论文标题：Nonlinear Earth System Dynamics Determine Biospheric Structure and Function: I—A Primer on How the Climate System Functions as a Heat Engine and Structures the Biosphere

论文链接：https://www.mdpi.com/2225-1154/14/2/38

期刊名：Climate

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/climate

了解生物圈过程如何与不断变化的地球系统动力学相联系，对于制定生物多样性保护的气候适应策略至关重要。在百年至千年尺度上，地球系统内部复杂的反馈机制，将气候变率维持在一个相对稳定的“安全运行空间内”，塑造了现代生物圈。然而，主要由人为温室气体排放驱动的地球系统能量含量不断增长，正在打破这种平衡，使气候和生物圈走上一条通往新型瞬态的轨道。这种新出现的不稳定性加剧了生态未来的不确定性，并带来社会生态后果。本文阐述了系统的细节、复杂性和持续变化。

Climate (ISSN 2225-1154) 主编Timothy G. F. Kittel博士，及其合作者Kelly Ferron 围绕地球系统非线性动力学对生物圈结构与功能的决定作用展开，以气候系统为核心，揭示了大气、海洋、冰冻圈等圈层的相互作用如何塑造陆地与海洋生物群系分布。

图示概述了地球系统动力学与生物圈结构和功能之间的关键联系，以及在人为干扰下的破坏路径。

[图片来源：左图——来自CERES Radiation Balance, NASA Scientific Visualization Studio (https://svs.gsfc.nasa.gov/4794)。中图——来自https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=20706629的海洋环流图。右图——来自NASA SeaWiFS Global Biosphere Composite 1997–1998，https://oceancolor.gsfc.nasa.gov/SeaWiFS/BACKGROUND/Gallery/biosphere.jpg。所有图片均来自公共领域。]

文章首先解释了地球“热机”的运作原理。并进一步阐述了这些动力学特征如何具体塑造了陆地和海洋生物群落的分布。文章特别强调了历史时期气候的稳定性及其对生物圈的意义。了解地球系统动力学及其如何决定生物圈的结构和功能，有助于指导旨在制定和实施气候变化适应和减缓策略的保护规划和资源管理。

在工业革命之前的数百年至千年尺度上，尽管地球系统充满复杂的非线性变化，但各种反馈机制使其气候变率始终维持在一个相对稳定的范围内。然而，这一稳定状态正面临严重威胁。文章指出，人为排放的温室气体导致地球系统出现持续的正能量失衡。这正以前所未有的速度和规模改变着大气和海洋环流的强度与位置，将区域气候推向历史自然变率范围之外。这意味着生物圈赖以生存的“安全运行空间”正在瓦解，整个生物圈可能面临大规模重组，甚至催生出历史上从未出现过的“新型生态区”。

基于上述分析，文章对当前生态保护的方法提出了重要警示。它指出，那些基于长期平均气候数据（如年均温、年降水量）来预测物种分布的生态位模型，其有效性将大打折扣。因为决定生物生存的关键往往是极端天气事件或过去几年的气候累积效应，这些因素在平均数据中被掩盖，且对环流变化呈非线性响应。因此，过去的气候与生态关系在未来将不再成立。

人为温室气体排放导致地球能量失衡，正推动大气和海洋环流发生改变，使气候超出自然变率范围，引发生物圈重组，可能出现新型生态区域。这给生物多样性保护、资源管理和社会适应带来巨大不确定性。本文提出保护规划和资源管理需将新型生态区域的潜在出现纳入适应规划，建议采用基于脆弱性的策略，同时强调需进一步完善气候变化影响评估框架和不确定性下的决策机制，为应对全球气候变化引发的生态挑战提供科学支撑。

Climate 期刊介绍

https://www.mdpi.com/journal/climate

•5-year IF(2024): 3.5 | 2024 IF: 3.2

•2024 CiteScore：5.7

•JCR排名 (2024): Q2, 气象学和大气科学

Climate (ISSN: 2225-1154) 创刊于2013年，旨在为与气候相关的所有学科领域（涵盖所有尺度）的创新研究、综述文章、新方向论文和短文通讯提供一个开放获取的平台。该期刊鼓励投稿，涵盖气候变化检测与归因、地球系统建模、生态系统、水文和社会经济影响以及气候缓解和适应措施等各个领域。合作协会：American Society of Adaptation Professionals (ASAP)

主题领域包括但不限于：全球、区域和城市气候及其相互作用，气候动态与变率，气候对短期极端事件的影响，化学、气溶胶、云与气候的相互作用，水文气候，空气、土地、水和植物的相互作用，水循环、能量循环和碳循环的相互作用，气候对空气/水质、生态系统、人类健康和粮食生产的影响，气候对经济和社会的影响，气候减缓和适应政策与战略，可持续性、清洁能源和污染控制，地球工程。

期刊主编：