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我们生活在地球上，大气、河流、海洋、土地、矿藏、森林、草原和各种生物，构成了我们生存的自然环境。当前，温室效应和全球变暖、臭氧层破坏、森林锐减和物种灭绝、土地退化和淡水短缺等一系列重大全球性环境问题困扰着人类社会，涉及地球的可居住性这一重大战略科学问题。经过多年的观测和研究，国际社会已逐渐认识到这一点，并试图利用人类的智慧和已掌握的技术、知识迎接这一全球性环境问题的挑战。20世纪70年代以来，国际科学界酝酿、讨论、设计、实施并在不断充实和完善的全球变化研究，正是国际社会高度缜密、步调一致地为解决该问题而做出的重大努力。

“全球变化”（global change）一词首先出现于20世纪70年代。当时一些社会科学团体使用“全球变化”一词主要是表达人类社会、经济和政治系统愈来愈不稳定，特别是国际安全和生活质量逐渐降低这一特定意义。进入80年代后，自然科学家借用并拓展了全球变化概念，将原先的定义延伸到全球环境，即将地球的大气圈、水圈、生物圈和岩石圈的变化纳入全球变化的范畴，并突出强调地球环境系统及其变化。

因此当今的“全球变化”一词被理解为“地球环境系统的变化”，是指由于自然的和人为的因素而造成的全球性的环境变化，主要包括全球气候变化、大气成分变化、土地利用/土地覆盖的变化、人口增长、生物多样性变化和荒漠化等内容。需要指出的是，这些内容都与我们今天人类的生产活动和生活方式有着直接和密切的联系。人口增长是全球变化的最主要的驱动因子。由于人类的影响，导致大气成分和土地利用/土地覆盖的变化，最终引起全球气候变化、生物多样性丧失以及土地的荒漠化。

2．全球变化的主要内容

1）全球气候变化

全球气候变化是全球变化研究的核心内容之一。地球气候变化由来已久。根据气候变化的时间尺度，气候变化分成长期气候变化、短期气候变化和当代气候变化。一般将由于轨道强迫造成的、发生在一万年至一百万年时间尺度上的气候变化称为长期气候变化，发生在一百年至一万年时间尺度上的气候变化称为短期气候变化，亦称冰后期气候变化，即指最后一次冰期结束以后大约一万年以来的气候变化（这个时期在地质上称为第四纪的全新世，地球气候目前仍处于全新世中），而将发生在一百年以内的气候变化称为当代气候变化。

当代气候变化是指最近一个多世纪以来，主要由于人类活动引起的温室气体效应造成的全球性气候变暖。在过去的130年中，全球地面年平均气温增加约0．6℃，南半球在这一时期表现为稳定的增暖，而北半球在20世纪40年代以前是增暖，然后约有30年的变冷趋势，从70年代起又恢复增暖，且在80年代变暖加剧。有记录以来的地球10个最暖年中有7个年份出现在20世纪80年代至90年代。在2007年IPCC发布的第四次评估报告（图6-2）称，20世纪后半期，北半球的平均气温是过去1300年间最高的。除1996年外，在1995—2006年全球地面平均气温是1850年以来最高的时期。按照这样的趋势发展下去，21世纪末全球平均气温将升高2．4～6．4℃。

与温度变化不同的是，降水变化的地理差异十分明显。总体趋势是：中纬度地区的降雨量增多，北半球的亚热带地区的降雨量减少，而南半球的降雨量增多。温室效应导致全球温暖化也会提高海洋表面的蒸发量，从而提高大气中水汽的含量。

全球温暖化导致的另一个重要现象就是海平面上升。据IPCC（2001）评估，过去100年中全球海平面上升了10～20cm。由于全球温暖化现象在本世纪还会继续发生，由温暖化引起的海洋热膨胀和极地冰川的融化导致海平面高度将会继续上升。研究表明，冰川融化是海平面上升的最主要因素，但南极冰盖融化的贡献率是令人意外的小（表6-1）。按IPCC的第二次评估报告，在1990—2100年间，海平面上升的高度将在15～95cm之间，平均上升50cm左右。

近年来，天气和气候极端事件出现的次数和强度都较以往大大增加，研究说明过去的30年中风暴灾害的次数和经济损失都增加了4倍。2004年12月26日印度洋发生里氏7．9级强烈地震，并引发了波及沿岸13个国家和地区的巨大海啸，造成近30万人遇难，150万人流离失所，财产损失达107．3亿美元。2005年8月下旬，飓风“卡特里娜”席卷美国墨西哥湾沿岸地区，死亡人数超过1800人，经济财产损失达812亿美元。我国1998年发生的长江特大洪水导致全国共有29个省（自治区、直辖市）遭受了不同程度的洪涝灾害。据各省统计，农田受灾面积2229万公顷（3．34亿亩），成灾面积1378万公顷（2．07亿亩），死亡4150人，倒塌房屋685万间，直接经济损失2551亿元。2008年1—2月，我国出现大面积的降温和雨雪天气，造成巨大的冰雪灾害，波及14个省份，导致约7786万人口受灾。

在热带太平洋海域，大约每隔3～5年，出现大面积的海水变暖现象，并且持续1年或更长时间。这种现象常发生在圣诞节前后，故称为“圣婴”（El-Ni1o）事件。它是大气环流和海洋环流之间相互耦合的结果，大气环流施加于海洋的压力是海洋环流的主要驱动力，而来自海洋的热量特别是蒸发作用对大气环流有着极大的影响，但其机制目前尚不十分清楚。与“厄尔尼诺”事件相对应的，海水发生变冷事件称为“拉尼娜”（La-Ni1a）事件。“厄尔尼诺”事件不仅引起全球的旱涝灾害，还对沿岸国家的渔业带来破坏性影响。因为海洋表面的暖海水阻止来自下层较冷海水中的营养传输，而这是维持海洋上层的鱼类生存所必需的。最近一次特强的“厄尔尼诺”事件发生在1982—1983年，异常高的海洋表层水温距平均值达7℃。1984年，几乎各大洲发生的旱涝灾害都与那次“厄尔尼诺”事件有关。

2）大气成分变化

地球系统大气圈的演化和冰期（冷）、间冰期（暖）的交替等自然因素作用导致了地球大气成分的变化。这种自然的变化是缓慢的。但自工业革命以后，人口的剧增、现代工业的迅速发展以及矿物燃料利用、森林过伐、草原开垦与过牧等人类活动引起了地球大气成分的快速变化。其中，地球大气成分中“温室气体”，特别是二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）、氧化亚氮（N₂O）和氯氟烃（CFCs），因其对全球气候变化的影响最为显著而受到人们的关注。

根据IPCC第四次评估报告（2007），自工业化时代以来，由于人类活动所产生的全球温室气体排放已经增加，在1970年至2004年期间增加了70%。过去50年全球平均气温升高的90%以上与人类燃烧化石燃料排放的温室气体有关。自1750年以来，由于人类活动，全球大气中的CO₂、CH4和N₂O浓度已明显增加（图6-3），目前已经远远超出了根据冰芯记录测定的工业化前几千年中的浓度值。全球CO₂浓度的增加主要是由于化石燃料的使用，同时土地利用变化也为此作出了另一种较小但显著的贡献。已观测到的CH₄浓度的增加很可能主要是由于农业活动和化石燃料的使用。N₂O浓度的增加主要是由于农业活动（图6-4）。

图6-3　过去一万年（大图）和自1750年（嵌入图）以来的大气CO₂、CH₄和N₂O浓度变化情况（IPCC，2007）

全球大气中CO₂浓度已由工业化前时代的约280mL/m³增加到2005年的379mL/m³。1995—2005年的CO₂浓度年增长率（年平均增长值1．9mL/m³）大于自连续和直接的大气观测开始以来（1960—2005年平均增长值1．4mL/m³）的浓度年增长率。全球大气CH4浓度值从工业化前时代的约715μL/m³增至20世纪90年代初的1732μL/m³，2005年增至1774μL/m³。自20世纪90年代初以来，增长率已有所下降，这与在此期间CH₄总排放量（人为和自然排放源之和）几乎趋于稳定一致。全球大气中N₂O浓度值已从工业化前时代的约270μL/m³增至2005年的319μL/m³。由于人类活动，许多卤烃（包括氢氟碳化物）从工业化前时代接近零的本底浓度上已呈现增加的趋势。

3）土地利用/土地覆盖变化

就对陆地生态系统的影响而言，人类活动导致的土地利用/土地覆盖的变化比任何其他的全球变化内容都要强烈和深远。土地覆盖（land cover）表示土壤-植被系统的结构，如森林、耕地等，而土地利用（land use）则表示人类利用土地覆盖类型的方式，如森林可用来生产木材，也可用来进行保持水土。在过去的几十万年里，陆地表面的一半以上土地覆盖类型发生了改变。

20世纪以来，这种改变尤为显著。全球耕地的一半以上都是在这一期间被开垦出来的。

土地覆盖变化并不单单是自然植被变成耕地的过程，而在不同地区有不同的反应。在热带，森林常常被开垦成可耕作的农业用地，但在温带地区的很多农业用地正在转变成自然植被。从1700年到1980年这段时期里，南亚、中国和欧洲等地域由自然植被变成作物用地的比例就比世界其他地区的要高一些。另一方面，土地利用变化的一个最显著的特征是农业对土地的集约管理，以满足人口增长带来的粮食需求增长，而这种集约管理方式将会对区域和全球的生物地球化学循环产生深刻影响。

土地利用/土地覆盖变化对生态系统的结构和功能都产生了深刻影响，这主要体现在土著种的减少和外来种的引入、土壤碳和养分的丧失、植被生产力的变化、增加温室气体向大气的排放以及对区域气候的直接影响。在这些生态效应中，土壤侵蚀和土壤物理性质的改变（由于农业利用）是最受关注的，因为土壤的形成是一个物理的、化学的和生物的漫长过程。

人口增长在全球变化研究中是一项特殊的内容。全球变化是自地球诞生以来就一直存在的自然现象，但人类之所以对目前的全球变化表现出如此的关注主要还是因为这种变化在很大程度上是由人类自己造成的。换句话说，巨大的人口压力是全球变化的主要驱动因子。从1850年到现在的近150年中，世界人口从10亿增加到60亿（1999年10月12日，联合国宣布世界人口进入60亿），并且这种增加的趋势还将加速，到21世纪末将增加一倍，即120亿。这种庞大的人口数量意味着人类将加倍地需要更多的粮食、衣物和能源，也意味着人类将更快地、更大规模地开发和利用自然资源，更加迅速地改变着我们生活的环境，这对人类自身生存的影响又将是不可估量的，因此，有效地控制世界人口增长已成为解决地球环境问题的关键。

5）生物多样性变化

在相当一段时间内，生物多样性的研究并不属于全球变化的范畴，而是与全球变化、可持续的生物圈并列为当今国际生态学的三大研究热点。只是到了最近，生物多样性的丧失已不再是局部现象。全球气候变化、土地利用/土地覆盖变化以及荒漠化都会影响到全球性的生物多样性的减少和丧失，而生物多样性的变化又反过来通过影响生态系统的结构和功能，进而影响到全球气候变化以及土地利用/土地覆盖变化。因而，许多全球变化项目中都将生物多样性的变化作为重要内容。

R．L．Peter和T．E．Lovejoy（1992）对全球生物多样性与全球变化的关系作了详细的论述。生物多样性是人类社会赖以生存的基础，由于人类掠夺式地利用生物多样性资源，使全球生物多样性受到了极大的威胁。现在物种灭绝的速度是人类社会出现之前自然速度的100～1000倍以上，并且未来物种灭绝的速度将以目前10倍的速度增加。在过去的100多年中，鸟类和哺乳类动物灭绝的速度远比过去的要高。甚至有人预测，在下一个50年中，陆地动植物的一半将面临灭绝。我国是世界上少数几个“巨大生物多样性国家”之一，不仅拥有全球物种总数的10%～14%，而且由于悠久的历史和众多的民族培养了丰富的栽培植物和家养动物地方品种。然而，巨大的人口压力、高速的经济发展对资源需求的日益增加和利用不当，使我国生物多样性受到极为严重的威胁。据估计，有61%的野生生境丧失、40%的生态系统已严重退化、15%～20%的物种处于濒危状态，遗传多样性大量丧失（《中国21世纪议程》，1994）。因此，生物多样性研究和保护已成为我国政府和科学家所面临的紧迫而又艰巨的任务。

近年来，荒漠化（desertification）也逐渐成为全球性问题而受到广泛关注。按照联合国环境规划署（UNEP，1991）的定义，荒漠化是指“出于不恰当的人为活动，导致的干旱、半干旱和半湿润地带的土地退化现象”。这里的土地概念包括土壤、水资源、地面状态和植被等，退化现象是指因水蚀、风蚀、自然植被减少而出现的土地生产潜力的减退。因此，荒漠化也可以理解成是土地利用/土地覆盖变化的一种，但由于它的严重危害性以及我国荒漠化的严重性，故本书将其单列一项，以示强调。荒漠化导致的后果是极其严重和惊人的。由于连年的干旱，非洲北部发生严重的荒漠化，仅在1972—1993年，就有几十万人因饥饿而死亡，更多的人沦为难民。按照UNEP（1991）的调查，全球土地约有1/4，即相当于干旱地区70%（36亿km²）的土地正在荒漠化，世界人口约有1/6正在受到直接影响。同许多国家一样，我国面临的形势也十分严峻：荒漠化的面积已达到国土总面积的8%，并且仍以每年2100km²的速度蔓延，中国潜在荒漠化的面积占国土总面积的34．6%（《中国21世纪议程》，1994）。

荒漠化与人口增长导致过度放牧、过度开垦等不适当的土地利用有直接关系，全球变化也是荒漠化发生的主要驱动因子之一。反过来，荒漠化又影响着气候变化和引起生物多样性的减少。

3．全球变化研究

针对上述的全球变化问题，自20世纪70年代以来，国际科学界酝酿、讨论、设计、实施并在不断充实和完善着全球变化的研究。全球变化研究的对象就是地球系统，即由大气圈、水圈、岩石圈、土壤圈和生物圈（包括人类圈）所组成的作为整体的行星地球。它是由一系列相互作用过程（包括系统各圈层之间的相互作用，物理、化学和生物三大基本过程的相互作用以及人与地球的相互作用）联系起来的非线性多重耦合系统。全球变化的研究目标是描述和理解人类赖以生存的地球系统运转的机制和变化规律，以及人类活动对地球环境的影响，从而提高未来环境变化的预测能力，为全球环境问题的宏观决策提供科学依据。

目前，全球变化研究是由以下四个相互独立、相互依存的国际研究计划组成：以研究气候系统中物理问题为主的世界气候研究计划（WCRP），以研究地球系统中生物地球化学循环及过程为主的国际地圈-生物圈计划（IGBP），以研究全球环境变化的人类因素为主的全球环境变化的人类因素计划（IHDP）以及生物多样性科学国际计划（DIVERSTAS）。这是生态学发展史上从未有过的新的、高层次的研究，是一个高度综合的多学科框架体系。从研究工作的环节分析，全球变化研究包括六个相互关联的方面，即观测研究、过程研究、预测研究、数据与信息管理研究、影响分析研究、对策研究与政策评估研究等。

1）全球变化的观测研究

综合的全球观测是全球变化研究计划的重要组成部分。综合性多尺度全球观测系统是全球变化研究的基础，这些测量系统将提供监测和检测全球变化的许多方面的途径，并将提供模式校准、验证和进一步发展所需的长时间范围的全球数据集。据统计，现有的有关全球环境监测、数据管理和协调的组织和计划共有80多个。现有的观测系统有全球性的，如世界天气监视网（WWW）、全球大气监视网（GAW）、全球环境监测系统（GEMS）、全球联合海洋服务系统（IGOSS）和全球海平面观测系统（GLOSS）等，有区域性的，如世界气象组织（WMO）的大气污染监测网络（BAPMON）等，有国家级的，如美国长期生态研究网络（LTER）、中国生态系统研究网络（CERN）等。由于这些观测系统是为非常有限的专门研究目的而设计的，因而不能完全满足全球变化研究对整个地球系统进行综合性、多尺度、长期连续观测的需要。认识、监测和预测全球变化，所有研究计划都需要现代全球观测系统的支持。为了协调国际上实施的全球变化观测活动，目前国际上正在发展三个相互联系的全球观测系统，以观测气候、海洋和陆地。这三个系统即全球气候观测系统（GCOS）、全球海洋观测系统（GOOS）和全球陆地观测系统（GTOS）。

2）全球变化的过程研究

全球变化研究是针对一些关键的全球变化问题或全球变化过程提出来的，如温室变暖与气候变化、季节至年际气候的显著波动（如ENSO事件）、平流层臭氧耗减与紫外线辐射增强、土地利用/土地覆盖的变化、陆地与海洋生态系统的变化（土地荒漠化、生物多样性减少等）、环境污染、酸雨危害等。这些过程可以归为以下几类：气候与水文过程、大气化学和生物地球化学过程、生态系统过程、固体地球过程和人类对地球的影响过程。全球变化的过程研究，就是要揭示重要的全球变化过程的内在机理，增进我们对影响地球系统过程的物理、化学、地质、生态和社会及其全球和区域尺度变化趋势的了解，从而为预测未来的全球变化奠定基础。

3）全球变化的预测研究

全球变化的预测研究，就是在对重要的全球变化过程的深入了解的基础上，开展对地球系统过程的数值模拟研究，建立和发展具有预测能力的数值模式，从而对所研究的地球系统过程进行客观、定量和自动化的数值预测，以预测未来数十至数百年时间尺度上的全球变化，从而减缓或适应全球变化的影响。全球变化研究方面涉及的模式如大气环流模式（AGCM）、大洋环流模式（OGCM）、海洋生态系统动力学模式、海-气耦合模式等。IGBP的支撑计划之一，全球分析、解释与建模（GAIM）正在建立以下模式：生态群落模式，即根据气候和环境参数，预测生态群落的空间分布，尤其是大陆尺度至全球尺度生态群落的分布；植被动力学模式，即预测演替和自然扰动下植被的组成和结构的变化，以及预测植被对变化的气候的瞬时响应；陆地生物地球化学模式，即预测生态系统中水、能量、碳和养分的通量和储量，模拟数十至数百年时间尺度上植被的变化，包括植被对气候变化的瞬时响应。

4）全球变化的数据与信息管理研究

全球变化研究将产生并需要大量的极其多样性的数据和信息，以证实、了解、模拟和评估全球变化。全球变化的问题是非常广泛的，全球变化研究涉及众多的学科领域，因此全球尺度各种数据集的获取、接收、处理、汇编存档和使用的好坏决定着全球变化研究的成败。四大国际研究计划及其核心计划、全球变化的有关观测系统都将建立自己的数据与信息系统，并已开始付诸实施。全球变化的数据与信息管理研究面临的挑战，一方面是数据与信息的处理、存档和促进使用，另一方面是将来自不同学科、不同来源的数据综合起来，主要涉及数据管理与交换政策、数据的兼容性与标准、数据与信息系统的建设与维护，以及国际数据信息活动的协调等方面的内容。

5）全球变化的影响分析研究

全球变化的影响或后果分析研究，包括确定全球变化的环境和社会影响，了解地球环境和人类社会适应和减缓全球变化的影响的潜力，从而改变各种不利的影响。全球变化的环境影响研究主要是研究全球变化（气候变化与温室效应、平流层臭氧耗减与紫外辐射增加、季节至年际气候的显著波动、土地利用/土地覆盖变化等）对生态系统多样性与生物多样性（陆地生态系统、水生生态系统、海洋生态系统等）的影响和对全球农业、林业、渔业生产潜力等人类生存环境和人类生命支持系统的影响等，以及这些系统适应和减缓全球变化的影响的潜力和机理。

人类社会极大地依赖于地球系统。气候格局与人类的适应性决定着支持生命的食物、淡水和其他资源的可利用性。人类社会一方面要对付较短时间尺度的气候格局的异常变化对人类社会的严重影响，另一方面也要适应和减缓出现于数十年至数百年时间尺度的较长期气候变化。全球变化的社会影响研究主要是研究全球变化造成或可能造成的社会和经济后果，如全球变暖、紫外辐射增加等对人类健康和免疫能力的影响，研究全球变化对社会各经济部门的生产和发展等的影响，以及研究人类社会适应和减缓全球变化的影响的潜力。

6）全球变化的对策研究与政策评估研究

全球变化研究的最终目标，是在弄清全球变化的形成原因、预测未来若干年的全球变化的基础上，提出人类适应或减缓全球变化的影响的对策，从而为人类的可持续发展服务，因此，全球变化的对策研究与政策评估研究是全球变化研究的根本出发点和落脚点。

国际上于1988年由世界气象组织和联合国环境规划署（WMO/UNEP）联合成立了政府间气候变化专门委员会（IPCC）。该委员会主要领导国际上对气候变化问题的科学评估，下设三个工作组：第一工作组为“气候和温室气体”工作组，任务是评估对气候系统的科学认识现状，包括作为人类活动结果的可能变化；第二工作组为“影响和对策”工作组，任务是评估全球变化的潜在影响、适应和减缓全球变化的对策；第三工作组为“社会和经济问题”工作组，任务是评估综合性问题，包括气候变化和选定的排放方案的经济意义等。IPCC至今先后发表了四次评估报告，建立了科学地认识全球变化的共同基础，从而为各国政府协商和履行《气候变化框架公约》、《21世纪议程》、《关于损耗臭氧层物质的蒙特利尔公约》、《生物多样性公约》、《国际荒漠化公约》等国际上一致行动适应和对付全球变化的国际公约提供了政策依据。