Science: 气候变化导致物种灭绝
期刊：Science
中文题目：气候变化导致物种灭绝
英文题目：Climate change extinctions
作者：Mark C. Urban
发表日期：2024年12月5日
摘要
气候变化预计将对生物多样性造成不可逆转的变化，但预测这些风险仍不确定。本研究综合了485项研究和500多万个预测结果，对气候变化导致的物种灭绝进行了全球定量评估，分析表明如果全球平均气温超过1.5°C，物种灭绝的速度将迅速加快，两栖动物，山地、岛屿和淡水生态系统中的物种以及居住在南美洲、澳大利亚和新西兰的物种面临的威胁最大。根据预测，自1970年以来，气候变化导致全球物种灭绝的比例越来越高。除了限制温室气体排放外，确定首先要保护哪些物种对于保护生物多样性至关重要。
研究背景
气候变化正在改变全世界的物种分布、分布范围、相互作用以及生态系统。尽管有证据表明，一些物种正在通过可塑性或适应性来追踪不断变化的气候，但其他物种却面临着种群数量下降、分布范围缩减以及可能的灭绝。要切实有效地保护生物多样性，就必须在不同的排放情景下进行准确预测。最近的全球生物多样性评估预测了100多万种物种的灭绝风险，但气候变化的具体影响仍不确定。先前研究表明，不同的方法、地区、分类群和假设会带来不同的物种灭绝风险。全球评估报告了气候变化造成的日益增长但不确定的物种灭绝率，但忽略了最近开展的更复杂的建模工作，而这些工作能更好地反映生物分类和地理多样性。
我对气候变化带来的全球灭绝风险进行了全面评估，涵盖了1425名科学家30多年来的工作。目前的估计不仅是过去评估的研究数量的三倍，而且还依赖于更新、更复杂的建模方法，这些方法结合了物种对气候变化的敏感性和适应性。
研究结果
预计全球气候变化将导致7.6%的物种灭绝，这是所有排放情景和建模假设的平均值。全球物种灭绝的结果在很大程度上取决于全球排放情景（图1、A和B）。在当前全球温度比工业化前平均水平高出1.3°C的情况下，预计1.6%的物种将灭绝（图1A）。在2015年《巴黎协定》倡导的1.5°C阈值情况下，预计灭绝风险将增加到1.8%。超过这个阈值，在2.0°C时，灭绝风险增加到2.7%。目前的国际减排承诺将使全球气温升高2.7°C，威胁到20个物种中的1个。
图1 相对于气候变化的预测比例灭绝风险预估全球气温上升（°C）
（A和B）中位数预测灭绝风险趋势以95%（阴影区域）相对描绘到工业化前（1850年至1900年）的温度(A) 2100年和(B)随着时间的变化。
各大洲和主要纬度带的灭绝风险各不相同。澳大利亚、新西兰和南美洲的风险最高，分别为15.7%和12.8%，而亚洲的风险较低（5.5%）。跨纬度带，北温带和北极纬度的物种灭绝风险预估较低。结合大陆和纬度带的更精细的区域分析产生了最受支持的地理模型（图2）。该区域模型表明，南美洲、澳大利亚和新西兰面临的灭绝风险较高，欧洲北极面临的灭绝风险较低，北非面临的灭绝风险较高，海洋的中度灭绝风险为6.1%。
图2 按区域预测灭绝风险。颜色与图例中的中位数灭绝风险成正比
在先前的评估中，灭绝风险在不同的分类群之间没有差异，可能是因为大多数模型忽略了区分分类反应的分类群特异性特征。更多的机制研究现在可以区分不同分类群体的风险（图3）。两栖动物预计面临高于平均水平的风险。考虑到两栖动物的双相生活史、低扩散能力、其他威胁的威胁、对天气的敏感性以及与高气候风险的淡水生态系统的关联，它们可能容易受到气候变化的影响。与此同时，鸟类面临的风险较低。许多鸟类分散得很好，这有助于在气候变化期间扩大范围，一些物种已经适应了气候变化。
来自山地、岛屿和淡水生态系统的物种具有高灭绝风险的特征（图3）。对山地物种的威胁特别高，达到14.8%，岛屿物种面临的风险为12.0%，这可能是因为相对于大陆物种而言，岛屿物种的种群规模较小、入侵物种等先前存在的威胁以及追踪气候变化的地理区域有限。淡水物种的风险也较高。陆生和海洋物种受到的威胁处于中等水平。
一些研究重点关注由于特定性状（如分散能力差）、危险栖息地（如山区）或面临栖息地丧失等额外威胁而先验地预期面临气候变化更高威胁的物种。这些研究估计的风险确实比中位数高出约4%（图3）。关于特有物种的研究估计的风险较高，为10.6%。地方性物种的分布范围通常较小，因此预测其遭受气候变化灭绝的风险较高。
图3 导致灭绝风险变化的因素
建模方法也会影响灭绝风险估计值。例如，物种-区域关系模型估计的风险始终高于其他方法。物种-面积关系模型根据栖息地面积与物种多样性之间的经验关系，推断栖息地的丧失，从而预测物种灭绝总数。专家分析预测了较高的灭绝风险。这类分析包括传统的专家分析和较新的气候变化脆弱性评估，后者将物种分布模型的预测与专家对特定物种脆弱性和适应性的判断相结合。这些评估可能会预测更高的风险，因为它们体现了专家对特定物种脆弱性和适应性更全面的理解，或者因为相对于其他方法的定量阈值，它们的定性灭绝阈值高估了风险。
其余的模式则从完全相关的方法到完全机理的方法各不相同，中间还有一系列的混合组合。虽然机理模型在早期方法中占主导地位。最近，混合方法和机理方法重新流行起来。如今，越来越多的模型整合了多种更复杂的生物过程（图4）。混合方法根据生物学知识修改物种分布预测，如通过物种特异性扩散限制物种分布范围的扩大。在另一个极端，完全机理模型通过使用测量到的生理热极限或与气候相关的人口变量等信息，预测物种灭绝与当前分布无关。
图4 气候变化灭绝模型包括更多的机制和更多样化的机制
(A)多种机制模式的累积比例（橙色阴影）随着时间的推移而增长。(B)在最近的模型中纳入了更多类型的机制，包括适应和人口差异。
早期的混合模型和机理模型包括生理学、物种相互作用和特定分类群的扩散，而最近的模型开始纳入人口统计学、种群差异和适应性进化（图4B）。纳入建模方法的机制影响了灭绝风险估计。包括人口统计学和物种相互作用的模型预测的灭绝风险分别为13.2%和13.1%，而其他机制的估计值与中位数相符。人口统计学模型可能估计出更高的灭绝风险，因为它们经常将栖息地的下降转化为种群丰度的陡峭、非线性下降，从而比栖息地变化模型更快地超过灭绝阈值。
关于扩散的具体假设确实影响了灭绝的估计值（图3）。假定无扩散的模型比假定无扩散限制的模型报告的风险更高。具有特定分类群扩散限制、局限于毗连生境扩散和固定中间限制的扩散模式与总体中位数没有差异。然而，这些方法是有用的，因为它们可能会更准确地预测物种的特定反应和风险。
自20世纪60年代气温升至工业化前平均水平以来（图5A），已有19次物种灭绝至少部分归因于气候变化（图5B）。归因于气候变化的灭绝比例每十年增加4%（图5C）。在目前约1.3°C的升温水平下，预计有1.6%的物种将因气候变化而濒临灭绝，假设物种总数为1000万，则濒临灭绝的物种为16万种。然而，迄今为止，只有19个物种灭绝的记录可部分归因于气候变化。然而，记录在案的物种灭绝严重偏向于脊椎动物，低估了真正的灭绝数量。虽然温室气体的变化会迅速改变气候模式，但生物反应的时间更长、更不确定。
好消息是，这些时间差为一些物种提供了缓冲，在此期间，气候变化可能会逆转，物种可能会适应，或者保护工作可能会成功。坏消息是，物种灭绝的风险通常无法准确预测。我们需要更好的理解和更好的预测模型来制定一种分流方法，以确定哪些物种即将灭绝，哪些物种将受益于长期的保护努力，哪些物种不会面临直接危险。
图5 物种灭绝部分归因于气候变化
(A)与1850-1900年相比，全球陆地和海洋温度的摄氏距平NOAA的平均值。(B)每个点表示一个物种灭绝的年份以及国际自然和自然保护联盟估计的灭绝年份资源（IUCN）红色名录。
结论
在过去十年中，我们对气候变化导致的物种灭绝的认识有了显著提高，这得益于广泛的建模工作。这些进步支持了气候变化带来的一致的灭绝风险，并具有更大的确定性。产生这种一致性的原因可能是，在模型中增加生物复杂性既能增强也能减弱预测的气候变化影响，从而更好地估计单个物种的灭绝风险，但会导致全球灭绝风险的总体平衡。例如，虽然增加物种间的相互作用和人口统计可以提高预测的风险水平，但为某些物种建立更高的扩散距离模型则可以降低预测的风险。尽管确定性越来越高，但由于数据不足，许多未确定的稀有物种通常不会被建模，尽管它们面临的威胁可能大于平均水平。因此，本文提出的估计值代表了气候变化灭绝的下限，随着地球隐藏的生物多样性被揭示出来，这一估计值很可能会被超越。
气候变化灭绝预测的确定性增加，迫使人们采取行动。不同未来情景下的政策选择将导致生物多样性面临截然不同的结果。本研究支持1.5°C的阈值，这将把物种灭绝的威胁控制在2%以下。灭绝只是一个物种存在的最终终点；即使避免了灭绝，物种数量的减少和分布范围的缩小也会对包括人类在内的许多其他物种造成严重影响。必须动员保护力量，保护那些通过改进预测模型确定的、面临最直接灭绝风险的最濒危物种。
研究意义：
最近的全球生物多样性评估预测超过一百万个物种有灭绝风险，但气候变化对这些预测的具体促成作用还不清楚。本研究对许多数据集进行全面的综合分析，在全球范围内了解这些风险，为有效保护生物多样性提供参考。
创新之处：
通过将研究数量扩增三倍，并利用考虑物种对气候变化的敏感性和适应能力的复杂建模方法，作者的分析极大地推进了先前的评估。
文献来源：DOI: 10.1126/science.adp4461.
声明：以上中文翻译为译者个人对于文章的概略理解，论文传递的准确信息请参照英文原文。
撰稿：朱梦克
初审：任杰
审核：杜军
终审：鲁鹏