全球環(huán)境變化對典型生態(tài)系統(tǒng)的影響研究：現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢

楊玉盛

1 福建師大學(xué)濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，福州 350007 2 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福州 350007

全球環(huán)境變化對典型生態(tài)系統(tǒng)的影響研究：現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢

楊玉盛1,2,*

1 福建師大學(xué)濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，福州 350007 2 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福州 350007

隨著全球環(huán)境變化和人類活動對生態(tài)系統(tǒng)影響的日益加深，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生強(qiáng)烈變化，生態(tài)系統(tǒng)提供各類資源和服務(wù)的能力在顯著下降。在這種背景下，全面認(rèn)識生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能與全球環(huán)境變化的關(guān)系已成為當(dāng)前生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。本文綜述了全球環(huán)境變化對典型生態(tài)系統(tǒng)(包括森林生態(tài)系統(tǒng)、河口濕地生態(tài)系統(tǒng)、城市生態(tài)系統(tǒng))影響以及全球環(huán)境變化適應(yīng)的研究現(xiàn)狀，分析研究面臨的困難及挑戰(zhàn)。在此基礎(chǔ)上，提出對未來研究發(fā)展趨勢的展望。在森林生態(tài)系統(tǒng)與全球環(huán)境變化研究上，未來應(yīng)重視能更好模擬現(xiàn)實(shí)情景的、多因子、長期的全球環(huán)境變化控制試驗(yàn)，并注重不同生物地球化學(xué)循環(huán)之間的耦合作用。在濕地生態(tài)系統(tǒng)與全球環(huán)境變化研究上，未來應(yīng)加強(qiáng)氮沉降、硫沉降及鹽水入侵對濕地生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)的影響，明晰濱海濕地的藍(lán)碳功能，加強(qiáng)極端氣候和人類干擾影響下濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能變化及恢復(fù)力的研究。在城市生態(tài)系統(tǒng)與全球環(huán)境變化研究上，未來應(yīng)深化城市生物地球化學(xué)循環(huán)機(jī)制研究，實(shí)現(xiàn)城市生態(tài)系統(tǒng)的人本需求側(cè)重與轉(zhuǎn)向，并開展典型地區(qū)長期、多要素綜合響應(yīng)研究。在全球環(huán)境變化適應(yīng)研究上，未來應(yīng)構(gòu)架定量化、跨尺度的適應(yīng)性評價(jià)體系，加強(qiáng)典型區(qū)域/部門的適應(yīng)性研究以及適應(yīng)策略實(shí)施的可行性研究，注重適應(yīng)與減緩對策的關(guān)聯(lián)研究及實(shí)施的風(fēng)險(xiǎn)評估。期望本綜述為我國生態(tài)系統(tǒng)與全球環(huán)境變化研究提供一些參考。

全球環(huán)境變化；森林；河口濕地；城市生態(tài)系統(tǒng)；全球環(huán)境變化適應(yīng)

近幾十年來全球環(huán)境變化已對人類生存、社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重威脅。據(jù)IPCC第五次評估報(bào)告預(yù)測，到本世紀(jì)末全球地表平均增溫0.3—4.8℃；全球大氣CO2、CH4和N2O等溫室氣體的濃度已上升到過去80萬年來最高水平。全球變暖引起降水格局的變化和極端干旱天氣將是全球氣候變化的重要特征之一，未來多數(shù)地區(qū)將因降水量的減少和土壤蒸發(fā)量的增加而面臨嚴(yán)重的和大面積的干旱[1]。由于化石燃料的使用和農(nóng)業(yè)施肥的增加，預(yù)計(jì)到21世紀(jì)末全球氮沉降速率會增加2—3倍[2]。全球環(huán)境變化早在20世紀(jì)80年代就成為了國際學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)問題，而生態(tài)系統(tǒng)與全球環(huán)境變化的研究亦已成為現(xiàn)代生態(tài)學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要新興研究領(lǐng)域。隨著全球環(huán)境變化和人類活動對生態(tài)系統(tǒng)影響的日益加深，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生強(qiáng)烈變化，生態(tài)系統(tǒng)提供各類資源和服務(wù)的能力在顯著下降。而人口增加和生活水平的提高則對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和產(chǎn)品提出更高要求。在這種背景下，全面認(rèn)識生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能及與環(huán)境變化的關(guān)系已成為生態(tài)學(xué)家的重大科學(xué)挑戰(zhàn)。

本文主要從全球環(huán)境變化對典型生態(tài)系統(tǒng)(包括森林生態(tài)系統(tǒng)、河口濕地生態(tài)系統(tǒng)、城市生態(tài)系統(tǒng))的影響，以及全球環(huán)境變化的適應(yīng)研究等幾個(gè)方面，介紹其研究現(xiàn)狀，分析其面臨的困難和挑戰(zhàn)，并對未來的研究發(fā)展趨勢進(jìn)行展望，以期為我國生態(tài)系統(tǒng)與全球環(huán)境變化研究提供一些參考。

1 森林生態(tài)系統(tǒng)與全球環(huán)境變化研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

1.1 研究現(xiàn)狀

自20世紀(jì)80年代末期以來，圍繞森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能，以及森林生態(tài)系統(tǒng)對全球環(huán)境變化的響應(yīng)與適應(yīng)這一科學(xué)命題，生態(tài)學(xué)家們廣泛開展了針對溫度升高、降水變化、氮沉降增加、CO2濃度富集等的控制實(shí)驗(yàn)研究，主要內(nèi)容圍繞在碳循環(huán)和氮循環(huán)上，僅有少數(shù)研究涉及磷素循環(huán)。

全球變暖與生態(tài)系統(tǒng)碳吸存之間是否存在正反饋關(guān)系，是許多增溫控制實(shí)驗(yàn)關(guān)心的重大科學(xué)問題。盡管增溫可能引起總植物碳庫的升高，但土壤有機(jī)碳(SOC)庫的變化仍具有不確定性，SOC分解與全球變暖間存在正反饋?zhàn)饔玫倪@種模型預(yù)測結(jié)果越來越被證實(shí)與實(shí)際情況不符。已有增溫試驗(yàn)結(jié)果的整合分析發(fā)現(xiàn)[3]，增溫引起SOC貯量的變化在不同研究間有很大差異，增溫總體上對SOC貯量沒有顯著影響。其主要原因與土壤微生物是否對升溫產(chǎn)生適應(yīng)仍然不清楚有關(guān)；有關(guān)SOC對溫度的敏感性亦存在許多爭議[4]；人們對植物碳輸入特別是地下碳輸入如何響應(yīng)全球變暖亦仍缺乏足夠了解。

目前有關(guān)降水改變對碳循環(huán)的影響研究還十分有限，水分因子對碳動態(tài)的影響還沒有得出一致結(jié)論，多數(shù)表現(xiàn)為干旱減少碳的排放；但也有發(fā)現(xiàn)在受干旱脅迫的溫帶地區(qū)，降雨量的減少導(dǎo)致森林碳積累量的減少[5]。

許多研究發(fā)現(xiàn)CO2濃度升高可以促進(jìn)光合作用并提高植物生產(chǎn)力。但一些研究發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間延長促進(jìn)作用降低或消失，其原因到底是出現(xiàn)光合適應(yīng)還是受N限制目前仍存在爭議。迄今為止，大多數(shù)關(guān)于CO2升高研究較少關(guān)注SOC的變化，因而CO2升高對生態(tài)系統(tǒng)碳貯量(植物和土壤)的綜合影響尚不清楚。一些研究發(fā)現(xiàn)，在CO2升高條件下養(yǎng)分限制樹木的生長，這將會增加分配到地下的碳[6]。但地下碳輸入的增加是促進(jìn)土壤碳吸存，還是加速土壤碳周轉(zhuǎn)，目前仍存在爭議[7]。

關(guān)于N沉降能否增加森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲存，在科學(xué)界還存在激烈的爭論。一般在全球尺度上N輸入增加會促進(jìn)森林生態(tài)系統(tǒng)碳吸存[8]；meta分析表明[9]，在氮不限制土壤微生物生長的溫帶森林土壤，氮沉降會抑制土壤有機(jī)質(zhì)分解，從而降低土壤呼吸并促進(jìn)碳吸存，其促進(jìn)作用與氮沉降對林木生長的促進(jìn)作用相當(dāng)。而一些研究表明，N輸入對生態(tài)系統(tǒng)碳儲存沒有明顯促進(jìn)作用，相反，會一定程度上減少生態(tài)系統(tǒng)碳儲量[10]。然而，由于缺乏研究，目前氮沉降對氮相對飽和的熱帶亞熱帶土壤碳循環(huán)的影響仍無法評估。

最近20年,對森林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了大量的增溫實(shí)驗(yàn)，探討氮循環(huán)與凈初級生產(chǎn)力(NPP)、C循環(huán)、土壤呼吸以及C、N循環(huán)的耦合[11-12]。實(shí)驗(yàn)表明增溫能提高森林土壤有機(jī)氮的礦化和凈硝化速率[11,13]，從而為植物的生長提供更多額外的無機(jī)氮[14]。增溫提高了微生物新陳代謝和酶的活性[15]，導(dǎo)致更多的有機(jī)物質(zhì)分解和總N礦化增加。但是，通過meta分析發(fā)現(xiàn)增溫并不會增加溫帶森林土壤氮發(fā)生淋溶的風(fēng)險(xiǎn)性；也沒有顯著增加土壤N2O的釋放[16]。

健康森林生態(tài)系統(tǒng)具備完善的有效磷維持機(jī)制，對外界的變化存在反饋及調(diào)節(jié)機(jī)制。而在全球環(huán)境變化背景下，探討全球變暖、大氣CO2濃度升高、土地利用變化、N、S沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)有效磷維持機(jī)制影響及作用機(jī)制成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[21-24]。但目前的研究主要集中在氮沉降對磷素的影響上，研究結(jié)果普遍認(rèn)為氮沉降提高了土壤磷酸酶活性、增加葉片N/P比，并加劇生態(tài)系統(tǒng)磷的限制[25-26]。而其它全球環(huán)境變化因子對生態(tài)系統(tǒng)磷素的影響研究仍然十分缺乏。

1.2 困難與挑戰(zhàn)

雖然全球環(huán)境變化對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響研究已有一定開展，但仍存在以下幾點(diǎn)不足：野外增溫實(shí)驗(yàn)的開展主要針對中高緯度地區(qū)的草原、農(nóng)田、凍原和森林生態(tài)系統(tǒng)；迄今為止，在30°N以南的熱帶和亞熱帶地區(qū)仍沒有野外增溫試驗(yàn)，熱帶森林碳交換量對增溫響應(yīng)的模型預(yù)測仍存在巨大的不確定性。由于建造成本和火災(zāi)的隱患，森林增溫研究常僅限于土壤增溫，而整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)水平的增溫研究仍然缺乏[27]。降雨的變化包括降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨發(fā)生時(shí)間和降雨間隔等，但目前森林生態(tài)系統(tǒng)的降雨控制試驗(yàn)經(jīng)常僅考慮降雨量[27]。已有CO2升高研究大多是對生長室和開頂箱中小苗和幼樹的研究，利用FACE設(shè)施對野外條件下森林特別是熱帶森林成年大樹的研究較少[27]。雖然N沉降增加對森林碳循環(huán)影響近年來開展了較多的研究，但已有結(jié)果仍未能明確氮沉降對碳循環(huán)過程的確切影響及其影響效應(yīng)的方向及大?。辉跓釒啛釒值牡两笛芯恳鄡H有少數(shù)幾例。全球環(huán)境變化對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響主要集中在碳循環(huán)上，而對于氮、磷及其它元素循環(huán)的研究仍然非常少。全球環(huán)境變化因子間通常不是獨(dú)立的，而是相互作用的，但目前全球環(huán)境變化多因子交互作用的控制試驗(yàn)研究亦仍然不足。另外，試驗(yàn)研究通常在樣地或林分水平上開展，且時(shí)間相對較短，對氣候變化在景觀和區(qū)域尺度上的長期影響仍缺乏認(rèn)識[27]。

2 河口濕地生態(tài)系統(tǒng)

2.1 研究現(xiàn)狀

河口濕地是陸地河流向海洋物質(zhì)輸運(yùn)、轉(zhuǎn)化及沉積的活躍地帶，其對于外界脅迫壓力反應(yīng)的特有敏感性使其成為當(dāng)前全球環(huán)境變化研究的理想?yún)^(qū)域。近年來，關(guān)于全球環(huán)境變化背景下河口濕地生態(tài)過程及其對近岸生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的影響已成為國際海岸帶陸海相互作用計(jì)劃的研究熱點(diǎn)[28-30]。當(dāng)前國內(nèi)外主要圍繞氣候變化[31-32]、海平面上升[33-35]、酸沉降、外來植物入侵[36-37]以及氮沉降等方面開展其對于河口濕地鹽沼[28,38]、海草床以及紅樹林[31]等重要河口濕地生態(tài)系統(tǒng)的耦合影響研究。

過去二十年中，關(guān)于氣候變化對河口濕地生態(tài)過程影響的研究在迅速增加。氣候變化通常以氣溫升高[39]、水文情勢改變[40]和極端氣候頻發(fā)等形式對濕地生物多樣性、生態(tài)過程以及生態(tài)系統(tǒng)的完整性產(chǎn)生直接或間接威脅[41]。氣候變化可導(dǎo)致溫度升高，改變蒸散量，進(jìn)而可影響到河口濕地生源元素的生物地球化學(xué)過程[42-43]；氣候變化也可改變濕地懸浮泥沙荷載，影響濕地有機(jī)物質(zhì)的氧化速率和氧化途徑，并加劇海水入侵。氣候變化導(dǎo)致的極端氣候事件頻發(fā)亦可對河口濕地產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[44]：改變河口濕地水文過程，進(jìn)而影響其他生態(tài)過程[45]；改變動物行為與活動[46]。氣候變化還會影響河口濕地生物入侵過程[47]。

全球變暖導(dǎo)致的海平面上升將對河口濕地生物地球化學(xué)循環(huán)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[48]。一方面，河口濕地遭受海平面上升的直接威脅，未來有許多河口濕地將消失。海平面上升將改變河口濕地的淹水頻率，進(jìn)而導(dǎo)致濕地生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力[49]、有機(jī)質(zhì)分解途徑[50]、營養(yǎng)鹽等發(fā)生明顯變化。另一方面，海平面上升可推進(jìn)鹽水楔而對河口濕地地下水系統(tǒng)產(chǎn)生入侵。鹽水入侵后，硫酸鹽增加會加速濕地沉積物中鐵氧化物和氫氧化物分解，形成螯合鐵的化合物(如黃鐵礦)[51]。鐵氧化物在還原過程中也將進(jìn)一步促進(jìn)沉積物中磷的釋放[52]。鹽度的增加也會影響河口濕地硝化和反硝化菌、硫酸鹽氧化菌與還原菌、鐵氧化菌與還原菌、甲烷產(chǎn)生菌與還原菌的生理機(jī)能，從而加速或抑制有機(jī)質(zhì)代謝和分解速率，并改變有機(jī)質(zhì)代謝途徑[53]。此外，鹽水入侵還會促進(jìn)硫酸鹽異化還原過程，并抑制產(chǎn)甲烷菌，從而減少河口濕地的甲烷排放[54]。

2.2 困難與挑戰(zhàn)

目前，河口濕地生態(tài)系統(tǒng)與全球環(huán)境變化研究面臨的困難與挑戰(zhàn)主要如下：(1)尺度轉(zhuǎn)換難度大。各種不同尺度之間的轉(zhuǎn)換問題始終是生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域的難點(diǎn)，河口濕地研究同樣面臨這樣問題。(2)生態(tài)系統(tǒng)脆弱，人類干擾頻繁。河口濕地往往地處經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展地區(qū)，受人類生產(chǎn)、生活影響深遠(yuǎn)，缺乏無人類干擾的理想研究樣地。(3)生態(tài)過程復(fù)雜，研究結(jié)果存在不確定性。河口濕地生態(tài)系統(tǒng)受到陸地、海洋等多重影響，在河口濕地開展相關(guān)控制實(shí)驗(yàn)容易受到徑流、潮汐等因素影響，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面具有很大的挑戰(zhàn)。(4)極端事件頻發(fā)，生態(tài)過程存在突變性。河口濕地是臺風(fēng)、海嘯、風(fēng)暴潮等極端氣候事件多發(fā)地帶，生態(tài)過程的突變性無疑增加了其研究難度。(5)模型構(gòu)建與模擬困難。河口濕地生態(tài)系統(tǒng)因其復(fù)雜多變，影響因素眾多，相關(guān)生態(tài)模型構(gòu)建十分困難[42]，也為未來研究提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。(6)受損生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)困難。河口濕地在適應(yīng)全球環(huán)境變化方面往往較為脆弱，尤其是河口地區(qū)人類活動頻繁，而相關(guān)研究往往趕不上其遭受的威脅與破壞速度，尤其需要加快相關(guān)方面的研究。

3 城市生態(tài)系統(tǒng)

3.1 研究現(xiàn)狀

城市生態(tài)系統(tǒng)是大氣、土壤、植被和人類等要素組成的有機(jī)整體與復(fù)雜人地系統(tǒng)。在當(dāng)前人類與日俱增的物質(zhì)能源需求及環(huán)境約束背景下，城市生態(tài)系統(tǒng)與全球環(huán)境變化關(guān)系問題已得到氣象、環(huán)境、城市等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的廣泛關(guān)注，并取得了一系列重要研究成果，包括：(1)全球氣候變化導(dǎo)致極端事件影響范圍擴(kuò)大、頻次增加[55-57]，特別是城市化地區(qū)夏季氣溫與極端高溫的疊加效應(yīng)[58-60]使得熱島問題加劇，其他季節(jié)氣溫[61-63]、暖夜數(shù)[64-65]與年均溫[66-67]等上升趨勢同樣顯著，氣候系統(tǒng)失序，如氣候帶移動[68-69]、干旱與降水異常[70-71]、發(fā)病率與死亡率上升[72-73]、生計(jì)與脆弱性問題[74-77]以及城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)效率[78-79]等內(nèi)容也逐漸成為學(xué)者們與社會的關(guān)注焦點(diǎn)；(2)全球環(huán)境變化與資源問題愈發(fā)突出，研究發(fā)現(xiàn)不同尺度下的城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源環(huán)境存在倒U型、倒N型或其他曲線變化關(guān)系[80-83]。隨著中國成為制造業(yè)強(qiáng)國及全球人口、碳排放大國，國內(nèi)能源環(huán)境變化[84-86]、模擬預(yù)測[87]、居民消費(fèi)[88-89]等內(nèi)容將逐漸占據(jù)主導(dǎo)位置，但城市碳循環(huán)及碳市場交易等研究仍顯薄弱[90]；(3)時(shí)空變化、動力機(jī)制和環(huán)境效應(yīng)是當(dāng)前土地利用/覆被變化(LUCC)研究的重要方面，研究認(rèn)為工業(yè)革命以來的全球氣候變化與人類活動使得LUCC在不同時(shí)空尺度上快速變化[91]，其中城市擴(kuò)張的人口變化、經(jīng)濟(jì)增長、城市政策等是導(dǎo)致土地利用/覆被變化的重要原因[92]；(4)由于人類活動，過量CO2、CH4、N2O、SO2等溫室和污染氣體已排放至大氣環(huán)境，改變了其中的化學(xué)物理性質(zhì)[93]，有研究表明城市活性氮量已經(jīng)超過周邊非城市生態(tài)系統(tǒng)[94]，不同功能區(qū)的氮輸入、輸出等具有明顯空間差異[95]，空氣污染具有明顯的區(qū)域擴(kuò)散與遷移特征[96-97]。其他諸如水土流失與水質(zhì)惡化[98-99]、生物多樣性喪失[100]以及碳循環(huán)功能減弱[101]等問題同樣突出。

3.2 困難與挑戰(zhàn)

當(dāng)前城市生態(tài)系統(tǒng)與全球環(huán)境變化研究側(cè)重自然科學(xué)領(lǐng)域，盡管相關(guān)研究有助于進(jìn)一步了解城市系統(tǒng)對全球環(huán)境變化的響應(yīng)機(jī)制，但指導(dǎo)城市可持續(xù)發(fā)展還需更多學(xué)科的綜合運(yùn)用與交叉參與。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對氣候變化所導(dǎo)致的健康、貧困生計(jì)問題及脆弱性研究是探討人類社會適應(yīng)外部環(huán)境變化的新嘗試，也是人文系統(tǒng)參與全球環(huán)境變化研究的新切入點(diǎn)。然而現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)中的人文研究仍顯不足，仍需深入剖析系統(tǒng)內(nèi)不同社會等級群體及其不同資源依賴性所導(dǎo)致的全球環(huán)境變化響應(yīng)差異。此外，由于全球環(huán)境變化的影響往往是跨越城市、跨區(qū)域邊界，現(xiàn)有研究結(jié)果對宏觀區(qū)域而言仍具有不確定性，因此在分析城市生態(tài)系統(tǒng)對全球環(huán)境變化響應(yīng)應(yīng)充分考慮宏觀現(xiàn)實(shí)背景，加強(qiáng)跨邊界比較研究，進(jìn)一步了解城市系統(tǒng)與環(huán)境變化在局地、區(qū)域、國家和全球不同尺度上的反饋效用。

4 全球環(huán)境變化適應(yīng)的研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

4.1 研究現(xiàn)狀

氣候變化嚴(yán)重威脅著人類可持續(xù)發(fā)展[102]，適應(yīng)研究經(jīng)歷了依附于脆弱性和相對獨(dú)立兩個(gè)階段[103]。適應(yīng)性研究曾作為脆弱性研究的一部分而提出，如今已經(jīng)自成體系[104]，并逐步把適應(yīng)研究提升到可持續(xù)發(fā)展能力建設(shè)的高度[105]，成為全球環(huán)境變化研究前沿[106-107]。主要集中在適應(yīng)性研究體系[108-109]、適應(yīng)能力現(xiàn)狀評價(jià)[110-111]、適應(yīng)策略預(yù)測性[112]等三個(gè)方面。適應(yīng)性研究體系在于針對不同背景識別適應(yīng)主體、客體、過程以及效果四個(gè)方面，是制定適應(yīng)策略的基礎(chǔ)[113]。適應(yīng)能力現(xiàn)狀評價(jià)研究主要包括氣候變化特點(diǎn)、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能，與社會、經(jīng)濟(jì)、政治條件以及人為影響、干預(yù)密切相關(guān)[114-115]。主要包括成本效益分析和情景模擬預(yù)測兩類，有采用強(qiáng)健性、穩(wěn)定性等定性表征適應(yīng)能力或采用具體的要素指標(biāo)定量構(gòu)建適應(yīng)能力指數(shù)[116-118]。結(jié)合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、環(huán)境、社會因素、政治影響等對適應(yīng)效果的評價(jià)[118-120]。適應(yīng)策略預(yù)測性研究主要集中適應(yīng)性能力建設(shè)及虛擬試驗(yàn)區(qū)域適應(yīng)研究兩方面。

4.2 困難與挑戰(zhàn)

綜合現(xiàn)有研究，主題側(cè)重于影響評價(jià)(如適應(yīng)能力、脆弱度等)和策略響應(yīng)，盡管這些有助于進(jìn)一步了解區(qū)域?qū)θ颦h(huán)境變化的適應(yīng)，但是指導(dǎo)區(qū)域自然、社會、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展是一個(gè)多學(xué)科綜合運(yùn)用與交叉的系統(tǒng)性工程。適應(yīng)和氣候變化均會帶來各系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型和變化，但因其目的、時(shí)空尺度、影響、形式和表現(xiàn)的不同而不同，這增加了適應(yīng)性研究的難度[119]。目前國內(nèi)外對于這些變化及響應(yīng)都有不同程度的探討。全球環(huán)境變化的影響和治理具有全球性的特質(zhì)，各國各區(qū)域歷史溫室氣體排放累積量不同、面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)不同、適應(yīng)能力不同，適應(yīng)涉及到從個(gè)人到政府層面，且各影響因素相互交織[120]。需要加強(qiáng)區(qū)域和行業(yè)層面的經(jīng)濟(jì)、社會、技術(shù)和政策決策及行動等方面的適應(yīng)性研究，構(gòu)建各區(qū)域、各行各業(yè)的適應(yīng)方案，模擬適應(yīng)結(jié)果，這對評估其潛力、風(fēng)險(xiǎn)和實(shí)施能力具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值[107,121]。需進(jìn)一步定量分析自然-社會-經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)各子系統(tǒng)內(nèi)不同區(qū)域與不同行業(yè)對全球環(huán)境變化響應(yīng)差異及相互關(guān)系，進(jìn)一步詮釋、反映系統(tǒng)內(nèi)人類活動、生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、宗教等復(fù)雜聯(lián)系，并在相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測、模擬等方面創(chuàng)新技術(shù)手段與實(shí)驗(yàn)方法。

5 未來發(fā)展趨勢

5.1 森林生態(tài)系統(tǒng)

今后森林生態(tài)系統(tǒng)對全球環(huán)境變化響應(yīng)的研究，應(yīng)深入開展如下方面的研究：(1)關(guān)注開展模擬增溫對熱帶亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)的影響研究，發(fā)展大尺度的空氣增溫(包括生態(tài)系統(tǒng)水平)和改進(jìn)紅外加熱技術(shù)以應(yīng)用在森林生態(tài)系統(tǒng)中，促進(jìn)增溫對森林地上過程影響的認(rèn)識。(2)開展森林特別是熱帶亞熱帶森林更加多樣化的降雨控制試驗(yàn)，以促進(jìn)大尺度森林生態(tài)系統(tǒng)對真實(shí)降雨變化情景響應(yīng)的認(rèn)識。(3)氣候變化響應(yīng)研究中，應(yīng)關(guān)注氣候變異和極端氣候事件(熱浪、冰雪災(zāi)害、干旱、熱帶風(fēng)暴等)對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響。(4)開展多因子試驗(yàn)，特別是增溫與降雨變化、氮沉降、CO2濃度升高等的多因子試驗(yàn)，以及氣候變化和其他生態(tài)壓力(如森林轉(zhuǎn)換、生物入侵、棲息地破碎化)等的多因子試驗(yàn)，以揭示全球環(huán)境變化因子間的交互作用及其在不同地區(qū)的表現(xiàn)差異。已有研究表明，森林對全球環(huán)境變化因子的響應(yīng)常常是非線性和非可加性的。(5)未來急需十年或更長時(shí)間的長期試驗(yàn)研究以揭示森林生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的長期響應(yīng)。(6)在生態(tài)系統(tǒng)過程研究上，應(yīng)重視森林地下生態(tài)過程對全球環(huán)境變化的響應(yīng)，以及碳、水、養(yǎng)分循環(huán)(特別是氮、磷循環(huán))之間的耦合作用。

5.2 河口濕地生態(tài)系統(tǒng)

全球環(huán)境變化對濱海河口濕地的影響及其適應(yīng)機(jī)制研究在近二十年來已得到長足發(fā)展，今后仍需深入開展如下研究：(1)加強(qiáng)對各種濕地生態(tài)系統(tǒng)碳庫和碳吸存的研究，明晰氮沉降和硫沉降對濕地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響；(2)加強(qiáng)鹽水入侵對河口濕地生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)、溫室氣體排放和有機(jī)質(zhì)代謝途徑的影響研究；(3)加強(qiáng)極端氣候(熱帶氣旋、風(fēng)暴潮、海岸侵蝕)對濕地生態(tài)系統(tǒng)過程與功能的影響研究；(4)加強(qiáng)全球氣候變化對濕地植物種類的分布和擴(kuò)張、外來物種入侵、高低緯度區(qū)域的各濕地植物群落演替和適應(yīng)策略的影響；(5)加強(qiáng)全球環(huán)境變化下濱海濕地藍(lán)碳功能的研究；(6)加強(qiáng)濕地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的研究。應(yīng)加強(qiáng)人類活動，尤其是土地復(fù)墾對濕地生態(tài)系統(tǒng)的影響研究；建群種改變對濱海濕地結(jié)構(gòu)和功能的影響；研究濱海紅樹林修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)和功能。

5.3 城市生態(tài)系統(tǒng)

城市生態(tài)系統(tǒng)與全球環(huán)境變化研究未來應(yīng)：(1)深化城市生物地球化學(xué)循環(huán)機(jī)制研究。我國快速城市化進(jìn)程將通過高密度的城市活動強(qiáng)烈影響城市生物地球化學(xué)循環(huán)及分布格局。通過對系統(tǒng)內(nèi)要素循環(huán)的全面分析，有助于理解城市發(fā)展中的人為因素對環(huán)境要素變化的影響，包括不同社會經(jīng)濟(jì)水平生物地球化學(xué)輸入格局、要素循環(huán)過程與代謝方式改變、途徑與效率、演變規(guī)律和趨勢等。同時(shí)需要建立完善的要素監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，為研究宏觀及微觀尺度城市生態(tài)系統(tǒng)對要素循環(huán)變化的響應(yīng)和反饋等提供重要數(shù)據(jù)支持。(2)實(shí)現(xiàn)城市生態(tài)系統(tǒng)的人本需求側(cè)重與轉(zhuǎn)向。目前城市建設(shè)目標(biāo)已從一維社會經(jīng)濟(jì)繁榮向三維復(fù)合生態(tài)繁榮(包括財(cái)富、健康、文明)轉(zhuǎn)變[122]，未來城市生態(tài)系統(tǒng)研究除了對傳統(tǒng)時(shí)空尺度上的物質(zhì)、經(jīng)濟(jì)活動進(jìn)行分析，還應(yīng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)研究中人本需求的側(cè)重與轉(zhuǎn)向，更多地考慮如居民生計(jì)、人群健康、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、城市脆弱性等內(nèi)容的人文視角觀察與問題梳理，深入刻畫不同層次(家庭、社區(qū)、群體、區(qū)域、國家)對環(huán)境變化的動態(tài)反應(yīng)，從而提高研究成果客觀性和適用性，更好地指導(dǎo)城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展。(3)開展典型地區(qū)長期、多要素綜合響應(yīng)研究。目前城市生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)變化及其時(shí)空過程與機(jī)制研究一直是關(guān)注熱點(diǎn)，但多以系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵要素(如大氣)時(shí)空變化與作用研究為主，多要素綜合研究不足，難以完成對復(fù)雜巨系統(tǒng)的進(jìn)一步研究與分析，綜合視角下的系統(tǒng)性耦合研究，以及深入探討系統(tǒng)內(nèi)多要素變化協(xié)同性和差異性等工作還需進(jìn)一步展開。此外，開展不同生態(tài)類型的城市系統(tǒng)特別是典型地區(qū)的研究，找出其中變化規(guī)律與作用機(jī)制等，將有助于更好地分析氣候變化和城市化進(jìn)程的復(fù)雜關(guān)系，掌握不同區(qū)域城市系統(tǒng)對全球環(huán)境變化的響應(yīng)機(jī)制等。

5.4 全球環(huán)境變化的適應(yīng)

在全球環(huán)境變化的適應(yīng)研究上，未來應(yīng)：(1)構(gòu)架定量化、跨尺度的適應(yīng)性評價(jià)體系。如何定量測度全球環(huán)境變化帶來的影響，以及如何制定適應(yīng)策略來規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，采取什么指標(biāo)體系，評價(jià)體系之間的時(shí)空尺度如何轉(zhuǎn)換，各評價(jià)模型的精度測量等是未來需要解決的難題。(2)加強(qiáng)典型區(qū)域/部門的適應(yīng)性研究。氣候變化影響是全球尺度的，然而在全球不同區(qū)域或者系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響則因各自功能和應(yīng)對能力不同而不同[123-124]。因而，各個(gè)區(qū)域或部門的適應(yīng)策略需要結(jié)合自身的特點(diǎn)及適應(yīng)能力的差異進(jìn)行規(guī)劃制定。(3)提高適應(yīng)策略實(shí)施的可行性研究。因?yàn)閰^(qū)域的適應(yīng)能力取決于適應(yīng)策略的科學(xué)性及可行性[125]。地理可視化、地學(xué)模擬、虛擬現(xiàn)實(shí)等能幫助制定不同城市化和全球環(huán)境變化情境下的適應(yīng)性政策[125]，發(fā)展計(jì)算機(jī)模擬、3S技術(shù)及其他先進(jìn)手段和設(shè)備，可提高適應(yīng)性研究的評估、試驗(yàn)和模擬等方面的應(yīng)用能力。(2)注重適應(yīng)與減緩對策的關(guān)聯(lián)研究及實(shí)施的風(fēng)險(xiǎn)評估。減緩與適應(yīng)之間以及不同適應(yīng)響應(yīng)之間存在顯著的共生效益、協(xié)同效應(yīng)和權(quán)衡取舍[55]；區(qū)域內(nèi)和區(qū)域間存在相互影響，這具有很高的可信度[55]。一些適應(yīng)方案可能產(chǎn)生不良副作用，即與其他適應(yīng)目標(biāo)、減緩目標(biāo)或更廣泛的發(fā)展目標(biāo)存在實(shí)際或感知的權(quán)衡取舍，因而需要加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)評估。

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The impacts of global environmental changes on typical ecosystems: status, challenges and trends

YANG Yusheng1,2,*

1StateKeyLaboratoryofSubtropicalMountainEcology(FoundedbyMinistryofScienceandTechnologyandFujianProvince),FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China2SchoolofGeographicalSciences,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China

With the increasing impacts of global environmental changes and human activities on ecosystems, structures and functions of ecosystem change greatly, and their capacities in providing all kinds of services and resources are deteriorating. Therefore, a comprehensive understanding of the relationships between structures and functions of ecosystems and global environmental changes has become the research focus in ecology. This paper reviews the impacts of global environmental changes on typical ecosystems (including forest ecosystem, estuary wetland ecosystem and city ecosystem) and the adaptation to the global change, analyzes the difficulties and challenges facing ahead, and based on this puts forward the prospects for future researches. For the study of the relationships between forest ecosystems and global environmental changes, the future research will pay attention to long-term global environmental change experiments with controlled multi-factors and better simulated reality, and the coupling function between different biogeochemical cycles. For the study on the relationships between wetland ecosystems and global environmental changes, we will focus on the impacts of nitrogen deposition, sulfur deposition and salt water intrusion on carbon and nitrogen cycles in wetland ecosystem, clarify blue carbon function of coastal wetland, and learn more about the changes in structure and function of wetland ecosystems and their resilience under the influences of the extreme climate and human disturbance. For the study on the relationships between urban ecosystems and global environmental changes, we will deepen the understanding of the mechanisms of urban biogeochemical cycles，attach importance to humanistic demand in urban ecosystem and carry out long-term, multi-factor responsive researches in typical region. For the study on the adaptation to global environmental changes, a quantified and trans-scale adaptability evaluation system should be established, and we will strengthen the research on the adaptability of typical area/department and feasibility of adaptive strategy, attaching importance to the relationship between adaptive strategy and alleviating strategy, as well as the implementing risks. We hope the review will provide references for the researches on ecosystems and global environmental changes in China.

global environmental change; forest; estuary wetland; urban ecosystem; adaptation to global environmental change

國家重大基礎(chǔ)研究計(jì)劃課題(2014CB954003)；國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(31130013)

2017- 01- 05

10.5846/stxb201701050044

*通訊作者Corresponding author.E-mail: geoyys@ fjnu.edu.cn

楊玉盛.全球環(huán)境變化對典型生態(tài)系統(tǒng)的影響研究：現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(1):- .

Yang Y S.The impacts of global environmental changes on typical ecosystems: status, challenges and trends.Acta Ecologica Sinica,2017,37(1):- .