冰凍圈生態(tài)系統(tǒng)：全球變化的前哨與屏障
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生物多樣性的避難所
全球變化導(dǎo)致熱帶和溫帶大部分地區(qū)的生物多樣性減少；但現(xiàn)有證據(jù)表明，冰凍圈作用區(qū)的高海拔山地的生物多樣性趨于增加是大概率事件，而高緯度冰凍圈生物多樣性增加與減少發(fā)生概率幾乎相當(dāng)。高寒山區(qū)因其多樣的氣候梯度，具有應(yīng)對全球變暖的“緩沖能力”，以維持寒冷生境的避難所。受積雪減少、冰川退縮和多年凍土退化的影響，高山帶出現(xiàn)了新的物種棲息地，原有植物群落組成和結(jié)構(gòu)也悄然發(fā)生改變。例如，北歐一些高緯度山地林線以上的高山植被帶生物多樣性和生物量顯著增加，物種豐富度遞增速率加快。氣溫上升已經(jīng)顯示出對北極生物多樣性的多種影響：南方物種向北遷移、苔原分布區(qū)苔蘚-地衣為優(yōu)勢的地區(qū)被大面積灌木等維管束植物所取代、植物群落及與其相關(guān)的動物種群發(fā)生變化等。無論是高海拔山地還是高緯度泛北極地區(qū)，陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力則幾乎無一例外地表現(xiàn)為顯著遞增。因此，從生物多樣性、生產(chǎn)力和碳庫角度，高海拔和高緯度冰凍圈日益成為眾多物種逃逸全球變暖的避難所，并扮演著十分重要的生態(tài)屏障作用。
在海洋冰凍圈，海冰消退條件下物種向兩極的輸送作用顯著增強(qiáng)。在中緯度海域，生物隨著氣候變暖分布范圍向兩極移動已經(jīng)得到了很好的證明；隨著暖流入侵的增強(qiáng)，也有更多的浮游動物類和個體被輸送到北冰洋更深的海盆區(qū)。在北極海域，這種北移現(xiàn)象在底棲動物和魚類中更加明顯。例如，極地鱈魚和毛鱗魚等向北遷徙，引發(fā)大量海鳥隨之向北擴(kuò)張，如歐絨鴨在格陵蘭島的分布區(qū)域向北延伸了?300?多公里?。
生態(tài)系統(tǒng)碳源趨勢不斷增強(qiáng)
凍土融化將直接或間接地通過改變溫度、氧化還原狀態(tài)和有機(jī)物質(zhì)分解等影響土壤和沉積物中?CO2?排放量。多年凍土碳庫在增溫下的大量損失和排放，會顯著增加大氣溫室氣體含量，形成正反饋過程（圖?3a）。受多年凍土層融化影響區(qū)的植被（由于水文狀況的變化，以及礦物和有機(jī)土壤的混合等）和微生物群落的變化，也會影響凈溫室氣體通量。北極地區(qū)從受干擾最少（寒冷）的禾本科植物占主導(dǎo)地位的苔原到受干擾最多（溫暖）的灌木占主導(dǎo)地位的苔原，盡管較大幅度地提高了生產(chǎn)力，但以灌木為主的區(qū)域仍然表現(xiàn)出?CO2?對大氣的凈損失。這一現(xiàn)象表明，冰凍圈區(qū)溫室氣體可能會持續(xù)表現(xiàn)為凈排放，而且陸地生物多樣性的組成可能決定北極將成為溫室氣體的源還是匯。
圖3全球氣候變化加劇冰凍圈碳排放和寒區(qū)河流碳輸出（ a ）冰凍圈陸地生態(tài)系統(tǒng)碳排放過程；（ b ）冰凍圈河流碳輸出過程
大量凍土冷儲的碳也會隨著凍土的退化而被釋放到河流等水體中（圖?3b）。增溫引起的凍土退化不僅使更多凍土層碳以溶解性和顆粒態(tài)碳隨徑流進(jìn)入河流和湖泊，而且通過增強(qiáng)地下徑流，導(dǎo)致更多的?CO2?經(jīng)由地下徑流進(jìn)入河流。在青藏高原凍土區(qū)，僅長江源區(qū)直門達(dá)水文站每年輸送到下游的溶解性無機(jī)碳（DIC）和溶解性有機(jī)碳（DOC）通量分別為?485?Gg?和?56?Gg，且活動層凍融過程對于河流?DIC、DOC?和?CO2?濃度及通量均有顯著影響。在泛北極多年凍土地區(qū)河流的研究發(fā)現(xiàn)，DOC?輸出受到凍土覆蓋率和融化層厚度控制，高凍土覆蓋率地區(qū)?DOC?輸出濃度高于低凍土覆蓋地區(qū)。
氣候變暖條件下，極地環(huán)境會“由白變藍(lán)（海洋）或者變綠（陸地）”。一方面，這種響應(yīng)可能對氣候變暖造成正反饋（加劇），因?yàn)楹Ｋ諢崃康哪芰υ鰪?qiáng)而滯留溫室氣體的能力減弱。另一方面，反饋?zhàn)饔靡部赡苁秦?fù)的，即延緩氣候變暖的趨勢。海冰消退會激發(fā)更大的浮游植物水華，并導(dǎo)致底棲動物更快地生長。同時(shí)，陸地冰架的崩塌導(dǎo)致更多的微量元素（主要是鐵）進(jìn)入海洋，激發(fā)了初級生產(chǎn)力水平，并固定更多的?CO2。盡管如此，初級生產(chǎn)力的增加是否會增加北冰洋生態(tài)系統(tǒng)的碳匯強(qiáng)度存在較大的爭議。
冰凍圈生態(tài)屏障的維護(hù)與調(diào)控
冰凍圈是全球物種多樣性保護(hù)和生態(tài)功能屏障維護(hù)的關(guān)鍵區(qū)域。在我國，將近?2/3?的重要生態(tài)屏障功能區(qū)分布在冰凍圈作用區(qū)域；因此，冰凍圈作用區(qū)在我國生態(tài)屏障建設(shè)與維護(hù)，以及可持續(xù)發(fā)展保障方面舉足輕重。與地球上的其他生物群落相比，大部分冰凍圈生物群落的特征仍然保持較好的相對原始性和完整性。然而，持續(xù)的冰凍圈變化對冰凍圈生態(tài)系統(tǒng)威脅日趨嚴(yán)重。從全球冰凍圈生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)來看，需要采取更加積極有效的調(diào)控對策，現(xiàn)階段全球發(fā)展起來的主要調(diào)控路徑有?3?個方面。
合理管控草食動物種群的生態(tài)壓力。越來越多的證據(jù)表明，氣候和草食動物對冰凍圈生態(tài)系統(tǒng)的植被群落和主要交錯帶生態(tài)系統(tǒng)具有潛在的雙重控制作用。動物草食行為在很大程度上限制區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和碳匯。例如：北極地區(qū)大量的馴鹿啃食導(dǎo)致苔原上的地衣和北極低河岸平原上的高大灌木嚴(yán)重退化甚至消失；加拿大黑雁群數(shù)量過多導(dǎo)致北極濕地植物群落退化等。青藏高原三江源國家公園野生草食動物種群迅猛增加，已出現(xiàn)日益嚴(yán)重的家畜和野生動物對草場的競爭問題。多年凍土區(qū)食物網(wǎng)中的營養(yǎng)相互作用對冰凍圈要素變化十分敏感，冰凍圈要素的微小變化可能激發(fā)食物鏈營養(yǎng)競爭的劇烈響應(yīng)。因此，如何合理管控草食動物種群的生態(tài)壓力，已成為冰凍圈生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定維持面臨的巨大挑戰(zhàn)。這種管控需要同時(shí)考慮放牧壓力增加的積極和消極影響，以及高草食動物密度的其他生態(tài)系統(tǒng)的影響等。
加強(qiáng)植被群落結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)力的人工改良。從物種、群落和營養(yǎng)網(wǎng)的組成來看，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可能決定冰凍圈陸地生態(tài)系統(tǒng)是否會成為未來溫室氣體的匯或是源，是否會加強(qiáng)或減弱區(qū)域氣候變暖。早已形成的一個共識是植被覆蓋變化與凍土環(huán)境之間具有顯著的互饋影響，維持較高的植被覆蓋意味著高的能量吸收、較大的淺層土壤有機(jī)質(zhì)含量及較豐富的凋落物，也可有效抵御嚙齒類動物的干擾，這些均有利于凍土環(huán)境保護(hù)。應(yīng)對氣候持續(xù)變暖的冰凍圈變化，需要在進(jìn)一步明晰群落結(jié)構(gòu)的最優(yōu)表征基礎(chǔ)上，積極探索增加人為引入群落物種的數(shù)量（如人工草地植被群落等）和人工植被群落結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案——既實(shí)現(xiàn)退化生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的恢復(fù)與改善，又促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)對冰凍圈環(huán)境的保護(hù)。
實(shí)施基于冰凍圈生態(tài)承載力的保護(hù)區(qū)建設(shè)。盡管在冰凍圈作用區(qū)構(gòu)建自然保護(hù)區(qū)或國家公園被普遍認(rèn)為是最有效的生態(tài)保護(hù)措施，但是現(xiàn)階段已有保護(hù)區(qū)和國家公園的建設(shè)與實(shí)施，基本采用一般傳統(tǒng)生態(tài)學(xué)原理，缺乏針對冰凍圈生態(tài)系統(tǒng)自身規(guī)律設(shè)置的相應(yīng)舉措。為此，需要基于冰凍圈生態(tài)功能特點(diǎn)、冰凍圈要素與生態(tài)系統(tǒng)之間的互饋?zhàn)饔藐P(guān)系出發(fā)，發(fā)展冰凍圈環(huán)境可持續(xù)維護(hù)基礎(chǔ)上的冰凍圈生態(tài)承載力理論和評價(jià)方法，制定基于冰凍圈生態(tài)承載力的區(qū)域保護(hù)規(guī)劃和生態(tài)服務(wù)利用方案。同時(shí)，通過制定共同行為準(zhǔn)則和最佳實(shí)施方案，積極發(fā)展以適合于冰凍圈環(huán)境保護(hù)的生物措施，以生態(tài)系統(tǒng)規(guī)律管理冰凍圈環(huán)境。