冰凍圈生態系統：全球變化的前哨與屏障
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生物多樣性的避難所
全球變化導致熱帶和溫帶大部分地區的生物多樣性減少；但現有證據表明，冰凍圈作用區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生概率幾乎相當。高寒山區因其多樣的氣候梯度，具有應對全球變暖的“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，高山帶出現了新的物種棲息地，原有植物群落組成和結構也悄然發生改變。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、苔原分布區苔蘚-地衣為優勢的地區被大面積灌木等維管束植物所取代、植物群落及與其相關的動物種群發生變化等。無論是高海拔山地還是高緯度泛北極地區，陸地生態系統生產力則幾乎無一例外地表現為顯著遞增。因此，從生物多樣性、生產力和碳庫角度，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。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得到了很好的證明；隨著暖流入侵的增強，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。在北極海域，這種北移現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，引發大量海鳥隨之向北擴張，如歐絨鴨在格陵蘭島的分布區域向北延伸了?300?多公里?。
生態系統碳源趨勢不斷增強
凍土融化將直接或間接地通過改變溫度、氧化還原狀態和有機物質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的植被（由于水文狀況的變化，以及礦物和有機土壤的混合等）和微生物群落的變化，也會影響凈溫室氣體通量。北極地區從受干擾最少（寒冷）的禾本科植物占主導地位的苔原到受干擾最多（溫暖）的灌木占主導地位的苔原，盡管較大幅度地提高了生產力，但以灌木為主的區域仍然表現出?CO2?對大氣的凈損失。這一現象表明，冰凍圈區溫室氣體可能會持續表現為凈排放，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河流碳輸出（ a ）冰凍圈陸地生態系統碳排放過程；（ 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碳隨徑流進入河流和湖泊，而且通過增強地下徑流，導致更多的?CO2?經由地下徑流進入河流。在青藏高原凍土區，僅長江源區直門達水文站每年輸送到下游的溶解性無機碳（DIC）和溶解性有機碳（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河流的研究發現，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?DOC?輸出濃度高于低凍土覆蓋地區。
氣候變暖條件下，極地環境會“由白變藍（海洋）或者變綠（陸地）”。一方面，這種響應可能對氣候變暖造成正反饋（加?。?，因為海水吸收熱量的能力增強而滯留溫室氣體的能力減弱。另一方面，反饋作用也可能是負的，即延緩氣候變暖的趨勢。海冰消退會激發更大的浮游植物水華，并導致底棲動物更快地生長。同時，陸地冰架的崩塌導致更多的微量元素（主要是鐵）進入海洋，激發了初級生產力水平，并固定更多的?CO2。盡管如此，初級生產力的增加是否會增加北冰洋生態系統的碳匯強度存在較大的爭議。
冰凍圈生態屏障的維護與調控
冰凍圈是全球物種多樣性保護和生態功能屏障維護的關鍵區域。在我國，將近?2/3?的重要生態屏障功能區分布在冰凍圈作用區域；因此，冰凍圈作用區在我國生態屏障建設與維護，以及可持續發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，持續的冰凍圈變化對冰凍圈生態系統威脅日趨嚴重。從全球冰凍圈生態系統的保護來看，需要采取更加積極有效的調控對策，現階段全球發展起來的主要調控路徑有?3?個方面。
合理管控草食動物種群的生態壓力。越來越多的證據表明，氣候和草食動物對冰凍圈生態系統的植被群落和主要交錯帶生態系統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域生態系統生產力和碳匯。例如：北極地區大量的馴鹿啃食導致苔原上的地衣和北極低河岸平原上的高大灌木嚴重退化甚至消失；加拿大黑雁群數量過多導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，已出現日益嚴重的家畜和野生動物對草場的競爭問題。多年凍土區食物網中的營養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食物鏈營養競爭的劇烈響應。因此，如何合理管控草食動物種群的生態壓力，已成為冰凍圈生態系統穩定維持面臨的巨大挑戰。這種管控需要同時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系統的影響等。
加強植被群落結構與生產力的人工改良。從物種、群落和營養網的組成來看，生態系統結構可能決定冰凍圈陸地生態系統是否會成為未來溫室氣體的匯或是源，是否會加強或減弱區域氣候變暖。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質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境保護。應對氣候持續變暖的冰凍圈變化，需要在進一步明晰群落結構的最優表征基礎上，積極探索增加人為引入群落物種的數量（如人工草地植被群落等）和人工植被群落結構的優化方案——既實現退化生態系統結構的恢復與改善，又促進生態系統對冰凍圈環境的保護。
實施基于冰凍圈生態承載力的保護區建設。盡管在冰凍圈作用區構建自然保護區或國家公園被普遍認為是最有效的生態保護措施，但是現階段已有保護區和國家公園的建設與實施，基本采用一般傳統生態學原理，缺乏針對冰凍圈生態系統自身規律設置的相應舉措。為此，需要基于冰凍圈生態功能特點、冰凍圈要素與生態系統之間的互饋作用關系出發，發展冰凍圈環境可持續維護基礎上的冰凍圈生態承載力理論和評價方法，制定基于冰凍圈生態承載力的區域保護規劃和生態服務利用方案。同時，通過制定共同行為準則和最佳實施方案，積極發展以適合于冰凍圈環境保護的生物措施，以生態系統規律管理冰凍圈環境。