缓冲时间：一种在气候变化背景下评估保护区气候稳定性的新颖指标

《Journal for Nature Conservation》：Buffer time: A novel metric for assessing climate stability in protected areas under climate change

　　

摘要

在全球气候变化背景下，保护区（PAs）作为生物多样性保护核心工具的长期有效性正面临重大挑战。本研究提出了一项新指标“缓冲时间”，以量化保护区尽管气候变暖仍能维持相对稳定气候条件的时期。借鉴运动学原理，气候变化被概念化为一个跨越固定保护区边界的“气候粒子”。缓冲时间是粒子穿越保护区所需的时间。它取决于气候速率以及保护区沿气候转移方向的有效距离。利用 2000 年至 2100 年跨度内四种共享社会经济路径（SSP1-2.6 至 SSP5-8.5）的 CMIP6 气候模型数据，对中国 363 个国家级保护区进行了系统评估。结果显示：（1）中国保护区的缓冲时间中位数仅为 14.39 年（四分位距：6.8–34.2 年），呈现高度右偏分布；西部高海拔及干旱/半干旱地区的缓冲时间较长，而东部季风区则显著较短；（2）缓冲时间独立地受气候情景和气候区塑造（p?p?=?1）；（3）弹性分析表明气候速率与保护区大小之间存在不对称权衡：较高的 CV（弹性 =??0.989）对韧性的损害是面积扩张帮助（弹性 = +0.487）的两倍。这表明，减缓气候变化比单纯扩大保护区更能有效地维持气候变化下的气候稳定性。缓冲时间模型为适应性保护规划提供了实用工具。它强调“昆明 - 蒙特利尔 3030 目标”必须与《巴黎协定》的深度减排措施相一致。未来的研究将整合微气候效应、多维气候变量和动态管理策略。这项工作将保护评估从空间覆盖转向时间韧性。它为全球气候变化下的生物多样性治理提供了科学依据。

引言

保护区（PAs）在保护全球生物多样性方面发挥着至关重要的作用（Saout 等，2013 年；Schauman 等，2024 年）。它们最初是为了解决人类相关的威胁，如栖息地破坏、过度利用和土地利用变化而建立的（Geldmann 等，2019 年；Li 等，2024 年）。通过保护自然栖息地并最大限度地减少人为干扰（Jones 等，2018 年），保护区为无数物种提供了关键避难所，并维持着基本的生态过程。然而，随着气候变化加剧，柯本 - 盖格尔气候区的转移速率与全球气温上升呈现出近线性关系（Mahlstein 等，2013 年）。预测表明，到本世纪末，这一速率将几乎翻倍（Mahlstein 等，2013 年），严重限制了物种适应的时间，从而增加了灭绝风险。因此，保护区面临着一项新挑战：它们屏蔽物种免受快速气候变化的能力正引起日益增长的关注（Hannah 等，2007 年；Melillo 等，2016 年；Xu 等，2020 年；Duncanson 等，2023 年）。

近期研究强调，保护区帮助生物多样性保持气候稳定的两种主要方式：（1）通过防止森林砍伐和森林退化来捕获碳（Melillo 等，2016 年；Duncanson 等，2023 年）；（2）通过健康的植被覆盖和多样化的景观产生的冷却“冷岛”效应来调节微气候（Zellweger 等，2020 年；Lawrence 等，2021 年；Xu 等，2022 年；Anderson 和 Chapple，2026 年）。虽然这些重要作用已被充分理解，但对气候缓冲的时间关注较少——具体来说，随着变暖持续，保护区能维持气候稳定的时间有多长。

在气候变化背景下，代表时间稳定性的缓冲时间（BT）概念是评估物种适应能力的关键指标。BT 促进物种对变化栖息地的遗传调整或为潜在迁徙做准备，正如 Scholte（2003 年）和 Aitken 等（2008 年）所支持的那样。气候变化可能超过物种的生理极限。较长的繁殖周期以及遗传适应和繁殖体积累所需的时间，造成了气候变化与物种响应之间的时间差距。因此，定义 BT 对于量化保护区为物种保留的时间窗口至关重要，从而能够更精确地评估气候变化下的生物多样性风险。然而，目前没有用于精确测量这一关键时间窗口的完整框架。许多当前评估依赖于静态气候暴露快照，如 Cianfrani 等（2018 年）和 Li 等（2020 年）所见。这些方法忽视了气候速率（定义为等温线位移速率（Loarie 等，2009 年））与保护区的几何构型和空间分布（Schauman 等，2024 年）之间的动态相互作用。

为了弥补这一空白，我们从运动学（Teodorescu，2007 年）中获得灵感，开发了一种新颖的 BT 指标，将气候变化可视化为一个移动“粒子”穿越固定保护区。这帮助我们估计外部气候条件完全影响保护区所需的时间，从而定义其缓冲能力。我们将此框架应用于 2000 年至 2100 年间四种未来气候情景下的中国 363 个国家级保护区。我们的研究旨在：（1）量化中国保护区的 BT；（2）评估气候减缓与面积扩张在延长 BT 方面的重要性；以及（3）为全球变化下的适应性保护提供基础。通过整合时间、空间和气候动态，这项工作推进了一种评估气候变化下保护区长期有效性的新范式。

章节摘要

研究区域与保护区数据

本研究在中国进行，中国是位于西太平洋海岸的一个美丽的东亚国家（3°52′–53′33′N，73°40′–135°2′E）。中国东西跨度超过 5,000 公里，南北跨度约 5,500 公里，气候主要受夏季风影响，并由自西向东呈阶梯状下降的地形塑造（见图 1）。中国占地 960 万平方公里，约占世界陆地面积的十五分之一，是四个不同气候区的家园：

气候变化的速率与方向

图 2 显示了在四种不同排放情景（SSP1-2.6 至 SSP5-8.5）下，中国及东亚的气候速率（CV）——即物种为了跟上适宜气候所需移动的速度。大多数地区的速率在 1.0 至 3.2 公里/年之间，最慢的速度出现在稳定的山区，较快的速度出现在低地。一般来说，北部地区的速率高于南部，因为高纬度地区的气候敏感性更大。随着

解释与贡献

本研究引入了 BT 指标，这是一种有用的测量保护区在未来气候变化下维持稳定气候时间的方法。我们考察了中国 363 个国家级保护区，使用四种不同的 SSP，以查看未来排放和面积扩张如何影响 BT。我们的结果显示，虽然保护区仍然是重要的避难所，但它们在对抗气候变化方面的保护能力在时间上将是有限的，并将高度受未来 SSP 和 CZ 的影响。我们发现 BT 的四分位距

结论

我们的研究引入了缓冲时间，作为评估未来变暖情景下保护区气候韧性的动态、时间特定指标。通过将气候变化概念化为一个运动学过程——移动等温线穿过固定的保护边界——我们表明，中国国家级保护区的原地物种生存窗口将非常狭窄，中位持续时间仅略超过十年。重要的是，我们发现 CV 对 BT 的影响几乎是保护区大小的两倍，

CRediT 作者贡献声明

李国庆：写作 - 回顾与编辑，写作 - 初稿，方法论，资金获取，概念化。曹明昌：写作 - 回顾与编辑，写作 - 初稿，资金获取，概念化。宋创业：写作 - 回顾与编辑，概念化。徐光华：写作 - 回顾与编辑，概念化。

竞争利益声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文所报道工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

我们要衷心感谢编辑和审稿人的宝贵建议，这些建议显著改善了手稿。本研究得到了生态环境部生物多样性与安全重点实验室开放基金项目和国家自然科学基金（项目编号：31971488）的资助。

李国庆 | 曹明昌 | 宋创业 | 徐光华

中国 210042，南京，生态环境部南京环境科学研究所生物多样性与安全重点实验室