從 2003 年到 2021 年，地球通過(guò)光合作用吸收碳的能力增強(qiáng)——這主要?dú)w功于陸地植物在氣候變暖的情況下生長(zhǎng)得更加旺盛。當(dāng)森林和農(nóng)田在碳捕獲方面的作用不斷增強(qiáng)時(shí)，海洋藻類(lèi)卻開(kāi)始陷入困境，尤其是在熱帶水域。這種轉(zhuǎn)變正在改變地球上的生命平衡：陸地變得更加富饒，而海洋生態(tài)系統(tǒng)卻日益衰弱。

上圖展示了2003年至2021年全球凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）——即地球上光合生物的凈碳增益——的年度趨勢(shì)。圖片來(lái)源：Yulong Zhang等人，2025年

2003年至2021年間，全球光合作用有所增強(qiáng)，這主要得益于陸地植物活動(dòng)的增強(qiáng)。然而，根據(jù)8月1日發(fā)表在《自然·氣候變化》雜志上的一項(xiàng)新研究，由于海洋藻類(lèi)光合作用的輕微下降，全球光合作用的增長(zhǎng)略有減弱。研究人員表示，這些發(fā)現(xiàn)可能有助于評(píng)估地球健康狀況、更有效地管理生態(tài)系統(tǒng)，并制定更好的預(yù)測(cè)和應(yīng)對(duì)氣候變化的戰(zhàn)略。

光合作用由被稱(chēng)為初級(jí)生產(chǎn)者的生物驅(qū)動(dòng)，它們構(gòu)成了食物鏈的基礎(chǔ)，并支撐著地球上幾乎所有的生命。這些生物利用陽(yáng)光將大氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)物。除了捕獲碳之外，它們還會(huì)通過(guò)一種稱(chēng)為自養(yǎng)呼吸（類(lèi)似于呼吸）的過(guò)程釋放一部分碳。吸收的碳和釋放的碳之間的差值被稱(chēng)為凈初級(jí)生產(chǎn)力。

“凈初級(jí)生產(chǎn)力衡量的是光合生物捕獲并提供給生態(tài)系統(tǒng)中幾乎所有其他生命的能量，”本文第一作者、杜克大學(xué)尼古拉斯環(huán)境學(xué)院李文紅實(shí)驗(yàn)室的研究員張玉龍說(shuō)道?！白鳛槭澄锞W(wǎng)的基礎(chǔ)，凈初級(jí)生產(chǎn)力決定了生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，為人類(lèi)提供食物和纖維，減輕人為碳排放，并有助于穩(wěn)定地球氣候。”

過(guò)去關(guān)于凈初級(jí)生產(chǎn)力的研究通常分別關(guān)注陸地或海洋生態(tài)系統(tǒng)。因此，科學(xué)家們?nèi)狈?duì)整個(gè)地球碳處理方式及其對(duì)減緩氣候變化努力影響的完整認(rèn)識(shí)。

在這項(xiàng)新研究中，研究小組研究了全球凈初級(jí)生產(chǎn)力的年度趨勢(shì)和變化，密切關(guān)注陸地變化與海洋變化之間的關(guān)系。

“如果你關(guān)注的是地球健康，需要同時(shí)關(guān)注陸地和海洋領(lǐng)域，以便對(duì)凈初級(jí)生產(chǎn)力有一個(gè)綜合的認(rèn)識(shí)。那些首次將陸地和海洋初級(jí)生產(chǎn)力結(jié)合起來(lái)的開(kāi)創(chuàng)性研究，在過(guò)去二十多年里都沒(méi)有得到實(shí)質(zhì)性的更新，”論文合著者、尼古拉斯學(xué)院Lee Hill Snowdon Bass主席Nicolas Cassar說(shuō)道，他與張教授共同負(fù)責(zé)了這項(xiàng)研究。

衛(wèi)星觀(guān)測(cè)為植物和海洋藻類(lèi)（稱(chēng)為浮游植物）的光合作用提供了持續(xù)的視角。具體來(lái)說(shuō)，專(zhuān)用衛(wèi)星儀器測(cè)量地表綠度，這代表著光合作用生物產(chǎn)生的一種名為葉綠素的綠色色素的豐度。然后，計(jì)算機(jī)模型將綠度數(shù)據(jù)與其他環(huán)境數(shù)據(jù)（例如溫度、光照和營(yíng)養(yǎng)變化）相結(jié)合，估算凈初級(jí)生產(chǎn)力。

這項(xiàng)新研究的作者使用了六種不同的基于衛(wèi)星的凈初級(jí)生產(chǎn)力數(shù)據(jù)集——三種用于陸地，三種用于海洋——涵蓋 2003 年至 2021 年。他們使用統(tǒng)計(jì)方法，分別分析了陸地和海洋凈初級(jí)生產(chǎn)力的年度變化。

他們發(fā)現(xiàn)，2003年至2021年間，陸地凈初級(jí)生產(chǎn)力顯著增加，每年碳排放量增加2億公噸。這一趨勢(shì)從溫帶地區(qū)普遍蔓延到北方地區(qū)或高緯度地區(qū)，但南美洲的熱帶地區(qū)除外。

相比之下，研究小組發(fā)現(xiàn)，同一時(shí)期海洋凈初級(jí)生產(chǎn)力總體下降了約1億公噸/年的碳。下降幅度最大的是熱帶和亞熱帶海洋，尤其是太平洋。

總而言之，陸地趨勢(shì)主導(dǎo)著海洋趨勢(shì)：2003年至2021年間，全球凈初級(jí)生產(chǎn)力顯著增加，每年增加1億公噸碳。

為了了解潛在的環(huán)境因素，研究小組分析了光照、空氣和海面溫度、降水量以及混合層深度等變量——混合層深度是反映風(fēng)、波浪和表面洋流在海洋上層混合程度的指標(biāo)。

“陸地初級(jí)生產(chǎn)力向更高方向轉(zhuǎn)變主要源于高緯度地區(qū)的植物，那里氣候變暖延長(zhǎng)了植物的生長(zhǎng)季節(jié)，創(chuàng)造了更適宜的溫度，而溫帶地區(qū)的一些地區(qū)則經(jīng)歷了局部濕潤(rùn)、森林?jǐn)U張和農(nóng)田集約化，”尼古拉斯學(xué)院地球與氣候科學(xué)教授、該研究的共同作者李文紅說(shuō)。

氣溫升高似乎對(duì)某些海洋區(qū)域產(chǎn)生了相反的影響。

“海面溫度上升可能會(huì)降低熱帶和亞熱帶地區(qū)浮游植物的初級(jí)生產(chǎn)力，”卡薩爾補(bǔ)充道?！拜^暖的海水會(huì)覆蓋在較冷的海水上，干擾藻類(lèi)生存所必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的混合。”

作者發(fā)現(xiàn)，盡管陸地推動(dòng)了全球初級(jí)生產(chǎn)力的總體增長(zhǎng)，但海洋主要影響了逐年的變化，特別是在厄爾尼諾和拉尼娜等強(qiáng)烈氣候事件期間。

“我們觀(guān)察到，海洋初級(jí)生產(chǎn)力對(duì)厄爾尼諾和拉尼娜現(xiàn)象的響應(yīng)遠(yuǎn)比陸地初級(jí)生產(chǎn)力強(qiáng)烈，”尼古拉斯學(xué)院氣候動(dòng)力學(xué)助理教授、論文合著者胡世能說(shuō)道?！耙幌盗欣崮痊F(xiàn)象是導(dǎo)致我們?cè)?015年后發(fā)現(xiàn)的海洋初級(jí)生產(chǎn)力趨勢(shì)逆轉(zhuǎn)的部分原因。這一發(fā)現(xiàn)凸顯了海洋對(duì)未來(lái)氣候變化的更高敏感性?！?/p>

這組作者說(shuō)，這項(xiàng)研究指出了陸地生態(tài)系統(tǒng)在抵消海洋浮游植物凈初級(jí)生產(chǎn)力下降方面的重要作用。

但他們補(bǔ)充說(shuō)，熱帶和亞熱帶海洋凈初級(jí)生產(chǎn)力的下降，加上熱帶陸地的停滯，可能會(huì)削弱熱帶食物網(wǎng)的基礎(chǔ)，并對(duì)生物多樣性、漁業(yè)和當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。隨著時(shí)間的推移，這些破壞還可能損害熱帶地區(qū)作為有效碳匯的能力，從而可能加劇氣候變暖的影響。

“海洋初級(jí)生產(chǎn)力的下降是否會(huì)持續(xù)下去——以及陸地生產(chǎn)力的增長(zhǎng)能在多長(zhǎng)時(shí)間和多大程度上彌補(bǔ)這些損失——仍然是一個(gè)尚未解答的關(guān)鍵問(wèn)題，這對(duì)于衡量所有生物的健康狀況以及指導(dǎo)減緩氣候變化具有重大意義，”張教授說(shuō)?！白鳛榈厍虻慕M成部分，對(duì)陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)期、協(xié)調(diào)的監(jiān)測(cè)至關(guān)重要?！?/p>

編譯自/scitechdaily