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气候变化与生态系统的威胁、机遇与解决方案

气候变化与生态系统的威胁、机遇与解决方案

图片来自网络

2020年1月27日,《英国皇家学会哲学会刊B辑:生命科学》(Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences)发表题为《气候变化与生态系统:威胁、机遇与解决方案》(Climate Change and Ecosystems: Threats, Opportunities and Solutions)的专刊,讨论了气候变化与生物圈之间的相互作用,探讨了关于生态系统如何应对气候变化、如何增强生态系统适应力,以及生态系统如何协助应对气候变化挑战的新颖观点,并确定了在21世纪严峻的环境条件下维持生态系统的多样性、恢复性和健康性,所需要的学术研究和业务实施的优先事项。专刊文章的内容主要来自于2018年11月美国国家科学院与英国皇家学会联合主办的“气候变化与生态系统论坛”。本文对专刊文章的主要内容予以介绍,以供参考。

1 气候变化对生态系统的威胁与挑战

自然生态系统的变化威胁着世界范围内的生物多样性,并对全球粮食生产产生影响。专刊论文讨论了气候变化对不同生态群落(陆地植物、海洋沉积物中的无脊椎动物、陆地土壤微生物等)的生态系统特性(生物多样性、营养网或能量通量、养分循环或物质通量)的影响。

长期以来生态学家一直在研究气候变化的模式、方向与速度,但现在迫切需要将目前的理解扩展到气候变暖加速时突然变化的经验观察。生态系统突然变化(ACES)是一种普遍存在且频率不断增加的突变现象,其变化具有时间上的快速性和相对于驱动因素的快速性。题为《气候变化、生态系统和突然变化:科学优先事项》(Climate Change, Ecosystems and Abrupt change: Science Priorities)的文章,将气候变化与极端因素和生态系统突然发生且不可逆转的变化联系起来。文章指出,从经验上很难观察到ACES,因为极端事件从本质上讲是随机、很难预测的。尽管如此,作者还是敦促科学家将ACES对气候变化的响应的监测、解释和预测作为研究重点。

提高对土壤微生物群落功能作用的理解的主要挑战是将气候变化下其结构和功能的变化联系起来。为了应对这一挑战,需要对构成土壤微生物群落抵御极端气候和从极端气候中恢复的能力的机制有新的认识。题为《土壤微生物群落对极端气候的响应:抗性、弹性和向替代状态的过渡》(Soil Microbial Community Responses to Climate Extremes: Resistance, Resilience and Transitions to Alternative States)的文章,考虑了极端气候和历史突发事件,综合了对地下生态群落属性的当前理解,这些属性使地下生态群落具有抵抗力、弹性或对极端气候的脆弱性。文章重点介绍了研究挑战,探讨如何增进外界对土壤微生物群落对极端气候的抵抗力和复原力以及它们向替代状态过渡的脆弱性理解。虽然对地下生态群落在慢性压力下的反应已了解得很清楚,但作者认为地下生态群落对气候极端事件的响应及其应对突然的生态变化的潜力是应解决的关键知识缺口。

生态群落的复原力需要长期视角,以增进对生态群落对变化的反应的理解。题为《如果树木被烧毁,森林会消失吗?温带森林的历史动态有助于制定管理战略》(If the Trees Burn, is the Forest Lost? Past Dynamics in Temperate Forests Help Inform Management Strategies)的文章,利用北半球和南半球温带森林的花粉与木炭的古环境记录来考虑火在改变林木种类组成中的作用。研究发现,森林物种组成对变化的火势的适应力或脆弱性取决于多种当地因素,包括气候、土壤条件与历史遗产;在某些情况下,极端事件与生物物理反馈相结合,可能导致由长寿物种组成的生态系统对单个火灾事件的响应完全改变。在第四纪晚期,温带森林同时经历了长期的稳定和突变,以应对气候变化和人类活动,因此需要对特定位置的稳定性与不平衡性加以研究,以预测在全新世及其以后前所未有的升温速度下未来的生态情景。这项工作强调,关于生态复原力的长期观点有助于指导着重于环境保护的战略,并确定易受攻击的物种和生态系统,以应对未来的气候变化。

气候变化最终会导致陆地生物多样性的丧失,并通过土地利用变化(即气候变化驱动的农田扩张)直接或间接影响生态系统的碳存储。题为《通过模型和情景比较未来农田扩张对全球生物多样性与碳储存的影响》(Comparing the Impact of Future Cropland Expansion on Global Biodiversity and Carbon Storage Across Models and Scenarios)的文章,使用一种建模方法来探索生物多样性和碳损失预测的不确定性,并指出尽管土地使用预测相关的不确定性很大,但未来的农田扩张很可能会对许多生物多样性热点地区的生物多样性和碳储存产生负面影响,包括墨西哥、亚马孙地区和刚果盆地。这项工作强调,在评估气候变化对生物多样性和碳的总体影响时,考虑通过土地利用变化产生的间接影响的重要性。

《气候变暖背景下植物群落多样性的减少多于增加》(Plant Community Diversity Will Decline More than Increase Under Climatic Warming)指出,与气候变暖所造成的增加相比,陆地植物群落的多样性的损失更严重,并呼吁进行实验性工作以检验这一预测。文章称,目前的证据表明气候变暖通常可以增强温带纬度地区的植物多样性,但这一结论可能无法推广。研究人员预测,在缺水的生态系统中,多样性的净丧失将占主导地位。在没有陡峭的地形梯度、且附近没有发现潜在的替代物种的温度受限的系统中,也将发生净损失。

2 提高气候变化抵御能力的机遇

生态系统在气候系统中发挥着积极作用,特别是通过其在碳循环、水循环和其他生物地球化学循环中的作用。如果以一种强有力的生态系统和生物多样性科学的方式进行可持续管理,则生态系统可以成为人类复原力的主要来源,并能够支持人类社会适应环境的迅速变化。换言之,生态系统不仅容易受到气候变化的影响,而且有可能成为应对适应和减缓气候变化挑战的重要盟友。

生态系统对气候变化的反应很复杂,人们对该领域相关知识的理解还不完全,只能部分纳入生态系统功能和动态的未来预测中。在许多情况下,这种复杂性可能会起到缓冲作用,需要更好地理解。多营养相互作用和营养冗余可以帮助生态系统从生物多样性热点的干扰中恢复。对保护区网络中关键区域的战略保护,可以在广泛的景观尺度上增加适应力和改善生态系统服务,包括减缓气候变化的生态系统服务(例如碳储存)。

3 基于自然的解决方案

生物多样性不是气候变化的受害者,反而可以被视为应对气候变化的关键盟友。生态系统管理和基于证据的认真恢复和管理有可能在减缓和适应气候变化方面发挥主要作用。然而,基于生态系统的解决方案还远远不够,仍然迫切需要解决化石燃料排放问题作为制止气候变化的主要办法。另一方面,基于自然的解决方案通常对人类社会有许多协同效益。专题文章说明了这些共同利益,例如城市生态系统、热带森林与高纬度生物群落,采用了从恢复水文功能到森林保护和恢复,再到营养级再野化(trophic rewilding)等各种战略。专题文章还表明,一些基于生态系统的不良适应气候变化行动(例如大规模生物能源、天然草地和泥炭地的绿化)可能会对陆地生物多样性和复原力产生负面影响。未来仍然需要更好地了解基于自然的解决方案对渔业、农业和其他生态系统服务对人类社会的好处,包括对多种生态系统服务的生态系统管理如何有助于减缓气候变化。这种证据的合成需要评估低估负面结果的挑战,还需要将这种分析扩展到更广泛的栖息地和生态系统,并在适当的时空范围内使用多个响应变量来评估基于自然的解决方案的有效性。基于自然的解决方案在减缓和适应气候变化方面已有越来越多的证据基础,这通常表明基于自然的解决方案是有效的,但需要更多地强调确定其局限性和挑战。

理解和实施基于自然的实施方案来适应和缓解气候变化的主要挑战是可扩展性。气候变化是一个全球性问题,需要多辖区和多国联合治理,然而,许多基于自然的实施方案案例都涉及相对较小空间尺度上的概念研究证明。基于自然的实施方案的其他好处可能非常重要,并且可以克服机会成本。基于自然的实施方案的成本和收益以及问题本身在各个社会群体中都是不平等的。如何制定制度,使受益者有权执行管理措施?如果全球社区对贫困社区的本地解决方案进行投资,则可能会带来当地和全球的利益。

4 学术研究的作用

广泛的学术研究可以帮助理解生态系统对气候变化的反应,并促进基于生态系统的适应和减缓。在生态科学方面,迫切需要了解生态系统如何运作,在没有历史模拟的环境条件下它们将如何变化以及将继续变化,以及需要采取何种干预措施来维护和恢复生态系统。就环境经济学而言,有必要了解任何干预措施的成本和收益,以及这些成本和收益如何在整个社会中分配。在政治生态学方面,有必要了解所涉及的权力关系,以及可能导致行为和政策发生积极变化的催化剂有多有效,以及如何设计和实施社会公正的管理解决方案。

专刊文章为自然和社会科学家确定了以下优先事项:①更有效地传达已经存在的证据基础,以便以建设性的、有用的方式将科学知识传达给决策者与其他利益相关者,在为行动提供信息的同时带动政治意愿。②识别并解决生态系统科学中关键但难以处理的知识空白;③确定如何支持和传播提高弹性和适应性的复杂性的关键要素;④确定哪里有协同作用和权衡,最大限度地发挥不同生态系统服务之间协同作用的干预措施对于解决方案至关重要;⑤实施和/或维护长期监控,这是在复杂情况下充分了解变化轨迹并评估管理干预措施成功与否的唯一方法。

转载本文请注明来源及作者:中国科学院兰州文献情报中心《资源环境科学动态监测快报》2020年第03期,裴惠娟 编译。

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