的差异。wisley[28] 分析了目前的有关研究发现：来自热带和温带生物群区的植物比来自极地生物群区的植物对 co2 升高的响应大；来自温带森林的物种比来自温带草原的物种对 co2 的响应大；落叶树比常绿树对 co2 的升高更为敏感。简言之，生长速率快的物种比生长速率慢的物种对 co2 升高的响应更大[28～29]。然而需要指出的是所有这些实验几乎都是在人工气室中的盆栽实验，其实验时间相对较短（从数天到几年），而且有充足的养分和水分供给。此外，对于那些生长在野外的植物如何受 co2 浓度升高的长期影响还不是很清楚，尤其是有关木本植物影响的研究在盆栽实验中往往选择幼苗作为对象，而其成熟个体所受的影响是否与其幼苗一样也不清楚[29]。一般认为，co2 浓度升高对森林生产力和生物量的增加在短期内能起到促进作用，但是不能保证其长期持续地增加[27]，因为，在竞争环境中生长的树木对 co2 升高的反应常常表现出比单个生长的树木的反应要小[30]，而森林物种组成的长期变化也能间接地影响森林生产力[20]。此外，co2 浓度的升高将使植物叶片和冠层的温度增加以及气孔传导率下降[21、31、32]，从而使植物受到热量的胁迫，使其生长被抑制。co2 所引起的温度升高似乎对植物的生长又将进一步产生负面作用，因为大气环流模型对气候的预测结果认为晚上的增温幅度将比白天要高，这样就可能使植物在晚上的暗呼吸作用加大，从而白白“耗费”大部分初级生产力；其次，温度的升高将增加土壤水分蒸发量，导致土壤水分下降，从而可能引起植物的“生理干旱”，限制植物的光合作用和生长速度[28]；此外，温度的升高还会增加土壤微生物的活性，加速有机质的分解速率和其它物质循环，改变土壤中的碳氮比，使植物的生长受到氮素缺乏的制约[22、33～35]。因此，要准确评估
co2 浓度上升对森林生产力和生物量的影响还存在很大的困难，这不仅需要综合考虑各个影响因素，而且也要求我们进行长期的野外观测和实验。
除受上述各种因素影响外，森林生产力和生物量也受到气候因素（温度和降雨）的强烈影响。由于生产力与气候（水热因子）间存在着一定的关系，因此，人们常用气候模型（如 miam i模型、筑后模型等）估算大尺度生产力。对于未来气候变化对生产力的影响也常利用大气环流模型 (gcms) 对未来气候预测的结果通过各种气候模型来模拟，然后与当前气候情形下所模拟的结果相比较[36、37]。由于不同的 gcm 对未来气候预测的结果不同，因此对生产力变化的预测也表现出一定的差异。此外，气候变化对森林生产力影响的预测仅仅考虑气候与生产力的线性平衡关系，而没有考虑其它因素的影响；在预测过程中假定森林植被的分布不随气候的变化而发生改变；预测中所选用的气候因子是其年平均的年际变化，而没有考虑其季节变化。所以，其预测的结果并不能准确地反映出未来的实际情况。
4 存在的问题及建议
前面论述了气候变化对森林生态系统物种的组成和结构、物种和森林类型分布以及系统生产力的可能影响。但是需要指出的是，当前有关气候变化对森林生态系统影响的研究还存在很多的不足之处，主要体现在以下几点：
（1）对温室气体所引起的气候变化的预测存在着严重的局限性：首先，大气环流模型 (gcms) 对未来气候情形的预测通常采用大网格（50×50 经纬网格或更大）模拟，从而降低了对气候变化预测的准确性（尤其是对一些特殊区域），因此，这往往制约了人们对气候变化影响的评估；其次，这些模型本身极大地简化了控制气候的复杂的物理过程，其结果是使得这些模型在区域气候变化的预测上常常不一致，因此，其预测的气候情形很难说是未来气候的预言[38]。
（2）仅考虑气候因素的影响而忽略了其它环境因子的作用：目前大多数有关气候变化对森林生态系统潜在影响的预测都是根据一个假设，即气候（温度和水分）对树木物种的分布、森林类型以及生物群区和森林生态系统过程发挥最主要的限制作用，是控制树木物种和森林类型分布的惟一因素。这意味着在现有的模拟预测研究中是利用当前树木（或森林）分布与气候间的相关性来预测其未来分布的变化。基于这一假设，大多数预测结果表明：树木物种及森林的分布将发生很大的变化，而且这些变化也许与显著的树木死亡、森林下降和森林覆盖的丧失相关。然而，制约树木和森林分布的气候因子间的相关性可能将随气候变化而改变。在所预测的未来气候变化情形下，冬季尤其是在北方将增温快，因此，对未来气候增温的趋势而简单地引起现有气候带北移的假设是不合理的。所以，尽管这些模型对当前气候—植被间关系的模拟与实际相当吻合，但对未来气候变化情形下物种与森林的预测则不一定适用。此外，除气候因素外，树木和森林的分布还受到一些区域性环境因子（如土壤类型、质地、深度和组成、水分的可利用性、坡度、坡向、海拔及现有物种的组成等）的影响。尽管某一地方的气候对一些树木和森林比较适宜，但是区域性环境因子可能限制其在该地的分布。综上所述，仅仅从气候因素的变化来预测未来树木和森林的分布有其局限性和主观性。
（3）现有气候变化对树木和森林生态系统影响的研究常集中在单个物种或是把各个森林类型作为一个整体，忽略了不同物种之间的竞争机制。众所周知，自然界不同的物种都是互相影响互相依存的，每一个物种通过对资源的竞争占据着生态系统内相关的时间和空间位置，即每个物种有其独自的生态位（niche）。生态位的概念又可分为基本生态位（fundamental niche）和实际生态位（realized niche）。基本生态位是指物种在理论上所能占据的最大生态位空间位置，实际生态位是指理论生态位和物种竞争作用的结果，即物种在生态系统中实际占据的生态位空间。但是物种的生态位并非一成不变。由于每个物种对气候变化的反应不同，当一个物种暴露在新的气候条件下，往往可能改变其原有的竞争组合，而与其他物种形成新的竞争关系。因此随着气候的变化，实际生态位也将随着不同物种竞争组合的变化而发生改变。而生态系统的演替和发展正是这种不同物种间相互竞争作用的结果。由此可见，物种间的竞争在生态过程中起着重要的作用。但是现有气候变化模拟的预测却认为：只要某地气候条件没有限制，那么相关的树木就可以在该地分布。这往往混淆了基本生态位和实际生态位间的概念，也就是说这些预测缺乏对物种竞争的了解，因此，它们很难真实地反映未来树木和森林的分布状况。当然，有一些模型也能很好地反映出物种的竞争关系，如林分模型（stand model or gap model），但是由于其模拟的尺度较小（常小于 1h
m2），因而在放大到区域和全球尺度上时容易出现偏差。
（4）关于物种迁移的评估：由于现有模型的预测只考虑气候因素，认为气候与物种和森林之间存在着一种平衡关系，因此其结果认为气候变化能立即导致物种和森林的位移。然而，实际上物种对气候的变化往往有一定的耐性，其迁移在时间尺度上常常表现出滞后于气候变化的速率，这种滞后的时间尺度可达一、二百年甚至
更长[18]。因此，物种的迁移与气候的变化是非平衡的。此外，物种对气候变化的适应还受其迁移能力、迁移速率和地形及地貌的影响。与全新世气候变化对物种迁移的影响相比，未来气候变化对物种的影响更大，因为受人类活动的影响，自然景观已经发生了很大的变化，而景观的破碎化已经成为物种迁移的严重障碍。因此，即使一些地方的气候适于物种的生存，但可能因自然景观的隔离而使物种不能到达，从而可能造成一些物种的灭绝。但是当前的预测模拟却很少或者没有考虑物种的耐性、迁移能力、迁移速率以及迁移障碍等因素对物种的影响。
（5）没有考虑森林变化对气候变化的反馈作用及其进一步对森林的影响：森林与气候之间通过陆地表面与大气间的物质、能量和水分的相互交换而互为
影响[39～41]。气候变化对森林的影响是多方面的，包括对森林生产力和生物量、森林的物种组成和结构、森林的分布、森林的生物地球化学循环和森林的水分平衡等，而森林的这些变化可能对气候产生一定的反馈作用。首先，森林碳循环的改变，可能使森林成为大气中 co2 的源或汇，造成大气中 co2 浓度的升高或降低，从而进一步加强或削弱全球变暖趋势；其次，森林结构和分布的变化将改变地表原有的反射率和全球的水循环模式。所有这些将对气候的变化产生一定的影响，从而进一步影响到森林的结构和功能，因此，森林与气候间的相互作用是非常复杂的。所以，现在有关的模型预测研究中为了避免这种复杂的关系，往往很少考虑到气候变化所引起的森林变化对气候的反馈作用。
（6）缺乏对极端气候事件的考虑：目前有关气候变化对森林生态系统影响的预测所采用的气候指标都是年平均的变化，而很少或没有考虑其季节变化和极端气候事件。但是，未来全球气候变暖却可能会使极端高温和寒冷的频度和强度加大以及气候的季节波动更为明显[42]，而极端高温或低温对很多物种来说可能是致命的。气候变化的另一个间接结果就是可能使极端灾害（如火灾、虫灾、干旱、飓风和热带风暴等）的发生频率和强度增加。例如，夏季的高温和干旱条件使火灾发生的可能性增加；高温和高湿则将有利于一些有害昆虫的生长繁育；海温的升高也为飓风和热带风暴的发生提供了有利的条件。很多科学家认为极端气候事件为人类生存环境带来的危害将更加严重[42～43]。极端灾害的增加将对森林景观造成严重的威胁。火灾和虫灾的频繁发生将对温带森林景观的演替和发展造成严重的干扰和破坏，导致出现一些偏途演替群落，甚至造成森林景观的消失；而飓风和热带风暴对于热带雨林来说其破坏力是巨大的，它们对雨林生态系统结构的改变往往起着决定性作用。然而，现在模型预测的研究却很难对这些极端气候事件作出评估。
