█ 来源：Bonan,G.and Doney,S.(2018).Climate,ecosystems,and planetary futures:The challenge to predict life in Earth system models.Science,359(6375),p.eaam8328.
█ 田晓阳 译
摘要：陆地和海洋生态系统受许多全球变化应力，不仅影响着对人类至关重要的生态系统功能，还通过改变与大气的能量和质量交换影响未来气候的轨迹。模拟陆地和海洋生态系统以及生物地球化学循环的地球系统模型，为与气候过程，分析脆弱性、影响和适应，和减缓气候变化有关的生态研究提供了一个通用框架。它们提供了一个机会，超越大气和海洋状态的物理描述符，转变为与社会相关的量化值，如林火风险、栖息地丧失、可利用水资源，以及作物、渔业和木材产量。为了实现这一目标，气候预测科学必须扩展为更加多面的地球系统预测，将生物圈及其资源囊括在内。
人类活动正在以一种前所未见的规模和强度改变地球的大气、海洋和陆地表面。而环境变化的关联性和全球性，给地球系统的科学研究带来了很多变革。现在了解到，必须基于无数相互关联的物理、化学、生物和社会经济过程进行气候变化研究。气候变化研究的要素越来越宽泛，推动了全球气候模式向地球系统模式（ESM）的转变。这些模式表明，生物圈不仅响应气候变化，而且直接影响气候变化的方向和程度。随着ESM的出现，气候科学不再限于气候预测的物理要素，还开始包括生物圈的预测——例如，关于陆地和海洋中的碳储存、森林枯梢病、林火、作物产量以及渔业和海洋资源。
然而，气候变化研究仍然经常被肢解为相互独立的工作：观察变化和推断原因；评估自然和人为系统对这些变化的脆弱性、影响和适应（VIA）；以及确定减轻变化所需的社会经济转型。ESM尚未实现的潜力是将这些分散的活动纳入共同框架。成功的例子包括，把气候预测和确定缓解气候变化所需社会转型的评估模型结合在一起，甚至还有直接耦合ESM和综合评估模型的一些初步尝试。随着陆地和海洋生态系统被添加到ESM中，气候变化的物理要素、影响和适应及缓解之间的区分不再一定成立。例如，土地利用和土地覆盖变化是由食物、纤维和燃料的社会经济需求驱动的，这种变化也是一个改变生境和生物多样性的生态问题，同时可以是缓解人为二氧化碳排放的手段。
在本综述中，我们讨论ESM中对生物圈的处理，审视已经在模式中存在的陆地和海洋生态系统，探讨ESM用于研究生物圈的方式，并着重说明未来研究的机会。然后，我们会描述全球正在发生并对陆地和海洋生态系统造成影响的环境变化，并展示这些应力被纳入ESM中的方式，过去以气候过程为重点，而现在增加了影响和适应及减灾研究的实用性。最后，我们在地球系统预测的情形下研究这些应力。我们给出的应力源表并不详尽无遗，而是强调了气候过程、影响和适应以及减缓中的几个关键强迫因子以及它们在气候变化过程中的共存，希望在研究气候变化的科学团队之间发起交流。这次综述恰逢其时，因为它确定了下一个耦合模式比较项目（CMIP6）中气候和ESM研究团体之间的协同作用，这个项目将是模拟和分析地球系统的难得机会。
地球系统模式
ESM模拟气候背后的物理、化学和生物过程。这类模式是不断演变的地球大气、海洋、冰冻圈和陆地全球模式中最复杂的（图1）。气候模式侧重于物理气候系统，以大气，海洋和海冰物理学和动力学以及陆地水文气象学来描述。在气候模式中，陆地和海洋通过能量和动量通量以及水文循环与大气耦合。ESM有同样的物理气候系统表述，但还包括了碳循环、陆地和海洋生态系统和生物地球化学、大气化学以及自然和人为干扰。ESM通常耦合了陆地、大气和海洋物理的不同组件模块，生态系统动力学和生物地球化学也被嵌入到这些模块中。
ESM的一个突出特点是其中包含共同组成生态系统的生物圈和非生物相互作用。ESM中陆地生态系统通过植被类型、叶面积、叶片气孔和碳氮库等进行表示。同样，ESM模拟海洋浮游植物产生的叶绿素，它会影响上层海洋的光吸收垂直廓线，反过来又影响模式海表温度和混合层动力学，以及大规模海洋环流、热量输送和气候变率。
ESM中增加生物地球化学循环是因为碳循环可能引发重大气候反馈。每年陆地生态系统和海洋共同吸收了人为二氧化碳排放量的大约一半，但并不能确定未来这些碳汇的效力。陆地上的生物地球化学过程横跨从叶片到植物冠层、从生态系统到景观到生物群系的多重空间尺度。时间尺度包括对主要环境条件的近实时生理反应（例如，气孔导度、光合作用和呼吸作用）；叶片的季节性生衰；以及数十年到数世纪生态系统结构和生物地理学响应自然干扰（例如林火）、人为干扰（如土地利用转变）和气候变化等发生的变化。当前的模式开发目标是基于垂直结构植物冠层中具有相似功能特征的个体聚落，来更真实地表现植物生命统计和生活史特征。
用于估算海洋吸收人为CO2的三维碳循环模式是从海洋物理循环模式示踪研究演变而来的。生物地球化学模式还追踪：无机碳、碱度、常量营养素（氮、磷和硅）的自然循环，氧气通常也包括在内；净有机质和碳酸钙的生成和从海洋表面的汇出；深层颗粒下沉、呼吸作用以及再矿化；海气CO2（和O2）气体交换。浮游生态系统模式问世，模拟浮游植物、浮游动物、营养物质和碎屑池之间的相互作用，这类模式既可以驱动生物地球化学模式，也可以描述海洋生态动力学特征，如季节性浮游植物爆发。生物地球化学的最新进展包括：加入了铁和其他微量元素——在大部分海洋中，铁缺乏是浮游植物生长的主要限制因素；更精细的海洋生物固氮和脱氮处理；海岸营养物质输入；海洋酸化。正在发生的重要模式进步包括：增加浮游生物的生物复杂性，以纳入官能团、特征动力学和生物多样性；并将模拟的浮游生物产量与渔业捕捞量结合起来。
ESM研究的一个活跃前沿是纳入更广泛的化学-气候相互作用。过量活性氮增强陆地碳储存，排放N2O，以及发生决定对流层O3、CH4和气溶胶量的化学反应，因而对气候产生影响。大气氮向海洋表层的沉积可以提高低营养亚热带地区的生物生产力；然而，全球范围内，海洋生物地球化学可能对人为铁沉积更敏感。对流层O3浓度的增加会降低植物生产力并减少陆地碳汇，但尚不确定在模式中对其进行参数化的适当方式。来自陆地生态系统的生物挥发性有机化合物的排放影响大气中O3、CH4和次生有机气溶胶的浓度。湿地是CH4的重要来源，永久冻土和水合物也如此。全球湿地和CH4排放模式正在开发中，还有一些 ESM在气候预测中包括了甲烷化学。对于海洋，模式需要实现更多样化的生物地球化学（例如痕量气体，如二甲硫醚）来联系海洋-大气化学。
自然和人为干扰一直是ESM的研究重点。林火通过释放长寿命温室气体、短寿命活性气体和气溶胶以及改变地表反照率对气候和空气质量产生影响。ESM中包括了林火，但我们模拟火状况精确细节的能力有限。北美西部森林中的山地松甲虫流行病减少了陆地碳吸收，增加了地表反照率，并通过减少蒸发蒸腾使地表升温。在ESM中体现昆虫暴发很有前景，但现在仍在萌芽期。人为干扰包括土地利用变化（如森林退化、再造林、农田弃耕和轮作栽培）和木材采伐。全球作物生长模式包含在ESM中，但缺乏栽培品种、种植时间、作物轮作和其他管理措施。尽管森林管理和商业木材生产对温度的影响与土地覆盖变化相似，但也未被包括在内。
行星应力和气候反馈
ESM中包含陆地和海洋生态系统，使得研究全球变化对生物圈的应力和气候变化反馈（表1）成为可能。陆地上的一个突出信号是生物圈的“绿化”，尽管被树木死亡和干扰增加部分抵消。取决于气候变化的大小和速度以及物种通过扩散来适应这些变化的能力，新型群落组建很可能出现。海洋生态系统也面临气候变化带来的诸多威胁。全球表层海水正在变暖，并在高纬度地区淡化；这些趋势结合到一起， 增加了垂向物理分层，导致营养供给、光照环境和浮游植物生产力的区域模式发生改变。海洋变暖导致：浮游生物季节性物候的变化，浮游生物、无脊椎动物和鱼类向极地迁移； 珊瑚白化；极地海洋生态系统中的海冰损失。预计气候变化将改变海洋野生捕捞渔业的空间格局和规模，并有可能改变海洋疾病爆发。海洋群落和生态系统也可能正重组为新群落组建，这要求ESM更复杂化，来更详细地追踪变暖对浮游生物群落组成和营养相互作用的影响。
人类活动还以非直接气候变化的方式危害生态系统和生物群（表1）。额外的活性氮改变了生物多样性，陆地、淡水和海洋生物地球化学，以及水质和空气质量。人为气溶胶会增加太阳散射辐射，从而增加陆地生产力。高浓度的对流层O3会导致气孔关闭，从而降低植物生产力和蒸腾作用。大片森林在工业化时代被清除，剩下的许多森林也是受管理或次生的，而不是老龄原始森林。大约三分之一的无冰土地被农田或牧场覆盖，大部分陆地生产力已被用于人类用途。
对海洋的影响来自大气中二氧化碳增加导致的海洋酸化，以及气候相关环流发生变化的脱氧作用。区域的应力包括过度捕捞、人为噪声、海底栖息地的破坏、污染和沿海水体富营养化，以及人为开发和海平面上升导致的沿海湿地、红树林和海草床的丧失，这些在大陆架上和公海的某些区块特别严重。
脆弱性，影响和适应
农业和粮食安全、森林和水资源、陆地生态系统以及渔业和海洋生态系统是维系社会经济福祉的生物圈的几个方面。评估气候变化对这些商品和服务的影响，它们受气候变化影响的脆弱性，以及保持其未来可利用性所需的适应措施，对于支撑良好的气候政策至关重要。这类评估通常经由基于气候预测的陆地生态系统、作物产量、水供应以及渔业和海洋生态系统模式。这种间接的两步法存在缺陷，因为气候模型输出存档可能无法捕捉某些影响和适应模式所需的变量类型或时间分辨率，这限制了对气候和生物地球化学反馈的研究能力。
将生物圈纳入ESM中，就可以对影响和适应进行直接研究。例如，用于量化未来碳-气候反馈的ESM也可以用于评估陆地和海洋生态系统响应历史人为强迫和气候变率的回顾性研究。ESM的海洋部分为重建历史海洋生物地球化学，以及浮游生物动力学的变率、趋势和机制提供了工具。具有高分辨率海洋环流模式的ESM可用于追踪漂白珊瑚礁中的珊瑚虫散布和连通性。
ESM进一步提供了一个机会，超越大气和海洋状态的物理描述符（如温度和降水），转变为与食物、能源和淡水有关的社会相关量化。例如，ESM中的农田可以直接研究气候变化对农业生产的影响，粮食供应面对未来气候干扰的脆弱性，以及使粮食生产更有恢复力的适应措施。一些ESM包括了城市土地覆盖，可以用于研究极端热浪，并有助于评估城市热应激死亡率。ESM中包括农业、林火、氮气通量，以及生物挥发性有机化合物之间的相互作用，而这些会影响区域空气质量，因此ESM对评估空气质量和人类健康问题特别有用。
为了实现这种潜力，开发ESM的科学家与利用气候预测研究影响和适应的科学家之间应进行有效的沟通。增进协作的一个成果将是确定和协调ESM与影响和适应模型之间的不符之处。这种不一致，举例来说，在评估未来气候条件下可利用水资源时就显而易见。ESM估计了大气CO2浓度升高对气孔导度和蒸散的影响，而许多影响和适应模型没有，导致水分利用率的预测不一致。ESM中存在但影响和适应模型中没有的过程还有例如O3对气孔的影响，以及植被绿化和土地利用对径流的影响。团体之间更密切的协作将有助于识别与影响和适应相关的性能，定义ESM应该产出的与影响相关的指标，并开发用于验证模拟影响的数据集和协议。
ESM只是研究影响和适应的几种手段之一。需要成套的专业研究工具，其中包括统计模型，和基于过程的作物、生态系统和水文模式。这类模式的优势是可以运行决策制定所需的精细空间分辨率。而且，它们的计算成本比ESM低，因此可以对模拟进行集合，来评估不确定性。
ESM当前还不能表现能捕捉局地尺度空间异质性所需的丰富生态细节。此外，ESM中使用的海洋生态系统模式通常包含的只是海洋食物网的最低营养级（浮游植物、草食性浮游动物），并且对生物多样性的表现有限。通常，ESM缺乏预测高营养级和渔业结果所需的生态复杂性。全球模式的空间分辨率过于粗糙，无法反映高产的海岸生态系统和珊瑚礁的区域动力学；模型的陆地-海洋连通性最近才达到足以评估营养物质富营养化、水质和有害藻华。可变分辨率全局模型的水平分辨率实现从1°全球网格到0.125°（14km）的区域网格，这有助于缩小粗尺度ESM与影响和适应研究所需的更精细尺度之间的差距。
减缓气候变化
减少长期温室气体的来源和增加汇是减缓人为气候变化最直接的手段。然而，许多可能减少温室气体排放的干预措施会影响生物圈，并对气候和生态系统服务产生其他影响。例如，植树造林、重新造林或避免森林砍伐可以增强陆地碳汇，但通过减少地表反照率也会导致变暖，蒸散和与大气湍流混合又能使气候变冷，还能通过大气化学和气溶胶产生其他效应。这些生物地球物理效应可以抵消森林的碳减排效益，因此可能需要更大范围的造林才能实现气候稳定在避免危险气候变化的水平上（例如2℃）。ESM虽然不完美，但是是研究森林净气候影响的必要工具。
另一个需要在ESM背景下考虑气候减缓的例子是农业。有效利用氮肥、耕作和其他农业管理可以提高碳储存并减少N2O排放。作物也通过与大气的生物地球物理耦合影响气候；由于这些变化，工业时代的农业用地扩张可能曾使气候变冷。农业集约化被认为降低了美国中西部地区的夏季气温。免耕农业可以增加地表反照率，使气候变冷，其他地表反照率增加可能具有地球工程潜力。生物能源与碳捕获和储存（BECCS）也可以缓解气候变化，但BECSS目的的土地使用必须与可耕地平衡，保障粮食生产。ESM提供了一个调查BECCS在气候、食物、能源和淡水方面的多学科后果的必要工具。ESM也被用于确定地球工程技术对生态系统的影响，这些技术涉及太阳辐射的改变，例如平流层气溶胶注入、云层增亮和地表反照率操纵。
目前，海洋去除大气中人为CO2排放的四分之一，其量级通过化学溶解进入地表海水以及地表和深水之间的物理交换速率来调节。在长达数世纪的海洋翻转环流时间尺度内，人为增加二氧化碳的一小部分将储存在深海中。提出了几种增加海洋碳吸收的地球工程方法：在深处直接注入CO2，给浮游植物施肥以加速海洋生物泵——即将有机碳从表层转移到深海的过程，加速风化过程以增加海水碱度。一些单一海洋模式和全面ESM 的研究已经探索了这些方法的有效性，以及生态影响和生物地球化学反馈的可能性。其他对海洋生态系统的改造也可以来自改变太阳辐射。
地球系统预测
大气科学长期以来一直采用各种模式来预测近期天气和长期气候。ESM使生物圈预测成为可能，但以大气为中心的预测观念需要扩展到生物领域。在本节中，我们介绍天气预报和气候预测特有的术语和概念，然后展示向生物圈的延伸。
预报几小时到两周时间尺度的天气是一个典型的预测问题，其中描述大气-陆地-海洋-海冰系统的模式从初始条件出发按时间前进。可预测性，即进行有技巧预报的能力，受限于确切初始条件的不确定性，模式以及基础物理和动力学理解的不完善，还有系统随机性或混沌行为的程度。相同的概念适用于预测季节、年际或年代际的气候。跨年代的气候预测必须考虑更多的长期地球系统过程，如海洋环流、冰盖融化、植被变化、陆地和海洋生物地球化学以及人类行为。最后一个所知甚少，现在基于人为强迫情景。在跨年代时间尺度上，确切的初始状态并不重要。相反，气候预测的不确定性在很大程度上取决于人为强迫情景的选择，尽管不确定性也存在于气候敏感性和反馈过程方面（图2）。
“地球系统预测”这一术语涵盖了季节到跨年代的时间尺度，一般用于天气和气候背景下。然而，从更广的角度来看，地球系统预测的范围可以扩大到地球系统的其他方面。北极海冰损失的可预测性是一个典型的例子。随着气候模式演变成更复杂的ESM，生物圈状态和过程的可预测性需要与天气和气候的可预测性联合考虑。
模式的预测能力取决于预报中的误差来源。对于气候，这些误差大致分为初始条件、边界条件和模型不确定性，模式结构和参数兼有。确切初始条件的不确定性表现在气候系统内部的非强迫变率（也称为自然变率），其中初始条件的微小差异会产生不同的气候轨迹。自然变率的显著性可以通过多成员模拟集合来进行评估，一个模型用不同的状态进行初始化。
不确定性的第二个来源是模式误差，见于对给定强迫情景的模型响应。模式是不完善的，而且由于空间分辨率不同，以及各种物理、化学和生物过程参数化的不精确性，导致强迫响应也不同。模型不确定性通过多模式集合研究来评估。
不确定性的第三个来源是强迫场景及其对温室气体、土地使用和其他人为气候强迫的时间演变的描述，这些作为边界条件赋予模式。对于全球尺度的温度预测，模式不确定性和自然变率主要体现在近期年际尺度上（10~30 年）。跨年代尺度的不确定性主要来源是情景。区域尺度上的总不确定性较大，主要来自自然变率和模式结构。
一个相关的概念是显现时间（time of emergence）。确定强迫气候变化信号从自然变率噪声中显现的时间，是评估何时可以检测到预期变化，或观测到的变化是否归因于人为强迫的必要条件。显现时间的研究主要集中在温度，可以是在具有较低自然变率的中纬度地区的小几十年，到具有较大自然变率地区的好几十年或更长时间。
这些可预测性、不确定性和显现时间的概念能否扩展到研究地球系统中的生物圈？ESM预测陆地和海洋生物地球化学的显著变化，但直到最近，才开发出必要的大型多模式多成员集合，来区分自然变率的强迫响应与模式不确定性。这些分析为基于ESM理解地球系统生物地球化学的变化提供了重要的见解。在没有减缓措施的情况下，海洋除了温度升高以外，未来几十年具有碳吸收增加、酸化、O2降低以及净初级生产量减少的趋势。在一些海洋区，海气CO2通量的强迫趋势迅速显现，但在很多区域，大的自然变率使得碳吸收速率的变化直到世纪中或之后才能被检测到。海洋生物地球化学的其他方面，如pH值、O2浓度和净初级生产量也对自然变率有很大的区域依赖性。海洋酸化由于人为二氧化碳在表层积累而迅速显现，海表温度变暖信号在许多地区也能在几十年内显现，但O2浓度和净初级生产量如果出现强迫变化，直至世纪中到世纪末才会从自然变率中显现（图3，A至C）
对于陆地生物圈中显现时间的研究较少。观测和模式分析支持全球变化引起陆地碳汇增强。陆气CO2通量的非强迫变率很大，在年代际尺度上不能检测到变化。模式内部和模式之间存在很大的差异，在世界许多区域强迫响应仅在数十年后才显现出来。例如，HadGEM2-ES模式显示，许多地区的陆地碳增的强迫信号到2030年从内部变率中显现，但其他模式的信号还较弱，统计上尚未显现，甚至显示碳失而不是碳增（图3，D到F）。
导致不确定性的各种因素依据所研究量级、提前时段和空间尺度而有所不同。来自自然变率的不确定性在小空间尺度和短周期pH、O2浓度、海洋净初级生产量和海气碳通量中特别大。到21世纪末，这些状态和通量（净初级生产量除外）在全球尺度上的总不确定性由情景不确定性主导，但自然变率和模式不确定性在区域或生物群系规模上仍然很大。陆地碳循环的模拟在模型之间变化更大，主要由模式不确定性决定。比较海洋和陆地碳循环预测，不确定性评估存在显著不同（图4）。对于海洋碳吸收，模式不确定性最初很大，但在21世纪后期情景不确定性占主导地位。相比之下，整个21世纪，模式结构对陆地碳循环贡献了80％的总体不确定性。
大部分地球系统预测的研究都集中在气候上，而年代际的气候预测尤其侧重于海洋的动力学和热力学特征，这是因为海洋在气候变率方面起突出作用。大气建模者想到土壤湿度和植被时，往往只专注这些因素如何影响气候可预测性，而不考虑它们是否可以预测。从全球变化的角度来看，生态预测与物理气候系统的预测同等重要。ESM仅可以评估气候变化对未来应力的潜在影响，还可以确定这些应力造成的作物产量、树木死亡率、渔业和生物圈其他方面的后果。例如，描述可能发生林火的时间和地点用于协助负责林火保障的政府机构很有价值。特定火灾事件几乎无法预报，特别是因为人为造成了很多火灾，但是根据与海面温度的关联可以预测季节性时间尺度上的火灾特性。对未来火灾特性的预测需要模型准确描述火灾的发生和严重程度，而林火预测还需要了解引发火灾特性的气候的可预测性。类似的论述适用于当前ESM模拟的作物产量、海洋资源和粉尘排放，以及将由下一代模式模拟的森林死亡率和习性丧失。这些预测在次季节到季节时间尺度可能特别有用。
研究需求
正如本综述所强调的那样，生物圈对理解地球系统变化的原因和方式，以及适应和缓解未来变化至关重要。需要了解陆地和海洋生态系统面临的许多全球变化应力，不仅因为它们对与人类密切相关的生态系统服务造成影响，还因为它们是影响气候变化规模和轨迹的过程。需要找到一种战略，将次季节和季节预报以及年代际气候预测的研究扩大为更多面的地球系统预测，包括生物圈及其资源。例如，将季节到年代际气候预报延伸至海洋生物资源，就有很大的潜力能协助海洋管理。对陆地生态系统的类似扩展将有助于土地资源管理。
为了实现这一目标，本综述给出进一步定义地球系统预测的几条途径。首先是根据气候过程和生物圈影响气候的不同方式，继续推进陆地和海洋科学发展。一个突出的例子就是碳循环，碳循环对气候变化的反馈，以及有目标地管理陆地和海洋生态系统是否可以减缓人为CO2排放。海洋碳循环预测存在巨大的不确定性，特别是在区域或生物群尺度上；而陆地碳模式不确定性使其不能区分各种并列情景。此外，假设种植森林和生物燃料对于将大气二氧化碳浓度维持在某个行星变暖目标内至关重要，我们有多大信心说自己有能力了解这些政策的净气候后果？
目前这一代生态系统模式是抽象化的复杂系统。许多生态和生物地球化学过程得到了表现，但生物圈的生命形式丰富多样、生命形成群落和生态系统、以及生态系统具有复杂性，这使得表现生物圈面临极大挑战，这一点在陆地碳循环预测的高不确定性中显而易见。理论进步是必要的，但模式不确定性减少的量可能是有上限的。复杂性增大并不一定会得到更好的预测或减少不确定性。
第二个途径是更好地整合ESM与影响和适应模式。模式之间的差距来源于学科专业（ESM大气和海洋科学[ocean，偏向洋]，影响和适应模式是水文、生态学、生物地球化学、农学、林业和海洋科学[marine，偏向海]），但是学科之间（而非跨学科）的有效沟通并非起不了作用。还有一些切实因素限制了全球ESM与地方性和区域性影响和适应模式之间的合作，特别是在空间尺度和过程复杂性方面。然而，正如地球系统预测科学被视为统一天气和气候模拟的手段，地球系统预测范围扩大，融入生物圈，也能促进与影响和适应的合作。
第三个有前景的研究途径是扩展季节到年代际气候预测的概念和方法，将陆地和海洋生态系统包括在内，并量化与利益相关者相关的空间和时间尺度的预测不确定性。陆地碳循环的可预测性可以从生态学角度加以考虑，不过直到最近这种可预测性才受到了地球系统角度的自然气候变率、强迫气候响应和模式不确定性分析。海洋生物地球化学中对自然变率、模型不确定性和情景不确定性的分析也与此类似。生物圈是否是气候可预测性的来源这个问题不一定有意义。更好的研究途径也许是研究如何预测变化环境中的生物圈及其资源，这一点在海洋生物资源和大气CO2方面进行了探索。初始条件的不确定性，以及区分自然变率与强迫趋势的难度，可能会导致气候预测中出现不可消除的不确定性。在区域或生物群规模上，海洋和陆地碳循环的自然变率很大。陆地和海洋生态系统中是否存在类似的不可消除不确定性，仍有待探索。
ESM带着陆地和海洋生态系统，生物地球化学循环，以及植物、微生物和海洋生物的模拟，向陆地和海洋生态学家和生物地球化学家提出挑战，让他们从广而泛的角度进行思考，并找到描述生物圈、生物圈机能、及其对全球变化的响应的数学方程。ESM 同样要求地球科学家跳出气候的物理理解，将生物学囊括进来。这些模式有很大希望可以促进我们对全球变化的理解，但必须从ESM的人工世界走向现实世界。随着大气CO2浓度升高、气候变、系统氮增加、森林被清除、草原被犁或转化为牧场、沿海湿地和珊瑚礁退化或消失、以及海洋变暖和污染恶化，弥合观测和理论之间的差距给下一代科学家提供了具有挑战性的机遇，最终推动行星生态学和气候科学发展。