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《science》；

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P461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。

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4.5d，其中16%的植物在90年代比之前的开花时间明显提前大约15d；

只有10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[1]。

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[2]，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[3],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CO2的浓度变化,它也会影响植被的变化。

当大气中CO2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CO2的浓度升高时,C3植物不论是单独生长还是共生竞争都比C4植物更受益于这种变化。

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CO2浓度和植被的变化）来研究植被的变化与CO2浓度的关系，证明CO2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[4]。

但仅考虑CO2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C4植物繁盛的关系时发现C3和C4植物的相对繁茂程度受许多环境因素（包括降水量、温度、季节突变、大气中的CO2）复杂的相互关系控制。

没有合适的湿度和温度只有CO2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[5]。

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。

RichardD.Alward等[6]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C4植物（B.gracilis）的初级生产力的减少及与C3非禾本草本植物（包括本地种和迁移种）数量和产量的增加具有正相关的关系。

气候的变暖导致了一系列的后果：

C4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.RebeccaShaw等[7]通过对加利福尼亚一年生草原的实验发现只考虑CO2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，CO2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.PhilipGrime等[8]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。

MarkB.Bush等[9]利用康斯薇洛湖沉积物中的花粉纪录来研究48000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（1000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。

WolfgangLucht等[10]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。

不仅在最近时期，地质时期的研究也反映了这一点。

DominiqueJolly等[11]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CO2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CO2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CO2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、CO2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[12]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65000年里C4植物繁茂程度的变化。

因为C4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65000年前到45000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。

NingZeng,J等[13]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大气－陆地－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[14]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。

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CO2浓度的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CO2，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CO2，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CO2的施肥效应吸收大气中的CO2，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[15]。

这一发现又被许多研究证实，大多数是北美和西欧的研究，利用的多是森林总量数据[16]。

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%[17]，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50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gesep全球节能环保网使碳的存储量加大，不论是在总量还是单位面积上[18]。

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CO2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CO2的增加量。

OliverL.Phillips等[19]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（0.71±

0.34）t碳，是一个显著的碳汇。

2.2陆地生态系统吸收CO2的影响因素

陆地生态系统吸收CO2从而影响气候变化，因此有必要了解陆地生态系统吸收CO2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。

陆地生态系统吸收CO2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。

MichaelL.Goulden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CO2的净吸收量的变化（1991－1995年变化幅度1.4~2.8t/hm2）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[21]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CO2。

这项研究通过测量大气中CO2与人造卫星测量温度和植被指数来调查气候、CO2与生态系统之间的关系，研究出了气候变化与CO2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CO2施肥作用,N的沉积作用及气候变化促进的树木生长[22]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）[23]。

第四，CO2浓度升高和气温升高对陆地生态系统净吸收碳的影响：

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CO2的浓度及气候之间的关系（植被/生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[24]。

另一项研究在马萨诸塞州的Harvard森林（属于中纬度阔叶林）进行了从1991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CO2，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[25]。

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。

Ernst-DetlefSchulze等[26]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的差异性，通过4种通量的计算表明：

自然生长的树木对于减少CO2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。

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）[27]。

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T<

=10℃的地区,土壤有机碳储量与温度的负相关性最强;

在10℃<

T<

=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T>

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[28]。

3土地利用方式变化与全球气候变化

目前，大气中CO2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旱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，偏干的增加，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3500aBP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[29]。

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）[30]。

R.A.Houghton等[31]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）×

109t。

结果表明：

陆地系统的管理吸收的CO2抵消了化石燃料燃烧释放CO2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CO2。

这一事实得到了北美R.J.Scholes等[32]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。

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[33]。

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（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）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CO2、CH4及N2O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℃，海平