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Science+PNAS:人类活动对全球植被生态系统产生深刻影响
2021-09-14 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  生态环境是人类赖以生存和发展的基础,为人类提供了必要的水、食物和物质资源。末次冰消期(距今约1.8万年)以来,自然生态环境发生了巨大的变化,与此同时,人类社会先后经历了原始采集-渔猎、农业、工业化经济的发展模式,同时也深刻的影响了自然环境的变化。认识地质历史时期发生的人类活动与生态环境变迁的关系,这是目前人类社会应对全球气候变化的首要任务,也是理解和把握人类社会生存、发展过程和规律的重要途径,亦可为研究人类对未来气候变化的适应提供历史借鉴,这也是二十世纪末以来地球系统科学研究的前沿领域之一,是催生自然科学和社会科学取得重大理论突破的关键切入点。 

  传统观点认为,距今1.8 -1万年前的全球气候系统重大变革,是冰消期以来植被演替的最主要因素(Nolan et al., 2018),但越来越多的证据显示,人类活动对生态环境的改造也是不可忽视的,美国著名学者Ruddiman教授因此提出了著名的早期人类活动假说Ruddiman, 2003。但由于史前人类文化发展和气候变化的区域差异,以及生态系统在不同的时-空尺度上对人类活动的响应程度和过程存在差异,不同尺度下人类活动对生态环境,尤其是植被组成会造成何种影响,仍然存在争议。 

  因此,揭示人类社会发展过程中对自然生态系统的影响,既依赖于解剖局地尺度上人类聚落影响生态系统的细节特征,又需要从大的时空尺度上把握宏观规律。但是目前关于全球生物多样性变化趋势的观测历史仅有几百年的时间,缺少轨道-亚轨道全球尺度的证据,化石数据也多为定性研究。因此,对于了解早期人类活动如何影响生物多样性和生态系统动态变化的模式和幅度,人们知之甚少。最近,发表在ScienceMottl et al., 2021PNASPavlik et al., 2021上的两篇论文,分别从全球尺度和聚落尺度上,研究了人类活动对生态系统,尤其是植被生态系统的影响过程,为人地关系研究提供了新的证据和机制解释。 

  其中,挪威卑尔根大学的Mottl 等人基于贝叶斯年代模型,通过改进的算法重新估算了古生态的时间序列变化速率(Rate of Change, RoC)。这一改进的算法首先将每个样品的间隔长度标准化,然后利用移动窗口法(有别于传统的计算各个种属之间差异的方法),计算连续时间间隔(500年)之间的植被成分差异,利用这一方法可以最大限度地减少由于人为采样密度不均和沉积速率变化而导致的干扰。 

  他们重新计算了全球1181个花粉化石序列的Roc值,并将每500年时间间隔的RoC得分进行合并,然后计算95%分位数,分位数值越高,表明植被变化速率越快;他们还进一步确定了发生RoC大幅增加事件的时间窗口,称为峰值点,然后统计了每个时间窗口中具有峰值点的序列的比例,这一比例越高,指示了区域内植被突变的同步性越一致。最后利用广义加性模型(非线性模型)对RoC和峰值曲线进行拟合,来测试并验证变化趋势的显著性和可靠性。 

  这些结果显示出在过去的七千年里,随着农业的发展,地球上的植被变化开始明显加速,而且可能已经超过了冰消期(1.8-1.1万年)的速率(1)。由于全新世以来气候变化的速率远远低于冰消期,这进一步表明人类活动相比于冰消期气候变化,对陆地生态系统的影响在速率和范围上均更为显著,过去几千年全球植被变化的加速主要是由人类活动造成的,近百年来的生物多样性的加速变化开始于数千年前,即使在工业革命以前,人类活动也能够推动全球大规模植被变化。此外,考虑到当前高排放情景下的气候变化与冰消期相似,本世纪的全球生态系统变化可能会更大,全球森林的数量正在加速减少(2) 

1 按大陆划分的RoC结果(Mottl et al., 2021)。实心正方形代表每500年时间段95%分位数RoC得分(y),实线曲线代表相应的广义加性模型(GAM),高值表示植被变化率高。空心正方形表示每个时间点(y)内峰值点的比例,相应的GAM曲线用虚线表示,高值表示各序列间RoC的同步性高。当模型和记录的关系不显著时,GAM线显示为虚线,并且没有误差包络线。GAM曲线上的黑色星号表示植被RoC中显著加速的时期(即导数显著增加的时期)。箭头表示晚全新世和更新世-全新世过渡期的最大RoC

2 全球树木的减少归因于商品贸易活动带来的森林砍伐、野火损失、以及干旱和高温导致的死亡(通常与害虫和病原体有关)。后两者与大气的需水量变化有关,这会导致森林生长压力的变化。森林覆盖的区域通过树高显示,树高范围从5米(浅绿色)到大于60米(深绿色)(Overpeck and Breshears, 2021

  在聚落尺度上,人类与生态环境的关系又是如何呢?美国犹他大学的Pavlik等人,对科罗拉多高原25个遗址进行了系统民族学和植物学调查,并计算了每个遗址点中具有明确文化意义的(用于食物、医药、仪式和其他实用目的)植物物种丰富度(ethnographic species richnessESR),并通过多元广义加性模型来解释观测结果,并预测了区域所有遗址点的ESR。他们揭示出生长度日(Growing degree days)和考古遗址复杂性对物种丰富度影响最大,而且在环境变量相对稳定的情况下,具有文化属性的物种丰富度,会随着聚落的复杂性和聚落开发程度的增加而显著增长(3),说明即使是小型的聚落,其中的人类活动也可以显著影响到生态系统,而且现代植物多样性的结构也继承了过去人类活动对生态资源的影响。 

3 具有显著性 (P<0.05)的模型项响应图(Pavlik et al., 2021)。揭示了在其他变量不变的情况下,预测的ESR随生长度日(GDD)和考古遗址特征数的函数变化趋势。生长度日对ESR的影响最大,在GDD的观察范围内从8增加到30以上。考古特征的数量是第二大的,也是唯一的其他显著性影响,随着特征数量的增加,预测的ESR10左右增加到19。结果表明,即使在环境变量不变的情况下,建筑特征的数量仍然对今天存在的具有重要文化意义的植物物种的预期数量有显著影响

  上述两项研究的意义,从科学层面揭示了地球系统和人类活动关系背后更为复杂的动力学机制,明确了从全球到局地尺度上,人类活动均会对生态系统产生显著而且持续的影响;从现实意义上来说,因为即使气候变化很快停止,全球气温也可能比工业革命前的水平高出1.5℃2℃,这意味着全球植被将可能面临着人类活动和气候变化的双重压力,当代人类社会应对气候变化也将变得更具挑战性(Overpeck and Breshears, 2021)。    

  主要参考文献 

  Mottl O, Flantua S G A, Bhatta K P, et al. Global acceleration in rates of vegetation change over the past 18,000 years[J]. Science, 2021, 372: 860-864.原文链接 

  Nolan C, Overpeck J T, Allen J R M, et al. Past and future global transformation of terrestrial ecosystems under climate change[J]. Science, 2018, 361: 920-923. 

  Overpeck J T, Breshears D D. The growing challenge of vegetation change[J]. Science, 2021, 372: 786-787. 

  Pavlik B M, Louderback L A, Vernon K B, et al. Plant species richness at archaeological sites suggests ecological legacy of indigenous subsistence on the colorado plateau[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2021, 118: e2025047118.原文链接 

  Ruddiman W F. The anthropogenic greenhouse era began thousands of years ago[J]. Climatic Change, 2003, 61: 261-293.     

  (撰稿:张健平/新生代室)

 
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