人类世生物地球化学循环及其科学

Biogeochemical cycles in the Anthropocene and its significance

摘要

地球已进入新的地质时代——“人类世”,人类已成为全球变化的主要驱动力。人类活动导致的地球生态系统的生物地球化学过程及关键生源要素的生物地球化学循环的改变直接或间接地影响着地球生态系统的关键功能,给人类福祉和可持续发展带来诸多威胁。本文基于地球系统科学研究的新进展,综述了人类世全球变化特征、生物地球化学循环在地球系统各圈层演化中的作用及其变化规律。特别关注了自然资源开发利用、生产和消费模式改变等人类活动对生物地球化学循环的影响,以及由此产生的气候、生态和环境效应。研究表明,应对人类世全球变化需要系统理解人类活动作为主要驱动力的多要素和多尺度生物地球化学循环过程及其生态和环境效应,基于地球系统科学的理论与方法开展针对人类世社会-生态系统的自然科学和社会科学的交叉融合研究。在文末提出了人类世生物地球化学研究的优先领域和方向,并强调解决受人类活动和气候变化高度影响下人类世生物地球化学循环的各种复杂科学问题的迫切性和重要性。

关键词

人类世 / 生物地球化学循环 / 全球变化 / 地球系统科学

Key words

Anthropocene / biogeochemical cycles / global change / Earth system science

0 引言

人类活动已经深刻改变着表层地球系统的物理、化学和生物状态以及重要组分之间的互馈关系。与此同时,大气二氧化碳含量和温度升高,影响了陆地水-碳-氮循环以及其他表层地球系统特性,这些特性反过来又影响着气候和生态系统(陆地和海洋)。环境和社会系统变化的科学数据和事实已证明城镇化、经济发展、土地利用变化、化石能源消耗、大气中温室气体的增加、地表景观变化和人类生产和物质消耗速度等都在20世纪中期显著上升,造成的地球社会-生态系统的变化仍在加速。因此科学家们普遍认为地球的演化历史已经进入了新的地质时代,即人类世^[1]。人类对地球生物物理系统的干扰空前加速,自然界的水和生物地球化学循环格局、过程和效应发生了很大变化,并大大偏离了自然界不同生态系统演化的固有轨迹,造成不利于人类生存和发展的环境,威胁人类可持续发展。水和生物地球化学循环是地球陆地-海洋-大气之间、陆地表层地球系统和海洋系统各圈层之间物质和能量循环的主要形式,确定了陆地和海洋生态系统的结构和服务功能,以及它们的演化动态特征。因此,研究理解人类世人类活动和气候变化影响下的陆地表层地球系统中的水和生物地球化学循环以及与全球变化的影响和反馈是人类应对未来全球变化和实现可持续发展的关键。

人类活动正以前所未有的规模和强度干扰和影响表层地球系统生态和环境特征,人类活动影响下地表过程以及物质和能量循环规律的改变程度、发展趋势以及后果如何,这是科学界应该高度关注的科学问题。这些问题远远超出了对全球气候系统和生态系统变化的简单分析,必须将地球自然系统的生物、物理、化学过程机制以及与社会经济系统的耦合作用作为一个整体开展研究。本文基于地球系统科学研究的发展和变化趋势,在系统分析人类世生物地球化学循环的特征、变化规律以及多因素相互作用机制基础上,认为人类活动对环境的显著影响主要体现在改变地球生态系统的生物地球化学循环上,这种改变对全球气候、生态和环境造成深远影响。因此,理解和应对未来全球变化趋势和结果,实现人类可持续发展,我们需要转变研究范式,加强对人类世生物地球化学循环的跨学科交叉和系统综合研究。

1 全球变化与人类世

人口快速增长、科技进步、城市化和全球化引发的土地利用变化、生物与矿产资源大规模开发、人工合成物质的使用、污染物排放等重塑了地球生态系统格局、改变了地球系统的生物地球化学循环,使地球大气、陆地、海洋生物-物理系统以及社会系统均在星球尺度上发生了显著变化。工业革命以来,人类文明在快速发展的同时也引发地球各圈层生物地球化学过程和通量的剧烈变化,产生一系列全球性生态环境问题,威胁人类可持续发展。20世纪50年代以来,全球社会经济进入快速发展时期,地球岩石圈、水圈、生物圈和大气圈均发生剧烈变化,标志着地球系统进入了“大加速”变化阶段^[2],人类对地球系统影响的方式、规模和持久性已显著增加,达到了与许多自然过程相当的量级。人类对地表景观、地球大气圈和水圈以及土壤圈在物理、化学和生物性质方面的改造可产生持续数千年甚至更久的影响,并可能改变地球系统的轨迹^[3],因此越来越多的人认为地球历史已经由全新世进入新的地质时代——人类世^[4-5]。

面对21世纪全球变化这一重大挑战,采取有效的、基于科学的政策以适应和应对这些变化已成为当务之急。强化全球范围内的国际合作,深入洞察全球变化的规律、驱动因素及其带来的后果,是探索、应对和解决全球变化挑战的关键前提。1972年召开的联合国人类环境会议通过的“人类活动计划”,是首个全球性环境研究计划,极大地促进了全球变化研究领域的出现。1980年启动的“世界气候研究计划”(WRCP)证实了气候正在发生变化,人类对地球具有重要影响。除气候外,地球的其他生物物理系统也在发生剧烈变化,且与人类社会系统的诸多变化一道促使更广泛的全球变化意识的形成^[2],促成实施了“国际地圈生物圈计划”(IGBP,1987年)、“全球环境变化人文因素计划”(IHDP,1990年)、“生物多样性科学研究计划”(Diversitas,1991年)等国际科学研究计划。2001年在阿姆斯特丹召开的 “变化地球的挑战:全球变化开放科学”会议成立了“地球系统科学伙伴联盟”(ESSP)(2012年演化为“未来地球”研究项目),提出了“阿姆斯特丹全球变化宣言”,指出人类对地球气候等生物物理系统具有巨大影响,这些全球变化已经威胁地球支撑生命系统的供给服务等,直接关系到人类福祉和人类社会的未来。

过去几十年,全球变化研究在观测、解析机理、区分人为与自然因素、评估后果及预测未来情景等方面取得显著进展。科学界普遍认同,当前人类所面临的可持续发展挑战在过程与结果上呈现复杂性,具有多层次性,并最终表现为系统性和全球性问题^[6]。对此,迫切需要深入研究人类世以来地球系统的演化规律及其自然和人为驱动机制。生物地球化学循环作为维持地球生物圈功能和所有生命所需条件的核心,受地球生物物理特性和人类活动的影响,并对地球生物和非生物环境以及人类社会产生深远影响。人类世以来,由人类活动引发的全球生物地球化学循环变化已成为影响地球系统的结构和功能的关键因素。为实现可持续发展,人类需要重新审视与环境和生物圈的关系,及其在全球变化中的作用,并推动社会、文化、科学思维和技术创新的变革,构建基于变革性或新科学范式的生物地球化学循环研究体系。

2 生物地球化学循环与地球生命支撑系统

生物地球化学循环是一个理论概念,描述了生物圈与地球其他活动储库(如大气圈、水圈、土壤圈岩石圈)之间物质和能量的转移。主要过程可以理解为生物圈通过吸收或释放具有生命必需成分的分子物种(即营养物质,如水、碳、氮、硫、磷等)来储存或释放能量(图1)。生物地球化学循环是地球上生物与非生物体之间相互影响的核心机制,并与生物进化紧密联系。它通过一系列的生物化学过程,将元素在生物体间传递、转化,构建了一个错综复杂的循环网络。这个网络既关系到生态系统中每个生物体的存活和繁衍,也直接影响着整个地球系统的平衡和稳定^[7]。生物地球化学循环通过物质的释放、吸收和再循环,形成了地球系统中一个互为支撑的生命之舞^[8]。生物地球化学循环与地球系统圈层相互作用是地球系统科学领域的核心议题,涉及表层地球系统中生态平衡、资源循环等关键过程^[9]。

地球生态系统中的元素循环相互作用,各圈层间物质的平衡在维持地球系统的动态平衡方面发挥着至关重要的作用,直接影响地表生物的生存条件以及全球气候格局。水圈中发生的蒸发在大气中形成了云和雨形成的介质,大气以降水的返回地表;水圈提供了风化和侵蚀土壤和岩石所需的必要水分;大气为岩石的分解和侵蚀提供了所需的热量和能量,反过来,地圈将太阳的能量反射到大气中;生物圈接收来自大气的阳光和气体,从水圈中获取水,从地圈获得生命介质。地球所有层圈(生物圈、大气圈、水圈和岩石圈)交互作用,发生一系列生物地球化学过程,形成土壤,并维系着大气圈气体成分的平衡和气候的稳定。水圈的平衡保障了水资源的正常循环和供应,表层岩石圈的平衡影响地球的地质结构,生物圈通过食物链、养分循环调节着生物多样性、气候和土壤质量。

生物地球化学循环确保碳、氮、磷和硫等必需养分的持续循环和可用性,对地球生态系统的功能、生产力和可持续性至关重要,通过驱动这些营养物质在各种储库间循环支持生态系统的生产力和健康;生物地球化学循环与生态系统中的能量流动密切相关,植物通过光合作用从太阳捕获的能量通过食物链和食物网传递给其他生物,生物地球化学循环中的营养物质循环提供了生物过程所需的能量;生物地球化学循环在调节地球气候方面起着至关重要的作用,大气、植物和土壤之间的碳循环有助于通过将碳封存在植被和土壤中来减轻气候变化的影响,另外氮循环会影响温室气体排放和臭氧的形成,从而影响气候模式和空气质量;生物地球化学循环有助于维持土壤肥力和植物生长养分的可用性,分解有机物和碎屑释放的养分丰富了土壤,为植物吸收提供了必需的元素;生物地球化学循环,如氮和磷循环,影响水生生态系统的水质,过量的营养物质输入,会导致富营养化,藻类过度生长会耗尽水体中的氧气含量,从而损害水生生物;生物地球化学循环获得营养物质支持从微生物到植物和动物的各种生物体的生长和生存,有助于维持生物多样性和生态平衡,生态系统内养分和能量的循环确保了不同物种的相互依存和功能,促进了生态的稳定和复原力。

综上,生物地球化学循环与地球系统各圈层相互作用对地球生态系统支撑生命功能以及对人类社会发展提供服务至关重要。但人类活动已经深刻改变了碳、氮、磷等元素的循环过程、及在各圈层的储量和通量。开展人类活动高度干扰下这些关键元素循环过程机制的观测和模拟已经成为人类世生物地球化学循环的核心和前沿方向,适应性调控生物地球化学循环过程,如碳捕获技术的发展、活性氮的排放管理、磷资源的短缺,将为应对全球性挑战提供方案和策略贡献,有助于更好地理解地球系统整体运行机制和实现可持续的资源环境管理。

3 人类活动改变地球生物地球化学循环

由于人口、生产力和消费水平提升,人类活动通过生产、消耗和建设等向环境输入大量碳、氮、磷等物质,改变自然环境物质和能量流动形态和方式,大大增加了大气中的二氧化碳含量和生物圈中的氮含量,改变了水圈和土壤圈的物理和化学特性,损害生物圈的完整性,导致地球生态系统的生物地球化学循环的剧烈变化。生物地球化学循环的改变与气候变化相结合,增加了生物多样性、粮食安全、人类健康和生存环境对气候和其他地球系统变化的脆弱性。人类活动(包括对不可再生资源和可再生资源(如水能、风能、太阳能)的利用,以及工业化、农业集约化和城市化过程)在全球范围内显著改变了元素的生物地球化学循环,重塑着表层地球系统中元素生物地球化学循环的强度和格局,影响生态、环境、气候及人类社会的系统。

3.1 自然资源开发和利用

化石燃料的大量消耗导致了地球表层碳循环格局的显著变化,同时对全球硫和氮等元素的循环产生了深远影响。化石燃料的燃烧是人为温室气体排放的主要来源,释放了大量的二氧化碳(CO₂)、二氧化硫(SO₂)和氮氧化物(NO_x)^[10-11],从而极大地增加了碳、硫、氮在地表循环过程。被排放的SO₂和NO_x在大气中经历一系列传输和转化,以气态沉降的形式从大气传输到地表,导致了氮、硫的大气酸沉降加剧,成为引起土壤酸化和水体富营养化等生态环境问题的主要原因。此外,煤炭燃烧导致的全球煤炭源重金属排放量持续增加,显著影响了全球砷、镉、镍、锑、铜和锌等元素的循环^[12],引发诸多生态环境问题。

水电是人类可再生能源的重要组成部分。据统计,截至2015年,全球70%左右的河流已被筑坝拦截^[13],其中22%的坝高大于15m的大坝用来发电,生产了全球约17%的电能^[14]。筑坝打破河流连续体,对碳、氮、磷、硅等生源要素生物地球化学产生重要影响^[15]。河流筑坝形成水库后,水体变深,流速变缓,水和营养元素的滞留时间增加,水中的悬浮颗粒下沉,水体变清,形成利于浮游植物生长的环境,并容易使水体产生温度、化学和物理的季节性分层,生态系统由河流异养体系演化为类湖泊的自养体系^[16]。在该体系中,固碳(CO₂和 {\mathrm{HCO}}_3^{-})、氮( {\mathrm{NO}}_3^{-}和 {\mathrm{NH}}_4^{+})同化和生物硅(BSi)的合成等生物过程,氧化还原、溶解沉淀、吸附解析等非生物过程,以及水库调控等人为过程相互耦合,共同决定着水库的物质消除和累积效应、温室气体源汇效应等 ^{[17⇓⇓⇓-21]},对全球陆地水生系统结构和功能产生重要影响。但目前缺乏深入理解^[16],亟须从全流域尺度系统评估和预测水电开发和利用对生源要素的生物地球化学循环的影响,权衡水电水库全生命周期各阶段生态系统功能损失和水电开发价值,为可持续的水电开发和管理提供理论支撑。

3.2 生产与消费模式改变

除化石能源开发利用外,工业化发展使自然环境中的有毒有害物质种类和数量持续上升,扰动自然界元素循环^[22-23]。据统计,工业革命以来,非煤炭源砷、镉、镍、锑、铜和锌等重金属元素的工业排放量持续增加,特别是20世纪50年代以来的增加更为显著^[12]。在我国,12种典型有害重金属元素向大气排放量在1949年至2012年间增加了22~128倍^[24],是耕地和湖泊河流等重金属污染的主要原因之一^[25]。工业生产还生产出大量新污染物,对生态环境和公众健康的危害日益突出。以微塑料为例,全球和中国的可降解微塑料产量以每年14%和20%的速度增长,使其遍布地球系统各圈层,并通过影响微生物群落、酶活性等过程改变全球碳、氮等元素的生物地球化学循环^{[26⇓⇓-29]}。总之,新污染物也在推动全球变化^[30],这是人类世出现的一个显著特征。这些污染物具有独特的生物地球化学动力学过程和复杂的环境传输路径,并且与碳、氮、磷等营养元素的生物地球化学循环存在复杂的相互作用和反馈机制。

工业革命后,农业生产模式由传统的手工农业逐渐向集约化农业转变,使农业机械化燃料消耗、农田肥料施用、土地利用等发生变化,进而对生物地球化学循环产生深刻影响。1960年以来,全球化肥施用量呈指数增长,但利用效率却显著降低,使得全球氮、磷和硫等处于盈余,活性氮、硫排放量增加^[31⇓-33],造成水体污染、大气酸沉降、土壤酸化、气候变化等问题,影响整个生态系统的健康和稳定^{[34⇓⇓⇓⇓-39]}。为保障粮食安全,农业活动加剧也带来了耕地面积大幅扩张,相比于人类世之前,全球农业耕地面积扩张了28%,农业扩张对生物多样性产生负面影响,耗尽生态系统服务,并深刻影响全球生物地球化学循环。解决如何在减少人工合成化肥施用的同时保障粮食安全的问题,是当前亟须回答的技术难题。生态系统中水、碳、氮和磷的循环过程紧密相连,高度耦合^[40]。因此,深入理解农业生态系统中这些耦合的生物地球化学过程对于解决化肥减量与粮食安全之间的矛盾至关重要。

城市化作为一种全球现象,其进程的加速和深化已经成为21世纪人类社会最重要的特征。1950年以来,全球城市人口比例已经翻倍,预计未来还将持续增加。不断扩张的城市面积以及持续增加的人口直接或间接地改变了城市生态系统结构和功能,并深刻影响全球生物地球化学循环的物质输入与周转速率^[41]。首先,城市化过程消耗大量能源,导致CO₂排放的显著增长,国际能源署报告显示,全球约71%的碳排放是由城市地区所贡献,这极大地影响着全球碳循环过程和格局。同时,城市化也大大提高了氮、硫、重金属等大气污染物的排放并造成大气沉降的增长^{[42⇓⇓-45]},加剧了氮、硫、重金属等元素的输入和循环速率,对生态系统和人类健康造成影响。此外,城市化过程也会通过土地利用类型/覆盖变更和土壤管理措施等改变城市地表能量平衡及城区土壤的理化结构,影响微生物群落结构和酶促反应速率等的变化,从而间接影响水文-生物地球化学循环速率^[46-47]。总体而言,当前对城市化对生态系统生物地球化学循环影响的全面评估尚显不足,这也限制了相关理论在可持续城市规划和管理实践中的有效应用,城市关键带生物地球化学研究将有望促进这方面的发展。

综上所述,人类活动,如资源开发、生产和生活方式的变化,已对地球表层各圈层中元素(如碳、氮、磷、硫等元素)的储量、迁移转化过程及其交换通量产生深远影响,还生产了众多新化合物,并加速物质循环速率,这导致陆地和海洋生态系统的营养状态变化及大量传统和新污染物的形成,这些污染物广泛融入环境的各个部分和反应过程中,进而影响生物地球化学循环。这些变化加剧了地表元素和物质循环的时空格局差异,引发了生物圈结构和功能的显著变化。因此,深入理解人为因素在生物地球化学循环中的作用,对于实现人类世生态系统的可持续管理具有极其重要的意义。

4 人类世生物地球化学循环的区域和全球变化效应

人类活动已成为全球环境变化的主要驱动力,将会引发突然或不可逆转的环境变化^[48],破坏地球生态系统稳定性和自我调节能力,对人类福祉造成有害甚至灾难性的影响。 Rockström等^[49]提出了9个对维持地球宜居且稳定的至关重要的生物物理过程的“行星边界” (图2)。这些生物物理过程之间存在复杂的相互作用,任何一个“边界”的突破都会对其他过程产生影响,威胁地球保持安全水平的能力。其中生物地球化学循环是极其重要的生物圈功能,对除淡水利用和陆地系统变化之外的其他7个“边界”具有直接影响^[50-51]。根据最新评估^[52],已有6个“边界”阈值已经被突破,含生物地球化学循环在内的“边界”的超越程度进一步提高,与人类生存密切的自然物质生物地球化学循环被完全改变,直接促使地球生态系统整体性和气候变化这两个最关键的生物物理过程超越“边界”^[49],海洋酸化及大气污染也正在逼近阈值,已经远远超出了人类生存的“安全空间”。因此,深入理解人类世地球(子)系统的生物地球化学动力学及与其对全球生态、环境和气候变化的潜在影响和反馈具有重要意义。

4.1 气候效应

大量科学证据已经充分证实^[53],人类活动是当前全球气候变化的最主要的驱动因素,使近10年(2010—2019年)的地表增温比工业革命之前增加0.9~1.3 ℃,并可能是近几十年以来对流层上层变湿、全球范围降水及冷热极端气候事件发生的主要原因之一。然而,人类活动影响下的生物地球化学循环过程如何受到气候变化的影响以及如何反作用于气候变化,目前尚不明确,仍需进行大量研究来探索这一复杂的相互作用。鉴于碳、氮和气候之间的相互作用及其他相关问题,迫切需要从地球系统科学的角度研究碳循环和气候变化背景下的氮养分循环的动态变化。特别是要探究在人为活动干预下,氮循环是否能够促进碳的固定。因此,碳-氮-气候之间的耦合关系已成为一个至关重要的科学问题,需要加强对人类世主要生源要素生物地球化学循环及其气候效应的研究。

4.2 生态效应

人类活动对陆地生态系统的干扰,包括碳汇、氮磷等营养物质及污染物的生物化学过程,以及陆地和海洋温室气体排放的变化,是推动生态系统变化的关键机制,直接或间接影响着生态系统的结构和功能。此外,大气中CO₂浓度的升高和气温的上升促进了生物圈的生产力,影响了物种、基因类型、数量和演化。这些生物地球化学作用在生物圈演化过程中对气候变化产生了正负反馈机制,成为近百万年来(整个更新世)地球气温稳定的关键因素^[54]。此外,物种和种群的功能群和特征的多样性对于生态系统的完整性和生态系统服务的产生至关重要,具有相同功能的物种的反应差异对于抵御冲击或极端事件至关重要^[55]。这种“功能多样性”为生态系统的再生能力、在受到干扰后继续发展和支持人类福祉提供了保障^[56]。在陆地和水生系统中,营养物质的大量输入改变了生态系统多种物种的均衡分布,以及它们在生态系统和生物圈动力学中发挥关键功能的各种营养状态的分布、冗余和丰富度^[57]。地球上75%以上的无冰土地因人类活动而直接改变,近90%的陆地净初级产量和80%的全球树木覆盖受到人类的直接影响,牲畜(取代大型动物)饲养/放牧和人类居住导致的大多数陆地大型动物多样性被破坏。同样,超过41%的海域受到多种人类活动的强烈影响^[58]。总之,人类活动引起的生源要素化学动力学过程的改变是地球生态系统基因多样性及功能多样性发生突变的内在驱动机制,后者反过来又影响生态系统生物化学过程。

4.3 环境效应

人类活动对自然生物地球化学循环的改变,导致了大气和土壤污染、水体富营养化等环境问题。在人类世以来,氮、磷等养分物质快速进入陆地和近海水生系统,持续造成水体富营养化,这一问题至今仍是全球水环境保护面临的严峻挑战。虽然对养分与水体营养状态之间关系的研究已有百余年历史,但直到1960年代,控制营养物质输入才被视为解决水体富营养化的有效策略。然而,时至今日,氮磷等养分物质在控制水体富营养化中的具体作用仍存在科学争议 ^[59]。实际上,在从陆地淡水到海洋环境的不同水生生态系统中,所受限制的营养元素并不一致。甚至在同一生态系统内,限制性养分也可能随季节变化而发生转变。因此,面对未来人类活动影响生物地球化学循环的多种变化情境,科学家迫切需要对全球氮、磷等养分物质的生物地球化学过程及其可能引发的区域或全球性环境问题进行深入研究和准确预估。这些研究将为制定科学的应对方案提供重要依据。

5 人类世生物地球化学循环研究

未来对于人类世生物地球化学循环和过程的研究,应当着重理解人类活动对地球生态系统生物地球化学循环过程、机制和效应,重点研究理解人类活动和全球变化从生源要素来源、形态转化、过程机制、通量变化及其生态环境效应等方面影响地球生态系统以及社会系统的生物地球化学循环。

5.1 生物地球化学过程与物质来源的多组学和同位素示踪研究

生物的生命过程与物理、化学过程一起构成了地表物质的三大运动形式。生物,尤其是微生物,是元素循环和能量流动的控制器,对地球系统动力学起到重要的调节和缓冲等反馈作用。微生物功能群(或物种)的生命活动,是生物地球化学动力学的重要研究内容。包括宏基因组、宏转录组、蛋白组和代谢组的宏组学技术和同位素示踪技术的快速发展极大地拓展了对生命过程研究的深度和广度。传统的生物地球化学分析方法侧重于研究元素循环的宏观过程、储库和通量;而基于分子生物技术的分析方法则更侧重于揭示微生物个体或群落的生理生态学特征和驱动物质循环的微观分子机制。例如,基于DNA的分析技术,如以SSU rRNA为代表的标记基因高通量测序和宏基因组-组装基因组技术,可分析微生物群落的物种组成、物种的系统发育分类,以及物种和群落的功能潜力。宏转录组则利用RNA分析基因的转录水平,识别关键代谢途径。进一步的亚细胞定位和调节发生在蛋白质水平,转录后修饰可以改变蛋白质的位置和功能,因此,宏蛋白组和代谢组可以反映功能蛋白的表达和活力。结合稳定或放射性同位素标记示踪技术,基于同位素和元素显微成像技术的可视化方法被用于观测和记数代谢活性细胞,使我们能够定量分析底物的吸收转化速率、途径和物质流通量。将基于分子生物学的多种宏组学和显微观测技术与同位素标记示踪等传统的生物地球化学研究方法相结合,可实现对物质来源和生物地球化学过程从分子、细胞个体到群落的多水平、多时空尺度和多过程的研究(图3)。随着微生物培养技术、分子生物技术和同位素分析技术的快速发展和愈加广泛、深度的结合,科学家们目前已能揭示典型地表环境中一些常见微生物种类和功能群的特征和代谢活动,并能够在一定程度上,从生物与环境的适应-反馈关系角度,解析其在碳、氮、硫等元素生物地球化学循环过程中的作用。例如针对海洋中硫元素与甲烷耦合循环的研究显示,全球各种生物代谢功能的汇集塑造了海洋中的生物化学梯度(如不同深度下 {\mathrm{SO}}_4^{2-}、H₂S、CH₄的浓度),进而形成了不同微生物功能群的生态位,影响着优势物种的演替和群落组成,生物与海洋环境进行着协同演化^{[60⇓⇓-63]}。此外,将基因和种群的动力学融入地球化学模型,将有助于改善模型的预测功能,预测情景改变(如全球变暖)时生物群落的反馈;将稳定同位素分馏数据纳入已有的生物地球化学模型,则可为研究元素循环的模拟扰动实验提供条件,从而在大时间尺度上追踪关键过程。该领域当前及未来十年的主要挑战,则是将微生物群落物种和基因的组成和多样性与其功能、生态恢复力及地球化学过程的速率相结合;将多组学数据与已建立的生物地球化学模型相整合;结合基因和同位素数据分析大时空尺度上发生的元素和物质的迁移转化。这些过程中不同来源和种类的大数据的综合分析方法的开发和应用尤为关键。

5.2 人类活动对地球生态系统生物地球化学循环的影响

人类世人为活动对生物地球化学循环具有显著影响,但对影响机制和效应的复杂性的理解仍然不充分,这阻碍了对行星边界关键要素和阈值的界定及多维系统时空转换的影响的量化。生物地球化学过程在表层地球系统中受到基本动力学和热力学机制的控制。因此,解析这些生物地球化学动力学过程需要依据地球化学动力学的基本原理和理论,如化学热力学、化学动力学、分子动力学和同位素分馏理论等。元素的生物地球化学循环受到氧化还原反应、典型重金属催化反应和生物酶促催化反应的影响,同时也受制于能量、温度和氧气含量等基本环境参数的变化。此外,从热力学角度分析生命过程中元素在无机低熵状态和有机高熵状态之间的转化,能够揭示驱动元素在地球系统中移动的基本动力机制。因此,通过不同环境系统中元素生物地球化学动力学的分析能反演人类活动对各个环境系统或表层地球系统的影响程度。这种分析不仅有助于理解生命如何依赖于这些状态转换产生的变化机理,也对解析人类活动影响下元素在地球系统中运动的动力学提供了关键的视角。

人为活动(工农业生产、能源消耗、基础设施建设等)向自然界大量输入化学物质和改变自然环境,从而改变了区域和全球的物质循环,这就需要我们精准分析多元素生物地球化学循环的复杂过程,识别这些活动如何破坏了自然物质在不同时间和空间尺度上原有的平衡。重点关注输入物质组成(如不同生源要素组成)、通量、形态对生态系统过程、功能和生物多样性、对大气和水圈环境以及对全球气候变化的影响机制的研究。准确量化各储库中物质储量,以及它们在不同圈层和系统中的通量转换关系,是深入理解全球变化效应的关键。从热力学角度分析生态系统中元素在无机低熵和有机高熵状态之间转化时产生的通量及其生态效应,可以从区域或全球角度全面分析特定物质的储量、通量变化及其全球变化效应。此外,还需精确区分人类活动和自然力量对区域/全球生物地球化学循环的不同影响程度和机制,以便更好地理解和应对这些全球性挑战。

5.3 社会-生态系统生物地球化学循环与可持续发展研究

生物地球化学已经是可持续性科学和地球系统科学的固有组成部分,在解决全球变化与地球宜居性及其可持续性发挥着重要作用^[64]。“转化”生物地球化学(translational biogeochemistry)将是研究人类-环境转变过程的自然途径,因为可持续性科学和生物地球化学都是系统科学方法,生物地球化学家和社会科学家之间的合作可以大规模解决当前的关键问题(图4),包括特定气候变化驱动的生物地球化学途径的变化对风险感知和社会行为的影响是否与其他更广泛的全球变化问题不同?如果不同,我们提供的生物地球化学知识如何才能更好地“激活”支持缓解行为所需的社会途径?不同生物地球化学系统之间的反馈将如何阻碍或加速这些社会途径?解决全球变化和可持续发展问题,生物地球化学提供的可靠预测和解决方案的具体实施将需要多学科的进一步整合,进一步发展和加强生物学、地质学、化学和社会科学等学科之间的联系,以预测不断变化的生物地球化学周期,更好地服务人类可持续发展。

另外,对社会-生态系统生物地球化学循环的研究,首先解决如何与地球系统模型建立更好的联系,包括生物地球化学循环、有机体特征及其变化以及环境模型之间更好的联系等问题。需要将细胞和有机体水平的系统生物学与全球生物地球化学循环的观测和建模研究联系起来。在理解人为活动和气候变化背景下多尺度和多要素生物地球化学过程的基础上,构建表层地球系统(由地质系统、生态系统和社会系统构成的整体系统)不同时空尺度的生物地球化学循环模型,评估不同尺度社会-生态系统韧性和稳定性,为社会-生态系统的可持续管理提供科学决策依据。

6 结语

人类世生物地球化学循环受人类活动及其相关气候变化的高度影响,其循环过程、循环通量及其生态、环境和社会效应极其复杂,远区别于自然地球生态系统的生物地球化学循环。因此,对人类世地球系统生物地球化学循环的研究需要地球系统科学理论和方法的指导,跨越多个学科领域进行多要素和多尺度的系统综合研究,对人类世生态系统的多样性、复杂性和变化的非线性特征进行系统理解。特别需要对人类世社会-生态系统生物地球化学循环过程开展系统研究,从过程机理、通量变化、社会-生态-环境效应等方面获得系统认识,为我们预测和理解人类世社会-生态系统对外部变化的响应和系统稳定性判别提供理论基础,也为构建和维护为人类可持续利用的健康生态系统提供科学依据。

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基金资助

国家自然科学基金项目(42293262)

物质绿色创造与制造海河实验室资助项目