光合作用转变正在进行中
根据发表在《自然气候变化》8月1日的一项新研究，陆生植物在2003年至2021年间推动了全球光合作用的增加，这一趋势被海藻光合作用（利用阳光制造食物的过程）的微弱下降所抵消。 这些发现可以为地球健康评估提供信息，加强生态系统管理，并指导气候变化预测和减缓战略。 光合生物 -- 也称为原代生产者——构成食物链的基础，使地球上的大多数生命成为可能。 初级生产者利用太阳能将空气中的碳固定或转化为有机或碳基物质。 但初级生产者也通过称为自养呼吸的过程释放碳，这有点类似于呼吸。 在考虑呼吸损失后的碳增益率称为净初级生产。 “净初级生产衡量能源量光合作用生物捕获并支持生态系统中几乎所有其他生命，“第一作者、杜克大学尼古拉斯环境学院李文宏实验室的研究科学家张玉龙说。 “作为食物网的基础，净初级生产决定了生态系统的健康，为人类提供食物和纤维，减轻了人为碳排放，并有助于稳定地球气候。” 先前对净初级生产的研究有通常侧重于陆地或海洋生态系统，这在我们对地球净初级生产及其对减缓气候的潜在影响的理解上存在差距。 在这项研究中，该团队探索了全球净初级生产的年度趋势和变化性，重点关注陆地和海洋生态系统之间的相互作用。 “如果你正在研究地球健康，你想同时研究陆地和海洋领域，以综合了解净原产地生产。 首次将陆地和海洋初级生产结合起来的开创性研究在二十多年来一直没有得到实质性更新，“与张共同监督这项研究的尼古拉斯学院李希尔斯诺登巴斯主席、合著者尼古拉斯·卡萨尔说。 卫星洞察 卫星观测为植物和称为浮游植物的海藻进行光合作用提供了连续的视角。 具体来说，专门的卫星仪器测量表面绿色度，代表光合作用生命产生的一种称为叶绿素的绿色色素的丰富性。 然后，计算机模型通过将绿度数据与其他环境数据（例如温度、光照和养分变异性）相结合来估计净初级产量。 这项新研究的作者在 2003 年至 2021 年期间使用了六个不同的基于卫星的数据集来研究净初级生产——三个用于陆地，三个用于海洋。 使用统计方法，他们分析了陆地和海洋净初级生产的年度变化。 他们发现，2003 年至 2021 年间，陆地净初级生产量显着增加，每年增加 2 亿吨碳。 这种趋势从温带到北方或高纬度地区很普遍，但南美洲热带地区有一个明显的例外。 相比之下，该团队发现海洋净初级产量总体下降，约为 1 亿同一时期每年的碳排放量公吨。 强烈下降主要发生在热带和亚热带海洋，特别是太平洋。 总而言之，陆地趋势主导了海洋趋势：2003 年至 2021 年间，全球净初级生产量大幅增长，每年碳排放量达到 1 亿吨。 环境驱动因素 为了了解潜在的环境因素，该团队分析了光可用性、空气和海面温度、降水和混合层深度——反映风、波浪和地表流在海洋表层混合程度的指标。 “向增加陆地初级生产的转变主要源于高纬度地区的植物，那里的变暖延长了生长季节并创造了更有利的温度，以及在一些地区经历了局部湿润、森林扩张和农田集约化的温带地区，”说尼古拉斯学院地球与气候科学教授、该研究的合著者李文宏。 温度变暖似乎在一些海洋区域产生了相反的影响。 “海面温度上升可能会减少热带和亚热带地区浮游植物的初级生产，”卡萨尔补充道。 “温暖的海水会叠加在较冷的海水之上，并干扰对藻类生存至关重要的营养物质的混合。” 虽然土地带动了整体增长作者发现，全球初级生产，海洋主要影响逐年变化，尤其是在厄尔尼诺和拉尼娜等强烈气候事件期间。 “我们观察到，海洋初级生产对厄尔尼诺和拉尼娜现象的反应比陆地初级生产的反应要强烈得多，”合著者、尼古拉斯学院气候动力学助理教授胡希能说。 “一系列拉尼娜事件是造成海洋初级生产趋势逆转的部分原因我们在 2015 年之后确定的。 这一发现凸显了海洋对未来气候变化的更大敏感性。 的广泛影响 作者表示，该研究指出了陆地生态系统在抵消海洋浮游植物净初级产量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产量的下降，加上热带陆地的停滞，可能会削弱热带海洋的基础食物网，对生物多样性、渔业和地方经济产生连锁影响。 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。 “海洋初级产量的下降是否会持续下去——以及陆地产量的增长可以在多长时间和程度上弥补这些损失——仍然是一个悬而未决的关键问题，对衡量海洋初级产量的健康状况具有重大影响所有生物，并指导减缓气候变化，“张说。 “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。” 资金：Y.Z.、W.L. 和 GS 得到了杜克大学-美国农业部林务局合作 （23-JV-11330180-119） 的部分支持。 北卡罗来纳州 得到了美国国家科学基金会 （OCE-2123198） 的支持。 J.M. 得到了橡树岭国家实验室的支持。 J.X. 由国家科学支持的基金会（宏观系统生物学）和 NEON 支持科学计划 （DEB-2017870）。