陆地植物活动增强 而海洋生态系统却日益衰弱

从 2003 年到 2021 年，地球通过光合作用吸收碳的能力增强——这主要归功于陆地植物在气候变暖的情况下生长得更加旺盛。当森林和农田在碳捕获方面的作用不断增强时，海洋藻类却开始陷入困境，尤其是在热带水域。这种转变正在改变地球上的生命平衡：陆地变得更加富饶，而海洋生态系统却日益衰弱。

上图展示了2003年至2021年全球净初级生产力（NPP）——即地球上光合生物的净碳增益——的年度趋势。图片来源：Yulong Zhang等人，2025年

2003年至2021年间，全球光合作用有所增强，这主要得益于陆地植物活动的增强。然而，根据8月1日发表在《自然·气候变化》杂志上的一项新研究，由于海洋藻类光合作用的轻微下降，全球光合作用的增长略有减弱。研究人员表示，这些发现可能有助于评估地球健康状况、更有效地管理生态系统，并制定更好的预测和应对气候变化的战略。

光合作用由被称为初级生产者的生物驱动，它们构成了食物链的基础，并支撑着地球上几乎所有的生命。这些生物利用阳光将大气中的二氧化碳转化为有机物。除了捕获碳之外，它们还会通过一种称为自养呼吸（类似于呼吸）的过程释放一部分碳。吸收的碳和释放的碳之间的差值被称为净初级生产力。

“净初级生产力衡量的是光合生物捕获并提供给生态系统中几乎所有其他生命的能量，”本文第一作者、杜克大学尼古拉斯环境学院李文红实验室的研究员张玉龙说道。“作为食物网的基础，净初级生产力决定了生态系统的健康状况，为人类提供食物和纤维，减轻人为碳排放，并有助于稳定地球气候。”

过去关于净初级生产力的研究通常分别关注陆地或海洋生态系统。因此，科学家们缺乏对整个地球碳处理方式及其对减缓气候变化努力影响的完整认识。

在这项新研究中，研究小组研究了全球净初级生产力的年度趋势和变化，密切关注陆地变化与海洋变化之间的关系。

“如果你关注的是地球健康，需要同时关注陆地和海洋领域，以便对净初级生产力有一个综合的认识。那些首次将陆地和海洋初级生产力结合起来的开创性研究，在过去二十多年里都没有得到实质性的更新，”论文合著者、尼古拉斯学院Lee Hill Snowdon Bass主席Nicolas Cassar说道，他与张教授共同负责了这项研究。

卫星观测为植物和海洋藻类（称为浮游植物）的光合作用提供了持续的视角。具体来说，专用卫星仪器测量地表绿度，这代表着光合作用生物产生的一种名为叶绿素的绿色色素的丰度。然后，计算机模型将绿度数据与其他环境数据（例如温度、光照和营养变化）相结合，估算净初级生产力。

这项新研究的作者使用了六种不同的基于卫星的净初级生产力数据集——三种用于陆地，三种用于海洋——涵盖 2003 年至 2021 年。他们使用统计方法，分别分析了陆地和海洋净初级生产力的年度变化。

他们发现，2003年至2021年间，陆地净初级生产力显著增加，每年碳排放量增加2亿公吨。这一趋势从温带地区普遍蔓延到北方地区或高纬度地区，但南美洲的热带地区除外。

相比之下，研究小组发现，同一时期海洋净初级生产力总体下降了约1亿公吨/年的碳。下降幅度最大的是热带和亚热带海洋，尤其是太平洋。

总而言之，陆地趋势主导着海洋趋势：2003年至2021年间，全球净初级生产力显著增加，每年增加1亿公吨碳。

为了了解潜在的环境因素，研究小组分析了光照、空气和海面温度、降水量以及混合层深度等变量——混合层深度是反映风、波浪和表面洋流在海洋上层混合程度的指标。

“陆地初级生产力向更高方向转变主要源于高纬度地区的植物，那里气候变暖延长了植物的生长季节，创造了更适宜的温度，而温带地区的一些地区则经历了局部湿润、森林扩张和农田集约化，”尼古拉斯学院地球与气候科学教授、该研究的共同作者李文红说。

气温升高似乎对某些海洋区域产生了相反的影响。

“海面温度上升可能会降低热带和亚热带地区浮游植物的初级生产力，”卡萨尔补充道。“较暖的海水会覆盖在较冷的海水上，干扰藻类生存所必需的营养物质的混合。”

作者发现，尽管陆地推动了全球初级生产力的总体增长，但海洋主要影响了逐年的变化，特别是在厄尔尼诺和拉尼娜等强烈气候事件期间。

“我们观察到，海洋初级生产力对厄尔尼诺和拉尼娜现象的响应远比陆地初级生产力强烈，”尼古拉斯学院气候动力学助理教授、论文合著者胡世能说道。“一系列拉尼娜现象是导致我们在2015年后发现的海洋初级生产力趋势逆转的部分原因。这一发现凸显了海洋对未来气候变化的更高敏感性。”

这组作者说，这项研究指出了陆地生态系统在抵消海洋浮游植物净初级生产力下降方面的重要作用。

但他们补充说，热带和亚热带海洋净初级生产力的下降，加上热带陆地的停滞，可能会削弱热带食物网的基础，并对生物多样性、渔业和当地经济产生连锁反应。随着时间的推移，这些破坏还可能损害热带地区作为有效碳汇的能力，从而可能加剧气候变暖的影响。

“海洋初级生产力的下降是否会持续下去——以及陆地生产力的增长能在多长时间和多大程度上弥补这些损失——仍然是一个尚未解答的关键问题，这对于衡量所有生物的健康状况以及指导减缓气候变化具有重大意义，”张教授说。“作为地球的组成部分，对陆地和海洋生态系统进行长期、协调的监测至关重要。”

编译自/scitechdaily