The Innovation Geoscience ： 气候变化：缓解与适应策略-

摘要  ：地球上的生命可持续性正面临着日益加剧的威胁，这一威胁源于人类引起的气候变化。地球气候的这一危险变化主要是由于二氧化碳和其他温室气体在大气中的浓度增加，主要由燃烧化石燃料排放所致。在未来二到三十年里，气候变化的影响，如热浪、野火、干旱、风暴和洪水，预计将加剧，给人类健康和全球稳定带来更大风险。这些趋势要求实施缓解和适应策略。污染和环境退化加剧了现有问题，使人类和自然更加脆弱，易受气候变化的影响。本文从多个角度审视全球气候变化的现状，总结了地球各大领域的气候变化证据，讨论了气候变化的排放路径和驱动因素，并分析了气候变化对环境和人类健康的影响。同时，本文还探讨了气候变化的缓解和适应策略，并强调了应对和适应全球气候变化的关键挑战。

引言

气候变化和环境破坏是紧密相关的全球性威胁，直接影响地球的未来。自工业革命以来，天然资源的开采和化石燃料的使用已成为全球经济的支柱，同时城市化和农业集约化也导致了广泛的环境变化。燃烧化石燃料的活动增加了温室气体排放，改变了全球气温和降水模式。2022年全球平均气温比20世纪的平均水平高出约0.86°C，降水模式也发生了显著变化。气候变化的影响通过极端天气事件如森林火灾、冰盖融化、海平面上升、物种灭绝等显现出来，成为一个紧迫的全球问题。

为了应对气候变化，专家认为适应与减缓策略必须并行。即使温室气体排放完全停止，气候变化仍将持续。因此，全球系统需要转型，以适应已发生并将在未来继续发生的变化。例如，建设海岸防波堤应对海平面上升，发展抗旱作物应对水资源短缺。此外，人工智能和遥感技术可用于预测和应对极端天气事件，增强应对能力并减少脆弱性。

减少温室气体排放是当前的紧迫任务。《巴黎协议》要求各国在2025年前达到排放峰值，并在2030年前减少43%，2050年实现碳中和。这要求全球迅速转型为低碳能源体系。尽管清洁能源的应用在扩展，但全球尚未实现《巴黎协议》的气候目标。有效的减缓气候变化方案包括保护碳汇、推动二氧化碳捕集与储存等，同时也需要改变人类的行为和生活方式。本文综述了全球气候变化的现状，气候变化的驱动因素，影响及适应与减缓策略的最新进展。最后，讨论了利用模拟建模评估未来气候情景及其面临的挑战。

气候变化的驱动因素

气候变化是地球自然发生的现象，但过去两个世纪的人类活动加剧了这一变化。自然因素如火山活动、太阳辐射变化和地球轨道的变化在气候变化中起到了重要作用，但人类的影响尤其显著。工业革命以来，燃烧化石燃料和土地利用变化（如森林砍伐、城市化等）显著增加了温室气体排放，从而改变了地球的反照率和热量吸收。人类活动通过改变地表反照率，尤其是森林和城市化的扩展，增加了地球吸收的热量。更重要的是，燃烧化石燃料释放了大量二氧化碳（CO2）以及其他温室气体（如甲烷、氮氧化物、臭氧和CFCs），这些气体在大气中形成温室效应，导致地球表面温度上升。

全球排放的多尺度统计

二氧化碳浓度的增加是气候变化中的关键问题之一。截至2022年，大气中的二氧化碳浓度为417.2 ppm，比工业化前高出51%。化石燃料的燃烧仍是主要的排放源，且全球排放量持续上升。尽管2020年疫情导致碳排放短暂下降，但2021年迅速回升，表明减排进展不如预期。2022年，全球来自化石燃料和水泥生产的排放量达到了36.1亿吨CO2，且全球排放峰值依然遥不可及。前五大排放国——中国、美国、欧盟、印度和俄罗斯，占全球排放的65%。尽管这些国家排放量庞大，但亚洲、非洲和拉丁美洲的排放增长速度超过全球平均水平，凸显了这些地区在全球气候减缓中的关键作用。因此，必须采取综合性和多尺度的应对策略，以减少全球排放，并为每个地区量身定制减缓政策，以实现全球温升控制在1.5°C以内。

气候变化的历史概述

地球的气候历史受多种因素影响，包括太阳辐射、地球轨道、火山活动、板块构造等。大气成分的变化也对气候变化产生了重要影响。例如，风化作用消耗了大气中的二氧化碳，促进了地球气候的稳定。在地球历史上，二氧化碳的变化速率较慢，通常需要数百万年才能带来显著变化。与此相比，现代气候变化速度更快，自工业革命以来，大气中的二氧化碳浓度大幅上升。地球历史上的一些重大气候变化事件，如约5580万年前的古新世-始新世热事件（PETM），表明气候变化虽然发生迅速，但在过去的数百万年中，变化通常较为缓慢，远远低于当前的变暖速度。从1860年到现在，二氧化碳浓度从280 ppm升至420 ppm，年均增长速率大大高于过去历史上的任何时期。现代气候变化的加速不仅受到自然因素的影响，还受到大气中的温室气体增加、海冰反照率反馈等正反馈效应的影响，这些因素共同推动了气候的快速变化。

气候变化的归因研究表明，若仅考虑自然驱动因素，过去170年的全球变暖趋势无法重现。20世纪60年代，气候科学家马奈比提出了二氧化碳浓度增加导致地表温度上升的理论，并开发了早期的气候数学模型。此后，气候建模和归因研究取得了显著进展，尤其是马奈比和哈塞尔曼通过建立联系天气与气候的模型，促进了气候变化理解的深入。2021年，他们因在气候变化研究领域的贡献获得诺贝尔物理学奖。如今，气候变化评估报告（如IPCC的评估报告）已成为全球气候行动和政策制定的核心依据。

气候变化在地球各圈层的证据

大气层

大气层的变化主要体现在温室气体浓度的增加。自工业革命以来，二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）等温室气体的排放显著增加，直接导致了全球气温上升。根据统计数据，2019年CO₂浓度已达到410 ppm，且大气中温室气体的增多引发了地表温度升高和气候变化。此外，臭氧层的耗损也加剧了紫外线辐射的强度，对生物系统造成威胁。与此同时，气溶胶对大气的影响变得复杂，虽其有冷却效应，但整体上加剧了气候变化的复杂性。

土壤圈

土壤作为地球碳循环的重要组成部分，其碳储存量巨大。气候变化导致的温度升高和降水模式的改变，对土壤的有机碳和无机碳循环产生了直接影响。气候变化不仅促进了土壤有机碳的分解，还可能加速冻土中碳的释放，进一步加剧全球变暖。此外，气候变化对土壤生物群落、土壤肥力和水分含量的影响，也对生态系统的稳定性造成了潜在威胁。土壤碳的动态变化将在未来的气候变化中扮演重要角色。

水圈

气候变化对水圈的影响尤为显著。全球变暖引起的冰川融化、海平面上升和水循环变化，对水资源和生态系统造成了多重压力。加剧的蒸发和降水模式的变化，使得干旱地区水资源短缺，而湿润地区则可能经历更加极端的降水事件，进而导致洪水和风暴的频发。水资源的不均衡分布将加剧全球水危机，影响农业和人类的水源安全。此外，气候变化对海洋生态的影响也不容忽视，温暖的海水加剧了水质恶化和珊瑚礁的退化。

生物圈

气候变化对生物圈的影响最为显著。随着气温上升，生物群落的栖息地发生了变化，许多物种正向极地或更高纬度迁移。气候变化导致的极端天气事件、栖息地破坏以及食物链的扰动，都使得生物多样性面临严峻考验。根据预测，气温升高2-4°C的情境下，全球10%-13%的物种将面临灭绝的风险，这对生态系统功能和服务的稳定性产生了重大威胁。

气候变化对环境污染物命运与效应的影响

气候变化通过改变全球气温、降水模式、海平面等因素，可能显著影响污染物的扩散和转化过程。更高的温度促进污染物蒸发并传播至大气中，极端天气事件如野火和洪水可能激活沉积物和永冻土中封存的污染物。气候变化加剧了污染负荷，并威胁全球环境和健康。为了应对这些威胁，建议建立国际框架，有效管理污染物，防止其扩散。

气候变化对公共和环境健康的影响

气候变化已成为公共卫生的重大威胁。极端天气事件，如热浪、干旱、野火和飓风，直接影响人体健康，导致死亡、疾病增加以及心理健康问题。特别是热浪对心肺疾病、早产、心理健康等方面的影响显著。野火产生的PM2.5等污染物加剧心血管和呼吸系统疾病的风险。气候变化还与洪水、飓风等灾害相关，增加了不良出生结果和长期心理健康问题的发生。特别是弱势群体，如儿童、老年人和低收入群体，面临更高的健康风险。减缓气候变化并加强适应性措施，尤其是保护弱势群体的健康至关重要。

气候变化、生物多样性与减少物种灭绝风险

气候变化已导致物种分布变化，特别是在海洋物种中。气候变化增加了某些物种的灭绝风险，尤其是那些栖息地有限、无法迁移的物种。尽管大量研究预示气候变化可能加剧物种灭绝，但目前只有少数物种灭绝直接归因于气候变化。气候变化对生物多样性的影响不仅体现在物种分布，还影响丰度、生态相互作用及物种体型等方面。尽管气候变化加剧了生物多样性丧失的风险，但人类对资源的过度利用仍是主要威胁。为了减少生物多样性丧失，必须解决根本原因，并通过恢复和保护措施提升生态系统对气候变化的适应性。

应对气候变化的缓解方案

基于自然的气候变化缓解解决方案

自然碳汇资源的保护与恢复  ：自然碳汇（如森林、湿地、海洋等）是地球系统中的重要碳储库，能够有效地从大气中吸收二氧化碳。保护和恢复这些碳汇，对于应对气候变化至关重要。特别是森林和湿地，它们在全球碳循环中占据了重要地位。大规模森林砍伐和湿地排水等人为活动减少了碳汇的吸碳能力。因此，通过保护现有的碳汇和恢复受损生态系统，尤其是湿地和森林，可显著提升碳吸收。全球有机土壤和湿地恢复的潜力巨大，是减缓气候变化的关键措施之一。

造林与森林恢复的潜力  ：造林和再造林被广泛认为是缓解气候变化的有效途径。通过植树造林，不仅可以直接增加森林覆盖面积，还能通过增强生态系统的碳吸收能力来应对全球变暖。全球每年大约能够通过造林和森林恢复固定 7 Pg CO2e。然而，单纯依赖造林和再造林并不能解决所有问题，过度依赖这些措施可能会导致生态失衡，甚至带来气候变化的反向影响。气候变化对植物生长的影响及未来气候的不确定性需要在制定森林恢复政策时加以考虑，因此，造林和森林恢复的策略应综合考虑社会、生态、经济和气候的多重因素。

土壤碳固定的机会  ：农业土壤是全球碳储存的重要组成部分。改善土壤管理能够有效增强土壤碳汇功能。研究表明，通过优化耕作方式、减少耕地干扰、增加有机物输入（如施用有机肥料和生物炭），农业土壤的碳储量可以显著提高。实施持续的农业碳汇管理，如减少耕作、施加有机物和实施覆盖作物，能够长期增加土壤中的碳储量。同时，土壤中的温室气体排放（如氮氧化物和甲烷）是全球温室气体排放的重要来源，通过精细管理，农业可减少这类温室气体的排放，从而推动农业向碳中和转型。

有机农业的气候缓解作用  ：有机农业通过减少化肥使用、增加土壤有机物含量、提升土壤健康等方式，有助于提高土壤的碳储存能力。此外，有机农业有助于提高农业生态系统的多样性和稳定性，进而增强其适应气候变化的能力。尽管有机农业的减排效果在不同地区存在差异，但总体上，有机农业在气候变化缓解方面的潜力已被广泛认可，尤其是在提升土壤碳储量和减少温室气体排放方面。

基于技术的气候变化缓解解决方案

可再生清洁能源技术的开发和采纳：随着全球化和工业化进程的加快，化石燃料成为现代生活的主要能源来源。然而，这些能源的开采和使用对环境和健康造成了严重影响。化石燃料供应链的每一环节，从开采到运输再到燃烧，都伴随着大量温室气体排放和污染。为了应对这些问题，开发可再生能源已成为当务之急。水能、太阳能、风能和地热能等可再生能源的开发，不仅能减少温室气体排放，还能够为全球能源结构转型提供支持。特别是太阳能光伏和风能，预计将在2027年成为全球最大电力来源。然而，要实现可再生能源的大规模应用，必须发展高效的能源存储技术，以解决其间歇性和波动性的问题。技术创新，如锂离子电池和流动电池等，正为可再生能源的广泛应用提供解决方案。

碳捕获、利用与储存（CCUS）的潜力和全球影响：碳捕获、利用与储存（CCUS）技术是应对气候变化的关键手段之一。CCUS通过从工业和发电过程捕获二氧化碳（CO2），并将其储存或转化为其他产品，从而减少大气中的温室气体浓度。根据国际气候变化政府间专家组（IPCC）和国际能源署（IEA）的报告，CCUS有助于实现全球变暖控制，预计到2050年，CCUS每年可减少3.0-6.8亿吨CO2排放，在实现净零排放的过程中将占据重要地位。此外，通过结合直接空气捕获（DAC）和生物能源与碳捕获储存（BECCS）技术，CCUS可以为其他减排技术创造更多的排放空间。虽然BECCS在技术上已有所成熟，但其大规模应用可能带来土地资源、生态系统和生物多样性方面的挑战，必须谨慎评估其环境影响。

智能农业食品系统管理应对气候变化：农业食品系统在全球人为温室气体排放中占据三分之一的比例，因此改进这一领域的温室气体排放管理至关重要。智能化农业技术，尤其是通过改善灌溉方式、调整作物种植结构以及优化饲养管理，能够显著减少温室气体排放。农业技术创新，如基因编辑和生物技术，将有助于提升作物生产力，减少土地和水资源消耗，从而为碳封存创造更多机会。同时，智能畜牧业生产系统也能通过优化饲料使用和调整生产结构，减少温室气体排放。未来，采用更多植物为基础的饮食结构，配合食品废料的资源化利用，将进一步推动农业减排的潜力。

适应气候变化

陆地与淡水生态系统管理

气候变化对全球陆地和淡水生态系统（如森林、湖泊等）带来显著威胁，促使生态系统管理（EbM）成为关键应对措施。EbM通过维护生态功能，增强脆弱生态系统的适应能力，防止灾难性后果。在森林和湖泊的管理中，采取恢复、保护和减缓风险的策略被证明有效，但仍面临管理碎片化、财务支持不足及气候变化加剧等挑战。有效的EbM必须考虑实施的可行性和局限性，以应对不断变化的气候条件。

海岸线保护与海平面上升

海平面上升是全球气候变化中的重大挑战，威胁着沿海地区的生态系统和社区。预测显示，2100年前海平面可能上升0.3至1.2米。为应对这一挑战，硬性和软性工程相结合的措施，例如海堤、湿地保护、沙滩恢复和红树林保护，已被证明能有效减少海平面上升带来的风险。尤其是基于自然的解决方案，能够提供额外生态效益，如栖息地保护和碳封存。然而，资金、政策支持和技术知识的不足仍是其推广的主要障碍。

气候智能农业与再生农业

气候智能农业实践如作物残留物管理、减少耕作、土壤改良等，能有效固碳并减少温室气体排放。应用生物炭和覆盖作物等措施，能够显著增加土壤有机碳（SOC），并改善作物产量。此外，适应性农业措施的推广受到地区差异、政策及农民接受度的影响。通过提高碳和环境教育、制定激励措施，可以鼓励农民采用这些有助于气候适应的做法。

气候适应型作物的开发

气候变化对作物生产构成严重威胁，尤其是热浪、干旱和洪水等极端天气事件频发。为了确保粮食安全，开发气候适应型作物品种至关重要。耐热、抗旱和抗洪水的作物品种能够提高作物产量和质量，并减少气候变化带来的不利影响。作物育种面临巨大挑战，但通过基因组编辑和精准农业技术，研究人员正致力于加速这一过程。此外，提升作物的肥料利用效率及改良土壤和水资源管理策略，能够显著提高农业的气候适应能力。

应对和规划环境变化

应对气候变化的计划应聚焦于紧急有效的解决方案，减少环境污染与退化。气候变化带来的挑战，如温室气体减排、空气污染、水资源、土壤健康和粮食安全，已成为全球议题，直接关系到联合国可持续发展目标的实现。减少气候污染有助于实现2050年零污染目标，特别是降低空气、水体和土壤污染物水平，减轻气候变化对生态和人类健康的负面影响。减少空气污染尤为重要，需要控制排放，改善燃料质量，规范小型燃煤锅炉的使用，并减轻交通系统中的污染。通过加强土壤碳汇的作用，促进退化土壤修复并减少温室气体排放，能有效缓解气候变化。此外，结合公民科学与先进技术（如遥感和传感器网络）可以提供实时的污染数据，支持更科学的决策。

高效管理极端天气风险

气候变化导致极端天气事件频发，极大影响了生命和财产安全。近年来，长江流域的洪水和干旱事件突显了这一问题。其他如郑州、首尔等大城市的洪灾也带来巨大经济损失。为了应对极端天气，必须建设海绵城市，优化城市规划并提升脆弱地区的风险管理。温度升高引发的地质灾害（如雪崩）也需引起重视。面对频繁的极端天气事件，完善国家预警系统，结合卫星监测与地面站点数据，将为政府灾害响应与基础设施建设提供决策支持。

城市土壤应对气候变化

全球城市化进程加速，超过一半的人口生活在城市中，预计到21世纪末，这一比例将增加至60%-92%。城市土壤通过支持绿色基础设施、缓解城市热岛效应、储存水源等方式，有助于减缓气候变化。此外，城市农业不仅能提供粮食保障，还能增强对气候变化的适应能力。城市土壤通过渗水和储水功能，有助于减轻洪水风险。城市化进程需在确保土地供给的同时，加强土壤健康管理，采用新技术（如生物炭）提升城市生态系统韧性。

气候变化适应的基础设施转型

气候变化对自然、经济和社会带来深远影响。绿色、蓝色和灰色基础设施的设计、建设与运营需考虑气候变化影响。联合国环境规划署指出，灰色基础设施占全球温室气体排放的79%，需要转型以应对气候变化带来的风险。气候变化还加剧了洪水、干旱等自然灾害对基础设施的威胁，基础设施需加强韧性，特别是在贫困地区，面对日益增多的气候风险，需重新考虑基础设施建设模式。城市化进程中的基础设施改造必须提高适应能力，以应对气候变化的挑战。

自然基础解决方案（NBS）是应对气候变化的重要手段。通过恢复和管理生态系统，如森林再生、湿地恢复和支持健康土壤的农业实践，不仅能减少碳排放，还能提高生态系统服务功能，如灾害管理、空气水质改善等。加强自然生态系统保护和恢复，能够提高气候韧性、延长基础设施寿命并保护投资回报。

碳量化、建模与定价

空间技术与遥感在应对气候变化中的作用

遥感技术在土壤碳封存与温室气体排放评估中发挥了重要作用，提供了一种成本效益高的替代传统监测方法的手段。通过近地土壤反射率遥感技术，研究人员能够利用可见光、近红外和中红外波段的数据高效评估土壤碳含量，从而降低评估成本并促进碳补偿项目的经济可行性，特别是在农业领域。与此同时，卫星观测和空间分析技术在气候变化研究和灾害预测中也至关重要。卫星能够实时监测地球表面变化，为极端天气事件提供预警和决策支持，减少灾难损失，并长期追踪气候变化带来的影响，如冰川融化和海平面上升。此外，全球卫星观测也在碳循环监测中发挥着关键作用，尤其是通过监测温室气体浓度变化，为气候研究提供实时数据。在森林碳储量监测方面，遥感技术结合雷达和激光雷达（LiDAR）技术，突破了光学遥感的局限，尤其在密集森林和特定区域的碳储量监测中，提高了精度。随着人工智能和深度学习技术的应用，全球森林与植被的碳监测精度将进一步提升

气候变化综合评估模型

综合建模方法在应对气候变化及制定减缓和适应策略中起着关键作用，结合环境、社会和经济数据，广泛应用于碳排放量量化及其不确定性评估，且通过将碳排放数据与碳信用、碳税等指标结合，为碳市场提供了科学支持。人工智能（AI）和数据驱动的方法，特别是机器学习（ML），通过整合土壤传感器数据、遥感数据和地理空间信息，显著提升了碳汇监测精度，并为实现净零碳经济提供了创新解决方案。例如，基于光谱的AI模型能够高效量化土壤碳汇，帮助减缓气候变化。此外，自由大气二氧化碳浓度增加（FACE）技术在模拟未来高CO₂浓度下的气候变化中发挥了重要作用，但由于二氧化碳浓度波动，可能低估气候变化影响，需改进以适应最坏情景（RCP8.5）。同时，温度升高对生态系统的影响需要通过模拟更高的升温水平和干旱条件来提高预测精度。

气候变化的经济学

碳市场：自愿性与强制性：碳市场是减缓气候变化的重要工具。强制性碳市场由国家和国际协议监管，设定排放配额并允许买卖排放许可。自愿市场则由私人部门主导，允许公司和个人自愿购买碳信用，具有灵活性，主要通过碳封存和减少排放来实现减排。气候智能农业利用先进技术推动土壤碳封存，并提供经济激励，如通过碳信用销售增加农业收益。然而，低碳价格和高验证成本阻碍项目的推广。未来，随着技术进步，这些问题有望得到解决。

碳税与排放交易系统（ETS）：碳税和排放交易系统是主要的碳定价机制。碳税直接对碳排放收费，能够简化管理并推动减排。排放交易系统则为企业分配排放配额，并允许其在市场上买卖，精确控制排放总量。碳税和ETS各有优缺点，前者更易实施，后者提供灵活性和成本效益。全球范围内，碳定价机制正在扩展，中国拥有世界上最大的碳市场。尽管碳定价具有优势，但也面临挑战，如缺乏全面的生命周期评估和碳封存的技术成本问题。混合方案结合了碳税和排放交易的优点，提升了减排效率。

行为与文化教育：帮助应对气候变化的缓解与适应

自1992年以来，《联合国气候变化框架公约》确认了教育在应对气候变化中的关键作用，并在《波恩宣言》中得到进一步强调。尽管技术和财政支持至关重要，行为、文化和意识形态的转变同样不可或缺，教育正是推动这些转变的核心。将气候变化教育融入正式与非正式教育体系，能有效促进应对气候变化，尤其是缓解与适应。教育帮助公众认识到，作为消费者和公民，改变碳密集型消费模式是促进可持续发展的责任。同时，教育提供气候冲击应对的知识与技能，增强适应能力，减少脆弱性并提升韧性。气候变化教育不仅改变个人行为，还强调集体行动的意义。它连接个人消费模式的改变与政府、生产者的责任承担，通过情感驱动激发行为改变。这一做法符合行为经济学中的“推动”理论，因此，教育在全球应对气候变化中的作用不可忽视，应得到更广泛关注。

全球影响与未来展望

在过去150年里，全球系统迅速发展，旨在满足日益增长的人口需求。然而，这一进程伴随着自然资源的过度开发和生物地球化学循环的破坏，尤其是化石燃料的大规模使用，导致了气候变化的加剧。化石燃料不仅促进了全球变暖，还引发了更为复杂的反馈循环。因此，必须转变全球食品和社会生态系统，采取有效的气候变化缓解与适应策略。

首先，如何在提升生活质量和促进经济增长的同时减少能源消费对环境的影响，仍然是全球面临的重大挑战。尽管2022年化石燃料依然提供了全球81%的能源，能源相关的二氧化碳排放却持续上升。可再生能源具备巨大的潜力，能够满足全球能源需求，因此，增加可再生能源在全球能源结构中的比例，减少能源和交通部门的排放，仍是应对气候变化的关键途径。

其次，全球农业生产在温室气体排放方面的作用不可忽视，尤其是在化肥使用和畜牧业方面。农业温室气体排放已占全球排放的19-29%，并可能随着粮食生产目标的提高而增加。然而，通过有效的管理，农业不仅可以减少排放，还能在应对气候变化中发挥积极作用。减少化肥和畜牧业排放，优化土壤管理和农牧生产系统，将帮助实现碳中和农业目标。此外，环境退化和污染为气候变化的缓解与适应带来了新的挑战。生态系统碳的流失和生态服务的减少，意味着未来世代将面临更大的负担。因此，应对气候变化和环境退化问题，要求全球各国携手合作，尽管全球政治和经济关系紧张，各国依然需要跨部门的协调与合作。

最终，实现一个可持续的未来，不仅是为了当代人类，也为了未来世代的福祉。全球必须迅速行动，携手应对威胁地球和人类生活方式的复杂问题。