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

导 语｜Introduction

气候变化导致人类的可持续发展受到越来越大的威胁。随着化石燃料的大规模使用、森林砍伐和土地利用方式的改变，人类活动导致大气中的温室气体浓度不断增加，引起全球气候变化。受气候变化的影响，热浪、野火、干旱、风暴和洪水等极端天气已经频繁出现，其未来的影响将越发明显。气候变化如何产生？造成什么样的影响？我们如何减缓与应对气候变化？本文汇聚了18个国家64个研究机构的66位学者（11位院士，1位诺奖获得者），系统综述了气候变化的实质、影响和减缓与适应策略，为全球应对气候变化提供支撑。

The sustainability of life on Earth is under increasing threat due to human-induced climate change. This perilous change in the Earth's climate is caused by increases in carbon dioxide (CO₂) and other greenhouse gases (GHGs) in the atmosphere, primarily due to emissions associated with burning fossil fuels. The effects of climate change, such as heatwaves, wildfires, droughts, storms, and floods, are expected to worsen, posing greater risks to human health and global stability. These trends call for the implementation of mitigation and adaptation strategies. This review, compiled by 66 scientists from 18 countries and 64 research institutions, aims to discuss the current status and prospects of global climate change, focusing on mitigation and adaptation strategies.

图1 图文摘要

Fig. 1 Graphical Abstract

气候变化的驱动因素

Drivers of Climate Change

在地球漫长的历史中，多个自然因子推动了地球气候沧海桑田的变化，这些因子包括火山活动、太阳辐射、板块运动、岩石风化和地球轨道参数等。然而，工业革命以来，人类活动大量排放CO₂、CH₄和N₂O等温室气体，尤其是化石燃料燃烧大量排放CO₂，已经使大气中CO₂的浓度比工业革命前高50%，目前的温室气体排放量还处于人类历史的最高值，且持续增加。温室气体增多使得地球温室效应增强，使得更多热量困在地球系统中（图2），由此造成全球温度升高和极端天气频发，已经严重影响人类社会和地球生态系统的安全。

与历史上的气候变化相比，目前温室气体的增加速度几乎史无前例（图3）。以5580万年前的古新世-始新世极热事件（PETM）为例，PETM期间，全球温度在3000-20000年间升高4-7℃，大气CO₂浓度的增加达到每年0.04-0.42 ppm，但依然远低于如今的每年增加约2.5 ppm。

气候变化的发生还有赖于地球气候系统中的正反馈过程，例如冰雪-反照率反馈、水汽反馈、多年冻土中甲烷和二氧化碳反馈等，正是有这些正反馈过程的存在，才使得气候变化更为剧烈。

过去半个世纪，科学界对气候变化的机理已经有了深入的了解，数值模拟和气候归因分析日益成熟，我们不仅可以借助这些工具了解气候敏感度和全球变暖的原因，而且可以预估未来全球变暖的幅度和区域影响，两位气候科学家，真锅淑郞和Klaus Hasselmann也因此获得2021年诺贝尔物理学奖。

图2 自然的温室效应（左侧）和人类活动影响的温室效应（右侧）

Fig. 2 Natural- (left) and human-enhanced (right) greenhouse effect

Climate change has been a natural occurrence throughout Earth's history, with fluctuations in temperature and atmospheric composition occurring over millions of years. Natural drivers of climate change include volcanic eruptions, solar radiation, movements of tectonic plates, uplifting of plateaus, Weathering of rocks, and changes in the Earth's orbit. However, human activities during the past two centuries have greatly contributed to climate change by increasing the amount of GHGs, primarily CO₂, methane (CH₄), and nitrous oxide (N₂O) (Fig. 2). These gases trap heat in the Earth's atmosphere, causing a phenomenon known as the greenhouse effect. As a result, the planet's surface temperature has risen by about 1.2°C since pre-industrial times, and this trend is projected to continue unless significant action is taken to reduce GHG emissions.

图3 过去80万年地球大气中二氧化碳浓度的变化和主要气候驱动因子

Fig. 3 Evolution of atmospheric CO₂ over the past 800,000 years (800 kyr), and major climate change drivers

地球上的气候变化证据

Climate Change Evidence in Earth’s Spheres

气候变化正在影响着地球的各个领域（图4）。比如，更频繁和强烈的野火，升高的海平面，降水模式的变化，土壤湿度和养分有效性的变化，以及动植物物种分布和行为的变化。这些事件对基础设施、农业和人类生命造成了重大破坏。预计气候变化将使这些事件在今后几十年变得更加严重，因此有必要实施减轻和适应其影响的策略。

Climate change is causing a wide range of changes in various spheres of the Earth (Fig. 4), from more frequent and intense wildfires to higher sea levels, shifts in precipitation patterns, changes in soil moisture and nutrient availability, and shifts in the distribution and behavior of plant and animal species. These events have caused significant damage to infrastructure, agriculture, and human lives. It is anticipated that climate change will cause these events to become more severe in the next decades, making it necessary to implement strategies for both mitigating and adapting to its effects.

图4 全球气候变化及其对环境的影响

Fig. 4 Evidence of global climate change and its effects on the environment

减缓气候变化策略

Strategies for Mitigation of Climate Change

减缓气候变化需要自然和技术策略的结合（图5）。诸如造林、土壤与农业管理等自然策略有助于生态系统固碳。可再生绿色能源、碳捕获和储存以及能源效率提升等技术策略可减少人类活动的温室气体排放。

Mitigating climate change requires a combination of natural and technical strategies (Fig. 5). Natural strategies such as afforestation, soil management, and conservation agriculture can help sequester carbon in ecosystems. Technical strategies such as renewable green energy, carbon capture and storage, and energy efficiency can reduce GHG emissions from human activities.

图5 基于自然和技术的缓解气候变化策略

Fig. 5 Nature- and technology-based solutions for climate change mitigation

适应气候变化

Adaptation to Climate Change

生态系统和人类社会适应气候变化需要综合的应对方法，需要考虑每种生态系统的特性（图6）。通过提高生物多样性和生态系统恢复力等措施可以提升生态系统和人类社会适应气候变化的能力。生物多样性的提升可以增加生态系统应对气候变化的韧性。这可以通过保护和恢复自然栖息地，以及引入更适应变化条件的新物种来实现。人类社会可以通过改善基础设施、建立极端天气事件的预警系统和促进可持续农业发展等一系列措施适应气候变化。

Adaptation to climate change in ecosystems and communities requires a comprehensive approach that takes into account the unique characteristics of each system (Fig. 6). Helping ecosystems and communities adapt to the impacts of climate change can be achieved by promoting biodiversity, ecosystem-based approaches, and community resilience. Biodiversity can help ecosystems to be more resilient to climate change by providing a range of species that can adapt to changing conditions. This can be achieved through the protection and restoration of natural habitats, as well as the introduction of new species that are better adapted to changing conditions. Communities can also adapt to climate change by developing strategies that increase their resilience. This can involve a range of measures, such as improving infrastructure, developing early warning systems for extreme weather events, and promoting sustainable agriculture practices. 

图6 基于生态系统管理的适应气候变化措施

Fig. 6 Ecosystem-based management options for the adaptation to climate change in global systems

碳量化、建模和定价

Carbon quantification, modeling, and pricing

碳量化、建模和定价是应对气候变化的关键组成部分。释放到大气中的二氧化碳量可以通过直接测量排放量，或通过分析能源消耗数据进行间接测算。碳建模可以模拟大气中碳的行为及其对气候变化的影响。碳定价是通过对温室气体排放施加经济成本来促进减排的政策工具，主要包括碳税和碳市场（图7）。准确测量碳排放、模拟未来趋势、激励减排等措施，可助力缓解与适应气候变化。

Carbon quantification, modeling, and pricing are all critical components of efforts to address climate change. The amount of CO₂ released into the atmosphere can be quantified in a number of ways, such as through direct measurement of emissions from smokestacks or tailpipes, or through indirect measurement by analyzing energy consumption data. Carbon modeling involves using computer models to simulate the behavior of carbon in the atmosphere and its impact on climate change. Carbon pricing is a policy tool that aims to reduce greenhouse gas emissions by putting a price on carbon (Fig. 7). Overall, by accurately measuring emissions, simulating future trends, and creating economic incentives for reducing emissions, these tools can help us transition to a more sustainable future.

图7 全球碳定价政策发展现状

Fig. 7 The status of carbon pricing initiatives worldwide

全球影响和未来展望

Global Implications and Future Perspectives

全球气候变化日益显著，我们需要采取行动，改变全球粮食和社会生态系统，以更有效地减缓和适应气候变化。我们可以依靠科技进步应对气候变化。虽然目前应对气候变化的理论和政策是存在的，但在适应和减少气候变化的影响方面仍有重大障碍需要克服。

（1）如何保障高质量生活和经济增长，同时减少能源消耗对环境的负面影响，这是一个持久而关键的挑战。

（2）为了有效地养活不断增长的人口，农业正在迅速发展，由于化肥的生产和使用以及其他农业管理措施，农业对全球温室气体排放的贡献也在增加。

（3）环境恶化和污染给我们适应和减缓气候变化带来了新的挑战。生态系统碳汇功能、固碳潜力和生态系统服务功能的持续损失，透支了子孙后代的生存资源。

总之，无论全球局势如何变化，应对气候变化和环境退化都需要全球通力合作。个人、组织和政府都必须为可持续的未来共同努力：减少碳排放，使用可再生能源，保护自然栖息地和生物多样性，实施环境保护优先的政策。否则会对地球与人类的可持续发展造成不可逆转的损害。

As the effects of climate change become increasingly evident on a global scale, action is required to transform local and global food and socio-ecological systems to mitigate and adapt to climate change more effectively. Here, we can rely on new scientific and technological advances from various fields of research. Also, theories and policies exist to combat climate change, yet, within current global development systems, there are still significant obstacles to overcome in adapting to and reducing the effects of climate change.

(1) There is a persistent and critical challenge of achieving a higher quality of life and economic growth while reducing the negative impact of energy consumption on the environment.

(2) To effectively feed the growing population, agriculture is developing rapidly, and its contribution to global GHG emissions is also increasing as a result of the production and use of chemical fertilizers and other agricultural management practices.

(3) Environmental degradation and pollution create new challenges in our quest to adapt to and mitigate climate change. The ongoing loss of ecosystem carbon, its sequestration potential, and ecosystem services leave an unnecessary debt to future generations

In short, collaborative efforts are needed to address climate change and environmental degradation, regardless of global political or economic tensions. Individuals, organizations, and governments must work together toward a sustainable future. This can involve reducing carbon emissions, promoting renewable energy sources, protecting natural habitats and biodiversity, and implementing policies that prioritize environmental protection. Failure to take action could result in irreversible damage to the planet and its inhabitants.

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原文链接：http://www.the-innovation.org/geoscience/article/10.59717/j.xinn-geo.2023.100015

本文内容来自The Innovation姊妹刊The Innovation Geoscience第1卷第1期以Review发表的“Climate change: Strategies for mitigation and adaptation” (投稿: 2023-05-14；接收: 2023-06-16；在线刊出: 2023-06-23)。

DOI: https://doi.org/10.59717/j.xinn-geo.2023.100015

引用格式：Wang F., Harindintwali J.-D., Wei K., et al., (2023). Climate change: Strategies for mitigation and adaptation. The Innovation Geoscience 1(1), 100015.

谨以此文致敬中国科学院青年创新促进会成立十二周年！

The study is dedicated to the 12th anniversary of the Youth Innovation Promotion Association of the Chinese Academy of Sciences.

第一兼通讯作者：

王 芳，中国科学院南京土壤研究所研究员，德国洪堡资深学者，农业农村部神农青年英才；从事土壤污染修复研究，发表论文200余篇；担任Environ Technol Innov共同主编、Sci Total Environ副主编。

并列第一作者：

魏 科，中国科学院大气物理研究所季风系统研究中心副主任，中科院青促会会员。主要从事平流层-对流层相互作用、东亚季风、极端气候灾害和大气动力学。

米志付，英国伦敦大学学院可持续建设学院教授、博士生导师、副院长，伦敦政治经济学院高级访问学者，从事气候变化经济与管理研究。

Sabine Grunwald，美国佛罗里达大学教授；从事碳建模、土壤固碳、气候智能农业实践、地理空间技术、人工智能-机器学习和深度学习算法、统计和地质统计建模等研究，发表SCI论文200余篇。

王法明，中科院华南植物园研究员，国家“青拔”人才，中科院青促会会员。从事全球变化对海岸带森林和湿地碳循环过程和碳汇格局影响的研究。已发表第一/通讯作者SCI论文37篇。担任多个期刊副主编。

伍 星，中国科学院生态环境研究中心副研究员，中科院青促会会员。主要从事气候变化和人类活动对生态系统格局与过程的影响等研究，发表论文60余篇。

并列通讯作者：

Erik Jeppesen，诺贝尔和平奖获得者，丹麦奥胡斯大学教授；从事水生态学、气候变化、水体修复以及富营养化控制研究，发表SCI论文700余篇，国际湖沼学会Naumann-Thienemann奖章获得者。担任The Innovation 、The Innovation Geoscience顾问。

焦念志，中国科学院院士，发展中国家科学院院士；从事海洋生态过程与资源环境效应研究，获国家自然科学二等奖；发表论文200余篇，连续多年评为高被引学者；担任The Innovation Geoscience 、《中国科学：地球科学》副主编。

陈镜明，加拿大皇家科学院院士，多伦多大学教授，加拿大首席科学家；从事植被遥感、生态和气候变化研究，发表SCI论文400余篇；现任Remote Sens Environ主编，The Innovation 、The Innovation Geoscience顾问。

Wulf Amelung，德国科学院院士，波恩大学教授；主要从事土壤中营养循环、土壤恢复和土壤新型污染物环境行为，发表SCI论文300余篇，获德国土壤科学学会Emil Ramann奖章。

James M Tiedje，美国科学院院士，中科院外籍院士，密歇根州立大学杰出教授，中科院爱因斯坦讲席教授，现代微生物生态学之父，创建国际微生物生态学学会，获联合国教科文组织Finlay奖，美国微生物学会终身成就奖，发表论文700多篇。担任The Innovation 、The Innovation Geoscience顾问。

主要作者：

Matthias C. Rillig，德国科学院院士，柏林自由大学教授，主要从事土壤生态学和全球变化微生物学方面的研究，特别是丛枝菌根真菌和腐真菌。

韩布兴，中国科学院院士，发展中国家科学院院士；主要从事物理化学与绿色化学的交叉研究，在绿色溶剂体系化学热力学、绿色溶剂-催化剂体系构建及其在CO₂、生物质、废弃塑料等固体废弃物催化转化中的应用研究方面取得系统性成果。担任The Innovation 主编。

Andreas Schäffer，德国科学院院士，亚琛工业大学环境研究所所长，科技部高端外国专家，中国科学院杰出学者。从事污染物多界面化学迁移与代谢，污染修复和风险评估等研究，发表论文200多篇。

朱永官，中国科学院院士，发展中国家科学院院士；从事环境土壤学和环境生物学研究，主持国家自然科学基金委重大项目，获得国家自然科学二等奖、发展中国家科学院农业科学奖、国际土壤科学联合会李比希奖。在Science、Nature等发表论文300余篇。

程 海，奥地利科学院院士，美国地球物理联合会士；从事高精度同位素质谱测量技术、 U-系测年技术；同位素地球化学在全球环境变化、海洋学、古人类演化等科学前沿上的应用。担任The Innovation Geoscience主编。

Christoph Spötl，奥地利科学院院士，因斯布鲁克大学教授，主要研究方向为第四纪气候和环境变化，喀斯特洞穴和石笋，地下水地球化学，同位素地球化学，沉积地球化学。担任The Innovation Geoscience主编。

朱健康，美国国家科学院院士，南方科技大学讲席教授。主要从事植物对非生物胁迫的应答机制和调控技术研究以及基因编辑技术的开发与应用研究。担任The Innovation顾问、The Innovation Life主编。

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The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球54个国家；已被123个国家作者引用；每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有196位编委会成员，来自21个国家；50%编委来自海外；包含1位诺贝尔奖获得者，37位各国院士；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC，EI等数据库收录，2022年影响因子为32.1，CiteScore为23.6。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。

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