自工业革命以来,以大气CO2浓度和温度升高为主要特征的全球气候变化正在持续进行。预计在本世纪中期,全球大气CO2浓度将超过500ppm,伴随着全球近地表大气温度将升高约2℃。中国农业是对气候变化最敏感的领域之一。虽然,中国政府针对农业生产实施一系列研究和发展减缓、适应全球气候变化的研究计划。但是,全球气候变化对中国农业生产的影响依然还不清楚。因此,当前迫切需要了解和认识多因子气候变化特征对我国农田养分和水分资源利用、作物产量以及籽粒品质质量的影响机制。水稻和小麦作为中国最主要的粮食作物,因此本研究基于常熟野外稻麦轮作农田生态系统的模拟大气CO2浓度升高和增温实验平台,通过自2010到2015年连续五年田间监测数据,探讨大气CO2浓度升高到500 ppm(CE)和作物冠层增温2℃(WA)以及它们的交互处理(CW)对小麦和水稻产量、籽粒品质、养分以及水分的利用过程的影响,以期为我国农业应对气候变化提供理论依据。主要结果如下:一、模拟大气CO2浓度升高和冠层增温对作物产量的影响小麦产量对模拟大气CO2浓度升高和冠层增温的响应比水稻更加敏感,但是大气CO2浓度升高无法完全抵消增温对水稻产量的不利影响。通过五年作物产量监测结果显示,在CE处理下,小麦、水稻产量提高10.8%和6.3%,而WA导致小麦、水稻分别减产23.2%和11.5%,小麦产量对CO2浓度升高、增温的响应高于水稻;大气CO2浓度和温度同时升高导致水稻显著减产4.6%,但对小麦的产量没有明显影响。大气CO2浓度升高和增温对作物产量影响的年际变异较大。本研究结果显示,与对照相比,CE对小麦和水稻增产幅度在2.4～29.6%范围;WA导致的减产幅度在3.2～37.1%之间。根据年际变异性分析显示,WA处理下,小麦和水稻产量的年际变异性分别提高16.4%和40.9%。二、模拟大气CO2浓度升高和冠层增温对籽粒品质的影响大气CO2浓度升高增加粮食籽粒的产量,但是小麦和水稻籽粒的蛋白质和氨基酸的浓度分别降低了 8.7～14.9%和3.3～7.0%,;相反,增温导致大幅度的减产,从而使小麦和水稻籽粒氨基酸浓度分别提高5.4%和5.8%。然而,无论大气CO2浓度升高还是增温均不利于籽粒中的蛋白质和氨基酸的累积。因此,产量可以部分地解释气候变化对籽粒蛋白质和氨基酸浓度的影响,但是作物产量和品质之间的权衡并无法完全抵消气候变化的不利影响。小麦籽粒品质对模拟大气CO2浓度升高和冠层增温的响应比水稻更加敏感。本研究结果显示,大气C02浓度升高导致小麦籽粒蛋白质和氨基酸浓度的降低幅度(14.9%,8.7%)高于水稻籽粒(7.0%,3.3%);增温导致小麦籽粒蛋白质的累积量降低12.9%,但不影响水稻籽粒蛋白质的累积。另外,大气CO2浓度升高和冠层增温对籽粒蛋白质累积量和水稻籽粒氨基酸累积量有显著的交互作用,说明大气CO2浓度和冠层温度同时升高对籽粒营养积累的影响并不是简单的叠加效应。增温适当抵消大气CO2浓度对籽粒营养品质的不利影响,但是它们加剧籽粒重金属安全风险。大气CO2浓度升高条件下,籽粒营养元素降低4.2～20.1%,但是提高Cr、Cd和Pb等重金属的浓度;增温条件下,籽粒中的化学元素浓度均提高4.0～81.6%;在CW处理下,籽粒养分的浓度没有明显的变化,但是小麦和水稻籽粒Mn、Mo、Cr、Ni、Cd、Pb 浓度明显提高,增加幅度分别为 25.3%、46.5%、138.0%、54.6%、155.3%、75.7%和 22.3%、27.7%、178.3%、102.1%、94.4%、44.5%,增幅高于 CE 和 WA 处理。三、模拟大气CO2浓度升高和冠层增温对N、P、K养分的吸收和利用的影响大气CO2浓度升高和增温对N、P、K养分吸收和利用的影响因作物和元素不同而异。大气CO2浓度升高的条件下,小麦植株N和K浓度降低5.4%和12.5%,水稻植株N和K浓度降低7.5%和8.2%,对养分的吸收量无明显的影响,作物N和K利用效率均有所提高,而植株P浓度和利用效率无明显的变化。增温条件下,小麦N和P的浓度分别提高22.7%和12.1%,但是水稻植株N、P、K吸收量分别降低12.6%、10.9%和15.3%,小麦N利用效率降低18.1%,说明增温导致的大幅度减产间接抑制养分的吸收和利用效率。因此,改善养分的供应可以适当地缓解气候变化对农业生产的不利影响。CE和WA处理对水稻养分利用效率均没有显著的影响,但CW明显提高2013年水稻N和2014年水稻K的利用效率。与此同时,大气CO2浓度升高和增温对小麦P的吸收和N的利用效率以及水稻N和K吸收和利用效率的影响存在显著的交互作用(p<0.05)。因此,大气CO2浓度升高和冠层增温的交互处理过程十分复杂,表明复杂的多因子气候变化实验对于预测未来气候变化对养分吸收和利用的影响更加重要。四、模拟大气CO2浓度升高和冠层增温对土壤微量元素有效性和作物吸收的影响无论大气CO2浓度升高还是增温均提高了土壤微量养分的有效态含量。大气CO2浓度升高分别导致麦季土壤有效态Fe、Mn、Cu、Zn的含量分别增加22.5～114.1%,稻季土壤有效态Cu和Zn的含量提高15.4%和20.8%;在增温条件下,麦季土壤微量元素的有效态含量提高15.3～60.4%,稻季土壤有效态Fe和Mn的含量分别提高24.9%和41.1%;CW也明显地提高了土壤微量元素的有效性。增温对作物微量元素吸收的影响高于大气CO2浓度升高。大气CO2浓度升高不影响作物地上部微量元素的浓度,而促进微量元素的累积量;增温显著地提高了微量元素的转运速率和在植株中的浓度;然而,CW的影响趋势与WA相似。五、模拟大气CO2浓度升高和冠层增温对农田水分利用的影响大气CO2浓度升高对水分利用正面效应无法完全抵消增温的不利影响。大气CO2浓度升高条件下,小麦单位面积需水量(CWR)平均减少8.3%,小麦产量(WUEg)和生物量(WUEb)的水分利用率分别提高23.1%和20.6%;相反,增温导致CWR增加19.6%,并且导致WUEg和WUEb分别降低了 27.9%和29.3%;然而,CW处理下,CWR 比对照高出3.1～15.8%,并且WUEg、WUEb平均降低了 12.9%和17.3%。大气CO2浓度升高和冠层增温提高了农田水分利用的年际变异性。根据年际变异性分析结果显示,与对照相比,CE降低了 WUEg和WUEb的年际变异性;WA不影响WUEg的年际变异性,但是提高WUEb的年际不变异性;然而,CW处理下,CWR、WUEg和WUEb的年际变异性与对照相比均明显提高。综上所述,大气CO2浓度升高的环境条件下,明显提高作物的产量和生物量、减少农田水分消耗,从而间接影响土壤过程,即提高了土壤微生物量以及土壤养分的有效性,但是由于产量的稀释效应降低植株养分浓度和籽粒营养品质;与之相反,增温促进作物蒸腾效率并导致作物大幅度地减产、以此为代价促进籽粒氨基酸和养分浓度,显著地增加重金属在籽粒的富集。值得注意的是,大气CO2浓度和温度同时升高对作物生产及品质、农田养分和水分资源利用过程的影响具有相同或相反的作用趋势以及复杂的交互关系。大气CO2浓度升高对作物产量和农田水分资源利用的正面效应并无法完全抵消增温的不利影响,但协同促进了作物生产的年际不确定性和籽粒重金属富集,大气CO2浓度升高和增温之间权衡无法完全抵消彼此之间的不利影响。与此同时,大气CO2浓度升高和冠层增温的影响因作物不同而异,旱地小麦要比水稻更加敏感。因此,未来气候变化对农业生产的影响应该注重多个气候变化因子的交互作用和农田生态系统过程的耦合关系。