全 文 ：第 10卷 第 1期
2 0 0 2年 3月
中 国 生 态 农 业 学 报
Chinese Journal of Eco-Agriculture
V l0 H0 L
M arch． 2002
高温、高 CO2对农作物影响的试验研究
郭建平 高素华
(中国气象科学研究院 北京 100081)
摘 要 在^工气候室试验研究高温和高 co2浓度对农作物的黟啕鲒果表明，高温、高 c( 浓度使农作物生育进
程加快，作曲生育期缩短，作袖的光台作用速率升高，蒸腾速率下降和气孔 阻力增加；在相司的发育齄使作特叶面
积、根、茎、叶生长量 足，生物量下降；对不同诈钧产量结均的影响有差异 ，对小麦的影响主要是小穗数和穗粒救
下降， 对玉米的影响主要是籽粒百粒重下降。高温、高CO 浓度可使农作辑叶片中_微量元素舍量发生显著壹ft c
关键词 高温 co 浓度 农作物 影啊
The experimental study∞ impac~of high tempcratnre and high ca concenlration Oil crops GUO Jian Ping，GAO Su
Hua(ChineseAcademy ofMeteorological~cienees，BeOing100081)，CJEA．2002，10(1)：17～20
AbsUact The impact of high temperature and high c concentration ogl crops】s studied in artificial chamhers The re-
suits sh0w that the high leraperature and high CO2 would accelerate crop growth and development，shorten
the growth p~riod，increase the photosynthetic rate．decrease the trar~spiration rate，and increase the stomatal resistance A1
che same phen~phase the leaf al-p~and biomass。fleaf，root stalkwould decrea~ because insufficient growth The im—
pacts Oil yie]d components of different crops are difemnt，spikelet numbers and grains mmaber is decreased in,*,-heat，hun
dred grain weight decrea*ed in cDrn The high temperature and high C( concentration change t nP m ntents of trace ele
me[its in】~Rves．
Key words High temperature，Cq concentration，Crops，Impact
CO,浓度变化对农作物生长发育的影响国内外已有不少研究 ，多数研究侧重于co2浓度升高对作物
发育进程、干物质累积、干物质分配及产量的影响。co 浓度升高对作物光合作用速率、水分利用率的影响
也曾有研究 ，关于o 浓度升高并伴随温度变化对作物的影响在国外也有过类似的研究 ，但在我国
由于受试验条件的限制，以前的试验基本是在开顶式气室中进行的，由于气室的通风影响，使处理与对照间
温度差异很小，因此一般是很少考虑温度的 m ：单要素试验。而实际上观测结果和 GCMs模式的预测结果
均表明，当大气中co 浓度升高后必定有温度的升高，因此仅考虑 C02浓度升高对农作物的影响是不够的
为此，中国气象科学研究院农业气象和遥感应用研究中心利用黑龙江省农业科学研究院人工气候室进行了
高 CO 浓度和高温的复合试验，以便进一步探讨高温、高CO 对农作物的影响。目前 CO 浓度变化和高温
对作物微量元素含量的影响研究尚很少，本试验在人工气候室内控制 c0，浓度和温度，研究了高 CO 浓度
和高温对小麦、大豆和玉米的影响以及对农作物微量元素含量的影响。
l 试验材料与方法
试验在黑龙江省农业科学研究院人工气候室内进行，人工气候室内温度、湿度和日照均自动控制，使其
满足小麦、大豆和玉米正常生长发育的需要 每天早晚及阴天用生理日光灯进行补光，该人工气候室结构和
性能参见文献[1 。供试作物冬小麦、大豆和玉米均采用盆栽，盆口直径 36era，高 26cm，盆内土壤质地均匀
且一致，土壤肥力适宜，管理方法处理和对照相同，播种后置于人工气候室内。其中冬小麦于 11月 10日播
种，大豆于 11月 4日播种，玉米于 11月 3日播种 试验设 2个处理，处理 I为高CO2浓度(约 700mg／kg，比
大气背景的c 浓度高 1倍)和高温处理。根据目前的研究结果表明，冬春季节升温较夏季明显，在温度设
置方面，根据作物生长季的时间分布，冬春季节的温度升高要高于夏季。处理 Ⅱ为对照，即 CO 浓度为大
国家重点基础研究 (973)发展规划项 目(G1999043400)资助
收稿 日期 ：2o01—0l—l6 改 回 日期：2BB1—04-09
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中 国 生 态 农 业 学 报 第 l0卷
气背景的浓度(350mg／kg左右)，温度为作物正常生长发育所需的温度。第 1月、第 2月、第 3月、第 4月、第
5月 f一句小麦和玉米温度分别比对照增加 2．5℃、4．8℃ 、5．8℃、5．2℃、0．9℃ ，大豆分别比对照增加 1．2℃ 、
1．1℃、0墙℃、0．3"C、0℃。观测项目主要有作物发育期 、干物质量、绿叶面积和光合作用速率等，收获后进行
号种，在营养生长期测定叶片中微量元素含量 cq 浓度采用日本Fushi公司生产的 ZSD CO 分析仪监测，
并自动控制在一定的误差范围内(约 20mg／kg)，光台作用速率、气孔阻力和蒸腾速率等利用美国 Licor公司
生产的 l一-6200光合作用系统测定，每次测定 3～6个重复，取其平均值；微量元素采用等离子发射光谱法测
定 ；生物量和叶面积通过取样测定。
2 结果与分析
2．1 高温 、高 Co2对生育期的影响
试验结果表明，高温和高cq 浓度将加速作物的生育进程，促使作物生长发育速度加快 其中冬小麦
全生育期处理比对照缩短了25d，而在仅增加 CO 浓度 1佶且不升高温度的试验中冬小麦全生育期仅缩短
3d；玉米全生育期处理比对照缩短了16d，而在未提高温度且仅 CO 浓度升高 l倍的试验中玉米全生育期元
变化．这说明高温对冬小麦和玉米生育期有显著的影响．而生育期缩短对作物积累生物量和提高产量不利：
试验结果还表明在温度升高较小时对大豆全生育期无影响，处理和对照的大豆植株在同一天成熟，日_大厦在
结荚前仍表现出高温、高GO 浓度促进发育的作用，而后期对照的发育进程显著加快，从而使成熟期差异变小，
这一结果与冬小麦和玉米表现不同，说明在一定温度范围内较小温度差异对大豆生长发育的影响不显著。
2．2 高温、高 C 对作物叶面积与生物量的影响
作物的叶面积和生物量是作物生长发育状况好坏的主要标志，表 1列出大豆、冬小麦和玉米水同生育阶
段的叶面积和生物量。由表 l可知，大豆在三叶期处理的叶面积比对照略小，但叶片干物质量大于对照，这
一 结果与单纯增加 CO，使作物叶片厚度增加，在叶面积不增加情况下增加叶片干物质量的结论是一致的
此外 ，根和茎的干物质量也明显增加 到开花期大豆叶面积比对照增加 27．6％，根 、茎和叶的 下物质量分别
比对照增加 77．2％、129．3％和 79．3％；小麦拔 节期和抽穗期 的叶面积、根、茎 和叶的生物量均比对照下 降，
其主要原因是由于高温使小麦的发育进程加快，生育期缩短 ，作物干物质累积的时间也相应缩短，从而使作
物干物质积累减少。由此可知，温度升高到一定程度后高温对小麦的负作用已超过高 CO 浓度列小麦的正
效应 ；玉米七叶期叶面积、根 、茎和叶的干物质量均 比对照小 ，而抽雄期玉米的叶面积和叶片干物质量 比对照
有所增加，根和茎的干物质量仍比对照有所下降，同样说明高温对玉米的负效应大于高c0 浓度对玉米的
正效应。综上所述，当温度升高超过一定范围后高温对农作物的生长发育不利。
表 1 高温、高 c 对叶面积与生物■的影响
Tab l The impacts of high：etsaperature and high C U^ concentration on[eaves fl J~exe．and biomass
2．3 高温、高 c 对光合作用速率、蒸腾速率与气孔阻力的影响
作物生物量的积累与作物光合作用速率的大小直接有关，同时也与作物叶面积的大小有关。蒸腾速率
和气孔阻力的大小与作物的水分耗损和水分利用率有关。表 2给出大豆(三叶期)、小麦(孕穗期)和玉米(拔
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第 1期 郭建平等：高温、高CO 对农作物影响的试验研究
节期)的光合作用速
率 、蒸腾速率和气孔阻
力的变 化情况 。表 2
表明在高温 、高 CO
浓度情 况下这 3种作
物的光合作用速率均
比对照增加 ．光合作用
速率的提高有利于作
物积累生物量 ，其中大
豆增 加 l 5．6％，小 麦
增 加 15 6％，玉米 的
表 2 高温、高 co,对光台作用速率、蒸腾速率与气孔 IN．P／的影响
Tab 2 Thc impacts_)f high temperature and high CO2 concentration Oil phot(1symhetic
rate traiLsp[ralion rate and stollata[resistance
光合作用速率仅增加 5．7％，这一结论与仅增加 c 浓度对作物影响的试验结果基本一致，即 c．作物对
CO，浓度变化的反应没有 G 作物敏感：蒸腾速率均比对照下降，蒸腾速率的下降有利于作物提高水分利用
率和耐旱能力，其中大豆下降 7．0％，小麦下降 l8．9％，玉米下降30．3％；气孔阻力在高温、高 CO,浓度下均
比对照增加，其中大豆的气孔阻力增加 8．3％ ，小麦增加 34．6％，玉米增加37．4％ 由于小麦和玉米的温度
差异较大豆高 ，故对小麦、玉米的蒸腾速率和气孔阻力的影响也大于对大豆的影响。
2．4 高温、高 CO2对作物产量结构的影响
由表 3可知对大豆、小麦和玉米收获时产量结构的影响，对大豆而言，高温和高 CO：浓度使大豆的结美
高度降低，对提高大豆产量有利 ；大豆生长期间处理的高温并未超过大豆的适宜温度范围 ，因而不会对大豆
表 3 高温、高 co对产量结构的影响
Tab 3 The impacts。f high temperature and high CO!cIJ[L㈣ [[aLi n yield structure
的正常生 艮发育造成危害 ．
大豆的荚数、粒数和百粒重
处理均比对照高，并最终使
大豆产 量提 高 l4 5％；小
麦和玉 米与大豆有 较大的
差异 ，小麦和 米生长发育
过程中温度已明显升高 ，目
前应用 的品种对这 种高温
已产生 明显的不适应 ，从而
使小麦小穗数 、穗粒数和 下
粒重下降，并虽终导致小麦
产量 下 降 3．2％。 因在 仅
增加 CO、浓度 的试验 中小
麦有显著增产效应，故这种
减产町认为是由于高温对小麦的负效应大于CO,浓度的正效应所致。玉米虽也表现出减产，但减产幅度仅
为0 6％，且减产原因与小麦也不同，小麦减产原因主要是高温使小穗数和穗粒数有较大幅度下降，而千
粒重下降幅度要小于小穗数和穗粒数，玉
米减产主要原因是高温使玉米灌浆时间
缩短，灌浆不足，使百粒重有较大幅度下
降(下降 24．7％)，而玉米穗长和每行粒数
却有所增加 ，这一结论说明玉米穗分化 时
期高温能促进玉米的穗分化，但后期(灌
浆期)高温对提高玉米产量极为不利。
2．5 高温、高co 对叶片微量元素含量的影响
在大 豆 三叶期 、小麦 孕穗 期 和玉 米
九叶期 由农业部谷物品质监督检验测试
表 4 高温、高CO* 对叶片微量元素含量的曩}响
Tab 4 T impacts ol high temperature and high CO2 cot~celKratie．>l m
content of trace elemenb in leaf
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中 国 生 态 农 业 学 报 第 10卷
中 、应用等离子光谱发射法测定同叶位叶片中微量元素(S、Zn、Fe、Mg、ca)含量结果表明，高温和高 co^ 浓
度对作物叶片中微量元素含量有明显的影响(见表4)：由表 4可知，高温和高 CO 浓度使作物叶片中s的
含量增 加，其中大豆增加 1．84％，小麦增加 11．27％，玉米增加 7．13％；Zn含量下降，其中大豆下降
21．98％，小麦下降 l4．79％，玉米下降2O．02％；大豆和小麦叶片中Fe含量增加 ，其中大豆增加 30．06％，小
麦增加 47．25％，而玉米叶片中 Fe含量减少 l2．35％；Mg含量均增加，其中大豆增加 5．59％，小麦增加
47．81％，玉米增加27．44％；Ca含量增加，其中大豆增加 11．8O％，小麦增加 67 1％．玉米增加 33．25％
由此可知，高温和高 CO2浓度对不同作物叶片中微量元素含量的影响趋势除玉米叶片中 Fe含量与大豆和
小麦的变化趋势相反外，所测定的其他元素变化基本一致，仅变化幅度有所不同。而叶片中微量元素变化由
于随碳水化台物的输送，也将会影响籽粒中微量元素含量的变化，最终可能会影响籽粒品质
3 小结与讨论
高温 高CO2浓度使农作物生育期缩短，其中高温对生育期的影响要比高 CO，浓度的影响更大，农作物
生育期缩短将不利于作物获得高产；由于高温、高 CO 浓度使农作物的生育进程加-映，因此在相同的发育期
使作物叶面积、根、茎、叶生长量不足，生物量下降，从而影响到产量；高温、高CO 浓度使作物光合作用速率
升高，蒸腾速率下降和气孔阻力增加，对提高单位叶面积的干物质量和水分利用率有利；高温、高 CO 浓度
影响作物的产量结构，且对不同作物产量结构的影响不同，对小麦主要是影响小穗数和穗粒数 对干粒重的
影响较小，而对玉米的影响主要是后期灌浆，由于灌浆时间缩短，使籽粒灌浆不足，使籽粒百粒重下降而影响
产量；在一定的温度范围内适当升温对农作物的影响不大；高温、高 CO，浓度使农作物叶片中微量元素含量
发生显著变化，其中S、Fe(除玉米)、Mg和 ca的含量呈增加趋势，zn的含量呈下降趋势。作物叶片中微量
元素的变化将通过干物质的输送，影响籽粒中微量元素含量的变化，且影响籽粒品质：
参 考 文 献
l 高素华，郭建平．王连敏等 低温对玉米幼苗生理反应的影响 应用气象学报．1999．1{I(2)238～242
2 郭建平等 CO2浓度倍增对农业气候资糠利用效率的影响 气候变化对我国农业影响的研究 北京：气象出版社．1996 77～81
3 齐玉毒．董云社，章 申 农业徽环境对土壤温室气体排放的影响 生志农业研究．2000．8(1)：45～48
4 Morison J l L Plant growth andw~ter岫e withlimitedwater supplyin high concentration．Ⅱ Plam dryweight partitioning and 啪 ter
u efiei~cy Aust J Plant Physlo1．1984．1 1：375～384
5 Rogers H H ．“ Influence etevated carbon dioxide on water relations of soybeans．plant Phy~io1．1984．74：233～238
6 BhattaeharyaN C Prospects ofAgriculturein a CarbonDioxideEnriched Environment In：A GbbalWamlingN~rum Scientific．Ecora,mie，
and Legal Overview (Richard A Geper‘Ed )，B0c日Raton，FL：CRC Pres．1992 486～505
7 [An W H The interaction o1 high temperature and elevated CO2 on photosynthetic acclimation of single l~ves of rice in situ Physiologia Plan
tarut】 l997．99·178～l84
S ingram K T Iateractive dfecls of elevated carb。n dioxide and t~aperature on rice growth and development IntC|imate Change and Rice lS
Peng Eds·)，Spritrger-Verlag Berlin Heidelbeg，1995 278～287
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