通过收集最近20年间的1743篇英文文献,从文献概述、研究目的、研究方法、研究结论等几方面全面梳理了全球气候变化对森林生态系统影响的国际研究进展,基于气候变化对森林、森林管理、森林固碳影响等几个视角,考察了学者们的关注热点和重点、不同研究思路和研究方法、研究结论的差异,最终基于对比分析,提出相关研究的未来发展趋势和方向。 By collecting 1743 English papers in the last 20 years, the paper sorts out the international re-search progress of influence on global climate change and forest ecosystems from literature overview, purpose, research methods, research findings and other aspects of literatures. Based on several perspectives of forests, forest management and forest carbon sequestration, the paper studies research points, different research ideas and methods and differences research findings. Ultimately, the future research directions on English literatures on climate change and forests are proposed according to the study.
李凤敏1,杜国明1*,周伟2
1华南农业大学人文与法学学院,广东 广州
2华南农业大学经济管理学院,广东 广州
收稿日期:2016年9月25日;录用日期:2016年10月9日;发布日期:2016年10月12日
通过收集最近20年间的1743篇英文文献,从文献概述、研究目的、研究方法、研究结论等几方面全面梳理了全球气候变化对森林生态系统影响的国际研究进展,基于气候变化对森林、森林管理、森林固碳影响等几个视角,考察了学者们的关注热点和重点、不同研究思路和研究方法、研究结论的差异,最终基于对比分析,提出相关研究的未来发展趋势和方向。
关键词 :气候变化,森林,英文文献
本文通过“Web of Science”,以“forest”和“climate change”为标题关键词,经检索在1995~2014年期间共有英文期刊论文1743篇。这些论文呈现出以下特征:1) 森林和气候变化相关论文整体上有逐步增加的趋势。从1995年的30篇到2014年的214篇,增加7倍多,预示着相关领域越来越受到学者的关注。2) 2009年后相关研究论文大幅增加。2007年后相关论文增加明显,尤其2009年后论文的数目都在150篇以上,是2006年前论文的3倍以上。见图1。
相关文献关注了不同区域不同类型的森林。一方面,相当一部分论文并未确定具体区域,有542篇,占总数的31.1%;如果确定了研究区域,更多论文关注了北美洲和欧洲,分别有458篇和436篇,分别占确定研究区域论文总数的38.1%和36.3%;相反,涉及亚洲、非洲、南美洲和大洋洲的论文较少,关于南极洲的论文只有1篇,见图2。另一方面,对于不同气候带的森林,一些论文并未明确气候带,共有557篇,占总数的31.9%;热带和寒带的森林更引起研究者重视,分别有486篇和439篇,分别占已明确气候带论文的41.0%和37.0%;涉及温带森林的论文较少,有261篇,占已明确气候带论文的22.0%。见图3。
分析论文的研究目的可以更好地了解学者们的关注热点。在1743篇论文中,研究目的主要集中在气候变化对森林的影响、气候变化对森林管理的影响、气候变化对森林固碳的影响等几个方面,分别占总共论文的37.2%、34.7%和9.5%,交叉或者其他研究目的论文占18.5%,见表1。其中,以森林固碳为主要研究目的论文与全部论文数量的对比显示:伴随着气候变化对森林影响论文数量的增加,关于森林固碳的论文整体上也呈现出逐步增加的趋势,由2006年前的不足10篇,逐步增加致20篇左右,2009年达到22篇的最高值,其后又有所减少,见图4。森林固碳相关论文的占比维持在6%~14%之间,占比最高的是1999年,达到16.0%;占比最低为2014年,仅占6.5%;占比未呈现出明显的长期增加或者减少趋势,见图5。
在气候变化中,更多学者关注了气候对森林本身的影响,主要研究了气候变化对森林生长、森林多
图1. 1995~2004年相关论文数量
图2. 论文涉及的研究区域
图3. 论文关注的气候带
森林 | 森林管理 | 森林固碳 | 其他 | 总计 |
---|---|---|---|---|
649 | 605 | 166 | 323 | 1743 |
37.2% | 34.7% | 9.5% | 18.5% | 100% |
表1. 论文主要研究目的类型
图4. 森林固碳论文数量
图5. 以森林固碳为主要研究目的论文占比
样性、森林分布的影响。其中,森林生长主要涉及NPP (net primary production)和DR (decomposition rate)两个指标。气候对森林的影响既有直接因素,也有间接因素。直接因素包括温度、降水(湿度)、云层覆盖、灾难风等方面;间接因素包括二氧化碳积聚、氮循环变化、臭氧层变化、气候变化引发的火灾、干旱、外来物种、昆虫等食草动物等等。研究所涉森林既有高纬度森林也有低纬度森林,既有寒带森林也有温带、热带森林。其中,热带云雾森林特别受到一些作者的关注,有多篇论文探讨了气候变化中热带云雾森林的脆弱性和改变。
在605篇研究气候变化对森林管理论文中,有近一半论文着重关注了气候变化中的火灾问题,一方面研究火灾对森林的危害趋势,另一方面探讨如何加强森林火灾的管理决策。其他涉及森林管理的问题,基本上都是综合管理文章。
关注气候变化对森林固碳影响,实质上是关注森林在应对气候变化中的作用。影响森林固碳或者碳循环的主要研究因素包括温度、二氧化碳、臭氧、氮循环等,也有论文探讨了森林砍伐等管理因素对森林固碳的影响。也有论文同时研究了林业和农业的土地利用问题或者森林碳汇价格影响因素。
除以上研究目的论文外,其他论文不是研究综述论文,就是关注了气候变化、森林、土地利用等多种因素相互作用,或者是木产品价格等其他问题的论文。
为了研究森林和气候变化的相互作用,学者们使用了多种方法,主要包括历史资料研究、生物地理模型、生物地化模型、全球环流模型、统计模型等方法。
利用生物历史数据,研究生物伴随着气候变化而发生的改变。众所周知,气候变化是植物生长的重要因素,在过去,物种的分布随着气候变化而改变,可以预期随着温度的持续变暖植物在区域分布和多样性方面不断改变。根据对新热带低位山林48,000年持续的跟踪记录,可以揭示出森林的持续变化与冰期之间的关系。经过30,000年相对稳定后,物种正经历着一个从冰期到新世纪元长达8000年的转变期。尽管这些转变是直接的,但这一时期的转变率与之前30,000年的稳定状态相比没有特别大的差异。到21世纪,温度变暖导致的物种改变将加剧 [
生物地理模型是将一些生物地理因素,如经度、纬度、海拔等等因素,整合到模型之中,用于模拟森林应对气候变化的改变。最主要的生物地理模型主要有BIOME4、BIOME3、MAPSS等模型。这些模型通过限定当地植物、水文循环和植物生理特性来预测植物的物种和区域分布。例如,BIOME3模型,它是一个基于过程平衡的陆地生物圈模型,主要基于生态物理限制、资源的可获得性和植物功能类型(PFTs,即plant functional types)竞争而建立,主要用于模拟植物的分布和NPP。BIOME3模型是在BIOME1模型和BIOME2模型基础上建立起来。BIOME1模型主要是模拟大范围内植物的分布,BIOME2模型把碳循环和水循环加入到模型中 [
目前,有20多个生物地化模型用于森林对气候变化的影响研究。生物地化模型可以预测生态体系中的碳循环和氮循环,但不能用于预测给定地区植物的类型。主要的生物地化模型有TEM、CENTURY、BIOME-BGC、PnET等等。这些模型是在对植物动力模型进行比较的基础上,预测植物的反馈 [
全球环流模型,简称GCM (Global Circulation Model)模型,它是典型的动力学模型。该模型的物理基础是从气候系统的热力学、流体运动学特征出发,建立气候系统方程。根据所构造模式的复杂程度,气候模式分为简单气候模式、复杂耦合气候系统模式和中等复杂程度的气候模式。简单气候模式常与综合评估模型联系,并用于分析温室气体的减排成本和气候变化响应。复杂耦合气候系统模式包括了发展成熟的大气模式、海洋模式、陆面模式,甚至包括海冰和碳循环等模块,用以研究包括海洋状况、冰雪过程、土壤温湿等在内的气候系统变化规律,是目前研究大气、海洋及陆地之间复杂相互作用的主要工具。由于GCM模式仅是一个气候模型,故在研究森林与气候变化关系时,一般需要与其他模型或者数据资料等结合来发挥作用 [
统计模型以展示气候变化的潜在影响为目的,界定了当前物种分布和环境的关系。气候主要由不同GCM模型决定,通过数据关系反应新的可能物种的分布。使用地理信息系统,通过地图显示未来植物的分布。该模型是一个以气候变化为变量的多回归方程。统计模型有回归、一般线性模型、一般加性模型、多变量可适性回归模型等。统计模型更多适用于目前和未来物种分布的预测,而较少生物群落的预测,许多统计模型最终形成展示性地图。例如,伴随着气候变化,Martin T. Sykes等评估了北欧19种森林物种 [
由于各篇论文研究的目的不同,虽然许多论文都探讨了森林和气候变化的关系,但论文的着重点有所差异,所以使用的方法不仅仅局限于上面的方法。
有些论文以探求气候变化中森林碳循环为目的,故建立了森林碳循环模型。例如,在A. O. Kokorin等的论文中,使用了CCBF (Climate andCarbon in Boreal Forests)模型,这个模型是由莫斯科的全球气候和生态研究所建立,主要用于预测寒带森林固碳作用。这个模型是一个多箱模型,虽与IMAGE 2.0、ARP 2等模型类似,但更侧重于深入描述森林林龄和枯木树枝、土壤等生物体,并且也详细模拟森林火灾的未来影响。该模型把所有俄罗斯30个区域,每个区域按照林龄的不同、树木生长的情况进行分类,所有区域又被分为6个地理气候区。这个模型建立了不同的方程,使用了不同类别的长期数据,如生态系统、碳转移、森林生长以及分解、火灾等等。通过实验数据和不同模型得出的结论来决定气候变化引起树木生长率。夏季平均气温每上升1℃会导致中北部和南部Taiga地区树木生长率分别增加10%~15%和3%~8%。气候变化也会引起植物分解率增加7%~15%。降雨对森林有负面影响但很微弱。CO2、O3对森林增长有正面影响。森林管理、林龄变化和气候变暖对森林碳库的作用不一样,气候变暖对森林碳库的影响更小 [
欧洲森林信息场景模型(European Forest Information Scenario Model,简称EFISCEN)是一个以区域为基础的矩阵森林资源模型。该模型首先是由瑞典农业大学Sallnas教授在20世纪80年代后期使用起来。通过录入树种、区域、地点等信息,一个矩阵就建立起来,特别适用于预测大范围(超过10,000 ha)、长周期(20~70年)的森林应对气候变化的影响。该模型可以洞悉了每个树种的生长、不同林龄分布以及确定砍伐周期。其作用主要体现在几个方面:1) 可持续的森林管理。2) 木产品的可能性。3) 天然方向的管理。4) 天气改变的影响。5) 自然的干扰。6) 碳循环。在Timo Karjalainen等人的论文中,分析了气候变化和森林管理对欧洲森林碳预算的影响,碳预算还被扩展到森林土壤和木材产品。主要研究了两种森林管理和气候变化模式下,预测未来森林生长、可获得的木材、碳贮藏的变化状况 [
人工神经网络(Artificial Neural Network,即ANN),是20世纪80年代以来人工智能领域兴起的研究热点,从信息处理角度对人脑神经元网络进行抽象,神经网络是一种运算模型,由大量的节点(或称神经元)之间相互联接构成。每个节点代表一种特定的输出函数,称为激励函数(activation function)。每两个节点间的连接都代表一个对于通过该连接信号的加权值,称之为权重,这相当于人工神经网络的记忆。最近十多年来,人工神经网络的研究工作不断深入,已经其在模式识别、智能机器人、自动控制、预测估计、生物、医学、经济等领域取得了很大的进展。在David W. Hilbert等的论文中,建立了三层前馈网络,形成由14个独立的数字变量、9个自变量、15非线性回归方程。这种神经网络更趋向是一个算法而非简单的数学功能,每个独立变量被用作为一个隐藏功能的节点,每个节点内需要乘以一个参数。气温、降水、土壤水、坡度等因素被作为模型的参数,通过对气候变化的敏感性进行了详细的空间分析表明,最主要的气候变化影响将体现在热带雨林和开阔林地之间的交错生态脆弱边界 [
无论是采用模拟方法还是资料数据分析,无论是热带森林、寒带森林还是温带森林,大部分论文都认为气候变暖会导致森林生长加速 [
除温度因素影响外,许多论文还关注了气候对森林生长有影响的其他直接和间接因素,如降水、飓风、干旱、火灾、CO2积累、昆虫等食草动物、冰山融化等等。例如,Virginia H. Dale等把温度、降水、飓风、CO2积累等作为分析气候变化和森林相互作用的因素 [
一些论文特别关注了气候变暖对热带云雾森林的负面影响。例如,Lloyd L. Loope等利用历史数据分析了位于夏威夷的热带云雾森林,认为温度、降雨,云层覆盖和湿度方面的小变化就将引起对热带云雾森林的巨大改变,强调了热带云雾森林应对气候变化的脆弱性 [
气候变化会引起森林分布的改变。Lera Miles等利用模型预测了亚马逊热带森林分布的长期变化趋势,认为43%森林分布会发生改变,但是大多数区域的改变并不明显 [
气候变化对不同区域森林分布的影响不一致。Martin T. Sykes等人利用模型模拟了未来气候变化对北欧森林分布的影响,认为气候变暖会引起森林区域分布变化,一些地区增加,一些地区下降 [
多数相关文献都肯定气候变化对森林多样性会起作用。例如,Phyllis D. Coley和Riciard T. Corlett等人的论文都认为气候变暖会引起森林物种的改变。但不同论文对该作用的方向存在不同认识 [
多篇论文分析了气候变化引发的火灾对北美、俄罗斯等地森林的影响,基本认为森林火灾风险会增加。例如,B.M.Wotton等人利用GCM数据和火灾预测模型,得出到2020~2040年加拿大森林火灾风险大约会增加18%,最终到21世纪末会增加50%。按照目前气候变化趋势,寒带森林火灾会更加严重。针对火灾风险的增加,多篇论文提出了相应管理对策 [
未了应对气候变化对森林的影响,许多论文提出了综合管理对策。Daniel A. Spring等人认为,为了应对气候变化,最优的策略选择是停止砍伐,至于是否这样做,取决于火灾风险的增加和水价值的改变 [
森林被认为是应对气候变化的潜在碳库 [
另外,一些学者也比较了不同因素在森林固碳的作用。A. O. Kokorin,等认为林龄变化对森林碳库的作用要大于气候变暖的作用,随着森林龄结构的老化,森林植被碳库也会下降 [
有的学者也预测了气候变化对森林固碳的作用趋势。Timo Karjalainen等人利用EFISCEN (European Forest Information Scenario Model)分析了1990~2050年期间森林管理在森林固碳中的作用,认为森林管理大于森林固碳有作用,但作用不大,森林碳库开始增长快,但到2020年后增速减慢 [
森林碳库主要分为植物碳库和土壤碳库两部分,有些学者研究了气候变化中两种碳库的不同变化趋势。一方面,大多数认为在气候变化中森林植物碳库上升,土壤碳库下降。Changhui Peng等利用CENTURY4.0模型了气候变化对加拿大寒带森林结构和功能的影响,认为气候变暖造成植物碳库上升、土壤碳库下降;CO2积聚上升导致植物碳库上升、土壤碳库上升 [
关于气候变化对森林的生长、分布、多样性、管理、固碳的影响,各篇论文的研究结论存在着较多趋同结论,同时也有较大差异性。在对森林生长影响方面,大多数文献认可气候变化会促进森林生长,但影响因素作用不同,有的认为温度上升是主要因素,有的认为CO2积累的作用更大,也有认为降水、飓风、干旱等因素会起作用。在对森林分布影响方面,有的认为气候变化影响很大,有的认为影响不大;有的认为对高纬度寒带森林影响更大,有的认为对热带森林影响也很大。在对森林多样性影响方面,多数文献认为气候变暖会导致森林多样性下降,也有学者认为气候变暖会导致森林多样性的轻微增长,亦有学者认为气候变暖不一定导致森林多样性的改变。在对森林固碳影响方面,多数论文认为在气候变暖状况下森林碳库会增加,但也有一些学者认为气候变化对森林碳库影响不大,甚至认为森林碳库会下降。多数学者认可在气候变化中森林植物碳库上升,但对土壤碳库上升还是下降存在分歧。
森林应对气候变化的作用主要体现在森林固碳作用上面。发展碳汇林已作为重要措施纳入到《中国应对气候变化国家方案》,大力发展林业,合理扩大森林面积、加强森林管理和保护已成为保障国家气候和生态安全、促进可持续发展的战略措施 [
目前大多数研究气候变化对森林生态潜在影响的模型主要有以下几个假设:1) 气候将继续变暖,温度将继续快速上升;2) 由于蒸发的作用导致气候越来越干燥;3) 气候是唯一影响树木物种变化的因素。由于假设或者其他因素的限制,模型方法或多或少存在着以下弊端:
由于把气候变化作为影响森林的唯一因素,忽略了其他因素的影响,这样就会造成无论气候变化引起的正面效果还是负面效果都会被放大,常常夸大了气候变化带来的灾难性后果。因此,模型方法应当进一步完善,不仅要考虑温度、湿度、CO2积聚等气候因素,也要考虑经纬度、海拔等其他直接或者间接影响森林及其管理、固碳的因素。
一方面,研究结果往往以气候继续变暖和越发干燥为前提,而未来气候的演变本身存在着不确定性,历史上还曾出现过冬天气候越来越冷,而夏天温度越来越高等不同温度变化轨迹 [
2013年广东省普通高校人文社会科学研究项目“广东碳汇交易立法及配套政策研究”(编号:2013WYXM0018);广东省科技创新治理体系建设与实践领域项目(2015A080804017);广东省软科学项目(2015A070704044);广东省自然科学基金项目(2015A030313417)。
李凤敏,杜国明,周 伟. 气候变化对森林生态系统影响英文文献综述 Review of English Literatures on Climate Change and Forests[J]. 林业世界, 2016, 05(04): 87-101. http://dx.doi.org/10.12677/WJF.2016.54011