三十年前，美國能源部橡樹嶺國家實驗室的化學家小查爾斯·F·貝斯寫道，地球正在經歷一場巨大的“不受控制的實驗”，這場實驗很快將揭示溫室氣體濃度上升的全球性後果。今天，科學家們知道，森林砍伐、土地利用和化石燃料的燃燒正在使我們的星球變暖。然而，我們不太確定氣候變化將如何改變森林和草原，以及這些生態系統為社會提供的商品和服務。
大眾媒體中大部分關於氣候變化的新聞並非來自實驗，而是來自觀察。科學家們監測北極海冰、冰川和自然事件，例如樹葉出現的時間，並在變化超出正常預期時告知公眾。隨著時間的推移記錄這類資訊非常重要。但是，氣候變化生物學家並沒有等待觀察不斷變化的氣候如何緩慢地改變生物圈，而是在進行實地實驗，通常是在大規模範圍內進行，以觀察生態系統將如何應對更多或更少的降水、二氧化碳 (CO2) 濃度升高和溫度升高。實驗資料是確定生態系統是否以及在多大程度上會受到 10 年、50 年或 100 年後的氣候變化影響，以及這些變化可能如何反饋以進一步推動變化的關鍵。結果可以幫助在充滿情感的氣候辯論中區分事實與虛構。
多年來，研究人員調查了單個植物（通常在氣候受控的室內培育數月）如何對各種條件做出反應。瞭解這種尺度的機制是必要的。但我們也必須在植物的適當背景下研究植物：實際的生態系統。公眾在很大程度上不知道，一些涉及改變降水和二氧化碳濃度的大型戶外實驗已經進行了十多年，包括以下幾頁方框中描述的那些實驗。溫度實驗也已經開始。現在已經生成了足夠的資料來改進預測氣候和植被變化的模型，從而更準確地描繪出在日益溫暖的世界中，隨著降水模式的變化和更多二氧化碳的覆蓋，林地、草原和農作物可能會發生怎樣的變化。
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全球各地的發現
在全球範圍內進行的實驗表明，植物和生態系統具有適應新條件的非凡能力。但科學家預計，存在閾值，一旦超過這些閾值，就會發生重大且可能具有災難性的反應。當我們探索這些邊界時，我們會發現驚喜，但一些基於實地實驗資料得出的結論已經可以得出
較高的二氧化碳濃度可以提高小麥、水稻、大麥、大豆和棉花等商品的產量，但同時發生的氣候變暖，以及某些地區的臭氧汙染，很可能會降低或抵消“二氧化碳施肥”效應。氣候變化還將改變作物、雜草、病原體和昆蟲之間的相互作用，害蟲的勝出頻率往往不亞於作物。
美國東部地區的落葉林（那種季節性落葉的森林）對乾旱相對不敏感。深厚的土壤儲存了充足的水分，足以支援大型樹木在一年中的大部分時間裡生長。但表層土壤含水量很少且很快就會幹燥，導致幼苗和小樹苗（未來的森林）的死亡率很高。
在富含二氧化碳的大氣中，更多的根系生長可以提供更多的養分，從而提高發育中森林的生產力。更深層的根系也可能透過增加獲得土壤水分的機會而使乾旱和旱地生態系統中的植物受益。
全球變暖和二氧化碳濃度升高可能會促進許多農業雜草的入侵性，包括加拿大薊，從而降低作物產量或需要更多的除草劑。外來物種也可能構成問題。例如，內華達大學拉斯維加斯分校的斯坦·史密斯最近在莫哈韋沙漠進行的實驗表明，在降雨量異常高的一年中，二氧化碳濃度升高刺激了雀麥（一種又名“雜草”）的蔓延，這降低了植物物種多樣性，改變了食物鏈，並增加了火災的可能性。
儘管過去 200 年世界草原中木本植物的入侵主要是由過度放牧和火災抑制造成的，但大氣中二氧化碳濃度的升高可能正在促成樹木和灌木在美國西部地區的蔓延。
未來的二氧化碳濃度將以可能影響公眾健康的方式影響植物，包括產生更多的花粉，從而引發過敏，以及毒葛和其他入侵物種的更多生長和毒性。
複雜的問題
大型戶外實驗的結果令人信服，但大多數調查都是在中緯度地區進行的，而且主要是在美國和歐洲。需要更廣泛緯度的新實驗來清楚地預測北方森林、苔原和熱帶植物和生態系統的反應。準備這些實驗需要數年時間，因為它們很可能在科學上很複雜，並且位於偏遠地區。它們將需要大量的工程設計，以確保改變的條件均勻施加，並且基礎設施足夠堅固，可以持續多年。
生物學家還必須建造不僅改變二氧化碳濃度、溫度或降水模式，而且將所有三個因素結合起來的裝置。到目前為止，我們只觸及了皮毛。在懷俄明州夏延附近進行的一項新實驗正在評估北部混草草原中的植物在二氧化碳濃度和溫度同時變化的情況下將如何生存。在美國農業部農業研究服務處的傑克·摩根進行的草原加熱和二氧化碳富集實驗的第一年，他發現跡象表明，變暖與較高的二氧化碳濃度相結合可能會增加大平原地區暖季草的丰度，從而以犧牲冷季草為代價。
如何在模型中最好地操縱多種因素以及如何解釋這些組合以及可能的反饋是複雜的問題。如果我們想要幫助社會預測、計劃和適應已經快速變化的氣候，我們將很快需要實驗得出的資料。