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全球气候变暖对生态系统的影响
全球气候变暖对生态系统的影响
黄军,生命科学学院
摘要:
近几百年来，全球气候发生了翻天覆地的变化，主要表现为全球气候变暖。
全球气候变暖也随之产生了很多新的环境问题，影响生态系统的各个方面，如直接导致生物多样性的锐减、海平面上升、冰川退缩、冻土融化、冰湖封冻期缩减、陆地面积减少、中高纬生长季节的延长、动植物生长范围向南北两极和高海拔地区延伸、一些植物开花期提前等。
关键词：
气候变暖；温室效应；生态环境；生物多样性锐减
TheEffectsofGlobalWarmingonEcosystem
HuangJun,CollegeofLifeSciences
Abstract:
Theglobalclimatehasdramaticallychangedoverthecenturies,whichfeaturesglobalwarming.Globalwarmingtriggersalotofenvironmentalproblems,suchasdecreaseinbio-diversity,sealevelrising,frozenearthmelting,theperiodoffreezinglakeshortening,theshrinkingoftheland,growingtimeofthemiddle-highaltitudeprolonging,thescopeoftheanimalandplantextendingfromthepoletohighaltitude,andtheanthesisadvancing.Therefore,theglobalwarminghasaffectedavarietyofaspectsofthebio-system.
Keywords:
Globalwarming;green-houseeffect;eco-environment;lossofbiodiversity
1引言
近百年来，地球气候经历一次以全球变暖为主要特征的显著变化，专家预估:
未来50-100年全球和我国的气候将继续向变暖的方向发展。
我国气候的变暖趋势以西北、华北、东北最为明显。
我国冬季增温最明显，1985年以来，我国已连续出现了17个全国大范围的暖冬，华北地区出现了暖干化趋势。
全球变暖将给地球和人类带来复杂的潜在的影响，既有正面的，也有负面的[1]。
例如随着温度的升高，副极地地区也许将更适合人类居住；在适当的条件下，较高的二氧化碳浓度能够促进光合作用，从而使植物具有更高的固碳速率，导致植物生长的增加，即二氧化碳的增产效应。
但是与正面影响相比，全球变暖对人类活动的负面影响将更为巨大和深远。
据报道，由于气候变暖的影响，珠穆朗玛峰的顶峰下降了1.3米[3]。
2全球气候变暖的原因
造成气候变暖的原因是多方面的，其中人为影响是最重要的。
。
自19世纪末工业革命后，世界各国工业化、城市化快速发展，使大气中CO2等“温室效应”气体持续增加。
而森林植被遭到大量砍伐和破坏，全球森林植被覆盖率持续下降，平衡大气中二氧化碳与氧气的生态功能不断下降，结果导致全球“温室效应”持续增强，使近百年来全球气候持续变暖[2]。
一般气候变暖的原因包括自然和人为两个方面,越来越多的学者认为气候变暖与人为活动有直接关系[1]。
2.1自然原因
自然原因主要包括海洋、陆地、火山活动、太阳活动、自然变率等,不少科学家还将气候变暖归结为大气候条件。
地球逐渐变暖是地球大气自身调节的结果。
自地球形成后，不同的地质时期气候呈现一定的规律,一定幅度的气温波动是正常的,目前地球正处于“增温期”[7]。
丹麦国家太空中心（DanishNationalSpaceCenter）认为,由于帮助形成云层的部分宇宙线被太阳的较强磁场阻挡,导致了地球温度的升高。
从十年至百年的长时间尺度分析,影响气候的长期波动的主要因子是太阳辐射[14]。
俄罗斯天文学家HabibulloAbdussamatov还认为长期上升的太阳辐射是造成地球变暖的原因。
太阳活动是周期性的,能影响大气周期性升温与降温。
在百年尺度至千年尺度变化周期中,主要是76年世纪周期和22年磁周期比较显著,特别是以世纪周期作用最突出。
太阳黑子活动自1935年出现世纪周期的最低点,至1979年出现世纪周期的最高峰,该时期是太阳活动的增强期,对气候变暖作用相当大,甚至在一定时期内可超过CO2的升温作用[2]。
Singer按时段对气温变化进行分析,认为1880～1940年全球气温有所上升,这是“小冰期”（1450～1900年）长期持续寒冷之后的回暖属于自然气候变化,而非人类活动的影响。
不论根据何种平均气温序列,1940～1975年或者气温明显下降,或者在振荡中略有下降[5]。
近600年的地磁场模型资料和全球平均温度序列之间有较好的相关,地表浅层热场是地球深层焦耳热的反映,地磁场通过焦耳热的不断释放影响气候变化[14]。
地磁场变化超前于全球气温变化。
从地磁场的变化来看,21世纪初全球变暖的趋势有所减缓。
中高纬地区冬季气温与厄尔尼诺现象发生具有一致性,即厄尔尼诺现象发生当年冬季气温低,翌年也低;厄尔尼诺现象发生当年冬季气温高,翌年也高。
目前有观点认为,气候变暖其实并不全是因为人类排放出的温室气体,火山喷发同样会排放出大量的温室气体。
各个外界强迫因子在过去的100年可能造成的温度变化中,以火山活动的作用最重要,其次是太阳活动,CO2的影响最小。
臭氧层的破坏,进入地球大气的紫外线增强,地球上所有生物的进化和生存将受到威胁,地表植被和海洋浮游生物的减少或消失,必然减少贮存在植物体和用于光合作用的CO2,从而使大气中的温室气体增加[6]。
2.2人为原因
温室气体、气溶胶、土地利用、城市化等是造成气候变化的主要因素。
在变暖机理研究中,人类活动导致温室效应增强令人关注。
大气温室气体增温效应早在1827年就被证实。
目前,越来越多的学者认为,气候变暖主要因素是人类活动排放的CO2、CH4等大量温室气体[2]。
在产生“温室效应”的原因中,CO2占50%,甲烷沼气占12%含氯氟烃占15%,N2O占10%,O3等占5%。
1750年以来,全球大气中CO2、CH4、N2O和一些氢氟碳化物的含量剧增,目前已经远远超出工业革命前的水平。
CO2的增加主要是人类使用化石燃料所致,而CH4和NO的增加主要是由于人类的农业生产活动。
Crowley利用能量平衡模式（EnergyBalanceClimateModel）研究了近1000年来北半球的气温变化,他认为20世纪的升温中,温室气体的贡献已超过了气候的自然变化。
CO2一旦排放到大气中,可以生存50～200年[10]。
从CO2的生存周期来看,现在空气中很大一部分CO2是发达国家从工业革命以来排放到大气中的,现在仍在起作用。
1750～1950年发达国家排放的二氧化碳占世界总量的95%,1950～2002年,发达国家二氧化碳排放量占世界累计排放量的77%。
IPCC1990年第一次评估报告认为,近百年的气候变化可能是自然波动或人类活动或二者共同影响造成的。
1996年第二次评估报告提到,依据越来越多的各种事实,人类活动对气候变暖产生的影响已被觉察出来[14]。
2001年第三次评估报告认为人类活动造成气候变暖的可能性在66%以上。
到2007年的第四次评估报告认为,人类活动是气候变暖的主要原因,可能性已达90%以上,并且列举了一系列新的气候变化事实。
这些事实主要包括1906～2005年全球地表平均温度升高0.174℃;2005年全球大气CO2浓度379ppm,为65万年来最高;与1980～1999年相比,21世纪末全球平均地表温度可能会升111～614℃;21世纪高温、热浪以及强降水频率可能增加,热带气旋强度可能加强等[14]。
3全球气候变暖的危害
3.1对生态环境的危害
首先，气候变暖使海平面上升、海岸带和海岸生态系统产生变化。
随着温室效应的增强，气温升高，海水温度也随之升高，海水由于升温而膨胀，促进海平面升高。
另一方面，气温升高使南北极和高山冰雪融化，也会导致海平面上升。
其次，气候变暖导致冰川和冻土减少。
高山生态系统对气候变化非常敏感，冰川将随着气候变化而改变其规模。
由于全球变暖，一些冰川出现了减少和退缩现象。
再次，气候变暖导致湖泊水位下降和面积萎缩，湖泊作为降水和有效降水的历史和现代记录，更能反映气候变化的空间变化和区域特征[4]。
北半球冰雪覆盖量自1960年减少了大约10%，山脉冰川在20世纪期间明显退缩。
北极的冰雪厚度在过去的40年间已经丧失了近40%，气候变化导致全球海平面在过去100年中平均上升了0.1-0.2米。
20世纪“平均每年上升1-2毫米”预计1999-2100年上升0.09-0.88米比20世纪高2-4倍。
世界大部分地区降雨明显增加，北半球的中高海拔区每10年增加0.5%-1%，严重降雨事件发生率增加了2%-4%。
亚洲和非洲过去几十年旱灾的频率和严重程度都一直在增加[5]。
对于我国来说，玉龙雪山（27°10′~27°10′N,100°09′~100°20′E）,是中国最南的一座雪山,也是欧亚大陆距赤道最近的海洋型冰川区。
玉龙雪山上现存冰川为典型的季风温冰川（也称海洋型冰川）,这种冰川具有积累消融量大、温度高、运动速度快、对气候变化反应非常敏感等特点。
20世纪50年代以来,以气温升高为标志的全球气候变化在我国季风温冰川区有显著的响应。
实测资料表明,在玉龙雪山所属的丽江地区,1982—2001年的多年平均气温比1962—1981年的多年平均气温升高0.2℃,而1998—2001年4年的平均气温比1982—1997年16年的平均气温上升了0.6℃,表明本区气温快速上升的趋势。
在这样的背景下,玉龙雪山的冰川正发生快速变化,具体表现为冰川消融量增加、冰舌位置后退、冰川面积减小、雪线上升等特征。
根据观测统计,从1982年到2002年,玉龙雪山最大的白水1号冰川的冰舌大约后退了250m;最近几年,冰川退缩的速度在加快,仅仅从1998年到2002年的5年时间内,冰川就后退了100m。
与此同时,冰川厚度和积雪面积也在减小[4]。
3.2对生物多样性的影响
气候是决定生物群落分布的主要因素，全球生物群落的分布与全球年平均气温和年降水量有很好的对应关系，自然植被分布的变化最能体现气候变化的影响。
距今6000年前左右我国植被带明显偏北，现今西北地区的草原和荒漠区，气候变化使某些物种由于不能适应新环境而面临灭绝的危险，也可能出现新的物种体系，并改变植被的水平、垂直分布面积、结构及生产力等，进一步改变植被的组成、结构及生物量，使森林分布格局发生变化，生物多样性减少等等[8]。
气候变化能改变一个地区不同物种的适应性并能改变生态系统内部不同种群的竟争力。
自然界的动植物，尤其是植物群落，可能因无法适应全球变暖的速度而做适应性转移，从而惨遭厄运。
以往的气候变化（如冰期）曾使许多物种消失，未来的气候将使一些地区的某些物种消失，而有些物种则从气候变暖中得到益处，它们的栖息地可能增加，竞争对手和天敌也可能减少[5]。
比如说桔子，过去20世纪70年代，它的最北的边界线是在黄山一线，宣城市也曾经试种过，但到冬天的一场大雪，树木就冻死了。
但现在宣城的桔子树都长得很好。
又如，扬子鳄只生活在宣城、泾县和南陵这样狭小的地带，如果北界线北移，扬子鳄可能会自然绝种。
由于气候暖化的趋势，北极熊可能面临绝境。
据英国《每日电讯报》2月2日报道，来自美国斯坦福大学的气象学家斯蒂芬·施奈德教授1日在英国埃克塞特举行的环保会议上说，全球气候变暖，冰层变薄，破坏了北极熊的生存环境，北极熊很有可能在本世纪中期濒临灭绝。
施奈德说:
“气候的变暖对地球上许多物种的生存都产生了巨大的威胁，使它们不得不去寻找新的生活环境。
然而、工业文明造就的工厂、高速公路以及不断扩张的城市使动物能够生活的地方越来越少，其中许多动物已经灭绝。
气温的不断上升也将影响海水的温度的升高、这将引起更多的灾难。
”施奈德表示，在未来的几十年里，地球上大部分气候的变化是无法避免的。
如果人类对全球的温室效应不采取措施，那么不出100年，北极熊生存的生态环境可能无法维持，北极熊也就会濒临灭绝。
全球气候变暖，冰层就会变薄，无法承载北极熊沉重硕大的身躯，北极熊的捕猎期还会缩短。
这就迫使北极熊不得不到离海岸更远的地方去觅食，寻找能够承受它们体重的冰层。
由此可见，气候变暖将可能直接导致北极熊的绝种。
除北极熊外，海象、小岛、森林生态系统甚至人类珍贵而又独特的因纽特人的渔猎文化也将可能随之消失。
气候变化最显著的指示物之一的珊瑚礁，目前正发生大规模白化现象，尤以1998年的情况最为严重，估计导致世界上16%的珊瑚死亡[6]。
3.3气候变暖对土壤-植物系统的影响
温度是影响植物生长、发育和功能的重要环境因子,是调节许多陆地生态系统生物地球化学过程的关键因素之一,如土壤呼吸、凋落物分解、N的矿化和硝化、细根动态、植物生产力和植物养分吸收都受其影响。
温度的变化或温度与其它因子（如CO2浓度、降水和光照等）的复合变化必将引起植物乃至陆地生态系统类型等不同尺度的变化。
为揭示气候变暖对植物的影响,近年来,国内外植物学和生态学工作者开展大量的研究[6]。
3.3.1气候变暖对土壤呼吸的影响
陆地生态系统中土壤和植物的根是重要的碳汇,在全球变化背景下,土壤呼吸作用将增加,从而进一步引起全球性气候变暖。
模拟实验表明,土壤的呼吸速率通常随着增温而升高[6]。
3.3.2气候变暖对植物气体交换特性的影响
温度实质上影响植物的化学和生物学的整个过程,而CO2的直接影响几乎完全限制在叶片层面,生态系统变暖产生的直接影响比增高CO2浓度更为复杂,环境变暖极可能对植物,尤其在植物的暗呼吸方面的C关系产生直接显著影响。
从已发表实验结果来看,其大体出现3种情况:
一是气体交换对温度升高没有影响;二是温度升高促进气体交换速率;三是温度升高使植物叶片的气体交换速率下调。
由于各研究所采用的处理方法不同（包括不同的升温原理和达到的增温幅度等）,实验的植物种类和生态型对温度的敏感性及其光合作用的最适温度都不同。
再者,植物对温度的响应同时受到其它因子相互作用的影响,如植物内在的水分状况与叶片和环境空气的水蒸汽压差[8]。
3.3.3温度升高对植物水分关系的影响
一般认为,随着叶片温度的升高,气孔关闭、叶肉细胞的胞间CO2浓度升高,叶片的水分利用效率（WUE）提高。
Lorens等的研究结果则显示,气温升高并不影响植物通过气体交换的瞬时水分利用效率,用碳同位素分析法证明变暖处理的植物叶片的δ13C值有变小的趋向,意味着植物的整体水分利用效率（WUEi）变低。
通过气体交换和同位素数据测定植物的水分利用效率的差异主要是瞬时水分利用效率,其与气象条件密切相关,而叶片δ13C主要以长期的整体水分利用效率为基础。
因此,利用同位素分析法能更全面地反映植物的水分利用效率。
何维明等[15][16]利用小温棚升高气温法,探讨气温升高对半干旱毛乌素沙地乡土旱生乔木旱柳幼苗水分状况的影响,结果表明,植物的水分饱和亏缺和失水系数均表现出随气温升高而降低的趋势,气温升高明显地影响植物叶片的蒸腾速率和水分利用效率,后者随气温升高呈逐渐降低的趋势。
廖建雄等[17]对春小麦的升温处理实验结果表明,叶片水平的水分利用效率和群体水平的水分利用效率随温度和CO2的升高而增大,而蒸腾速率的响应则不显著。
一些研究还表明[18],在何种水分条件（尤其是干旱条件）下,叶片气孔导度在高温下均表现出升高的趋势。
由于不同种类、不同基因型植物对温度升高的适应性不同,全球变化导致的温室效应将影响到陆生植物与水分关系的格局。
3.3.4全球气候变暖对物候的影响
全球变暖的另一个明显的后果是春天提早到来。
植物开花、卵孵化、青蛙产卵都在提早。
在英国"蝴蝶在春天的出现较20年前平均提前了6天。
在欧洲树木呈现秋色的时间每10年晚0.3到0.6天,许多迁徙的鸟类正在改变它们的旅行日程。
越来越多的研究显示动植物为了适应气候的变化正不断地改变着其活动范围和行为。
许多情况下，这样的变迁正在引起生态混乱。
例如，迁徙的鸟类到达欧洲的时间太晚，以致其产下的后代错过了毛虫生长旺季，而导致食物短缺最终死亡。
动植物对全球气候变化的反应包括：
地理分布、生理、生活周期、迁徙习性、栖息地发生改变、生存能力降低等。
例如，哥斯达黎加的鸟类濒临威胁，坦桑尼亚和印度尼西亚的蚊子向高海拔地区扩展，加利福尼亚的蝴蝶栖息地在丧失，不能耐受霜冻的植物上升到新的海拔高度，英国彩龟后代的性别比例受到7月平均温度升高的影响等。
3.4气候变暖对农业生产的影响
一年中温度和降水的分布是决定种植何种作物的主要因素，温度及由温度引起降水的变化将影响到粮食作物的产量和作物的分布类型。
气候的变化曾经导致生物带和生物群落空间（纬度）分布的重大变化[13]。
如公元800-1200年北大西洋地区的平均温度比现在高1℃，使玉米在挪威种植成为可能，但到了公元1500-1800年，西欧出现小冰川期，平均气温也只比现在低1-2℃，就造成了挪威一半农场弃耕，冰岛的农业耕种活动则几乎全部停止。
除此之外，全球变暖还会使高温、热浪、热带风暴、龙卷风等自然灾害加重。
因此，全球气温升高后，世界粮食生产的稳定性和分布状况将会有很大变化：
3.4.1农业生产的不稳定性将增加，产量波动将增大。
研究表明:
气候变暖后，灌溉和雨养春小麦的产量将分别减少17.7%和31.4%;早稻、晚稻、单季稻均呈现出不同幅度的减产;玉米总产量将平均减产3%-6%[13]。
气候变暖同时导致美国本土土壤水分蒸发加剧。
随着二氧化碳含量的加倍，美国土壤中水分含量的变化。
据科学家预测，如果不改变现行做法，在未来50年内，美国辽阔的种植区的土壤水分将流失达35％，还不计其他种种恶劣后果。
无疑干旱的土地将导致蔬菜水分减少，农作物减产，火灾次数增多。
不仅如此，科学家们还警告，如果我们不及时采取措施控制导致全球变暖带来的污染，二氧化碳含量很快就会从２倍上升到４倍，这样土壤将流失达60％的水分[7]。
3.4.2农业生产布局和结构将出现变动。
气候变化对我国农业影响的研究表明，冬小麦的安全种植北界将由目前的长城一线北移到沈阳一张家口一包头一乌鲁木齐一线。
据计算，到2050年，气候变暖将使三熟带的北界北移500千米;两熟带地区将北移至目前一熟带地区的中部，一熟带地区的面积将减少23.1%。
我国主要作物品种的布局也将发生变化。
华北目前推广的强冬性冬小麦品种，将由半冬性的冬小麦品种所取代;比较耐高温的水稻品种将在南方占主导地位;东北地区玉米的早熟品种逐渐被中、晚熟品种取代。
3.4.3气候变暖后，土壤有机质的微生物分解将加快，造成地质下降。
气候变暖后，农药的施用量将增大。
随着气候变暖，作物生长季延长，昆虫在春、夏、秋三季繁衍的代数将增加。
温度高还为各种杂草的生长提供了优越的条件。
因此，气候变暖可能会加剧病虫害的流行和杂草蔓延。
病虫害出现的范围也可能向高纬度地区延伸[13]。
我国西北地区气候变暖后虽然有利于越冬作物种植北界向北扩展，多熟制向北推移，喜温作物面积扩大,复种指数提高。
但在作物生长期气温升高，缩短了养分积累的时间，降低了品质。
西北地区东部降水持续偏少，干旱大面积频繁发生，土壤水分蒸发加剧，使土壤变干[9]。
由于水分亏欠抑制了热量资源增加所发挥的作用，有些地区粮食大幅度减产。
气候变暖加重了牧草需水的胁迫，使牧区天然草场退化和沙化，产草量和质量下降，草场生产能力降低，直接威胁畜牧业的可持续发展。
如甘肃省9个纯牧业县之一的天祝县，全县草场退化面积已达136000平方千米占全县草场总面积的26.7%，由于草原草场海拔高度低于草甸草场，受增温降水减少影响更大，草原草场产草量减少程度大于草甸草场[9]。
冬季气候变暖冬温偏高，不但增加了冬季农田土壤水分蒸发影响作物安全越冬，还使越冬病虫卵蛹死亡率降低，存活数量上升，易造成病虫害增大了防治难度，这种情况在甘肃陇南冬麦区表现得较为明显。
气候变暖与农业生产、生态环境、社会发展、经济建设关系十分密切，其影响利弊并存。
因此，要掌握、遵循和充分利用气候变化规律，提高人们对气候变暖的应对能力，研究防御对策，趋利避害，使农业生产获取最佳效益[13]。
3.5气候变暖对人类的危害
3.5.1危害人类健康
人类健康取决于良好的生态环境，全球变暖将成为下个世纪人类健康的一个主要因素。
极端高温将成为下世纪人类健康困扰变得更加频繁、更加普遍，主要体现为发病率和死亡率增加，尤其是疟疾、淋巴腺丝虫病、血吸虫病、钩虫病、霍乱、脑膜炎、黑热病、登革热等传染病将危及热带地区和国家，某些目前主要发生在热带地区的疾病可能随着气候变暖向中纬度地区传播[11]。
气候变暖的另一个结果是，适宜媒介动物生长繁殖的环境扩大，从而使细菌和病毒的繁殖期增加。
专家研究人员认为，气候变暖有利于媒介昆虫的孳生繁衍，提早出蛰，并使其体内的病原体毒力增强，致病力增高。
随着全球气候变暖以及不断增加人和动物宿主的接触，病原体将突破其寄生、感染的分布地区，并形成新的传染病的病原体。
人们观察到，新的病原体引起的新的传染病，对人类健康常常是最具危害性的[11]。
3.5.2危害人类生存环境
全球温度增长实际测量表明，全球总体温度的增长趋势十分明显。
近年来，气温在持续地激烈上升。
测量得25个最热的年份里，有20个都属于最近的25年。
热浪已经开始出现，科学家们认为，如果全球变暖问题没有得到处理，此类热浪将更为常见。
2003年夏天，欧洲遭受了一股强大的热浪，35000人因此丧生。
干旱还带来政治动乱、战争。
以非洲撒哈拉沙漠的边缘地带为例。
让人难以置信的悲剧接二连三地发生，受影响的地区从苏丹南部一直延伸到乍得湖的东岸。
在西岸的尼日尔，干旱横行导致的饥荒使得数百万人受到威胁。
专家还指出，全球气候变暖对人类健康最直接的影响是极端高温产生的热效应，它将变得更加广泛，由于高温热浪强度和持续时间的增加，而导致心脏、呼吸系统为主的疾病或死亡增加，而且热浪对健康的影响城市比农村要大得多。
空气污染与气象条件的关系也十分密切，在人口密集的大城市，由于热岛环流的存在，导致空气污染不易排放出去，容易造成污染，大气中的污染物进入人体后，会引起人体感官和生理机能的不适反应，产生亚临床的和病理的改变，出现临床体征或潜在的遗传效应，这也是致病的原因之一[12]。
综上所述，气候变暖已经影响到了我们生活的各个方面。
因此，研究气候变暖的原因，从源头上解决气候变暖对人类的影响已经使我们责无旁贷的使命了。
笔者认为我们应该从自己做起从日常生活中注意自己的行为，减少平时生活中造成气候变暖的因素如CO2温室气体的排放。
共同保护我们人类共有的家园。
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