第９卷第６期 ２０１３年１１月 气候变化研究进展 ＰＲＯＧＲＥＳＳＵＳ ＩＮＱＵＩＳＩＴＩＯＮＥＳ ＤＥ ＭＵＴＡＴＩＯＮＥ ＣＬＩＭＡＴＩＳ ＶＯ１．９ ＮＯ．６ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２０１３ 编者按： Ｓｃｉｅｎｃｅ杂志２Ｏ１ ５年８月２ Ｅｌ发表了“气候变化中的自然系统”专栏，从开阔的时问及空间视野，分析气候 变化对生态环境乃至人类进化的影响。这里刊登王绍武等对这个专栏主要内容的介绍。 ｄｏｉ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１６７３—１７１９．２０１３．０６．００８ 王绍武，罗勇，赵宗慈，等．气候变化中的自然系统［Ｊ］．气候变化研究进展，２０１３，９（６）：４４０—４４５ 气候变化中的自然系统 Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｉｎ Ｃｈａｎｇｉｎｇ Ｃｌｉｍａｔｅｓ 王绍武ｌ ＿，罗 勇 ， 赵宗慈 ， 闻新宇 ，黄建斌 北京大学物理学院大气与海洋科学系气候与海一气实验室，北京１ ００８７ ２清华大学地球系统科学研究中心，北京１ ０００８４ 引言 人类活动造成的气候变化已经成为我们生活的 一互作用，需要大气科学家、海洋学家、生态学家、经 济学家以及政治家的合作。 研究之所以涉及到地质时期，一个原因是那时 部分。到２１世纪末，根据最乐观的估计，全球平 均温度也要比工业化前上升２℃以上，而排放到大 气中的ＣＯ 可能继续影响气候达万年之久。现在全 的条件可以作为预测未来的相似物。当然不可能找 到与未来气候完全一样的相似物。例如，当前气候 变暖的速率可能是前所未有的高，这样就可能产生 广泛的物种灭绝。海洋层结更强、生产力下降，这 些生态变化将对人类产生深远的影响，仅海洋生态 球变暖的速率可能达到６５００万年来的最高值，以距 离来衡量未来产生的生态变化，可能相当于每年生 态环境移动数公里。这不仅对于我们这一代人，甚 至对今后若干代人都是一个严峻的挑战。 变化即将伤害到２０％的人口。粮食生产也将受到影 响。这种对人类不利的环境变化将继续数千年，要 恢复生物多样性可能需要更长时间。 这还是乐观的估计，因为我们面对的不仅是温 为了预见全球变暖对整个生态系统及人类的影 响，Ｓｃｉｅｎｃｅ杂志于２０１３年８月２日一期中发表了“气 候变化中的自然系统”专栏，除了编者按ｌ１ｉ及引言＿２１ 外包括４篇报道及７篇综述性论文。这些文章以开阔 的视野分析了气候变化对陆地生态、海洋生态、生 物的相互作用、物种的变化、粮食安全、传染病以 室气体的增加，还包括海洋富营养过程、空气和水 的污染、土地利用以及其他可能遭受到的侵害。例 如，我们可能倾向于把５５００万年前的古新世与始新 世之交的热力极大（ＰＥＴＭ）作为未来气候变暖的相 似物。但是，那时没有上面提到的其他损害。因此， 及人类形成的影响。这些文章引用了６２７篇文献，相 当准确地反映了当前国际上对这个问题的最新认识。 自然系统提供了人类赖以生存的氧气、纯净水、粮 食及其他一切自然产物。但是要研究和预测未来自 然系统的变化是一个极大的挑战。因为这涉及到大 需要科学家进行广泛的合作来面对这个挑战。 限于篇幅，不可能对该专栏涉及的每一个问题 都进行分析，下面只集中讨论４个问题：气候变化对 陆地生态的影响、温室世界与冰室世界的海洋生态、 海冰消融对北极生态的影响、大草原与人类。 气、海洋、冰冻、陆面、植被以及生物等圈层的相 资助项目：中国科学院战略性先导科技专项（９－ＸＤＡ０５０９０１０４，９－ＸＤＡ０５０８０８０１） ６期 王绍武，等：气候变化中的自然系统 １ 气候变化对陆地生态的影响 ２１００年大气中ＣＯ，浓度可能超过９２５×１０ （图１ｃ）。 按照这个估计，到２１世纪末，大气中ＣＯ，浓度显然 现在相对于工业化前全球平均温度已经上升了 会达到８０万年（图１ｂ）的最高值。而且，除了个别 ０．８℃。陆地升温的幅度约为海洋的２倍，不少地方 记录外，也可能高于过去２２００万年（图ｌａ）的大部 升温超过了１．２℃。按照典型浓度路径ＲＣＰ８．５情景， 分情况。此外，更为严重的是，如果把地球的化石 到２０８１ ２１００年，几乎所有的陆地升温均可达到 燃料全部耗尽，则有可能使大气中的ＣＯ，浓度达到 ４℃以上，北美及北欧将超过６℃。因此，气候变化 ２０００×１０ ，那样在未来１０００年中ＣＯ２浓度将一直 对陆地生态的威胁是十分严重的。 保持在１５００×１０ 之上（图ｌｄ）。这就是我们面临 Ｄｉｆｅｎｂａｕｇｈ等 １详细分析了２ １世纪气候变化可 的严峻形势。 能对陆地生态系统的影响。特别强调了未来气候变 另一个严重问题是气候变化的速度。古新世 化的强度与速度。图１给出４个时间尺度的大气ＣＯ 始新世ＰＥＴＭ约出现于５５００万年（５５ Ｍａ）前，那 浓度，包括过去２２００万年（２２ Ｍａ①，Ｍａ即百万年）、 时在１万年的时间内温度上升了５℃ｌ４１。但是，根据 ８０万年（８００ ｋａ，ｋａ即千年）、２１世纪及未来１０００ ＲＣＰ８．５情景，２１世纪在１００年内即可能升温５℃，是 年。首先指出，从目前ＣＯ：排放情况来看，接近 ＰＥＴＭ时变暖速度的１００倍。即使按照最低排放 ＲＣＰ８．５情景，这是４种情景中最高的排放情景，到 ＲＣＰ２．６情景，变暖的速度也是ＰＥＴＭ时的１０倍。近 ２０００ ２０００ １６００ １６００ １２００ １２００ 呈 ＼ ０ 导８００ ８００ ８００ ８００ ０ Ｕ 廿 ４００ ４００ ４００ ４００ ＾一，、ｒ”．厂 ．卜．．．Ｉ （ｂ） Ｏ ０ ０ ０ １５ １０ ５ ０ ８００ ６００ ４００ ２００ ０ ２０ｌ０ ２１００ ２００ ６００ １０００ 距今时间／Ｍａ 距今时间／ｋａ 年份 碳耗尽后时间／ａ 一多种代用资料的误差范围 。。ＲｃＰ８・５ ◆化石燃料全部耗尽 ｌ多种代用资料的最佳估计 ｌ南极冰芯合成值 一ＲＣＰ６ 一一次性排放２×１０”ｔＣＯ２ 一ＲＣＰ４．５ ●古土壤记录 ’—。ＲＣＰ２．６ 图１过去和将来可能发生的大气中ＣＯ：浓度变化（ａ）过去２２ＭａＣＯ 浓度，（ｂ）南极冰芯的ＣＯ ，（Ｃ）不同ＲＣＰｓ的ＣＯ 浓度， （ｄ）燃烧所有化石燃料后未来１０００年ＣＯ 变化范围 Ｆｉｇ．１ Ｐａｓｔ ａｎｄ ｆｕｔｕｒｅ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ＣＯ２ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ（ａ）ｔｈｅ ｈｉｇｈ－ｌｏｗ ｒａｎｇｅ ｏｆ ＣＯ２ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ ｏｖｅｒ ｔｈｅ ｐａｓｔ ２２ Ｍａ， （ｂ）ＣＯ２ ｆｒｏｍ Ａｎｔａｒｃｔｉｃ ｉｃｅ ｃｏｒｅｓ，（Ｃ）ＣＯ２ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ＲＣＰｓ，（ｄ）ｔｈｅ ｈｉｇｈ—ｌｏｗ ｒａｎｇｅ ｏｆ ＣＯ２ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ ｏｆｒ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ １ ０００ ｙｅａｒｓ ａｆｔｅｒ ａｌｌ ｆｏｓｓｉｌ ｆｕｅｌｓ ａｒｅ ｃｏｍｂｕｓｔｅｄ ①这里指距令（１９５０年）的时间，如距今２２００万年前，可记为２２ＭａＢＰ，为简单，本文省略ＢＰ，记为２２Ｍａ。 ６期 王绍武，等：气候变化中的自然系统 风暴，使得北极成为一个缺氧的“湖”。 始新世晚期ＣＯ，达到７００×１０ ～１２００×１０， 跨过始新世与渐新世交界（３４ Ｍａ），下降到４００× ｌ０ ～６００ Ｘ １０ ，这使得热带海温下降了几度。从 以来，海冰面积已经损失了２００万ｋｍ ，冰藻及浮游 植物的栖息地受到影响，这涉及到北冰洋５７％的初 级生产力。冰藻繁盛的季节性时间受控制于变薄的 海冰，对浮游生物再生产有决定性的作用。当冰退 ３４ Ｍａ到１５ Ｍａ高纬深海温度下降了４～７℃。这时 南极冰盖增长，北极变冷。环南极的洋流增加了赤 缩后浮游植物的繁盛对桡足类动物的生长及存活有 重要作用。这两种生产力的脉动及季节性融冰释放 道到南极的温度梯度，增加了营养物的涌升，逐渐 形成现代的极区生态系统，极冰的增长使３４ Ｍａ海 平面下降５０ ｍ，３５ Ｍａ北半球冰盖增长，开始了冰 期一间冰期旋回，海平面变化幅度达到１２０ ｍ。大约 从１４ Ｍａ开始北极也从一个缺氧的“湖”变成一个 有永久海冰的盆地。 在温室世界中高纬海洋处于贫营养状态，主要 初级生产力在低纬地区，有机物及营养循环效率高， 浮游植物个体小，食物链长，顶级食肉动物（如鲸） 个体小。到３４ Ｍａ生态系统移到南半球高纬地区，食 物链缩短，鲸才达到现代的体形。热带涌升硅藻生 产力刺激了鲸的远距离迁徙，同时海豚、企鹅、深 海金鱼也开始扩散。从１５ Ｍａ开始两极的海豹也 发展起来。珊瑚礁从４２ Ｍａ开始出现，但是大礁的 增长主要在２０ Ｍａ之后，相应的鱼类也开始生成。海 平面高度对浅海的生态系统影响巨大。 ３海冰消融对北极生态的影响 海冰作为地球的一个生物群落，不仅在冰上、冰 中及冰下有自己的生态系统，对临近陆地的生态系 统也有重要的影响。海冰集聚了一系列的微生物， 给一些脊椎动物提供了栖息地，并影响整个北极的 陆地生物生产力和生物多样性。在极区８０％的低地 苔原处于季节性海冰边界的１００ ｋｍ之内。海冰消融 使极区变暖加剧是对生态动力学的主要影响，季节 性温度是控制生产力的主要因子ｌ１ 。 海冰消融是人类活动造成的影响中最引人瞩目 的事件。过去几十年，极地变暖速度是全球平均的 两倍，海冰消融正在加速进行。２０１２年海冰达到了 历史最低值。海冰消融速度超过了模式的预估，至 少达到了１５００年以来未遇到的程度。 北极海冰消融影响到海洋生物链，从２０世纪末 的有机物是北极海洋食物链的关键环节。 由于海冰变薄，融冰时间增长，过去３０年融冰 季增加了２０ ｄ，冰藻与浮游植物繁盛的季节性受到 干扰。这就造成浮游动物生产的时间与食用者之间 的不匹配。融冰季节提前，浮游植物提早繁盛可能 缩短北极海洋初级生产力的时间长度，影响浮游动 物的生产和北极的鳕鱼，因此影响到海鸟及海洋哺 乳动物。 气候变暖使海冰厚度变薄、冰上积雪减少，会 增加海冰初级生产力。２０１ １年盛夏冰下浮游植物的 繁盛可能就是因为光较容易穿过１年生的薄冰。因 此，厚的多年生海冰被薄的１年冰代替可能使藻类 及浮游植物的繁盛频率及强度增加。但是，由于海 冰融化，透光层海水淡化减少了浮游植物的营养，限 制了生产力。同样，海冰变薄使冰藻脂肪酸含量减 少，因而减少了桡足类的饲料。此外，海冰融化及 沿岸河水径流增加使北冰洋淡化，大的微浮游生物 为较小的所代替，减少了海洋食物链中能量的传输。 依赖海冰觅食、生产、休息的脊椎动物也会因 海冰融化、变薄而受到影响，如北极熊。阿拉斯加 楚克奇沿岸太平洋海象的大量死亡可能因为架 失去了海冰。海冰的消融还可能影响种群的移动、 混合及病源体传播，间接影响生态动力学。一些物 种现在只是在夏季无冰的季节才遭受孤立，但海冰 减少会使夏季之外的时间减少漂流的冰及冰岛之间 的迁移。所以海冰减少、融冰季节增长会造成品种 之间的隔绝，例如北极狐及狼。极冰消融、气候变 暖还可能有利于新疾病的侵入及传播。海冰消融也 可能改变食物生态，从而使种群的寄生虫群体发生 变化。例如原来哈德逊湾的厚嘴海鸭以鳕鱼为食， 后来改为吃小海鱼，就影响了通过食物链传播的寄 生虫。 海冰消融还可以影响陆地生态系统。由于变暖， 气候变化研究进展 ２０１３年 陆地初级生产力可能增强。因为北极土壤融化的日 期可能提前，冻结日期可能推迟，同时可使沿海ｌ５００ ｋｍ以内的多年冻土变暖。在西格陵兰人们就发现植 物生长季与海冰的多少有关，海冰少时植被提前变 绿。整个极地苔原生物群落与海洋系统有密切的关 系，对海冰特别敏感。随着海冰消融，陆地初级生 产力增强，这可以改变生态系统的碳通量。例如，海 冰消融，极地灌木增加，苔原甲烷排放量增加，苔 原野火也可能增加，从而改变陆地碳排放。 不过对于海冰消融的影响，目前还有很多认识 不够的地方，但是无论如何海冰消融是影响海洋及 陆地生态的一个重要因素，需要多学科联合研究。 海冰消融使人类有可能开发沿岸及近海，并延伸海 上交通，这是值得注意的。 ４大草原与人类 人类是环境的产物。１９２５年著名解剖学家Ｄａｒｔ 研究在非洲发现的第一个人类头骨时指出，这种猿 人与早期的类人猿完全不同。类人猿在繁茂的热带 雨林中懒散地生活，很少遇到什么挑战。而猿人生 活在干旱的大草原，则要与锯齿虎和其他凶猛的动 物争夺食物和水，结果形成智人。为了造就成人，需 要完全不同的训练，以提高智能。这就是“大草原 假说”。由于气候干旱，草原扩展，我们的祖先走出 森林，在齐腰深的草丛中直立行走，以发现食肉动 物并捕食。这就了双手来使用工具，刺激了大 脑的进化ｌ“１。现在很少人直接相信Ｄａｒｔ所讲的这个 人类进化的故事。但是，这个假说却是最早提出来 气候与环境变化造就了我们这样的人类。虽然人们 开始承认这个思想是一个智慧，但是缺少直接的证 据。尽管从海洋沉积与冰芯得到了过去环境的证据， 并且发现与人类的进化步伐有某种一致性，但是相 关不等于因果。与猿人相距几千里之外的环境记录， 仍然不能用来作为环境影响猿人进化的证据。 然而，随着科学的进步，情况发生了变化。科 学家重建了发现人类祖先的地方的古环境与古气候。 人们发现４００万年前图尔卡纳盆地是一个内陆海，面 积比现代的湖大３倍。那里曾经发现了７个人科的遗 骸，包括一个我们的直接祖先…直立猿人。在非 洲的北边，在６００万～５００万年前气候变干，这 得到了氧同位素的证明。这正是人科与黑猩猩分离 的时期，因此支持了“夫草原假说”。后来又在７００ 万～４００万年前的森林中发现了３个直 人科，这 似乎不利于“大草原假说”。然而，Ｃｈｏｉ［ 】、Ｃｅｒｌｉｎｇ 等ｌＩ３。。 ０及Ｓｐｏｎｈｅｉｍｅｒ等 Ｉ打破了僵局，他们证明８００ 万～６００万年前非洲气候变干，大草原扩展。因为 １０００万年前大气中的ＣＯ，浓度开始Ｆ降，效率更高 的Ｃ 植物（主要是草和莎草）增多。而树木及灌木 为Ｃ 植物，逐渐被取代。Ｃ 植物从１０００万年前占 １％，增加到现在的５０％。Ｃｅｒｌｉｎｇ等 ０研究＿ｒｌ动物 牙齿的珐琅，由于Ｃ 植物更多地用Ｃ”而Ｃ 植物倾 向于Ｃ ，所以根据６”Ｃ即＿Ｈ丁判断这些动物以多少Ｃ 植物为食。干旱气候使大草原扩展，６００万年前食草 动物如羚羊转而主要以Ｃ 植物为食。这表明人科确 定生活在大草原的背景下。Ｃｅｒｌｉｎｇ等研究了类人猿 到人科的直立人的多个牙齿标本，发现从３５０万年 前的南方古猿（最有名的就是露茜）开始，其后代 的食物均以Ｃ 植物为主，虽然目前还无法断定是直 接食用ｃ 植物的茎、叶、果实，还是食用＿＝广以Ｃ 植 物为主食的动物。但是，这对：Ｆ＿ｒ解我们祖先的生 活已经前进了一大步，也提供了大草原在人类形成 中重要作用的直接证据。而且，大草原还对人类的 进化有影响。最早的直立人行走还有很多老的步态， 而草原有利于更有效地行走及跑动，有利于形成脚 弓及较大的脚趾，形成现代人的步态。 此外，也有人强调气候变率的影响。能够生活 在潮湿的森林中，同时也能够生活在干旱草原的个 体，必然优于那些只能生活在一种环境中的个体。 ２６０万年前的石头工具、１８０万年前的工具箱及３０万 年前中石器时代的技术无不发生往剧烈的气候变化 时期，也就是干、湿交替时期。 参考文献 …ＭｃＮｕｔｔＭ Ｃｌｉｍａｔｅ ｃｈａｎｇｅｉｍｐａｃｔｓ［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０１３，３４ｌ：４３５ ［２］Ａｓｈ Ｃ，Ｃｕｌｏｔｔａ Ｅ，Ｆａｈｒｅｎｋａｍｐ—Ｕｐｐｅｎｂｒｉｎｋ Ｊ，ｅｔ ａｌ Ｏｎｃｅ ａｎｄ ｆｕｔｕｒｅ ｃｌｉｍａｔｅ ｃｈａｎｇｅ［Ｊ］＿Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０１３，３４１：４７３ ［３］Ｄｉｆｆｅｎｂａｕｇｈ Ｎ Ｓ，Ｆｉｅｌｄ Ｃ Ｂ Ｃｈａｎｇｅｓ ｉｎ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｌｙ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌ
