分类：农业论文 时间：2022-01-11 热度：986
摘要: 以温室气体浓度持续上升、全球气候变暖为主要特征的全球气候变化对野生植物及生物多样性造成的潜在影响, 已经引起了国际学者的高度关注。本文总结了全球气候变化的现状与未来趋势, 概述了中国野生植物的保护及管理现状, 从不同侧面综述了国内外关于全球气候变暖对野生植物影响的研究进展和动态, 包括气候带北移、两极冰山退缩、高海拔山地变暖、海平面上升、早春温度提前升高、荒漠草原土壤增温、旱涝急转弯等对野生植物造成的影响以及气候变暖对种间关系和敏感植物类群的影响, 并从气候变化背景下全球生态系统敏感度、植物多样性、物种迁移与气候槽(sink areas)、物种适应与灭绝以及物候节律5个方面分析了未来全球变暖影响野生植物的总体趋势。在以后的野生植物保护与管理中, 应确定全球气候变化的植物多样性敏感区, 重点关注对气候变化敏感的植物类群以及气候要素改变植物–动物互作关系中的野生植物, 自然保护区的建设要重点考虑全球气候变化的影响, 通过在全球范围内对野生植物分布和种群变化进行长期、系统的追踪监测, 建立有效的数据库, 发展野生植物迁地保护的保育技术及信息网络, 发展有关野生植物对全球气候变化响应的量化指标及相应的模型。最后提出应将全球气候变化下野生植物保护与管理列入相关基金会的研究重点。
关键词: 全球变暖, 冰川退缩, 海平面上升, 植物多样性, 物种迁移, 物候, 迁地保护
以全球气候变化为核心的全球变化是目前人类面临的最严峻的挑战之一(李克让, 1996)。自工业革命以来, 大气中温室气体浓度剧增(IPCC, 2007), 使得全球变暖以极速蔓延的趋势席卷了整个地球。全球增温、海平面上升、雪盖消融与冰川退缩、降雨增加与干旱加剧以及由此引发的生物物候的改变, 气候变化与人类活动导致的生境片断化与丧失、外来物种入侵以及大量脆弱物种正处在濒临灭绝的边缘, 严重危及着人类生存(Brikowski et al., 2008)。
全球气候变化将直接影响地球上的植物及与之休戚相关的所有生命形式。地球上现存30万种高等维管束植物物种的1/3受到威胁, 1/10左右因过度采集、掠夺性生产方式、环境污染、土地利用变化、城市化进程、外来物种入侵及气候变化等因素的影响而濒临灭绝(禹玉华等, 2008)。预期本世纪末全球地表将平均增温1.1–6.4℃(IPCC, 2007), 植物灭绝速率将进一步加快, 预计1/2的植物将会受到威胁, 甚至2/3的高等维管束植物种类将在本世纪末消失 (许再富等, 2008)。
生物群落研究理论表明, 一种植物灭绝会引起 10–30种其他生物丧失, 特别是许多极小种群野生植物是自然生态系统中的关键种, 一旦灭绝将可能引发连锁反应。全球气候变化的地域之广阔, 影响之深远, 已使野生植物受到前所未有的冲击。这些变化已引起人们的密切关注, 并从不同角度(如地理分布、种群与群落动态、物候节律、生活史对策等)开展了广泛的研究(Alsos et al., 2007; 陈建国等, 2011; Wolkovich et al., 2012)。然而, 在传统的野生植物保护与管理系统规划中, 忽略了全球气候变化将给野生植物及其生境带来的深刻而长远的影响。因此在以后的野生植物保护与管理中, 增强对气候变化对野生植物资源影响的认识, 充分考虑野生植物适应气候变化的能力, 将全球气候变化的思想融入到野生植物保护机制中, 应是本领域科学发展的重点。
1 全球变化、气候变化与全球气候变化
伴随着人类社会的飞速发展, 大量化石燃料燃烧释放的温室气体和污染物进入大气、水体、土壤和生物体等, 这些变化会伴随着全球化进程逐渐扩展到更大的空间范围, 从而诱发全球变化的正反馈效应(Cox et al., 2000; 田汉勤等, 2007)。全球变化是指由于自然和人类双重作用造成的全球尺度上的环境变化, 主要包括大气组成与气候变化、外来物种入侵导致的生物区系变化以及人类活动导致的土地利用的变化3个方面。
气候变化是全球变化的重要组成部分(曲建升等, 2008), 指在一个特定区域内, 与多年平均水平相比, 气候平均值或离差值出现长期的统计学意义上的显著变化, 如平均气温、平均降水、最高气温、最低气温以及极端天气等的变化(IPCC, 2007)。在全球范围内, 气候平均状态统计学意义上的巨大改变或者持续较长一段时间(典型的为10年或更长)的气候变动, 即为全球气候变化。气候变化的原因可能是自然的内部进程(如太阳活动、火山爆发、大气与海洋环流的变化)或者是人为地持续对大气组成成分和土地利用的改变等。
2 全球气候变化的现状和未来趋势
2.1 全球气候变化的现状
20世纪, 包括温度与降水在内的主要气候特征发生了变化, 北半球尤其是高纬度地区受气候变化影响较大(Wen & Lin, 2003)。表现在: (1)最近100年来(1906–2005年), 全球地表平均温度上升了0.74℃, 北极升温速率几乎是全球平均速率的2倍; 北半球较高纬度地区温度升幅较大(IPCC, 2007); (2)20世纪全球陆地降水量约增加2%, 北半球中高纬度大陆地区降水量明显增多, 但是北半球副热带地区降水量可能减少了3%, 非洲北部、南美的沙漠地区减少更为明显(刘昌明等, 2008); (3)1961年以来的观测表明, 全球升温引发海水膨胀, 20世纪全球海平面上升约0.17 m(秦大河和罗勇, 2008); (4)1978年以来, 北极海冰面积以每10年2.7%的速率退缩; (5)极端气候事件(如干旱、洪涝、冰雹、风暴、高温天气和沙尘暴等)的发生频率和强度增加。
2.2 21世纪全球气候变化的总体趋势
将未来100年有关气候变化的预测结果总结如下: (1)全球地表平均温度将上升1.1–6.4℃(IPCC, 2007), 高纬度地区增温比低纬度地区明显(吴榜华等, 1997), 全球气候带将向极地方向发生一定程度的位移, 春季转暖提前而秋季变冷推迟。(2)全球降水量总体上呈增加的趋势, 但降水分布格局将发生改变, 总体向北移; 北半球中高纬度地区降水量增加, 但由于蒸散作用所损失的水分远大于降水的增加量, 中纬度内陆地区的夏季干旱明显增加(彭少麟等, 2002)。(3)全球平均海平面上升0.18–0.59 m(IPCC, 2007)。(4)北半球冰川和冰盖将继续退缩; (5)极端天气气候事件的频率和强度增加(IPCC, 2007), 但不同地区出现的频率可能有差异(刘国华和傅伯杰, 2001)。
3 中国野生植物保护与管理现状
历史上活跃的地质运动造成了中国陆地生境复杂多样, 使得中国成为世界上重要的植物物种形成、进化和保存中心(中国植物保护战略, 2008)。中国有高等植物3万余种, 居世界第三位, 并具有物种丰富度高、特有种属多、区系起源古老等特点。但近30年来, 由于经济的高速发展和人类活动对生态环境的破坏, 中国高等植物濒危或受威胁的物种数量达3,500–4,000种, 远远高于世界平均水平(禹玉华等, 2008)。
几十年来, 中国在野生植物保护与管理工作中取得了很大成绩。在植物物种资源本底调查基础上编写了《中国植物志》、《中国物种红色名录》、《中国植物红皮书》, 制定了《国家重点保护野生植物名录》, 建立了大量植物物种信息数据库(中国植物保护战略, 2008)。在自然保护区建设和就地保护有效性评价方面开展了一系列研究工作(苑虎等, 2009; 张殷波等, 2014), 建立自然保护区2,697处, 占中国陆地面积的14.77%(2013年中国环境状况公报), 此外还建立了森林公园2,948处、各类保护小区 5万余个(国家林业局, 2013), 初步形成了比较完善的野生植物就地保护网络。
然而, 我国野生植物保护与管理也存在很多问题: (1)在人类活动和全球气候变化的双重作用下, 中国总体生态环境仍然很脆弱, 一些对全球气候变化高度敏感的植物多样性关键地区没有得到重点保护或保护质量不高; (2)气候变化将引起物种多样性分布格局改变, 同时一些物种在自然保护区的分布也将改变, 使得原有自然保护区无论从数量、规模还是功能设计上都需要有一定的调整; (3)保护资金短缺、技术设备和保护管理方法落后, 一些在全球气候变暖的条件下潜在的受威胁物种得不到及时和有效的保护; (4)气候变化敏感地区植物及其多样性的科研力度不够, 对气候变化的影响以及野生植物适应气候变化的能力认识不足; (5)对气候变化对已保护野生植物生存状况影响的长期监测与保护效果评价还十分薄弱; (6)在全球气候变化、野生植物生境破碎化加剧、物种快速消失的背景下, 简单的就地保护已不能满足珍稀濒危植物的保护需求。
随着全球气候变化成为国际植物学界关注的热点, 2006年4月国际植物园专家汇集在西班牙的大加那列岛, 就全球植物园应对全球气候变化的对策和行动计划进行了全面讨论。会议起草了《大加那列岛宣言2——气候变化与植物保护》, 制定了全球植物园应对气候变化的迁地保护策略框架。现有研究表明, 在全球气候变化的影响下, 至2080年, 欧洲将有50%以上的植物物种受到威胁, 同时60% 以上的高山物种面临灭绝(Thuiller et al., 2005)。非洲大陆形势同样严峻。研究显示, 至2100年, 气候变化将导致现有50%的物种濒临灭绝。尽管如此, 中国现有的植物多样性保护和管理措施已明显跟不上全球气候变化的步伐。
4 全球气候变暖对野生植物的影响
4.1 气候带北移、两极冰山退缩, 植物向高纬度地区迁移
当气候逐渐变暖, 气候带的地理位置将会发生重大的迁移。根据模型预测, 全球气候变暖将使气候带向地球的两极移动, 按现阶段全球变暖的速度, 纬度每10年向北移1°, 现在的南亚热带将被热带所替代, 依此类推, 现在的中亚热带将变成南亚热带(Seidel et al., 2008)。在未来年均气温增加4℃、降水量增加20%的情景下, 中国各植被带将比现在更干热, 森林带干旱加剧, 但仍能满足其水分要求, 草原带将变干热, 西部草原将成为荒漠, 森林和草原面积锐减, 荒漠带沙漠化程度加剧, 青藏高原各植被带的干旱程度均呈较大幅度增加的趋势, 沙漠化加剧(周广胜等, 2004)。
全球气候变暖将使一些物种不得不迁移到更为寒冷和湿润的地方。目前大量研究和观察表明, 气候变化已经改变了物种的分布格局, 许多物种向高纬度或高海拔地区迁移(Parmesan & Yohe, 2003; Walther et al., 2005; Colwell et al., 2008)。Walther等 (2007)研究了棕榈(Trachycarpus fortunei)的分布动态, 发现这一物种向北迁移与冬季气温和生长季长度的变化相关, 并认为棕榈科植物是一类重要的全球变暖的生物指示物。Lucht等(2006)运用全球植被动态模型LPJ(Lund-Potsdam-Jena Dynamic Global Vegetation Model)预测了未来森林分布的变化, 主要表现为在高纬度地区向北扩展, 而中纬度地区则变化不明显。据分析, 温度每增加1℃, 就会使陆地物种的忍受极限向极地转移125 km, 或在山地垂直高度上上升150 m(许再富, 1998)。Chen等(2011)对近 1,400个物种进行全面调查后发现, 全球变暖正在驱使动植物远离赤道地区向两极迁移。过去10年间, 动植物向极地地区平均移动了16.9 km(Chen et al., 2011), 物种向两极移动的平均速度比2003年科学家预计的速度快3倍(Parmesan & Yohe, 2003)。除了温度等环境因子外, 物种的迁移还取决于物种本身的适应能力、迁移能力、迁移过程中的障碍、可供迁移的适宜地距离等许多因素。例如, 尽管恩氏云杉(Picea engelmanni)的种子小, 可借风力传播, 但无障碍时估计也仅可迁移l–20 km/100年。可见, 如果没有人为的帮助, 许多物种的再分布可能跟不上气候变化, 因此生态系统的结构和功能可能发生较大的改变(许再富, 1998)。
许多北极植物种类也开始向高纬度迁移, 逐渐形成新的植物群落。通过分析挪威斯瓦尔巴群岛上 9种不同的开花植物4,000多个样本的DNA序列, Alsos等(2007)发现它们绝大部分是由来自诸如俄罗斯东北部、格陵兰岛等北极区域的植物种子远程传播而来的, 且很可能是在北极强风暴、浮冰、浮木以及鸟类的综合影响下广泛散布开来。该研究暗示着历史上在北极附近地区, 植物可以根据气候的变化大范围地改变分布区域, 从而对全球变暖产生适应性。而孢粉证据反映的冰后期植物由南向北传播, 实际上更多的是由于冰川退缩后当地植物的繁殖体逐渐萌发和定居的结果(Miller et al., 2008; Liu & Yin, 2013)。随着全球气温的升高, 极地地带性植被类型苔原的分布区整体向北迁移(彭少麟等, 2002)。但北冰洋的阻挡导致北半球苔原的北界延伸受到很大限制, 而南界则将大幅度向北移。Elmendorf等(2012)调查了从俄罗斯西伯利亚到芬兰的大片北极苔原带现状, 发现在过去的30–40年间, 苔原带的一些地区已经长出了高大的树木, 局部形成了森林, 证明森林带已经向北极地区扩散。在加拿大和阿拉斯加的最北部分以及西伯利亚和斯堪的纳维亚的西北部, 植被结构和物种组成已经改变 (Adams, 2007)。在南极半岛的西面, 自20世纪40年代以来, 温度上升了2.6℃, 导致两种维管植物南极发草 (Deschampsia antarctica) 和南极漆姑草 (Colobanthus quitensis) 的种群大暴发 (Adams, 2007)。
4.2 植物向高海拔山地移动
高山生态系统的植物对气候变化尤为敏感。研究表明, 高海拔地区增温速率及幅度远大于低海拔地区(Pepin & Seidel, 2005)。全球升温将加速高山冰川消融, 导致山地积雪与冰川面积快速退缩及雪线上升(陈建国等, 2011; IPCC, 2007)。关于气候变暖造成低地或低海拔的植物物种向高海拔地区扩展的现象已有大量报道(Walther et al., 2002; Chen et al., 2011)。维多利亚阿尔卑斯境内的Hotham山峰上的树线已经在近些年上升了40 m。瑞士Storsnasne山的高山白桦(Betula pubescens ssp. czerepanovii)在过去的一个世纪内向上迁移了75 m(Crawford, 2008)。欧洲高山植物平均每10年向高海拔推进1–4 m, 欧洲和新西兰树线向更高海拔上升, 阿拉斯加极地灌木植被也向其他生境扩张, 这些都与全球气候变暖密切相关(Walther et al., 2002)。2000–2009年欧盟10个成员国的研究人员在世界五大洲范围内的17座山脉区域选择了60处观测地点, 筛选出764个植物种类作为研究对象, 发现全球气候变暖对山区植物种类的变迁具有明显的影响, 所观测的植物种类随时间推移一直发生着变化(Gottfried et al., 2012)。基于青藏高原近几十年来气候变化的趋势, 结合目前世界上主要大气环流模型(Global Circulation Models, GCMs)给出的CO2倍增后的气候变化结果, 石培礼(1999)推测未来气候变化情景下, 青藏高原亚高山树线分布高度变动的幅度为150–600 m, 树线上升的幅度自东向西逐渐降低。
从单个物种来看, 不同物种向更高海拔迁移的速度各不相同。一些仅在高山生存的物种迁移较快, 而在低地生存的植物迁移速度相对较慢。不同植物功能类群对气候变化的响应模式也不同(Stewart et al., 2010): 生命周期较短、物种更新频率相对较高的草本植物迁移较快, 而木本植物的迁移速度和扩展速度相对滞后(Liu & Yin, 2013)。不同物种迁移速度不同, 意味着气候变化正在把高山物种的种间关系打乱, 使整个高山生态环境的构成和功能发生变化, 这可能导致一些物种走向灭绝。
气候变暖还将导致适宜生境的丧失和破碎化, 从而引起高山植物灭绝或被其他物种取代(陈建国等, 2011; Klanderud & Totland, 2008)。Pauli等(2012) 发现, 欧洲南部山脉地区大量物种的数量在过去10 年里正在逐步减少, 在地中海地区14个山脉顶部, 有8个地区的物种数量正在递减。随着许多物种向高海拔迁移, 一些物种将由于分布区逐渐缩小而最终灭绝(曹福祥等, 2008; Pauli et al., 2012)。此外, 高山植物种类在迁移过程中, 必然面对原生植物的激烈竞争, 或自身衰落或使原生植物种类退化消失, 进而引起高山植物多样性的大幅度降低(Gottfried et al., 2012)。
4.3 海平面上升, 海滨植物大面积萎缩、生物入侵加剧
海滨生态系统是承受全球气候变化引起的海平面上升等影响最为前沿的缓冲带(Christian & Mazzilli, 2007; 邓自发等, 2010)。据最新研究报道, 如果全球变暖持续下去, 即使气温只升高2℃, 到 2300年, 海平面也将比现在平均升高1.5–4 m, 最乐观的估计也是2.7 m(Schaeffer et al., 2012)。还有研究表明, 由于CO2大量排放, 未来1,000年, 全球海平面至少会上升3.96 m(Gillett et al., 2011)。海平面上升与海上风暴的作用相耦合, 将对海滨生态系统造成巨大影响。在美国, 21世纪海平面抬升将至少淹没正处于灭绝境地的80个物种的全部生境。根据更为极端的预测, 世界上许多岛屿将完全被淹没, 危及其上分布的所有动植物, 在周围受干扰的陆地也无法为它们找到合适的生境(许再富, 1998)。
由于受到陆相和海相的双重影响, 生长于热带与亚热带海滨滩涂的红树林可能是全球气候变化影响的早期指示者(卢昌义等, 1995)。当海平面上升速率在9–12 cm/100年时, 红树林就会受到威胁甚至消亡(Ellison & Stoddatr, 1991)。联合国环境项目报告显示, 海平面上升将对太平洋地区16个岛国的红树林造成影响, 到本世纪末, 13%的红树林将被淹没, 某些岛屿半数以上的红树林将逐步消失, 最严重的是美属萨摩亚群岛、斐济、图瓦卢和密科罗尼西亚群岛。在红树林后缘地貌和地层条件适合其生长的条件下, 红树林将大规模向陆地迁移, 否则红树林则很少向陆地演化, 最终随着海平面上升被淹没(高如峰, 2012)。但是一些红树林海岸的地貌在海平面上升时会发生改变, 如泥滩向陆地移动、沙丘消失等, 这将显著改变红树林生态系统(谭晓林和张乔民, 1997)。需要指出的是, 随着海平面的上升, 红树林分布区向陆地扩展的情况仅仅可能发生在没有障碍物阻挡的条件下, 而硬质海岸大堤的构筑可能将使红树林的生境彻底消失(韦兴平等, 2011)。在过去30年里佛罗里达州滨海地区的红树林分布区域向北部扩展了近一倍, 而其南侧的分布线则变化甚微(Cavanaugh et al., 2013)。海平面上升后巨浪和风暴潮等极端灾害发生的频率和强度增加 (Gilbert et al., 2010; Smith et al., 2010), 会加速植物根系周围有机质的流失, 降低外来沉积物的淤积速率, 导致植物生长和滩面淤积速度跟不上海平面上升速度, 植被结构简单、种类组成单一, 生物多样性降低(Gilman et al., 2008; 邓自发等, 2010)。
随着海平面上升, 海水入侵将加剧, 海滨生境中盐度增加, 影响植物生长(邓自发等, 2010), 长时间海水淹没将导致盐沼初级生产力下降。入侵海滨生态系统的外来种比土著种更能承受生境水位和盐度的变化, 使得外来种的分布区在海平面上升的作用下扩大, 进而造成海滨植被面积减少、结构简单, 甚至彻底消亡(Perry & Atkinson, 2009)。据报道, 入侵植物互花米草(Spartina alterniflora)的耐盐性远高于本地种, 其庞大的克隆体系为缓解淹水胁迫提供了结构保障(Xiao et al., 2010), 因此在盐沼湿地形成单优群落。Wang等(2010)预测, 按照目前的扩散趋势, 本地种海三棱藨草(Scirpus mariqueter) 将最终被互花米草取代。——论文作者：黎 磊1 陈家宽1,2*
文章名称：气候变化对野生植物的影响及保护对策
