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生态环境2005,14(3):422—428http://www.jeesci.com!!!迪型望!=|竺竺!!:竺堡型塑型竺型:12竺20世纪90年代以来《Science))关于全球气候变化研究述评郑新奇,姚慧,王筱明山东师范大学人口?资源与环境学院,山东济南
250014摘要:近年来气候变化引起人们关注。世界许多学者对气候变化开展了广泛研究,已经取得了丰硕成果。为了了解国际上气 候变化研究的进展及前沿,作者查阅了《science》于20世纪90年代以来关于气候变化的相关文章400余篇。这些文章的内 容涉及地球科学、医学、物理学、微生物学等许多领域。该文主要从地球科学角度归纳总结了全球气候变化与陆地生态系统、 气候变化与碳循环、全球气候变化与土地利用方式、气候变化与人类活动等方面的研究,并进行了典型研究成果的透视分析。 最后提出了需要进一步研究的建议。 关键词:气候变化;《science》;动态中图分类号:P46l 文献标识码:A 文章编号:1672*2175(2005)03-0422-07气候是一个地区在一定时期内的平均天气状 况,它的变化可以追溯到远古时期。所谓气候变化, 从气象学角度看是指一个特定地点、区域或全球长 时间的气候转换或改变,是以某些或所有的与平均 天气状况有关的特征,如温度、风场和降水量等要 素的变化来度量的。自从工业革命以来,全球规模 的气候变化逐渐引人注目,并且这种变化与人类的 生产、生活密切相关。目前,国际社会普遍认为, 在气候自然变化的同时,人类活动也改变了大气的 化学成分,导致今天的气候变化,而这种变化反过 来又困扰着人类社会的发展,阻碍了社会的进步和 发展,甚至影响人类的生存。 为了了解国际气候变化研究的进展及前沿,查 询了《Science))杂志上1992—2004年4月的关于 气候变化的文章,共480余篇,其中原创性研究300 余篇。内容涉及地球科学、医学、物理学、微生物 学等许多方向。与地球科学有关的研究领域主要侧 重于研究全球气候变化对陆地生态系统结构和功 能的影响及陆地生态系统对全球气候变化的反馈 作用;全球气候变化下的生物地球化学循环,特别 是碳循环;土地利用变化与气候变化之间的关系; 气候变化对人类社会影响的研究。 关于气候变化与海洋生态系统,主要表现在厄 尔尼诺现象,这一研究有专著,研究比较深入,本文不 再涉及。1之间关系,主要有以下几个方面:①气候变化影响生物(主要是植物)的生理过程,引起生物的生理 生态反应;②气候变化对森林、草原等生态系统的 影响及这些生态系统的响应和反馈;③气候变化对 高纬度、热带山区、荒漠、沿海等特殊区域陆地生 态系统的影响。1.1全球气候变化与生物的生理生态反应全球气候变化特别是气候变暖改变了生物的 许多生理和行为特征,同时由于物种之间变化的差 异性,进而影响生物群落的结构及物种间的基因交 流;气候变暖也影响物种的进化,造成一些物种的 灭绝。 气候变暖改变了生物的许多生理和行为特征, 许多研究涉及鸟类、两栖类、昆虫类等动物种类及 植物。比较典型的研究有气候变化对于植物开花的影响:通过对英国南部的中心地区长达47年的研究发现植物开花时间对气温变化十分敏感,特别是 春季开花的植物。开花时间变化是植物受气候变化 影响的一个信号。在近10年来385种植物开花时 间比之前的40年的开花时间平均提前4 5 d,其中 16%的植物在90年代比之前的开花时间明显提前 大约15 d;只有lO种植物(占3%)的开花时间90 年代比之前晚。其中一年生植物比同一种属的多年 生植物更倾向于早开花,虫媒植物比风媒植物倾向 于早开花,这些差异会影响植物群落的结构和物种 间的基因交流”】。这项研究历时长,植物种类多, 具有很强的说服力。 气候变化会引起植被物种的进化,甚至一些物 种会因来不及适应气候变化而灭绝。植被在历史时 期对气候变化的响应是迁移和进化。化石证据表明全球气候变化与陆地生态系统全球气候变化与陆地生态系统之间的关系表 现为:全球气候变化对于陆地生态系统结构和功能 有影响,而陆地生态系统对全球气候变化具有反馈 作用。目前,国际上研究陆地生态系统与气候变化基金项目:山东省人民政府院士基金(2002—10—09)作者简介:郏新奇(1963一),男,教授,博士,主要研究方向为资源环境地理信息系统开发与应用、土地评价与规划、复杂系统仿真、地理计算等。E-mail:zxqsd@263llet收稿13期:2004.12-02万 方数据郏新奇等:20世纪90年代以来((Science))关于全球气候变化研究述评423许多物种在过去气候变化下能保存下来,是缓慢的 气候变化为物种提供了机会去适应(在避难所或扩 展到新的纬度,尽管存在着适应进化的约束)。但 在现在及可预见的未来,栖息地的碎片化会影响迁 移,且迁移会比冰河后退期慢,因为那些迁移的秧苗 须在已占领的土地上站住脚…,同时考虑到现在及 预测的未来气候变化速度比历史时期的气候变化 要快得多【3J,迅速变化的气候会导致一些物种来不 及适应而灭绝,影响生物的物种多样性,进而影响 人类发展,因此要引起足够重视,采取措施减缓气 候变化的速度。 造成全球气候变化的一个原因是C02的浓度变 化,它也会影响植被的变化。当大气中c02的浓度发 生变化时,具有不同固碳途径的植物之间的竞争关 系会发生变化:当空气中C02的浓度升高时,C3植物 不论是单独生长还是共生竞争都比C。植物更受益具有正相关的关系。气候的变暖导致了一系列的后果:C。植物的减少,进而使这个生态系统易受外来物种入侵,且对干旱与放牧的忍耐性差了。这一研 究,采用了孤立化法研究单一因子(全球变暖)对于 草原生态系统的影响,如果多种因子综合作用又会 怎样呢?M.Rebecca Shaw等”1通过对加利福尼亚一 年生草原的实验发现只考虑C02浓度升高时,草原 的净生产量是增加的;但考虑到多种因子综合作用 时,C02的浓度提高会抑制根的生长,根的生长减 缓会影响根对营养物质的吸收和植物的光合作用, 从而降低草原对温度升高及氮的吸收的积极响应。 说明研究生态系统对气候变化的响应时需要考虑 多种因子综合作用。这一研究考虑全面,观点很新 颖,研究角度独特。 气候变化对草原生态系统有影响,影响植被的 种类和数量,而植被对于气候变化的响应研究中发 现多产的、人类作用的草原比传统草原容易受气候 变化的影响,对气候的阻抗小。J.Philip Grime等91 以英国的Derbyshire和Oxfordshire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,来研究植被对气候变化的抵抗 力(一个群落在环境压力下保持其种类和数量的能 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影响的得出上述结论的。由此 可见,保护天然草原对于减少气候变化影响,保护 生物多样性具有重要意义。 根据气候变化对生态系统的影响,反过来可以 通过研究历史时期的植被变化来研究气候变化。Mark B.Bush等[91利用康斯薇洛湖沉积物中的花粉于这种变化。这一结论得到了公认,许多涉及到地质历史时期的研究都充分说明了这一点。有一项典 型的研究通过北非高纬度湖泊中的沉积物及其中的 花粉、树叶蜡状物(可以反映CO:浓度和植被的变化徕研究植被的变化与C02浓度的关系,证明C02的浓度升高在北非能使树木生长在原来没有树的荒 草地区”J。但仅考虑C02因素而不用考虑其他环境 因素吗?面对这一疑问,科学家进行了有针对性的 研究。有一项研究在寻找气候变化与中新世C。植物 繁盛的关系时发现C,和C4植物的相对繁茂程度受 许多环境因素f包括降水量、温度、季节突变、大气 中的CO:)复杂的相互关系控制。没有合适的湿度和 温度只有C02因素不足造成中新世晚期C4植物的繁 茂。这项研究利用了中美洲两个样点(AltaBabicora 和Quexil)湖泊沉积物树叶中的碳的组分来研究, 选择这两个样点是因为潮湿程度差距很大p J。 1.2气候变化与草原、森林等生态系统变化 以上研究主要是全球气候变化对植物生理生态 的影响,以及生物对气候变化的响应,这些研究主要 从生物角度,还有许多研究针对不同的生态系统如草 原、森林等,这些生态系统对于气候的温度,降水量 等许多因素的响应主要表现在植被的变化上。 全球气候变暖影响草原生态系统,使植被的种 类和生产力发生变化。在气候变暖时,全球最低温 比最高温增长得快(前者的增长幅度大约是后者增 长的2倍),故研究最低温具有典型性。Richard D. Alward等t61在西伯利亚一带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:这个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C。植物(B gracilis)的初级生产力的减少及与C3非禾本草纪录来研究48 000年来安第斯山脉东部的森林是如 何变化,然后根据森林变化来反映气候变化:由物 种分布推断出最后一次冰期比现在冷5 ̄9℃,由森 林群落变化的程度及速率得出像安第斯山这样的 生物多样性地区对气候变化敏感,气温变化真实存 在但不快(1 000年大约1℃)。 1.3气候变化对特定区域植被的影响 气候变化对特定区域植被的影响是气候变化 对植被影响在空间上的表现。 气候变化对高纬度植被生长有影响,特别是气 候变暖使生物的生存北界向高纬度地区延伸。 Wolfgang Lucht等“…利用1982—1998年的气候数据 和地面植被的遥感数据来建立了一个生物地球化学 模型。在建这个模型中,以遥感数据中春天植被发 芽和夏天植被繁茂的年际变化趋势来研究气温变化 的生态响应。结果发现过去20年里北半球高纬度有 变绿的趋势(原因是全球变暖),1992—1993年这一趋 势减弱,生物量下降(原因是1991年Pinatubo火山爆 发导致的气温暂时下降)。这一研究再一次充分说明 了植物生长对气候变化响应的规律。本植物(包括本地种和迁移种)数量和产量的增加 万 方数据生态环境第14卷第3期(2005年5月)不仅在最近时期,地质时期的研究也反映了这 一点。Dominique Jolly等…1对此做出了卓有成效的 工作。他们的研究证明了冰河时期大气中的C02的 变化影响了非洲热带山区植被的变化:这项研究利 用东非布隆迪的Kashiru的花粉记录来建立了植被 的过程模型,这一模型反映了非洲东部的山区植被 是如何随C02浓度和气温的变化而变化。特别值得 一提的是在最后一次冰川极盛期,大气中C02的浓 度变化可以解释热带山区森林被灌木丛替代。 不仅温度、CO:的变化会引起植被变化的响应, 气候变化中的降水变化也会影响植被变化,植被的 繁茂与否受降水量的影响,因此可以通过地质时期 的植被繁茂程度来反映气候变化。B.J.Johnson等 ””通过地跨干旱和半干旱地区的澳洲南部Eyre湖 中的鸸鹋(产于澳洲的一种体型大而不会飞的鸟) 蛋壳化石中的C的同位素的组成来反映了在过去65增加是全球变暖重要原因之一,加强碳的储备会减 少空气中的C02,从而间接减缓全球变暖。因此碳 的循环特别是碳的储备研究意义很大,目前是研究 的热点之一。 陆地生态系统在碳循环方面起着十分重要的 作用,最近对全球碳循环的分析表明陆地生态系统 对二氧化碳的吸收在所有二氧化碳的吸收中占很 大比重,同时,陆地生态系统的破坏加速了全球气 候变暖,因此有必要对陆地生态系统对碳吸收的作 用及影响其吸收的因素作总结。 2.1 陆地生态系统对碳吸收的作用 研究陆地生态系统对碳吸收的作用中,热带雨 林和北半球中高纬度的森林是研究的热点:热带雨 林地区土地利用方式的变化向空气中释放C02,从 而加速全球变暖;北半球的植被,尤其是温带林和 北方森林通过C02的施肥效应吸收大气中的COz, 从而减缓全球变暖的进程。 在陆地的碳储备中,北半球比例最大,这是对 大气中的二氧化碳分析得出的结论。其中,北半球 的中高纬度起了很大作用:许多研究发现北半球中 纬度和高纬度的森林是一个重要的碳汇”“。这~发 现叉被许多研究证实,大多数是北美和西欧的研 究,利用的多是森林总量数据”…。而在陆地生态系 统的碳比重中,热带雨林比重最大。热带雨林的碳 占陆地生态系统碳的40%,其生产力占陆地生产力 的30%。50%【”1,因此热带雨林小的扰动可能会影 响全球的碳循环。 关于森林对C吸收的作用,中国研究了1949 —1998年森林单位面积上碳的存储的变化,通过改 良的评价方法,利用森林单位面积上的生物量及50000年里C。植物繁茂程度的变化。因为C。植物 繁茂受降雨量的影响,所以可以用C4植物的扩张程度来表明夏季风势力的强大程度。研究结果表明: 澳洲季候风在从65 000年前到45 000年前最强盛, 在最后一次冰川极盛期最弱,在全新世势力强大, 充分说明了可以通过植被变化来研究局地气候的 变化。当然,通过降水与海面温度、植被之间的关 系建立模型,则可进一步反映植被的反馈作用。 Zeng,J等”“利用西非荒漠草原1950—1990年 及1990年初降水量的变化数据及植被变化建立了Ning大气一陆地一植被模型来研究三者之间的相互关 系。结论是:西非荒漠草原地区降水量变化受海洋 温度的影响,而陆地表面的反馈加强了这种变化, 植被加强了年内变化但减弱了年际变化,同时植被 又随降水量的变化而变化。这一模型充分体现了植 被的响应和反馈作用。 地质历史时期的气候变化也会影响现今植被 的分布,因为植物响应具有滞后效应。许多研究表 明气候变化导致的海平面温度升高会对沿岸植被 有很大影响。T.D.Herbert等”41的研究指出了间冰 期海平面温度上升使加州西北海岸形成了有特色 的雨林。这项研究是在加利福尼亚利用alkenone不 饱和化合物的指数序列来表明了在过去550000年 里海平面温度有很大变化(4 ̄8℃),而大陆边缘 沉积物中的花粉表明太平洋沿岸植被的变化与海 平面温度变化及全球冰川量变化有关系,可以通过 建立三要素最大方差模型来解释花粉的变化。年以来国家森林资源数据库里的森林总面积得出了1949—1998年生物量的变化,研究结果表明: 70年代后期以来森林扩张和人类再种植使碳的存 储量加大,不论是在总量还是单位面积上”“。这一 结果从一定角度证实了京都议定书中可以通过经 营森林来存储碳,从而减少大气中C02的观点。 热带森林中的碳循环研究充分说明了热带森 林大大降低了大气中C02的增加量。Oliver L Phillips等【l 9】利用树木生长和死亡的变化来计算生 物量的变化,而生物量的变化能体现碳的吸收情况 变化的原理,在南美洲热带森林的50个试点上进 行研究,通过长期的监测发现38个试点上树木的 增长量超过死亡量,生物量在时间和空间的变化上 都是增加的。南美洲潮湿的热带雨林每公顷每年积累(O 71±O.34)t碳,是一个显著的碳汇。2气候变化与生物地球化学循环生物地球化学循环指元素的各种化合物在生 物圈、水圈、大气圈和岩石圈(包括土壤圈)各圈 层之间的迁移和转化,是全球变化研究的核心内 容。在各种元素的生物地球化学循环中,与气候变 化影响最直接的是碳的循环,大气中的C02浓度的2.2陆地生态系统吸收COz的影响因素 陆地生态系统吸收CO:从而影响气候变化,因 此有必要了解陆地生态系统吸收C02的影响因素, 从而采取相应的对策,达到减缓全球变暖的目的。万 方数据郑新奇等:20世纪90年代以来(,Science>)关于全球气候变化研究述评425陆地生态系统吸收CO:受许多因素的影响,目前研 究角度主要有如下几方面。 第一,受植物的生理生态活动影响。植物的光 合作用吸收碳,植物的呼吸作用释放碳,因此光合 作用与呼吸作用的变化会影响碳的吸收。Michael L. Gouiden等/20/的研究充分说明了这一点。这项研究 在英格兰一个落叶林中研究C02的净吸收量的变化 (199l~1995年变化幅度1.4,-,2.8 t,}lm2)时发现碳 吸收在1990年高于平均值,原因是光合作用的加 强;而1995年高于平均值原因是呼吸作用的减弱。 而光合和呼吸作用变化的影响因素又是什么呢? 研究表明:光合作用年际间的变化与叶子的扩张与 衰老(即叶面积)有关系,一年生植物呼吸作用与 土壤温度异常及冬季大雪和夏季大旱有关。 第二,生态系统的不同配置会改变碳的储备。 B.H.Braswell等i2”利用三组数据系列来研究陆地 碳吸收对气候变化的响应机制模型时发现全球生 态系统的不同配置可以间接改变气候和大气中的 COz。这项研究通过测量大气中CO:与人造卫星测 量温度和植被指数来调查气候、CO:与生态系统之 间的关系,研究出了气候变化与CO:增长速率之间 相互关系。表明了全球生态系统分配变化间接改变 了气候与碳吸收之间的关系。 第三,森林中C积累增加是由于C02施肥作 用,N的沉积作用及气候变化促进的树木生长””和 因为土地利用的历史变化(特别是在废弃农田上,收 获后的土地上以及火灾后的土地上的再植林)““。 第四,C02浓度升高和气温升高对陆地生态系些地块输入不同数量的N(及相应数量石灰使土壤 不至于酸化),收集了土壤、根和植物的样本并分析 它们的组成来看植物与土壤的变化。研究结果表 明:在短期内,N的增加会刺激植物的生长,植物 可以在它们的组织里固定更多的碳;但从长期看, N的增长会促进生长迅猛的入侵种的生长,而这些 物种不易在土壤中固定碳,结果会造成草场的生物 多样性下降,固定碳的整体能力下降(固定氮的能 力上升而固定碳能力下降)。总之,化石燃料燃烧 和农业化学肥料的使用中排放到环境中的氮是危 害(使野草入侵种大量繁茂而影响本地种的生长) 远大于益处(对生态系统施肥)[2710 第七,气候变化对于土壤有机碳的储量有影 响,且与温度带有关。在这方面,除了《science》 上有研究,中国也有类似研究,有一项研究表明了 气候变化及人类活动对中国土壤有机碳储量的影 响:通过对中国1998年第二次土壤普查中的2000 多个土壤剖面中碳的储量与平均温度(T),年降 水量(P)的相关性研究表明:它们之间的相关性在不同的温度带下具有很大的差异,在R=10℃的地区,土壤有机碳储量与温度的负相关性最强癌10℃<R-20℃的地区,受与降水正相关的影响,土壤有机碳的储量与年平均温度表现出一种正相 关;而在7">20℃的地区,土壤中有机碳储量与温度 和降水的相关性都很差。受人类耕种的影响,耕地 土壤有机碳储量与温度、降水相关性远低于非耕地 土壤128】。3土地利用方式变化与全球气候变化目前,大气中C02浓度的不断增加,生物地球 化学中全球氮循环的改变和土地利用/土地覆盖 变化的持续变化是全球变化研究的3个核心主题。 土地利用变化必然影响生态系统的结构和功能,进 而影响气候变化。目前,土地利用/覆盖变化 (LUCC)及其驱动力研究正日益成为最活跃的研究 领域之一,在此主要总结土地利用变化与全球气候 变化之间关系的研究。 全球气候变化会影响植物的生理生态特征,改 变植物的分布,即改变土地的植被覆盖方式,这一统净吸收碳的影响:美国的一项研究用1895—1993年的历史气候资料来反映陆地碳吸收与C02的浓度及气候之间的关系(植被胜态系统模型与分析计划)表明在废弃土地和收获后土地上再种植对于碳储 备的作用很大【24J。另一项研究在马萨诸塞卅I的 Harvard森林(属于中纬度阔叶林)进行了从t991 年4月十年来的土壤变暖实验,通过研究土地中的 碳氮循环来研究其变化对气候系统的影响,结论是 尽管土地变暖会加速土壤中有机物的腐烂,从而增 加释放到空气中的CO:,但在中纬度这种影响小且 时间短;同时变暖会加强树木中氮吸收,有利于植 物生长,间接促进碳的吸收口…。总之,在中纬度, 变暖会加强土壤的碳吸收。 第五,自然植被和人工植被对碳循环影响存在 差异性。Emst-Detlef Schulze等””以西伯利亚和美 国为例,研究了自然植被和人工植被对碳循环影响点在前面的文章中已有详细论述,除了《science》外中国在这一方面也有相关研究。在此仅以气候变 化对于北方长城沿线地区影响而引起的土地利用 方式变化为例说明。在全新世暖期,根据地质历史 遗迹中粟的遗存来分析得出早作农业的北界与根 据自然证据复原的降水数据推断的北界相吻合,说 明全新世暖期时的土地利用格局是受降水因素控 制的,土地利用方式是降水状况的体现。而全新世的差异眭,通过4种通量的计算表明:自然生长的树木对于减少C02影响比人工再种植的作用大。 第六,氮的增加对陆地生态系统碳的固定有影暖期结束时,气候状态转变之时(喜暖的油松、栎的花粉显著减少,冷杉花粉显著增加,表明气温变 冷;孢粉组合中草本增加,木本减少,偏湿的减少,响:比较有代表性的一项研究把明尼苏达州的三个 曾废弃的田野划分为162个4m×4m的地块,给这 万 方数据生态环境第14卷第3期(2005年5月)偏于的增加,表明降水减少),是原始农业文化结束、北方牧业文化兴起之际。与全新世暖期后建立 起来的新气候格局相对应的是以半农半牧、时而农 时而牧为特征的农牧交错带,它是于3 500 aBP以 来出现在我国北方长城沿线地区。历史上农牧交错 带地区的农业文化和牧业文化的多次交替和兴衰 与气候的冷暖、干湿波动过程相对应,其中暖湿的 时期农业文化相对兴盛、农业北界向北扩展,冷干 的时期牧业文化相对兴盛、牧业南界向南扩展。由 此可见,气候变化所导致的农业气候资源条件的变 化是导致发生上述变化的根本原因,土地利用方式 的转变是人类响应温度降低、干旱化增强的气候变 化的表现[29J。 土地利用方式变化对于气候变化的影响通过 土地利用的变化来影响碳的循环来实现的,土地利 用方式的变化,对土地的合理利用,可以有效地利 用土地作为碳汇的作用,反之,城市化的发展,土 地的破坏也会造成土地吸收碳的减少,进而影响气 候变化。 土地利用方式的变化对于碳循环具有十分重 要的影响,有一项典型的研究发现在北半球中纬度 的森林C积累变化的原因中,土地利用变化是主要 因素。这项研究是利用美国东部五个州(明尼苏达 州、密歇根州、维吉尼亚州、北卡罗莱纳州、佛罗 里达州)按纬度梯度方向的详细目录资料(来源于 森林资源调查和分析数据库)来评估土地利用和树 木生长增加对于C积累的相对贡献度的,结果发现, 土地利用变化权重大,而树木生长增加占很小的比 例(远小于以前的报告中的研究数据)[3010 R.A.Houghton等””将美国划分为七个地区 (每个地区含2~5个自然生态系统)13个不同的自 然生态系统,利用了1700—1990年的历史数据(数由于土地利用的变化导致气候的变化,有很多 下相关研究。这方面的研究不仅在《Science))上有 报道,而且在(Nature}上也有报道。已经成为目 前乃至今后研究的一个热点Ij…。4气候变化与人类活动4.1人类活动在气候变化中的作用 目前,国际社会普遍认为:在气候自然变化的同时.人类活动也改变了大气的化学成分,如二氧化 碳(c02)、甲烷(CH4)和氧化亚氮fN20)分别比工业革 命化前增加了30%、145%和15%(1994年值)。由于 这些气体吸收地面的红外辐射能力强,而且它们在 大气中的留存时间长达上百年,从而改变了地球的 辐射平衡。过去100年来地球表面的平均温度已经 升高了0.3—0.6℃。如果不改变经济发展趋势,即 在不改变主要温室气体CO:、CH。及N20排放趋势 的条件下,由于大气中主要温室气体浓度增加,考 虑到温室气体和气溶胶的共同作用,今后几十乃至 上百年的时间内,全球平均气温将每十年升高0.2 ℃;下世纪末温度将升高1~3.5 qc,海平面可能升 高30"--100 em。尽管这种预测还有很大的不确定性, 但全球气候变化会对农业、林业、水资源和沿海地 区等领域或部门造成较大影响,给人类带来难以估 量的损失,适应气候变化会花费人类巨额代价的观 念,已为世界绝大多数国家所接受。 陆地上碳循环的研究表明:从1980—1990年, 化石燃料燃烧每年排放55亿t碳,工业活动每年 排放65亿吨碳,由于森林砍伐每年造成16亿t的 碳排放:陆地和大气的吸收会减少大气中一些的 C02,但是每年仍有34亿t累积在大气中ⅢJ。可见 人类活动是影响气候变化的重要原因。42气候变化对人类生活的影响据来源于美国农业部、人口普查局及美国森林保护部等)研究了土地利用变化的速率及随着土地利用 变化而来的每公顷碳储备的变化的速率之间的关 系。土地利用变化考虑了:①自然的生态系统转化 为耕作农田及不耕作的牧场;②农田及牧场的弃 用;③工业用木材及薪材的砍伐;④自然火灾。这 些土地利用变化导致了碳储量的变化:在1945年 前由于植被破坏释放了(27±6)×109t的碳到大 气中,而在1945年之后由于对于火灾控制和废弃 农田上的森林种植积累了(2±2)x l矿t。结果表 明:陆地系统的管理吸收的C02抵消了化石燃料燃 烧释放C02的10%、30%。 由此可见,对土地的合理利用与管理可以减 少大气中的温室气体C02。这一事实得到了北美 R.J.Scholes等[32j研究的证明。这项研究利用森林 数据来研究证明了土地的管理对于减少温室气体 的作用。气候变化改变了生物群落,改变了人类生活的 许多方面,目前这方面的研究主要有:气候变化与 农业生产的发展研究;气候变化与人类迁移及文明 的兴起与覆灭之间的关系;气候变化对粮食安全的 挑战等。 气候变化对农业生产的影响,前文已经阐述了 气候变化对于植物生理生态影响的研究,这里主要 陈述气候变化对农作物产量及果业生产的影响。有 一项研究利用美国1982—1998年玉米和大豆产量 与气温、降水量、太阳辐射的综合数据,发现气候 变化对于作物产量有影响,并且这种影响可以量 化,温度每升高1℃,玉米和大豆产量会减少 17%13…。在这一方面,中国也有一些研究,其中丁 敏等【35J研究了秦岭北麓平原对全球变暖的响应及 其对果业发展的影响,通过对研究材料和数据的处 理,分析了气候变化趋势,评价了秦岭北麓苹果的 气候适应性及气候变化对果业发展的影响,结论是 本地区降水相对较为丰富,在短时间内,限制本地万 方数据郑新奇等:20世纪90年代以来((Science)关于全球气候变化研究述评427区的果业发展因素不是干旱而是高温。这些研究无 不用事实提醒人类,人类如果任由气候变暖,是气 候变暖继续迅猛发展,后果将不堪设想,将直接威 胁人类的生存。 气候变化与人类迁移及文明的兴起与覆灭之 间的关系的研究主要是通过考古学。有一项典型的 研究利用加勒比海南岸的anoxic Cariaco盆地中沉 积物中钛的变化来反映河流输入和水文循环的变 化,结果发现:玛雅文明的覆灭发生在一个很长的 干旱时期,长达一个世纪的降水量下降导致地区的 资源压力,后来又有几次突发性干旱事件(公元810 年、860年、910年)加剧了社会压力。可见气候 干旱对玛雅文明覆灭具有重要影响p“。借古鉴今, 如果现今人类继续破坏环境,造成气候的继续迅速 变化,引起气候和环境的突变,那么极有可能造成 地球文明的倒退。 气候变化对粮食安全的挑战也越来越引起人 们的关注。许多研究预言世界粮食安全不会受现今 适度气候变化的严重影响,认为农民会采取足够的 措施来适应气候变化,且C02增加会提高产量。但 是,就目前情况看,在发展中国家情况可能会变糟, 因为在变暖乃至热的条件下,气候变化会造成降水 更集中,年内年际变化加大,干旱时间加长,用来灌 溉的水资源量更加不定,这种情况会造成作物的病 虫害和牲畜疾病,造成土壤侵蚀和荒漠化;面对这 种土地退化,人类为了生存,对边缘土地进行开垦, 可能会造成更大危害的环境退化,这样易形成恶性 循环【”I。 4.3人类控制气候变化的对策与困难 气候变化的不利影响已为绝大多数国家公认, 但为什么人类仍不断进行着对环境的破坏如森林 砍伐?归根结底是利益驱使。目前有一项典型的研 究以马达加斯加岛上的Masoala国家公园为个案, 采用多种指数分析这个热带雨林对于全球生态环 境、所在国家及地方生态环境的作用并将它们换算 成经济效益,和森林砍伐对所在国家的经济利益,结 果发现,森林砍伐释放了20%~30%的温室气体且 造成了许多物种的灭绝,保护热带雨林对当地与全 球都有很大好处,但对所在国家,森林砍伐比保护有 更大的经济效益“…。正是基于这一点,许多国家出 于自身利益而滥砍滥伐。 面对气候变化,人们也正在努力减少大气中的 CO:来达到稳定气候变化的目的,目前有研究提出 通过改变能源来减少C02的排放量的思路:研究评 价了未来可能的能源来源(陆地太阳能、风能,太阳 能卫星、生物能、核聚变、核裂变、聚变一裂变混 合体以及去除了碳的化石燃料)所能提供的最大程 度的不释放C02的能量及大规模用的经济可能 性结论是我们需要深入研究出新技术(既满足保 万 方数据持气候稳定又要经济发展),通过新能源利用,技 术改造来减少C02的排放【38】。这是针对减缓气候变 化的一个方向,需要依赖于社会发展和科技进步。5研究的一点建议通过上面几个方面的总结和典型研究的透视, 我们可以发现((science))杂志10多年关注的气候 变化主要是侧重于气候变化的观察,研究气候变化 对于陆地生态系统等方面的影响以及陆地生态系 对于碳循环的影响(进而影响气候变化)。在气候 变化对土地利用方式的变化的影响时关注的主要 是自然植被覆盖的变化和人类被动的响应(根据不 同的气候变化选择不同的农业活动),即人们是如 何适应自然变化。 我认为还有以下几个方面需要进一步的研究: (1)人们要思考如何改造自然,减缓气候变化, 甚至改变气候向适应人类的角度发展。比如说,如 何通过改变土地利用方式来影响气候变化,如何利 用生态系统对碳的吸收来减少大气中的C02等。 (2)人类在适应自然变化时和主动影响气 候变化时需要采取一些措施,这些措施需要有准 确的评估,必要时要加以量化,争取选择最优的 措施。 (3)建立海洋系统与陆地系统之间的耦合模 型,进行相关联系研究。 (4)借助数字地球技术进行气候变化的模拟 研究,将有希望获得突破性进展。 参考文献:(1]FITI'ER H,FITTER R S R Rapid changes in flowering time in British plants[J]Science,2002,6(5 573):l 689—1 691 [21 SHIGESADA N,KAWASAKI K Bialogical Invasions:Theoi)1 andPraatice[M]Oxford:Oxford Univ Press,1997:149[3】ETTERSON J R,RUTH G S Constraint to adaptive evalutinn in response to global warming[J]Science,2001,10(5 540):151—154 【4]PERROTT S F A,HUANGYS,PERROTT R A,el a1.Impact oflower atmospheric caa'bon dioxide on tropical mountain Science,1997,1 1(5 342):1 422—1 426ecosystms[J]【5]HUANG Y S,PERROTT S F A,METCALFE S E,“a1.Climatechange∞the dominant controlonglacial-interglacial variations in C3andC4 plant abundance[月Science,2001,8(5[61 [71ALWARD R n DETLINGJK Grassland vegetation535):1 647—1 651 changes andnocturnal globalwarming[J]Science,1999,1(5 399):229—231 SHAW M心ZAVALETA E S,CHIAIL!ELLO N R,et al Grassland responsesto global 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059f131ZENOf27]WEDIND A,TILMAN D Influence ofnitrogen loading and speciesoncompositionthe carbon balance ofgrasslands[J]Science,1996,Science,1999,11(5 4“):1 537一l 540T12(5 293):1 720—l 723HERBERTD,SCHLIFFERT J D,ANDREASE D,et al Collapsecurrent『281周涛,史培军气候变化及人类活动对中国土壤有机碳储量的影响fJl地理学报,2003,5(5)727—734ZHOU T.SHI P J The lnfluenee of climatic change and mankind’s activityonof the california change 『151during glacial maxima linkedtoegmateoNland[J】Science,200I,7(5 527):71—76 FAN S.GLoOR M.MAHLMAN J Large terrestrial carbon sinkBorthInorganic carbonreservesofChinese soil[J]The Jouma】ofamerica Lmplied hy atmospheric and oceanic carbon dioxideGeography,2003,5(5)727—734data and models[J]Science 1998.10(s 388):442—446 f】6】KAuPPJ E MJELⅡ£uNEN K,KL几JsELA K Clirnate change and the productivity ofAmerica。s forests[J].Science 1992,7(3 256):453 —458f291方修琦从农业气候条件看我国北方原始农业的衰落与农牧交错 带的形成fJ]自然资源学报,1999,7f3):212—218FANG X animalQ The dwindie of agriculture civilization and the form of hush.dry civilization in血e district along north Gteat Wall『17] 1181ORACEJ,MALm Y,MEIRPIn:Terrestrial Global Produetivity:for the agroclimaticchange[J]TheJournal of NaturalResource,Pasg Present.andFuture『M1 London:Academic press,1998:598P.PENGcH.甜al ChangesillforestbiomassFANGjY,c}口刚Acarbos storage 6(5lnf3011999.7(31:212—218 CASPERSEN J P,PACALASW.JENKINS JC,etal Contributinnsof Iand—Rse historytoChina between1949姐d 1998『J]Science,2001,Incarbonaccumulation jnU Sforests『JlThe525):2 320—2 322Y【19]P}ⅡLLⅢs 0 L.MALmChangesthe CarbonBalance off31l2000.1t(5 494):1148—115l HoUGHTON R A.HACKLER J L,LAWRENcE K T,et al 1999.7(5 427):574—578ScienceTropical Forests:Evidence from Long—TermPlots[J]Science,1998, f32】u S carbon budget:contributions from land—use change[J]Science, Storing Carbon OB Land[刀Science, 544):1 012一l 013 f33】KALNAY E,CAI M Impact ofurbanization and land?use change off climatelJl Nature.2003 423:528—53l P cgmate and Mtmagement f34]LOBELL D 2001 llr5 scHoLEs R J,NOBLE I R10(5 388):439—442 『20】GOULDEN M L.MUNGER J W,F蚰S M.et a1.Exchange ofcarbon dioxide byadeciduous forest:responsetointerannual climatevarichigtyf耵,Science,1996,3(5 255):】576—1 578 『21】BRASWELL B H。SCI皿MEL D S,Linder E,elal The Response of globaItetrestrlal ecosystemstointerannualtemperaturevmiability]flScience.1997,10岱339):870—873 f221B.A讣陋GRecentContributions SciencetoTrendsinU SAgriculturalYields[J]wAL旺RBH.STEFFENW L,CANADELL J,et a1.In:ThePress,2003.2(5 6091l 032一l 036TeⅡestria【Biosphere and Global Change:Implications for NaturaI and Ma11aged 1999-762Ecosystems[M]Cambridge:Cambridge Univf351丁敏,黄春长秦岭北麓平原对全球变暖的响应及其对果业发展 的影响研究131自然资源学报,2003(2):235—239DⅢG M.HUANG C C the influence ofclimatic warming on fruitproduce in northem foot of『23lKREMENc.NILES JO,DALTONMG,酣a/EconomicIncentives for Rain Forest Conservation Acr06sQinlin Mountain[J]The Journal ofScales[j]Science2000Natural Resource,2003(2):235—2396(5 472):1 828一l 832 [24】SCHlMEL D,MELILLO 3 Contribution of increasing COz and climate to carbon storage by ecosystems in the United StatezD] Science,2000.3(5 460):2 004—2006, [25】 MELILLO J M,sTEuDLER P A,ABER J D,鲋al Soil warming and carbon-cycle feedbacks to the climate system U】Science,2002,1215 6011 2 173—2 176[36]HAUG G H,GONTHER D,PE"liERSON L c,el al Climate and the collapse of Maya civilization[J]Science,2003,3(5 613)1 731—1 735f37]ROSEGRANT M w,CLINE S A Global food security:challenges and policies[J]Science 2003 12(5 652):i 917一l 919 f3 81 HOFFERT M I,cALDEIRA K,BENFORD O,“d7 Advancedtechnology paths planet『J1[26】SCHULZE E D,WIRTHC,mIMANNOilM Managing forests afterto到obal climate stability:energy for a greenhouse Science,2002,11(5 595):981—987Researchesthe global climatic change issued in the Science since 1990s:a reviewjournalZHENG Xin-qi,YAOCollegeHui,WANG Xiao-mingofPopulation.ResourcesandEnviromneng ShandongNormalUniversity,Jitmn 250014,ChinaAbstract:In recent years,climatic change has been concerned A lot offruitful results has been got by researchers ofmany countriesIn oforder to understand the progress and the present situation ofthe international researches essays.which are about the climatic change since 1990s in Science which is and read Thecontentanonclimatic change,more than 400 piecesauthoritatlye ioarnal in American,have been geoscience,medical science,physics andbrowsedof these essays involvesmany domainssuchasmicrobiology et a1.In this article,it is concluded and analyzed the typical research which are chiefly in the geoscienceanne:globalclimatic change and land ecosystem,climatic change and carbon circulation,global climatic change and land utilization method, climatic change and mankind’s activim Finally suggestions to researches which need to be studied further are putted forward Key words:climatic change;Science;review万 方数据20世纪90年代以来《Science》关于全球气候变化研究述评作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 郑新奇, 姚慧, 王筱明, ZHENG Xin-qi, YAO Hui, WANG Xiao-ming 山东师范大学人口·资源与环境学院,山东,济南,250014 生态环境 ECOLOGY AND ENVIRONMENT ) 12次参考文献(38条) 1.Alward R D;DETLING J K Grassland 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