近代全球氣候變化研究進(jìn)展在植物地理教學(xué)中的補(bǔ)充

湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 （430062） 龐 靜 楊蘭芳

植物地理學(xué)是研究生物圈中各種植物和各種植被的地理分布規(guī)律、生物圈各結(jié)構(gòu)單元（各地區(qū)）的植物種類組成、植被特征及其與自然環(huán)境之間相互關(guān)系的科學(xué)，具有突出的邊緣性和交叉性學(xué)科特征[9]。我國(guó)高等院校自20 世紀(jì)50 年代以來在自然地理學(xué)專業(yè)開設(shè)植物地理學(xué)。作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課，植物地理學(xué)所講授的內(nèi)容是從事地理研究和地理教育工作所必需的專業(yè)知識(shí)，也是學(xué)習(xí)自然區(qū)域地理、經(jīng)濟(jì)地理、環(huán)境學(xué)以及有關(guān)部門自然地理時(shí)應(yīng)當(dāng)具備的基礎(chǔ)。

一方面，生態(tài)學(xué)等相鄰學(xué)科和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展都推動(dòng)著植物地理學(xué)迅速發(fā)展。另一方面，社會(huì)需求也促進(jìn)著植物地理學(xué)拓寬研究領(lǐng)域。本世紀(jì)70 年代以來，人類賴以生存的資源與環(huán)境出現(xiàn)急劇惡化的形勢(shì)已為學(xué)術(shù)界所重視。植物資源調(diào)查（生產(chǎn)力、儲(chǔ)量、類型、分布、變化等）；全球或區(qū)域環(huán)境演變對(duì)植被、植物資源的影響；人為活動(dòng)改變天然植被對(duì)環(huán)境的影響；植被與生態(tài)系統(tǒng)自然演變和人為演替的地理規(guī)律；生物多樣性的地理規(guī)律及人為影響后果等，都成為植物地理學(xué)家關(guān)注的重要研究課題[9]。但由于我國(guó)植物地理課程和內(nèi)容設(shè)置都采取前蘇聯(lián)的模式，多年來變化不大；加之教材內(nèi)容與相關(guān)理論研究相比本身就具有滯后性，很多研究熱點(diǎn)問題及最新研究成果未能及時(shí)在教材中得到體現(xiàn)。

以全球氣候變化為例，以“ 氣候變暖” 為突出標(biāo)志的全球環(huán)境變化及其可能對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的嚴(yán)重影響，已經(jīng)引起了科學(xué)家、各國(guó)政府與社會(huì)各界的極大關(guān)注。植被與氣候之間的相互作用表現(xiàn)在植被對(duì)氣候要素的適應(yīng)性與植被對(duì)氣候的反饋?zhàn)饔谩夂蜃兓瘜?duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育、地理分布、多樣性和豐富度都有極大的影響。而植被的變化又將通過影響植被與大氣之間的物質(zhì)(如水和CO2等)和能量(如太陽輻射、動(dòng)量和熱量等)交換來影響氣候，從而加劇全球變化的影響[1]。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在植物種分布與氣候要素關(guān)系，氣候變化對(duì)植物及植被分布的影響及預(yù)測(cè)方面也開展了不少研究。但從目前我國(guó)高等院校普遍采用的幾種教材——包括閻傳海主編科學(xué)出版社的《植物地理學(xué)》第一版，馬丹煒主編科學(xué)出版社的《植物地理學(xué)》第一版和武吉華主編高等教育出版社的《植物地理學(xué)》第三、四版來看，只有武吉華主編的《植物地理學(xué)》第四版中略有引入相關(guān)內(nèi)容——在第二章第二節(jié)中對(duì)地質(zhì)時(shí)期尺度上的氣候演變對(duì)植物種分布區(qū)的影響作了簡(jiǎn)要介紹，對(duì)更短的時(shí)間尺度上氣候變化的影響因其很少造成嚴(yán)重植物種分布變化而忽略，對(duì)未來氣候變化影響的預(yù)測(cè)這個(gè)非常活躍而且關(guān)乎人類生存和發(fā)展的研究領(lǐng)域則未提及。因此，由授課教師補(bǔ)充這部分內(nèi)容不但有利于學(xué)生了解研究前沿，幫助學(xué)生開闊視野，學(xué)習(xí)并掌握地理系統(tǒng)思維方法，在全球氣候變化的背景下認(rèn)識(shí)每一種植被類型、植物群落乃至植物個(gè)體，更深刻地理解植被分布的規(guī)律；對(duì)其形成科學(xué)世界觀和發(fā)展觀也是有利的。為了系統(tǒng)地闡明近代全球氣候變化并預(yù)測(cè)未來氣候變化趨勢(shì)下可能產(chǎn)生的影響，可以從以下幾個(gè)方面對(duì)植物地理教學(xué)進(jìn)行補(bǔ)充：

一、近代全球氣候變化的基本特征

近年來，以大氣CO2濃度升高，全球變暖為主要特征的全球氣候變化的趨勢(shì)越來越明顯，根據(jù)政府間氣候變化委員會(huì)（IPCC）的研究報(bào)告，大氣中CO2濃度正以年1.8μmol·mol-1 的速率持續(xù)上升，到本世紀(jì)末地球大氣中CO2濃度將增至將近900 ppm。另外，近100 年氣候資料統(tǒng)計(jì)表明全球平均溫度上升了0.7℃，而且有升高速率持續(xù)加快的趨勢(shì)[1]。

盡管因?yàn)閷?duì)于地球表面氣候的自然波動(dòng)規(guī)律而言人類的歷史太短，IPCC 推斷的人類活動(dòng)為近代全球變暖的主要原因尚存在爭(zhēng)議，但人類活動(dòng)和化石燃料的過度使用對(duì)大氣CO2濃度升高有推波助瀾的作用，從而導(dǎo)致溫室效應(yīng)加劇卻是不爭(zhēng)的事實(shí)?，F(xiàn)在有明確的證據(jù)說明人類活動(dòng)正在全球尺度上影響著地球環(huán)境。越來越多的確鑿證據(jù)顯示：地球系統(tǒng)的運(yùn)行正在做出不同的響應(yīng)[3]。

二、植物個(gè)體對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)

作為重要生理生態(tài)因子，CO2、溫度單獨(dú)的或復(fù)合的變化必將引起植物從外部形態(tài)到內(nèi)部生理功能的相應(yīng)變化，這種變化包含植物對(duì)全球變化的響應(yīng)及適應(yīng)策略[10]。高溫、 高CO2濃度使作物光合作用速率升高，蒸騰速率下降和氣孔阻力增加，對(duì)提高單位葉面積的干物質(zhì)量和水分利用率有利，但是高溫和高CO2濃度均加速作物的生育進(jìn)程，促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育速度加快，生育期縮短，其中尤以高溫對(duì)植物的影響最大。植物生育期縮短，使作物葉面積、 根、 莖、 葉生長(zhǎng)量不足, 生物量下降，從而影響到植物的生物量和產(chǎn)量, 還會(huì)影響到作物的產(chǎn)量結(jié)構(gòu)[8]。鄭景云等分析了近40 年我國(guó)木本植物物候變化及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明，隨著溫度的上升，我國(guó)的木本植物春季物候期均提前，20 世紀(jì)80 年代以后，東北、華北及長(zhǎng)江下游等地區(qū)的物候期均提前，西南東部、長(zhǎng)江中游等地區(qū)的物候期推遲，同時(shí)物候期隨緯度變化的幅度減小[14]。

氣候變化可能改變生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)不同種群的競(jìng)爭(zhēng)力，由此可能導(dǎo)致群落的空間結(jié)構(gòu)和演替方向發(fā)生改變。氣候變化對(duì)植物的影響可因植物種類而異；不同植物對(duì)氣候環(huán)境因子的敏感性不同，具有不同的適應(yīng)環(huán)境變化的策略。如C3植物具有較高的CO2補(bǔ)償點(diǎn)和CO2飽和點(diǎn)，CO2濃度是其光合作用的限制因子之一；而C4植物本身存在的CO2泵，能充分利用空氣中原有的CO2，對(duì)生境中增加的CO2不敏感；因此C3植物對(duì)CO2濃度升高的響應(yīng)很可能會(huì)高于C4植物，在全球氣候變化的背景下的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)加強(qiáng)。目前已經(jīng)有許多試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了這個(gè)推測(cè)[2]。劉衛(wèi)國(guó)等經(jīng)過對(duì)比黃土高原現(xiàn)代土壤和黃土-古土壤序列的有機(jī)碳同位素組成變化特征，也發(fā)現(xiàn)在古土壤階段C4植物比例大，在黃土沉積階段開始至今則轉(zhuǎn)變?yōu)镃3植物占優(yōu)勢(shì)[4]。這種轉(zhuǎn)變很可能是這段歷史時(shí)期氣候變化影響的結(jié)果。

三、近代全球氣候變化對(duì)植被分布的影響

如何準(zhǔn)確地評(píng)估我國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)于全球變化的響應(yīng)，以找出科學(xué)的對(duì)策，最大限度地減小全球變化的不良影響是全球變化研究者面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。目前最常用的預(yù)測(cè)當(dāng)代和未來的氣候變化產(chǎn)生的影響的方法是情景驅(qū)動(dòng)影響研法，并已經(jīng)取得了巨大的成功。這種方法常常用50-100 年的氣候變化情景去驅(qū)動(dòng)生物物理環(huán)境變化模型[3]。通常的步驟為：（1）采用情景假設(shè)的方法模擬未來氣候變化。目前世界上約有三十余種氣候模式使用不同的排放情景對(duì)未來氣候變化進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，不同模式給出的結(jié)果不同。使用不同氣候情景，模擬分析氣候變化對(duì)植物及植被分布的影響也很可能并不相同。但分析多個(gè)模型預(yù)測(cè)的結(jié)果，還是可以得出非常有參考價(jià)值的變化趨勢(shì)。從目前的報(bào)道來看，預(yù)計(jì)未來100年全球平均地表溫度將可提高1.4～5.8℃[6]。（2）在不同氣候變化情景下再根據(jù)已經(jīng)預(yù)先求得的植物或植被分布與環(huán)境因子定量關(guān)系來模擬氣候變化對(duì)植被分布的影響。這個(gè)過程通常需要結(jié)合地理信息系統(tǒng)、遙感技術(shù)和計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)來進(jìn)行。分析氣候變化對(duì)植物物種和植被影響中，所用的模型方法可以歸結(jié)為生物地理相關(guān)模型、氣候要素指標(biāo)替代法、林窗模型、廣義線性模型、逐步回歸廣義線性模型、廣義加法模型、分類回歸樹方法和 logistic 回歸模型等[6]。在分析氣候變化對(duì)植物分布影響方面，主要進(jìn)行兩個(gè)層次分析，一個(gè)層次是分析單一植物物種分布變化，另一層次考慮植物群落或植被分布變化。植物地理分布對(duì)氣候變化響應(yīng)方面的研究目前還主要集中在一些典型植物。有的物種分布面積會(huì)隨氣候變化增加，有的物種則減小。區(qū)域植被分布對(duì)氣候變化響應(yīng)趨勢(shì)方面也開展了許多研究工作。從目前的研究結(jié)果看來，在溫度增加2℃至4℃，降水增加20%時(shí)，紅樹林植物分布區(qū)將擴(kuò)大[5]；我國(guó)各植被帶均有所北移，特別是寒溫針葉林地帶可能北移出中國(guó)，西部草原和青藏高原地帶沙漠化趨勢(shì)加強(qiáng)[11][12][13][15]。如果全球氣候變暖的速率持續(xù)加快，自然界植物群落可能因無法適應(yīng)全球變暖的速度而做適應(yīng)性轉(zhuǎn)移，從而慘遭厄運(yùn)。以往的氣候變化(如冰期)曾使許多物種消失，未來氣候變暖也許還會(huì)導(dǎo)致某些物種滅絕[7]。

[1] IPCC(2001)．Climate Change 2001：the Scientific Basis．Contribution of WGl tothe Third Assessment Report ofthe Inter-Government Panel on ClimateChange．Cambridge University Press，Cambridge，UK．

[2] Kimball B A, 朱建國(guó)，程磊，Kobayashi K，Bindia M．開放系統(tǒng)中農(nóng)作物對(duì)空氣CO2濃度增加的響應(yīng)[J]．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2002，13（10）：1323-1338．

[3] 國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃IGBP 科學(xué)叢書之四（中文版）．全球變化與地球系統(tǒng)，一顆重負(fù)之下的行星[M]． 北京：氣象出版社，2010.

[4] 劉衛(wèi)國(guó)，寧有豐，安芷生，吳振海，鹿化煜，曹蘊(yùn)寧．黃土高原現(xiàn)代土壤和古土壤有機(jī)碳同位寨對(duì)植被的響應(yīng)[J]．中國(guó)科學(xué)(D 輯)，2002，32(10)：830-836．

[5] 劉小偉，鄭文教，孫娟．全球氣候變化與紅樹林[J] ．生態(tài)學(xué)雜志，2006，25（11）：1418-1420．

[6] 呂佳佳，吳建國(guó)．氣候變化對(duì)植物及植被分布的影響研究進(jìn)展[J]．環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2009，32（6）：85-94．

[7] 全球變暖可能造成的影響[J].中國(guó)環(huán)境報(bào)，2009-12-15．

[8] 王靜，方鋒，尉元明. 大氣CO2濃度增加對(duì)植物生長(zhǎng)的影響[J]．干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究. 2005，23（4）：229-233．

[9] 武吉華，張紳編主編．植物地理學(xué)（第四版）[M]．北京：高等教育出版社，2004．

[10] 許振柱，周廣勝. 陸生植物對(duì)全球變化的適應(yīng)性研究進(jìn)展[J]．自然科學(xué)進(jìn)展. 2003，13（2）：113-120．

[11] 張新時(shí)．研究全球變化的植被-氣候分類系統(tǒng)[J]. 第四紀(jì)研究，1993，2：157-169．

[12] 趙茂盛，Neilson RP，延曉東，董文杰．氣候變化對(duì)中國(guó)植被可能影響的模擬[J]．地理學(xué)報(bào)，2002，57：28-38．

[13] 趙茂盛，Ronald，Neilson RP 等．氣候變化對(duì)中國(guó)植被可能影響的模擬[M]．氣候變化國(guó)家評(píng)估報(bào)告．北京：科學(xué)出版社，2009

[14] 鄭景云．葛全勝，趙會(huì)霞．近40 年中國(guó)植物物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)研究[J]．中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象．2003，24(1)：1582-1587．

[15] 周廣勝，張新時(shí)．全球變化的中國(guó)氣候——植被分類[J]．植物學(xué)報(bào)，1996，38：8-17．