随着人类使地球变暖，生物多样性正在急剧下降。这两场全球危机在多个方面相互关联。但令人惊讶的是，关于生物多样性下降和气候变化之间错综复杂的反馈循环的细节还没有得到充分的研究。

众所周知，干旱和热浪等极端气候会对生态系统产生毁灭性影响，而退化的生态系统保护人类免受此类事件的社会和物理影响的能力也会降低。然而，只有少数这样的关系被详细探讨过。更鲜为人知的是，生物多样性枯竭的生态系统是否也会对气候产生负面影响，引发或加剧极端天气。

对于我们这群主要在中欧生活和工作的研究人员来说，2018年、2019年和2022年的一系列热浪给我们敲响了警钟。在德国莱比锡(Leipzig)，看着泛滥平原上的森林遭受干旱压力，感觉不真实。在德国各地，有超过38万公顷的树木遭到破坏go.nature.com/3etrrnp；在德国)，林业部门正在努力规划未来几十年的恢复活动1．是什么保护了这些生态系统不受如此极端的影响?由此造成的破坏将如何进一步影响我们的气候?

2021年6月，政府间气候变化专门委员会(IPCC)和生物多样性和生态系统服务政府间科学政策平台(IPBES)发表了首份联合报告2他承认这两个领域之间需要更多的合作。一些良好的政策举措正在进行中:2021年7月发布的新的《欧盟2030年森林战略》以及欧盟委员会的其他高级别政策倡议正式承认森林的多功能价值，包括它们在调节大气过程和气候方面的作用。但还有很多工作要做。

为了彻底量化未来的风险，生态学家、气候科学家、遥感专家、建模人员和数据科学家需要共同努力。即将于12月在加拿大蒙特利尔举行的《联合国生物多样性公约》会议是促进这种合作的良好机会。

缓冲区和响应

当感叹生物多样性的下降时，大多数人首先想到的是物种灭绝的悲剧。还有更多微妙的变化正在发生。

例如，德国的一项研究表明，在过去的一个世纪里，大多数植物物种的覆盖面积都在下降，只有少数物种的数量在增加3.．物种功能也受到影响4-遗传多样性，以及形式和结构的多样性，这些多样性可以使群落在吸收营养、抵御高温或抵御病原体攻击方面的效率更高或更低。

当整个生态系统被改造时，它们的功能往往会退化。它们吸收污染、储存二氧化碳、吸收水分、调节温度和支持包括人类在内的其他生物重要功能的能力下降5．相反，功能性生物多样性水平越高，生态系统应对意外事件(包括极端气候)的几率就越大。这就是所谓的保险效应6．

这一效应在实地实验和模拟研究中得到了充分的证明。越来越多的证据表明，它存在于生态系统对自然事件的反应中。例如，对全球各种干旱条件的综合研究表明，当使用和输送水的策略更多样化的树木生活在一起时，森林的适应力更强7．

这对航拍照片显示(左)2020年德国死亡的云杉树，(右)2021年同一地点死亡的树木原木。

2020年4月(左)和2021年6月(右)德国Iserlohn附近的死树。图源:Ina Fassbender/AFP via Getty

然而，生物多样性并不能保护所有生态系统免受各种影响。例如，今年在美国和加拿大进行的一项研究表明，在不同的森林生态系统中，死亡率更高8．对这一意想不到的结果提出的解释是，更大的生物多样性也会促进对资源的竞争。当极端事件引发压力时，高生物量地区的资源可能会变得稀缺，竞争可能会突然导致死亡率上升，压倒同居的好处。更高的生物多样性是否能保护生态系统免受极端情况的影响，这在很大程度上取决于特定的地点。

一些植物对干旱的反应是立即减少光合作用和蒸腾作用;其他的则可以维持正常业务更长时间，稳定整个生态系统的反应。因此，生态系统对极端事件的确切反应取决于事件类型、植物策略、植被组成和结构之间的相互作用。

哪种种植策略会占上风很难预测，而且高度依赖于极端气候的持续时间和严重程度，以及以前的极端气候9．研究人员无法完全解释为什么一些森林、树种或单株植物在极端气候条件下的某些地区存活下来，而在其他地方整个树木都消失了10．一项对德国山毛榉树的研究表明，生存机会有基因组的基础11然而，目前尚不清楚森林中存在的遗传变异是否足以应对未来的条件。

生态系统的影响可能需要数年时间才能显现出来。2018年和2019年连续两年高温干旱的影响让我们许多人大开眼界。在莱比锡，树木生长下降，病原体繁殖，白蜡树和枫树死亡。被暖冬打断的双重打击，加上土壤水分的长期流失，导致德国各地树木的死亡速度是正常速度的4-20倍，具体取决于物种go.nature.com/3etrrnp；在德国)。破坏在2020年达到顶峰。

生态系统的变化也会影响大气条件和气候。值得注意的是，土地利用的变化会改变地球表面的亮度(反照率)及其热交换能力。但还有更复杂的影响机制。

植被可以是大气物质的来源或汇。2020年发表的一项研究表明，受到压力的植被比没有受到压力的植物去除臭氧的能力更弱，导致空气污染水平更高12．从某些植物中释放出的花粉和其他生物颗粒可以诱导过冷云滴的冻结，使云中的冰在更高的温度下形成13，并对降雨造成影响14．物种组成和应力的变化可以改变这些粒子排放的动态。植物胁迫也改变了生物性挥发性有机气体的排放，这些气体可以形成二次颗粒。野火因干旱和单一栽培而加剧，通过排放温室气体和烟雾颗粒影响云层、天气和气候。卫星数据显示，植树造林可以促进低空降温云层的形成15通过增加对大气的水供应。

研究重点

一个重要的问题是，是否存在一个反馈循环:更强烈、更频繁的极端气候是否会加速生态系统的退化和同质化，而这反过来又会促进进一步的极端气候?到目前为止，我们还不知道。

知识缺乏的一个原因是迄今为止的研究都是选择性的:大多数研究都集中在干旱和热浪对生态系统的影响上。相对而言，人们对其他极端天气的影响知之甚少，比如由早期温暖天气引起的“假春天”，晚春霜冻，强降雨事件，臭氧最大值，或在干燥无云的天气中暴露在高水平的太阳辐射下。

研究人员对生物多样性的各个维度如何在不同组合和多个尺度上与各种极端气候相互作用没有概述，更不用说全球目录了。例如，在一个理想的世界里，科学家们应该知道冠层密度、植被年龄和物种多样性的变化是如何抵御风暴破坏的;以及冠层结构的多样性是否以及如何控制极端天气后的云形成等大气过程。研究人员需要将生物多样性的时空模式与生态系统过程对极端气候的响应联系起来。

创建这样一个目录是一个巨大的挑战，特别是考虑到很少或没有先例的极端事件更加频繁地发生16．科学家们还需要考虑气候压力因素不断增加的可能性。生态系统对复合事件的反应方式17可能完全不同。研究人员将不得不研究生物多样性的哪些方面(遗传的、生理的、结构的)是稳定生态系统所必需的，以及它们在这些冲击下的功能。

至少有一个好消息:用于数据收集和分析的工具正在迅速改进，在过去十年中，用于气候和生物多样性监测的卫星观测都取得了巨大进展。例如，欧洲哥白尼地球观测计划——包括哨兵1号和2号卫星舰队，以及最近发射的其他覆盖电磁波谱最重要波长的任务——提供了对植物生化状态和冠层结构的米级分辨率观测。大气状态以前所未有的详细、垂直和及时的方式记录下来。

科学家们现在必须使这些数据具有互操作性，并将它们与原位观察。后者颇具挑战性。在地面上，研究人员和公民科学家正在收集新一代的数据18．例如，对植物对压力的反应的独特见解来自于对叶片方向的延时摄影;树干运动模式的加速度计测量已被证明为树木的干旱胁迫提供代理19．

将这些数据转化为预测需要高质量的模型。气候系统功能性“数字双胞胎”的开发现在触手可及。这些模型在米尺度上复制水文气象过程，并且足够快，可以进行快速场景开发和测试20.．生态系统的类似模型仍处于概念阶段。人工智能方法将是研究极端气候和生物多样性之间联系的关键。

研究人员再也负担不起在学科孤岛中追踪地球系统的全球变化了。相反，生态学家和气候科学家需要建立一个联合议程，以便人类得到适当的预警:消除生物多样性对极端气候的缓冲的风险，以及因此放大这些极端气候的风险。