人类活动造成的二氧化碳含量每年以数十亿吨的增加，进而导致全球温度的上升。人类在感受温度上升是如何改变地球气候的同时，也逐渐开始了解气候变化对动植物、农业以及人类自身的影响，包括2100年的地球将会是一个什么模样，以及气候变化又是如何改变地球上的生物的。本文中，加拿大皇后大学水生态学家、环境变化首席科学家约翰·P·斯莫尔（John P.Smol）分别从北极浅水塘沉积物分析、积雪融化、动植物迁徙等因温室气体引发的气候变化对环境造成的影响作了深入浅出的分析。
如果温度持续增加，这些水塘很可能在下个世纪里会干涸（摄于北极）
夏季从北极高处飞过，你将看到一个到处都是浅水塘的景象，其中一些浅水塘被苔藓湿地所环绕。一年中的大多数时间这些浅水塘是冻结的，其消融需要几个月的时间――消融后的浅水塘集植物、动物以及微生物等生物多样性特点。北极圈的与世隔绝以及极端环境令人们很难收集到该地区生态变化的记录，仅存的记录也是稀少并且不完整。幸运的是，北极地区的浅水塘以及湖水能够帮助科学家们构建一幅北极高地环境条件的图景，这幅图景能够回溯到几千年以前。
变化之世界
通过收集浅水塘的沉积物，可以揭开它们的历史，包括花粉粒、枯死的藻类、无脊椎动物化石以及其他的一些生物学、化学、物理学等信息，这些都沉积在浅水塘的底层。这些沉积物呈现出垂直、有序的时间表，类似能反映树木年龄的年轮，提供了较早期气候以及环境干扰的惊鸿一瞥。我们把它们看作是飞机的黑匣子，只不过这是生态系统的“黑匣子”。
1983年，约翰·斯莫尔实验室在位于埃尔斯米尔岛东中部地区大约40个淡水池塘（加拿大群岛中最大的北方岛）开始了他的研究。斯莫尔之所以选择这些相对较小的浅水塘，是因为它们极易发生变化。每年，斯莫尔及其同事都要来到这里搜集包括浅水塘或周边地区的水样以及沉积物。
起初，斯莫尔等人对于这些水生环境或其微生物知之甚少，他们便从硅藻以及微型藻类化石开始入手。在加拿大其他区域，斯莫尔的早期工作已经证明了环境变化是如何随时间改变了这些硅藻群的。因为，每种硅藻都需要特殊的环境生存以及繁衍。通过了解适合各类不同的硅藻的生存环境，他们依此能够了解到当时的环境条件。斯莫尔为此计划通过追溯这些微妙变化来了解更多关于北极数千年来的变化。
1994年，斯莫尔的研究小组从北极浅水塘的硅藻收集物中发现了一些意想不到的变化。根据放射性同位素碳14以及铅210所采用的年代测定技术，他们对从插入浅水塘底部的一个约100厘米长的管内提取到的沉积岩心进行的分析，斯莫尔及其研究小组了解到这种特殊的沉积岩心可回溯到大约6 500年以前――那一时期的绝大部分时间，三种或四种硅藻占据了整个水塘。
但是到了大约19世纪中晚期，有不断下降的冰盖作为纪录，这类硅藻群发生了巨大的变化，变得更加多样化以及复杂化。斯莫尔的研究小组据此假设，较温暖气候导致了这种突然的转变。尽管其他科学家早已提出人类活动很可能正在改变气候，但斯莫尔的研究小组认为气候的变暖始于大约一个世纪以前。
不久，斯莫尔研究小组找到了气候变化的标志性证据。20世纪90年代，北极浅水塘变得更咸并且水位也在下降，证据是水分因温度上升而蒸发掉的。斯莫尔研究小组怀疑，如果温度持续增加，这些水塘很可能在下个世纪里就会干涸。
2006年7月，当斯莫研究小组重返北极时，令他们非常吃惊的是，一些浅水塘干了或成为了泥潭，干裂的淤泥取代了那些他们曾涉入的水塘，包括周围的湿地也是如此的干涸。几千年来孕育的丰富水资源如今已经干涸，只有融化的雪水作为补给，但到7月份这些水就被蒸发掉。当年的头7个月，北极大陆的温度比30年的平均温度高出3.5摄氏度。而这个纪录在夏季会更高――不断上升的温度不但蒸干了水塘的水分，并改变了沿袭至今的远古生态系统，使一些栖息在此的藻类和无脊椎动物，一些依赖水塘繁衍生息的水鸟，一些依靠捕食水鸟以及水鸟蛋为生的北极狐等物种，或者消失，或者背井离乡。
北极浅水塘的终结是气候变化的一个征兆：通过检测温度、沉积物以及其他指标的改变，进而得到了北极气候的一个长期漂移的记录。北极地区气候变化要比低纬度地区变化的更快。我们所看到的北极气候变化是影响全球气候变化的主要因素，它早已经在进行中了。问题是什么引起了全球气候的变暖？如果寻根溯源的话，或许能够阻止它。
加热之原理
空气中大约99%是氮气和氧气，剩下的1%是一些混合气体，其中包括二氧化碳。空气中每100万个分子中，仅有不到400个二氧化碳分子，通常称为百万分之400 （简称400p.p.m）。然而，二氧化碳气体受到了科学家的强烈关注，因为它是一种“温室气体”――能够吸收地球释放的热量，进而加热大气以及地球。
甲烷、臭氧、一氧化二氮以及氯氟化碳也是温室气体。尽管它们的含量要小于二氧化碳，但是它们产生的影响甚至更大。甲烷主要由工业、沼泽、稻田以及奶牛打嗝释放出来的，尽管其含量仅占据空气中的1.8p.p.m，但是它们产生的温室效应大约是二氧化碳的20倍。
虽然这些温室气体在空气中的比重少之又少，但是它们对整个地球气候的影响是巨大的。如果没有这些温室气体，地球的平均温度可能不是现在的14摄氏度，而是零下18摄氏度。由于它们的作用，即使这些温室气体中的微小改变，都能够对温度产生巨大的影响。
20世纪50年代，围绕二氧化碳的争论主要是聚焦在它的含量能否在大气中不断增加。当时，全世界的汽车、工厂以及其他燃烧化石燃料的单位，每年向大气中排放多于10亿公吨的二氧化碳，而许多科学家认为，海洋以及植被仅仅吸收了其中少量的二氧化碳。
斯克里普斯海洋研究所的一位化学家戴维·基林（David Keeling）试图找出争论的答案。1957年，基林在夏威夷的冒纳罗亚火山上建立了首个先进的气体分析仪阵列，用其测量大气中的二氧化碳含量。选择冒纳罗亚火山的原因，是因为它的与世隔绝以及高海拔（大约3400米），可以避免混淆真实读数的当地二氧化碳排放来源。
在该实验之初，每个月的平均读数为315p.p.m。但从5月到9月二氧化碳的读数在不断下降，而在随后的一年里（1958年）读数再一次地增加。这种起起伏伏的循环不断在持续：夏天植被吸收二氧化碳使得读数下降，秋季和冬季植被释放出二氧化碳致使读数增加。这种模式就如同地球的呼吸一样。
几年以后，基林观察到了另一种趋势：二氧化碳含量在不断地增加。企业、运输业以及其他活动，每年都在加大二氧化碳的排放，然而海洋却并不能吸收更多的二氧化碳。现在我们了解到，人类活动向大气中排放的约一半二氧化碳不会被吸收或改变，海洋仅能吸收25%的二氧化碳，植被也能吸收25%的二氧化碳。直到2011年6月，大气中二氧化碳浓度已经上升到394p.p.m。
现在的二氧化碳含量远远超出了以往80万年的自然波动值（180 p.p.m——300p.p.m）。科学家知道，历史上二氧化碳含量的变化是通过地球上的天然资料库得到的，例如树的年轮、湖泊和海洋的沉积物以及冰核。这些天然资料库也被叫做环境替代指标――从格陵兰岛、南极冰盖中抽取的冰核向人们呈现了大约80万年的气候数据资料。随着积雪的不断聚集，一些冰川捕获了空气气泡、火山灰、尘埃以及其他物质（空气气泡给出了不同时期大气中的不同气体含量）。
通过测量积雪中两种氧的同位素（氧18、氧16）之比，科学家初步掌握了大气的温度。通常，包含氧18的冰层形成于更高温度的气候；如果冰层中含有更多的氧16，则显示了该冰层形成于更加寒冷的气候。
时空胶囊（左图）：沉积物中保存的硅藻（一种微小藻类）显示了过去环境变化数据；气候变化前后（右图）：加拿大北极圈的浅水塘是千百年来形成的丰富水域（右上图拍摄于1996年7月），而如今在北极的夏季它已经干涸（右下图，拍摄于2006年7月）
同样，环境替代指标证明了人类活动已经影响了大约一个世纪的气候变化：研究者们使用“人为气候变化”这一术语来描述由人类活动引起的气候变化。温度的记录显示了整个二十世纪地球都在不断地升温。2010年，全球的平均表面温度是有史以来次高的，但比20世纪平均值高出0.96摄氏度。
或许这一数值看似并不是很高，但这一温度变化是一个全球平均值。因为全球变暖并不是均匀分布的，在一些地区，诸如极区温度远高于这一数值。在北极圈，一次较小的温度变化会通过一个正反馈系统被放大，进而导致该地区的进一步升温。
或许因为冰
北极圈经历气候变化冲击的原因之一是由冰的反照率反馈产生的，这种反照率描述了太阳的入射能量（短波辐射）同地球将其反射回太空（长波辐射）的能量之比。雪、冰有着很强的反照率并且能够反射太阳能量的60%——90%。与此相比，陆地、植被以及海域相对较暗，低反照率使之吸收了绝大部分太阳的入射能量。想象一下，在一个炎热的夏天有两把椅子，一把是白色的，另一把是黑色的。在太阳的照射下，白色椅子相对较热，而黑色的椅子由于吸收了大部分阳光，感觉会很烫。
在北极，温度越高易会引发温升的循环。随着空气温度的抬升，冰雪融化并露出深邃的海洋和陆地，原来曾经反射阳光的表面，如今却是不断地在吸收阳光，进而引起更多的冰雪融化。这种放大效应可以解释自1980年以来北极温度比全球平均温度高出两倍的原因。
几乎每一个气候模型都显示了2100年的北极将失去多年积淀的（夏季）海冰，然而科学家仍然不敢肯定这样的结果是否真的会发生。卫星测量显示，北极的冰层从过去的30年里逐渐在收缩、变薄。2007年，北极海冰的范围创下了413万平方公里的低记录，其平均值低于1979年——2000年的40%。
2009年，华盛顿大学的王木印（Muyin Wang，音译）以及美国国家海洋和大气管理局（NOAA）下属的太平洋海洋环境实验室的詹姆斯·欧佛兰（James Overland）提出，未来北极第一个不结冰夏天或许比预想中的早10年。他们以2007年——2008年的夏季作为起始点进行计算机仿真研究，认为海冰并不是年复一年的以常数率融化。相反，他们的计算表明，未来北极夏季海冰会突发性地减少（在仿真研究中出现过多次）。如此下去的话，到2035年，北极的夏季几乎没有海冰的存在。
北极海冰的存在是非常重要的，它能够调节地球的气候。如果海冰没有了，地球就失去了它的“空调”，同时也影响到生活在该地区的因纽特人的冰上狩猎等习惯，包括也关乎依靠海冰生存的哺乳动物和其他海洋生物的存亡。然而，海冰融化的一个潜在好处是，整个西北航道和北方海路的航运更加畅通；负面影响是，随着航运的通畅，在北冰洋上航行船只的漏油或外来物种的引入，会影响当地的生态环境。
生命之调节
地球上的生命至今已经持续了数十亿年。在远古时代，一些植物、动物群落为了适应气候的变化在改变，有的则走向死亡。然而，目前我们所经历的大多数气候变化都是人为产生的，而二氧化碳、甲烷以及一氧化二氮浓度的急剧增加，则加快了气候变化的进程。这种效应从北极正在蔓延至整个海洋、热带雨林以及沙漠等地区。伴随着一些区域呈现新的气候特征，该地区的动、植物为适应新的环境不得不有所改变。其中一些物种得以生存下来，另一些物种渐渐减少甚至灭绝。
通过长期跟踪不同物种的习性进而监测到气候变化对动、植物群落影响的生物气候学始于20世纪90年代末。总的来说，这些记录显示了春季提早到来的长期趋势。例如，在1971年——1995年间，英国鸟类的产蛋期提前了9天。在17年的时间里，英国青蛙产卵期逐年提前。1999年，美国知更鸟从低纬度返回落基山脉的时间比1981年早了14天，因纽特人甚至在一些北极岛屿中看到了这些知更鸟。要知道，北极比这些知更鸟栖息的最北方森林要远出很多，已经超出了它们生活的传统极限。
多项研究显示，从甲壳虫到白桦树等物种为适应气候变化，它们通常离开原先赖以生存的地域界限。得克萨斯大学的生物学家卡米尔·帕尔梅桑（Camille Parmesan）是率先证明物种为适应气候变化而迁徙的科学家之一。在美国西部，她花了五年时间跟踪不同群体的伊迪思格斑蝶栖息地。在与历史资料比对后发现，这些斑蝶自20世纪伊始已经向北方迁徙了92千米，海拔比以往上升了124米。
图为山松甲虫正在吞噬黑松树
当一个物种改变了自身的生物气候学或迁出其依赖的栖息地，是因为某种非自身原因造成的。科学家证实了一些物种为适应环境变化而发生的迁徙，进而依赖这些物种为食的其他物种也随之迁徙。一种植物的生长或昆虫的出现很可能同当地的温度息息相关，但另一些物种的到来，如鸣鸟的到来或许暗示了白昼长度发生了变化。如果这种鸟每年都以相同的时间到来，那么它们的食物应该早已经长出来了。
气候的变暖能够增加某些物种的数量，但数量的增加对其他一些物种会产生负面作用。山松甲虫就是一个很好的例子。自20世纪90年代，山松甲虫已经吞噬了加拿大不列颠哥伦比亚中、北部大约1 300万公顷的黑松树林。过去，山松甲虫的数量之所以可以控制，主要是通过冬季的低温、寒潮将其冻死。现在，冬季温暖的气温反而加速它们的繁衍，同时将其栖息带扩展到东部的亚伯达省。在新的家园中，山松甲虫又开始攻击北方森林的另一种主要物种――斑克松，后者的死亡致使加拿大森林释放出更多的二氧化碳。
一些物种或许已经发现它们无路可走。比如加拿大哈得逊湾的北极熊数量正在减少，部分是因为不断消失的海冰引起的。与20世纪90年代相比，由于春季的提前到来，雌性北极熊不得不提前2周上岸。有科学家预言，如果北极春季再早到6周的话，将会危及北极熊的生存。问题是早春的到来会缩短它们的捕猎期，而母熊在怀孕时已经很难满足自身的能量需求，更遑论它们还要猎捕足够的食物来喂养幼仔。与此同时，灰熊正在向北极迁徙并进入了北极熊的领地。通过DNA分析，有迹象表明已经出现了灰熊同北极熊的混血儿，后者被叫作灰北极熊或北极灰熊。
对海洋中的珊瑚而言，20世纪的全球海洋平均温度上升了0.74摄氏度。这一变化看似很小，但对珊瑚的生存来说就显得很艰难，尤其在夏季温度高出1度——2度的情况下，当水温变高时，珊瑚会分泌出一种共生的藻类植物（该植物为珊瑚提供了艳丽色彩）。但随着共生海藻的离去，珊瑚开始白化，继而导致二氧化碳浓度增加，海洋的PH值因此也发生改变，海水呈现酸性并危及一些建造珊瑚树的分子，最终导致珊瑚礁突然死亡。
未来之挑战
尽管作出详细气候变化预报是件很难的事情，但是科学家仍在进行研究并为此努力着。
气候变化在影响动植物的同时也影响着人类的健康。例如，在不同地区由昆虫引发的传染病会变得很可怕。历史上，肯尼亚高地较凉爽的气候使得疟疾的发生率在降低。但是，气候变暖使得一些携带了疟疾细菌的蚊子又来到了肯尼亚高地，继而引发了疟疾的流行。尽管提前作出详细气候变化预报是很难的事情，但科学家仍然在针对病原体及其寄主的生物限制进行研究。相信，当对于影响疾病流行的生物和非生物因素了解更多的时候，科学家会认识到气候变化是如何改变传染性疾病的模式的。
未来我们究竟能看到什么样的生物转变呢？答案将依赖于我们采取什么样的行动。到2050年，地球人口预计由现在的70亿上升到90亿，这将消耗更多的能源进而产生出更多的温室气体（我们已经向大气中排放了大量的温室气体）。即使我们设法抑制或降低这种排放，未来的几代人也将不得不处理这些温室气体造成的后果：极端温度、洪水、干旱、暴风雨以及上升的海平面。我们不但急需找到减少碳排放的方法，而且也必须为未来做好计划并找到调节的方式。我们因此面临着巨大的挑战。
为了了解气候变化对地球动植物群产生的潜在影响，科学家将需要持续的跟踪以及描绘不同的物种情况。他们将找出总体趋势并试图识别出影响一个种群生存或死亡的因素。此外，他们还必须解决其他人类影响的总体后果，包括栖息地破坏、过度捕捞、酸雨以及有机污染物，等等。
生物圈的复杂性使我们有机会提出更多关于地球、地球气候变化以及地球上物种等与之相关的问题。例如，为什么北极的一些区域比其他区域温暖？随着一些物种的灭绝或迁徙，我们将会看到新的生物体吗？如果我们看到了这样的生物体，那么，未来生态系统的功能会被改变吗？
资料来源 Nature
责任编辑 则 鸣