极端气候产生的原因：生物多样性丧失

随着人类使地球变暖，生物多样性正在急剧下降。这两个全球危机在多个方面都有联系。但是，科学家对生物多样性下降和气候变化之间错综复杂的反馈环路的细节研究不足和缺乏关注着实令人吃惊。

众所周知，干旱和热浪等极端气候会对生态系统产生破坏性影响，反过来，退化的生态系统保护人类免受此类事件的社会和物质影响的能力也会下降。然而，只有少数这种关系得到了详细的探究。更不为人知的是，生物多样性枯竭的生态系统是否也会对气候产生不利影响，引发或加剧极端天气。

2021年6月，政府间气候变化专门委员会（IPCC）和生物多样性和生态系统服务政府间科学政策平台（IPBES）发表了他们的第一份联合报告，承认需要在这两个领域之间进行更多合作。自这之后，一些良好的政策举措正在酝酿之中：2021年7月发布的新的欧盟2030年森林战略，以及欧盟委员会的其他高级别政策倡议，正式承认森林的多功能价值，包括其在调节大气过程和气候方面的作用。但仍有许多工作要做。

为了彻底量化未来的风险，生态学家、气候科学家、遥感专家、建模师和数据科学家需要一起工作。即将于12月在加拿大蒙特利尔召开的《联合国生物多样性公约》会议是促进这种合作的一个好机会。

缓冲区和应对措施

当哀叹生物多样性的减少时，大多数人首先想到的是物种被逼到灭绝的悲剧。同时，也有一些更微妙的变化正在发生。

例如，在德国的一项研究表明，在过去的一个世纪里，大多数植物物种的覆盖率下降，只有少数物种的丰度在增加。同样受到影响的还有物种的功能： 遗传多样性，以及形式和结构的多样性，这可以使群落在吸收养分、抵抗热量或抵御病原体攻击方面的效率提高或降低。

当整个生态系统被改变时，它们的功能通常会被削弱。它们在吸收污染、储存二氧化碳、吸收水分、调节温度和支持包括人类在内的其他生物体的重要功能方面的能力就会下降。相反，更高水平的功能性生物多样性增加了生态系统应对意外事件的几率，包括极端气候。这就是所谓的保险效应。

该效应在现场实验和模拟研究中得到了充分的记录。在生态系统对自然事件的反应中也有越来越多的证据。例如，对各种干旱条件的全球综合分析表明，当具有更多使用和运输水的策略多样性的树木生活在一起时，森林的复原力更强。

然而，生物多样性不能保护所有的生态系统免受所有种类的影响。例如，今年在美国和加拿大的一项研究中，多样性森林生态系统的死亡率更高。对这一意外结果的拟议解释是，更多的生物多样性也可能促进对资源的更多竞争。当极端事件诱发压力时，在生物量高的地区，资源可能变得稀缺，竞争可能突然推动死亡，这些竞争压倒了共生的好处。较高的生物多样性是否能保护一个生态系统免受极端事件的影响，在很大程度上是因地制宜的。

一些植物对干旱的反应是立即减少光合作用和蒸腾作用；另一些植物可以维持正常运转更长的时间，稳定整个生态系统的反应。因此，生态系统对极端情况的确切反应取决于事件类型、植物策略、植被组成和结构之间的相互作用。

对于一些主要在中欧生活和工作的研究人员来说，2018年、2019年和2022年的一系列热浪给我们敲响了警钟。在德国莱比锡，看着洪泛区的森林遭受干旱压力，感觉很不真实。在整个德国，现在有超过38万公顷的树木被破坏，林业部门正在为如何计划未来几十年的恢复活动而苦恼。是什么可以保护这些生态系统免受如此极端的影响？由此造成的破坏又将如何进一步影响我们的气候？

哪种植物策略会占上风是很难预测的，高度依赖于极端气候的持续时间和严重程度，以及以前的极端气候。研究人员无法完全解释为什么一些森林、树种或个别植物在某些受到极端气候条件打击的地区得以生存，而在其他地方整个树群却消失了。一项对德国山毛榉树的研究表明，生存机会是有基因组基础的，但目前还不清楚森林中存在的遗传变异性是否足以应对未来的条件。

而且，生态系统的影响可能需要多年的时间才能发挥出来。2018年和2019年这两个连续高温干旱年的影响让我们很多人大开眼界。在莱比锡，树木生长下降，病原体大量繁殖，白蜡树和枫树死亡。在土壤水分长期流失的基础上，被温和的冬季打断的双重打击，导致全德国的树木以4-20倍于平常的速度死亡，这取决于物种。这种破坏在2020年达到顶峰。

生态系统的变化也可以影响大气条件和气候。值得注意的是，土地使用的变化可以改变地球表面的亮度（反照率）和热交换的能力。但还有更复杂的影响机制。

植被可以是大气物质的来源或汇。2020年发表的一项研究表明，处于压力下的植被清除臭氧的能力低于未受压力的植物，导致空气污染水平升高。某些植物排放的花粉和其他生物颗粒可以诱发过冷云滴的冻结，使云中的冰在更高的温度下形成，对降雨产生影响。物种组成和压力的变化可以改变这些粒子排放的动态。植物的压力也会改变生物性挥发性有机气体的排放，这些气体可以形成二次粒子。野火--因干旱和单一作物而加强--通过排放温室气体和烟雾颗粒影响云层、天气和气候。卫星数据显示，造林可以通过加强对大气层的水供应，促进低空冷却云层的形成。

研究重点

一个重要的问题是是否存在一个反馈回路：更强烈、更频繁的极端气候是否会加速生态系统的退化和同质化，然后反过来促进进一步的极端气候？到目前为止，我们还不知道。

缺乏这种知识的一个原因是，到目前为止，研究是有选择性的：大多数研究都集中在干旱和热浪对生态系统的影响。对于其他类型的极端天气的影响，例如由早季的温暖天气引起的 "假春天"、晚春的霜冻、暴雨事件、臭氧最大值或在干燥无云的天气中暴露在高水平的太阳辐射下，我们知道的相对较少。

研究人员没有概述，更不用说全球目录，生物多样性的每个方面如何在不同的组合和多尺度上与极端气候的全部范围相互作用。在一个理想的世界里，科学家们会知道，例如，树冠密度、植被年龄和物种多样性的变化如何防止风暴的破坏；以及树冠结构的多样性是否以及如何控制大气过程，如极端天气后的云的形成。研究人员需要将生物多样性的时空模式与生态系统过程对极端气候的反应联系起来。

创建这样一个目录是一个巨大的挑战，特别是考虑到极端气候的频繁发生，几乎没有先例。科学家们还需要考虑到气候压力源堆积的可能性越来越大。生态系统对复合事件的反应方式 可能相当不同。研究人员必须研究生物多样性的哪些方面（遗传、生理、结构）需要稳定生态系统及其功能，以应对这些冲击。

至少有一个好消息：数据收集和分析的工具正在快速改善，在过去的十年中，基于卫星的气候和生物多样性监测观测取得了巨大的进步。例如，欧洲哥白尼地球观测计划--包括哨兵1号和2号卫星群，以及其他最近发射的覆盖电磁波谱最重要波长的任务--提供了对植物生化状态和树冠结构的米级分辨率观测。大气状态在垂直方向和时间上都得到了前所未有的详细记录。

科学家们现在必须使这些数据具有互操作性，并将它们与现场观测相结合。后者是具有挑战性的。在地面上，研究人员和公民科学家正在收集新一代的数据。例如，对植物对压力的反应的独特见解来自叶子方向的延时摄影；对茎的运动模式的加速计测量已被证明可以提供树木干旱压力的代用指标。

需要高质量的模型来将这些数据转化为预测。气候系统的功能性 "数字双胞胎 "的开发现在已经指日可待。这些模型复制了米级的水文气象过程，并且足够快，可以快速开发和测试情景。生态系统的类似模型仍处于概念阶段。人工智能方法将是研究极端气候和生物多样性之间联系的关键。

研究人员再也不能在学科的孤岛上跟踪地球系统的全球变化了。相反，生态学家和气候科学家需要建立一个联合议程，以便人类得到适当的警告：消除生物多样性对极端气候的缓冲的风险，以及由此放大这些极端气候的风险。

世界能否拯救一百万个物种免遭灭绝？

由于气候变化和污染等因素，四分之一的植物和动物物种面临灭绝的威胁。从本周开始，来自190多个国家的谈判代表和部长们正在加拿大蒙特利尔举行名为COP15的联合国生物多样性峰会，以应对这一紧急情况。

从12月7日至19日，他们将试图达成一项新的协议来拯救地球的生物多样性。该条约被称为2020年后全球生物多样性框架，旨在为各国制定保护和恢复自然的精确目标，包括到2030年保护地球的30%，并减少营养物质污染，如减少农田的氮肥损失。

时间已经不多了。美国北卡罗来纳州达勒姆杜克大学的生态学家、非营利保护组织 "拯救自然的负责人斯图尔特·皮姆（Stuart Pimm）说："我们正以比通过进化创造的物种快1000倍的速度促使物种灭绝。"

随着缔约方大会第十五届会议的召开，研究人员和政策专家担心，各国在太多问题上仍有分歧，无法确保达成有效保护物种和生态系统的协议。在这里，大家探讨了危机的程度，以及科学家们说各国必须做什么才能成功。

哪些物种的风险最大，什么在威胁着它们？

其中风险最大的群体是两栖动物和造礁的珊瑚。一项全球评估显示，超过40%的两栖动物面临灭绝的威胁，包括生活在印度尼西亚爪哇的格德·潘格兰戈（Gede Pangrango）山国家公园的极度濒危的出血蟾蜍（Leptophryne cruentata）。

这些蟾蜍被认为已经灭绝，直到2000年，由印度尼西亚茂物农业大学的爬虫学家Mirza Kusrini领导的团队发现了一些蟾蜍。但研究人员发现，这些两栖动物感染了糜烂菌（Chytridiomycota sp.），这种真菌已经破坏了全球两栖动物的数量。库斯里尼说，气候变化可能使小蟾蜍的生活变得艰难，小蟾蜍的俗名来自于其身体上覆盖的深红色、类似飞溅的斑点。温暖的天气可以刺激真菌的爆发，并改变行为的时间，如蟾蜍的繁殖季节，使两栖动物变得脆弱。

全球变暖，一直在提高海温，也是危害全球珊瑚礁的原因。在截至2018年的9年时间里，世界上14%的珊瑚死亡，这是一个巨大的问题，因为今天，珊瑚礁支持所有海洋物种的四分之一。

研究表明，气候变化正迅速成为生物多样性的一个大威胁。但是，最具破坏性的力量仍然是将土地和海洋转化为农业用途，以及人们通过捕鱼、伐木、狩猎和野生动物贸易来开发自然资源。大约75%的土地和66%的海洋区域已经发生了重大改变，通常是为了生产食物。

如果物种消失可能会发生什么？

美国纽约市哥伦比亚大学的生态学家沙希德·纳依姆（Shahid Naeem）说，这很难预测，因为这样做需要了解哪些物种存在于一个特定的生态系统中，如雨林，以及它们有什么功能。这些信息中的大部分往往是未知的。然而，科学家们已经表明，生物多样性较少的生态系统在捕捉资源并将其转化为生物量方面的能力较差，就像植物捕捉用于生长的营养物质或阳光时一样。

多元化程度低的生态系统也不善于分解和回收生物材料和营养物质。例如，研究表明，当森林地表覆盖大量的植物垃圾时，死亡的生物体会被分解，其营养物质也会更快地被回收。生物多样性低的生态系统也有较低的复原力，它们在遭受扰动或冲击（如火灾）后的反弹能力不如多样化的系统。

如果人类失去了我们系统的一部分，它就不会非常有效地运作，也不会非常强大。这背后的科学循环链路是坚如磐石的。

生态系统还提供清洁的水，有时可以防止疾病传播给人类。当物种消失时，这些服务就会恶化。例如，大多数两栖动物吃昆虫，其中许多被视为害虫，如蟑螂、白蚁和蚊子。研究表明，在中美洲两栖动物种群崩溃的地区，疟疾：由蚊子传播--的病例增加了。因为昆虫数量增加，人们开始使用更多的杀虫剂来杀死它们。

研究人员说需要什么解决方案来保护生物多样性？

保护和保存栖息地是拯救物种的核心。在第15届缔约方大会上正在谈判的框架中体现了这一想法。该草案包括到2030年至少保护30%的世界陆地和海洋的目标。但是，为了使保护工作最有效，它们必须包括生物多样性丰富的地区，如热带森林，皮姆说。研究表明，尽管在过去的十年中，全世界的保护区有所增加，但物种的数量仍在下降，因为这些保障措施没有放在正确的地方。

这届缔约方大会上要寻找的是更多的质量，而不仅仅是更多的数量。

根除入侵物种是另一个重要的保护战略，框架草案目前要求将此类物种的引进减少一半。一些估计表明，入侵的捕食者，如猫和老鼠，是所有鸟类、哺乳动物和爬行动物灭绝的一半以上的原因。

研究人员说，重要的是，各国应商定一个至少有一些可量化目标的框架，这样就可以衡量进展情况，如果各国未能实现其目标，也可以对其进行问责。不过，令人担心会发生的是，世界各国会提出一长串'没有意义'的清单。这届会议的宗旨是"人类需要量化保护的种类和目标。"

各国能否设法达成一项保护自然的新协议？

随着COP15的开始，各国能否达成一致的，鉴定的自然保护的前景并不乐观。草案的文本中仍有许多未解决的问题。在12月6日的新闻发布会上，《生物多样性公约》：作为新生物多样性协议基础的全球条约的执行秘书伊丽莎白·姆雷马说，各国谈判者在峰会开始前的最后一轮讨论中没有取得足够的进展。她敦促各国做出妥协，否则他们将无法达成协议。地球的状况正处于危机之中，这是人类采取行动的最后机会。

一个有争议的关键问题是如何为保护生物多样性提供资金，特别是在低收入和中等收入国家，这些国家拥有世界上大部分的生物多样性。这些国家，包括巴西和加蓬，都希望建立一个新的基金，每年增加1000亿美元的援助。到目前为止，这个建议还没有得到较富裕国家的支持。像巴西，加蓬这样的国家真的需要财政承诺，因为没有钱，事情就无法完成。

尽管存在悲观情绪，大家相信科学家和倡导者将继续推动达成协议。如果各国能够实现生物多样性损失的普遍减少，这将最终会有真正的改变。