【原】【图文课件】04-4 气候变化：自然与人类的共同胁迫

《生态学：管理大自然的经济学》 

Ecology: The Economy of Managing Nature

复旦大学生命科学学院赵斌教授在中国大学MOOC网站上倾心打造的《生态学：管理大自然的经济学》。关注本公众号，可在第一时间获得课程的同步更新。

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同学们好！今天，我们将讨论地球生态系统如何受到气候变化影响的，造成气候变化的主要原因是什么。大家看到的屏幕上的这两本书，是我几年前翻译的，但我今天并不准备对这两本书做广告，而只是告诉你，我做本节课是有一定沉淀的。关于全球变化的问题呢，其实我已经做过一些微课程了，我在这里就不准备重复之前所讲的内容，但也有不可避免的重复。总体上，我是准备用有限的时间说点儿有信息增量的内容。如果你对这个话题有兴趣，不妨去找找我之前所做的一些课程，我相信大部分疑问都在那些课当中能找到答案。我说的这些课程，是我分享在网上的《自然地理学》在线课程第九章。

气候变化的问题，从地球诞生以来就一直存在。如果没有气候变化，也就没有适合于目前人类生存的各种环境条件。从20世纪初，魏格纳提出了大陆漂移说，到现代空间技术和计算机的发展，我们对地球的整体探索成为现实，我们越来越发现：人类只是世界的一部分，而不是世界的全部；地球生命的出现影响了环境，反过来生命系统又必须适应这种环境的改变；地球生态系统及其物理化学环境紧密耦合在一起的。

那么，气候是什么呢？这其实很难说是人人皆知的问题，所以我还是得给大家说一说。地球的气候系统，就是一个由大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈所组成的高度复杂的系统，大家从这张图就可以看出各圈层之间发生着强烈而复杂的相互作用。太阳是地球能量的最终来源，所以太阳活动的变化，对地球有影响，这是毋庸置疑的。在决定地球气候系统的行为方面，影响因子就太多了，最重要的外部因素当然是太阳，而地球不同的纬度，由于阳光照射的差异，就出现了不同的气候分带。大家注意，我刚才说的阳光照射的差异，其实并不是距离太阳的远近，而是光线直射和斜射的差异，所以还有地球大气的作用。高纬度地区，阳光要到达地面，需要穿透更多、更厚的大气层。我们应该还知道，地球相对于太阳的运行轨道的变化，使得地球有季节变化和年际变化。最重要的特点是，具有生命的地球，生物过程与物理化学过程的强烈相互作用，以此构成了复杂的地球生命支持系统，也是我们现在所知道的宇宙中唯一有生命的地球。

总体上，地球的热量必须保持平衡，对不对？很简单的道理嘛！如果不平衡，那么地球就会变得更冷或者更热。从这幅图我们可以看到，在维持地球目前的温度方面，大气圈是最重要的部分。大气圈帮助保持热量，否则热量会在日落后迅速辐射到太空中，也就是我们熟知的温室效应在维持着我们地球的温度。如果没有大气圈，地球的温度将是零下19摄氏度。但大气圈也是最不稳定，变化最快的部分，而且与人类活动有着密切的关系。人们现在已经发现，要维持一定的温度和收支平衡，大气的化学成分影响很大。比如，二氧化碳、甲烷、氧化亚氮和臭氧等痕量气体只占大气总体积混合比的0.1%以下，却在地球能量收支中起着最基本的作用，所以说大气成分的改变对地球的气候系统有重大影响。

其次，海洋占地球面积的70%左右，是气候系统的第二大主要成分，当然也对地球气候系统的热平衡有影响。具体表现在两个方面，一个是巨大的热能载体，其次是热能输送，这是通过水循环和洋流来进行的。海洋是大气的主要水汽来源，通过蒸发和凝结潜热而影响气候，所以对大气温度变化具有调谐作用。

我相信每个人都是很喜欢或者向往这样的海滩，对吧？柔软的沙子、凉爽的海风、宜人的温度，清新的波浪，共同构成了一幅完美的画面。其中，最重要地，是这里海滩的温度是非常舒适，因为大气与海洋紧密接触，海洋是一个巨大的热能载体，当太阳出来时缓慢升温，当太阳落山时又缓缓释放热量。另外，海洋不只是储存太阳辐射，它还有助于在全球各地扩散热量。这就是我们如今认识的地球，并知道影响地球气候最重要的两个因素：海洋和大气。但是，地球表面不是均匀的，特别是海陆分布不均，海拔高度，大陆和海洋的形状与位置，对气候都有非常大的影响。

欧洲大陆以其郁郁葱葱的青山、城堡和大教堂而闻名，因此成为西方文明的发源地。但如果我告诉你，这里位于地球的高纬度地区，本来应该属于一个寒冷和荒凉的地方，任何古代文明都无法定居和繁荣。凭啥欧洲人就享有了这样宜人的气候呢。这是因为欧洲的气候受到大西洋暖流的影响，这不仅给欧洲带来了温暖，还带来了大量水分，土地变得潮湿而肥沃。而之所以形成这样的暖流，就是因为大陆和海洋的形状与位置对气候的影响，这里一个关键词就是温盐环流。因为我已经有专门的课程对这个内容进行了解释，这里就不再赘述了。现在我说这个案例，只是想说明：地球气候系统实在是太复杂了！

那么我们现在来简单定义一下气候和气候变化。气候是地球上某一地区多年时段大气的一般状态，是该时段各种天气过程的综合表现。一个地方的气候是受该地的纬度、地形、海拔、冰雪覆盖情况、以及附近水体及其水流状况影响的。气候可根据不同气象要素的平均范围和特殊范围进行分类，最常采用的是温度和降水量。我相信现在大家都知道天气与气候的区别。虽然天气也是关注气象要素的，但天气是指这些气象要素在近两周内的实时状态。也就是说，我们可以根据气候来判定这个时段应该是什么样子的，也就是我们大致可以猜测到的，所期盼的；而天气呢是我们最近的实况，也许与期盼有出入，但不会太远。

既然气候是一个相对比较长时间的过程，那么气候变化自然而然应该在长时间尺度上进行比较。当然这个长时间呢，可能是指几十年，也可以是百年尺度，甚至是几百万年的尺度。另外，就是气候变化的波动范围，可以是区域性的，也可以是站在全球尺度来说的。目前对气候变化讨论最多的话题，是关于人类的活动和环境政策是否对当代的气候产生影响，也就是说人为因素对气候的影响究竟有多大。从情理上来说，这是无可厚非的，因为不管自然的过程对气候有什么样的影响，人类目前还无法控制，所以只考察人类带来的影响，特别是在分析中要区分人类和自然过程的影响，这是非常明智的做法，也是现在大多数气候学家们正在做的事儿。对于当前发生的全球变化，大多数气候科学家认为：人类活动极有可能是导致近半个世纪的全球变暖现象的主要原因。大家甚至可以从IPCC报告的语气中看出，科学家越来越肯定人类的这种影响。

所以，这是目前比较公认的两种驱动力量。外强迫作用的自然温室效应，这不仅发生地球气候的历史演变中，也发生在其它行星的气候形成中，至少我们在地球的附近所观察到的金星与火星就是这样的，而且恰好这两颗行星，一颗离太阳比地球近，一颗离太阳比地球远，正好可以进行对比分析。而人类活动引起的温室效应，则是附加在自然温室效应之上的，虽然其量值比自然温室效应要小得多，但其增暖作用的意义非常重要的。自然的系统有可能是循环往复的，而人类的这种附加干扰，则可能是单向的。所以，如果地球系统向这种人类活动引起的辐射强迫调整后，地球的平均温度就会增加，以此来响应增强的人为温室强迫作用。所以，这是一种平衡被人类打破之后的反应。自然有自然的作用，人类也正在变得有能力来参与改变自然。

那么，我们究竟在多大程度上破坏了地球的温度平衡呢？自太古宙以来，地表温度虽然有变化，但从未上升到使海洋干涸的程度，也从未下降到使全球海洋全部冻结的程度。而太阳辐射强度自太古宙至今，至少增长了30％，有人甚至估计增长了70~100％。按物理学原理计算，太阳辐射强度增长10％或减少10%，就足以引起全球海洋干涸或冻结，而实际上在我们的地质历史上，从未发生过这种情况。原因是什么呢？这只能归因于地球生物圈的存在，以及以生物圈为中心的地球表层系统。生物本身也在改造地球，让她变得与其他非生命星球不一样，所以生命是一个非常神奇的东西。

在整个地球历史上，地球在各种能量的推动下，平衡不断被打破又不断得到恢复。地球生物圈与生物一道协同进化，而生物不断自我调控这个平衡的生命系统，这显然是单纯的物质世界通过化学和物理作用根本无法达到的。最初，对生物圈的自我调控起决定性作用的是微生物，植物和动物是只是的参与者，而人类参与得更晚，但人类却在地球上深深地打下了人类的印记。

曾任美国副总统的戈尔，1992年写了一本书，叫做《濒于失衡的地球》，不过他写这本书的时候还是美国参议员。他认为：环境危机从根本上来说就是现代文明与生态系统之间的冲突。大家看到，这本书的副标题“生态与人类精神”就表明了这一基本见解。书名上直接说地球的失衡，我觉得是非常中肯的说法。我们不妨再来看一组数据，来看看人类所制造的失衡，是不是生命地球所能承受之重？

化石燃料的开发失衡。200年前，煤是新工业发展的主要能源；1960年，石油作为主要的能源超过了煤炭；成年的热带森林一半已经遭到砍伐。但这些化石燃料的形成，在地球上至少用了100万年的时间。也就是说，自然界用100多万年才形成的这些化石燃料，我们只用了100年就消耗了，简单计算就知道，我们似乎在接近一万倍的速度消耗它。

那么，有人就说，我们能否回到过去呢？也就是说，所有的人以一种更原始的生活方式生存，放弃大部分的工业和大量耕作，让我们将时钟回拨到200-300年前。其实，持这样观点的人还是不少的。但我不得不说，这是用静态的思维来看待我们动态的世界。在历史的长河中，没有任何东西是可以完整回到过去的。首先，在生活方式上实际上是不可行的，因为现在的人口是200年前的6倍，50年前的3倍，这必需有大量的耕作。另外，这也没有考虑事物的发展属性和人类的创造性。在人类的发展历史上，人类总是在与自然和谐发展中获取自己的发展空间，而且总是比过去更好。

那么人类能否重新制造一个地球，来满足人类的生存呢？不知道大家是否还记得我们在绪论课中讨论的生态球？就是在这种密闭的玻璃球体中，有一个活着的微型世界。大家看到，这个玻璃球里面有水，动物、植物、微生物、石头和空气。生态球是密封的，因此不能加入任何食物或气体，唯一可进入系统的是光线，整个系统也是靠光线作能量来推动的。这个微型生态球的平均寿命约为2-3年，大一点的可以维持更长的时间，最长的可以达到10年或更长时间。这样的系统，是1980年代初，美国航空航天局在探讨太空人，在太空的长时间生存问题时，所思考的问题，结果他们的研究成果被私人公司利用做出了这样的产品。看来，要维持一个生态系统，似乎并不是十分困难的事儿。

但是，真的那么简单么？那么人们就试图制作一个更大型的生态球来验证一下。美国科学家们就在亚利桑那州的图森市郊，建造了一个建筑面积为1.2公顷的特殊建筑物，称为“生物圈2号是相对于人们居住的地球来说的，人类的地球被称为“生物圈1号”，这个特殊的建筑物圈2号。生物圈2号的功能，就是尽可能模仿地球上生存环境，包括海洋、热带雨林、热带温带草原和沙漠，甚至还包括作物集约耕作区。但是，这个系统没有想象得那么成功。由洋”来不及将多余的碳以无机盐的形式固定下来，元素化学循环平衡失调，运行3年后，21%下降到14%，而CO2则猛增到79%，这个浓度也太高了吧。所以，人们通过这个大型生验，深刻地认识到：在现有技术条件，人类还无法模拟出一个类似地球一样的、可供人类环境。

另外，生物圈2号中，还出现了物种关系失调，按照现在的生态学认识来看，这是很容易理解的问题，但当时设计生物圈2号的时候，人们还没有这些认识。在生物圈2号，由于缺乏足够的消费者和分解者，热带雨林植物则表现出异常强的光合能力，但花粉传播动物很快消失了，25种引入的脊椎动物中，19种也消失了。看来在这样的环境中，简单的生物多样性都难于维持呀。很快呢，水循环也失调了。这倒是容易理解的，因为缺乏雨水的水量调节作用嘛，荒漠变成了草原。食物自给自足也是困难的。不过这个问题呢，似乎是人的问题，因为在他们先期进入的人当中，没有会种地的农民，后来一名农学院毕业的大学生进驻后，情况就大为改观了，生产出的粮食吃不完。这似乎还是让人值得欣慰的！

当然，地球大气二氧化碳浓度的增加以及气温的升高，对生态系统所带来的影响，则是不容乐观的。这也是生态学家们最为关注的问题。未来50年，气候变化不仅将导致世界自然环境的重大变化，更危险的后果是生态系统的组成发生变化。地球生态系统中的植物和动物是生态系统的灵魂，它们依赖于一定的物理环境，这是它们的栖息地。各有机体都有一个赖以生存的空间，因为这里有食物、水和住所等资源。如果物理环境发生变化，这些生物肯定会受到影响。

如果环境变得更加极端，而每个物种都有一个忍耐极限，虽然它可以通过调节其栖息地的范围来忍受一定数量的栖息地的变化，但是当这些变化变得太多时，当这些变化超出容忍范围时，物种就会灭亡。很容易理解，如果气温持续升高，那么生物的适宜生境则向高纬度或者高海拔地区迁移，但是高纬度和高海拔地区本身的空间是有限的，最终是去无所去，所以导致适宜的生境面积总体上减少，而在生物总体迁移的过程中，总有一些生物找不到更高海拔的地区了，最终必定导致生物的灭绝。另外，当物种试图迁徙到其他地区时，这里的条件并不是各个方面都合适的，因为物理环境不仅仅包括温度，还有降雨，湿度和土壤条件，还有避难所，这样的物理环境组合换一个地区并不是很容易找到的，所以这种变化是非常糟糕的。

比如，在原来的生态系统中所建立的捕食关系或协同进化的物种，并不是对温度或其他物理条件同样敏感，所以不会同步进行移动，也就是说，曾经共存的物种，为了寻找各自合适的栖息地，会以不同的方式移动，一个物种的新栖息地，并不总是能适应另一个物种。那么，一些物种可能就没有捕食对象了，面临缺乏食物资源的问题，最终导致的是一场重大的生态灾难。

而对于海洋生态系统来说，海水升温对海洋生态系统所造成的危害，可能是更为致命的，即使是非常小的变化，也可能导致那里的生态系统发生巨大的变化。我们知道水的比热很大，海洋的温度是相对比较稳定的，但也就是因为如此，才使得那里生存的物种长期处于养尊处优的状态，反而对温度变得更为敏感。其中一个非常重要著名的事件就是珊瑚礁白化，这样的现象已经在全世界各地都有出现。现在，关于珊瑚礁白化与海洋温度的关系已经获得了证实，最终会导致珊瑚礁生态系统的崩溃。

一般来说，鱼类为了避免海水升温，就会迁移到更深的水域，而不是进入到高纬度地区，因为到深层海水寻找凉爽的环境暂时来说是更容易一些。但是，鱼类进入更深的海域，那就需要考虑是否能承受更大的海水压力，还可能面临光线不足、食物不足，氧气不足等问题，所以挑战也是非常大的。

总结起来，气候变化对海洋生态系统的影响，包括三个方面：一个就是我们刚才说的海水温度升高导致的珊瑚礁白化，而珊瑚礁本来是海洋鱼类，特别是滨海鱼类的重要栖息地，这会直接导致海洋生物的减少。另外，大气中二氧化碳的增加会导致海洋酸化，会溶解或者软化牡蛎、螃蟹和虾等动物的外壳，这对这些生物来说也可能是致命的。还有一个海水增温和CO2浓度增加之后导致的缺氧，造成海洋动物窒息。总体是上缩小了栖息地，迫使海洋动物游到更容易受到捕食者攻击的地方。当然最后一个效应，不是直接对海洋造成的危害，那就是更强烈的风暴和更高的海平面，使沿海地区受到危害，这是对近海造成的影响。

事实上，气候变化的大部分影响是可以被生态系统本身所缓冲的。气候变化在地球也不是一个新的现象，生态系统其实已经学会了处理它，甚至存活到现在。而当前气候变化造成威胁的真正原因，是与过去地质学史上从未发生过的“人类效应”联系在一起的。人类活动对生态系统的威胁可能比气候变化更大，因为人类的干预更直接、更剧烈，持续时间更长。所以，我们目前的气候变化，是人类与自然的共同胁迫。

关于气候变化产生的机理，以及对地球生态系统所产生的影响，请参考我其他的相关微课程。今天的课程，主要是想突出气候变化这个过程，是人类与自然共同作用的结果。自然的过程我们无法控制和改变，我们能改变的只能是我们人类自己。所以，最终对于气候变化的研究，都会落脚到规范人类的行为，这是非常容易理解的。好，同学们，这一部分内容就到这里，再见！