互动科普

30年前，美国能源部橡树岭国家实验室的化学家小查尔斯·F·贝斯（Charles F. Baes, Jr.）曾经写道：地球正在经受一个巨大的“无对照试验”，很快它将会揭示出不断升高的温室气体浓度所造成的全球性后果。今天，科学家已经知道，森林砍伐、土地利用以及燃烧化石燃料正在使我们的地球越来越热，但气候变化将如何影响森林、草原以及这些生态系统为人类社会所提供的物质和服务，我们所知甚少。

大众媒体上关于气候变化的新闻，大多数并非来自试验，而是源于观测。科学家监测北极海冰、冰川以及植物物候（物候主要指动植物的生长、发育、活动规律与非生物的变化对季节、温度等周期性变化的反应）等自然现象，并在变化超出正常范围时通知公众。长期记录这些信息非常重要，但是除了等着观察气候变化如何缓慢影响生物圈以外，气候变化生物学家还在进行野外试验，规模通常很大，以研究生态系统对于降水量增减、二氧化碳浓度升高和温度升高的响应。对于确定未来10年、50年或100年内气候变化是否会影响生态系统，影响到何种程度，以及这些变化将如何对进一步的变化产生反馈作用，这些试验数据都至关重要。这些结果有助于将事实从气候变化的争论中分离出来，而目前，这些争论过分情绪化。

数年来，科学家研究了单一种类植物——通常是在气候控制室内生长数月后的植物对不同条件的响应。理解这个尺度上的影响机制十分必要，但我们还必须研究植物在其特有背景——也就是现实生态系统中的情况。大多数公众都不知道的是，涉及降水量和二氧化碳浓度变化在内的一些大规模户外试验已进行了十多年，包括接下来的几页插图中将要介绍的试验。温度试验也已经开始。现在科学家已经获得了足够的数据来完善用于预测气候和植被变化的模型，并为林地、草原和农作物在不断变暖的环境下由于降水格局改变、二氧化碳浓度更高而发生的改变提供更加精确的结论。

全球水平的研究结果

世界范围内所进行的试验表明，植物和生态系统对新环境具有非凡的调节能力。但是科学家认为，环境条件的变化存在一个阈值，一旦超过生态系统将发生显著的响应，并有可能导致灾难。随着对这些临界值的探索，我们还会有意料之外的发现，不过根据野外试验的数据，我们已经可以得出一些结论：

■ 更高的二氧化碳浓度可以提高小麦、水稻、大麦、大豆和棉花等常见作物的产量，但同时发生的温度升高，以及一些地方的臭氧污染，可能会大大降低或抵消“二氧化碳施肥”的效应。而且，气候变化还将改变农作物、杂草、病原体和昆虫之间的相互作用，可能暴发虫害。

■ 美国东部地区的季节性落叶林对于干旱相对不敏感，深层土壤含有大量的水分可以支持高大树木全年大多数时候的生长。但是地表土壤含水量很少，极易变干，会造成小树和幼苗的大量死亡，而它们是森林的未来。

■ 在二氧化碳富集的大气中，根系生长更好，能够提供更多的养分，从而提高发展中森林（developing forests）的生产力。较深的根系还提高了吸水能力，从而有利于在干旱时和旱地生态系统中植物的生长。

■ 全球气候变暖和二氧化碳浓度增加，将提高农田杂草（包括加拿大蓟）的扩散能力，降低农作物产量，或者需要施用更多的除草剂。外来物种入侵也可能带来一些问题。例如，美国内华达大学拉斯韦加斯分校的斯坦·史密斯（Stan Smith）在莫哈韦沙漠进行的试验表明，在降水量高得异常的某一年里，升高的二氧化碳浓度刺激了旱雀麦（Bromus tectorum）的传播，从而降低了植物物种的多样性，改变了食物链，并增加了火灾的隐患。

■ 尽管过去200年来，全球草原上木本植物的入侵主要是因为过度放牧和大火破坏，但在美国西部，二氧化碳浓度升高仍然可能是树木和灌木丛入侵的原因。

■ 未来二氧化碳浓度对植物的影响还可能影响公众健康，包括产生更多容易引起过敏的花粉，毒葛毒性增强、生长更快，以及其他的入侵物种。

复杂的问题

大量户外试验的结果很能说明问题，但大部分研究都是在中纬度地区进行的，而且绝大多数都集中在美国和欧洲。新的试验需要在更大纬度范围内进行，以便准确预测北方地区、冻土地带和热带地区植物与生态系统的响应。这样的试验需要数年时间的准备，因为它们在科学上相当复杂，而且需要在偏远的地区进行。试验还需要建一些大规模的装置，确保变化条件的一致性，同时确保基础结构足够坚固稳定，可以持续数年。

生物学家还必须建造不仅可以改变二氧化碳浓度、温度和降水格局，还可以综合改变这三个要素的装置，目前我们才刚刚开始。在美国怀俄明州夏延附近正在进行一项新的试验，评估北方混合草原上的植物在二氧化碳浓度和温度同时发生改变时的响应情况。在这项名为“草原增温和二氧化碳浓度升高”（Prairie Heating and CO2 Enrichment）试验开始的第一年，美国农业部农业研究服务中心的杰克·摩根（Jack Morgan）发现，温度升高与二氧化碳浓度增加的结合，使大草原的暖季草生长繁荣，冷季草则相反。

在模型中如何巧妙地处理好多个要素，如何考虑各要素间的结合以及可能产生的反馈作用，是非常复杂的问题。想要帮助社会预测、计划和适应如今已经快速变化的气候，我们将非常需要来自于试验的数据。