NG | 旱地主导全球植被碳吸收增速放缓

期刊名称： Nature Geoscience

论文题目：Dryland dominance in the slowdown of global vegetation carbon uptake

出版时间： 2026年04月01日

DOI： https://doi.org/10.1038/s41561-026-01957-8

摘要

陆地生态系统长期被视为抵消人为碳排放的重要天然碳汇，而植被总初级生产力（GPP）是衡量其碳吸收能力的关键指标。本研究基于全球分布的 FLUXNET 通量塔观测以及卫星约束的机器学习升尺度 GPP 数据，系统分析了 1982—2022 年全球干旱区与湿润区植被生产力的长期变化。结果表明，进入 21 世纪后，全球植被碳吸收增速放缓的现象主要由旱地主导：干旱区 GPP 自 2001 年以来几乎不再持续增长，而湿润区 GPP 仍保持上升趋势。机制分析显示，干旱区 GPP 放缓主要受饱和水汽压差（VPD）升高带来的大气干旱与水分限制增强所驱动，而湿润区则仍可从升温与大气 CO₂ 增加中获得一定促进作用。进一步比较发现，当前主流动态全球植被模型和地球系统模型未能有效再现这种干旱区与湿润区之间的不对称变化，说明现有模型对水分—碳耦合过程的刻画仍存在明显不足。研究指出，在未来大气干旱持续加剧、干旱区进一步扩张的背景下，全球陆地碳汇可能面临更广泛的水分限制。

研究背景

过去几十年，大气 CO₂ 浓度持续升高，叠加气候变暖，使得“CO₂ 施肥效应”被普遍认为会增强植被光合作用和陆地碳汇能力。但与此同时，全球多地又频繁出现植被生长减缓、生态系统生产力波动加剧甚至局地植被退化等现象。这意味着，CO₂ 增加并不一定能够无条件转化为更强的碳吸收能力，生态系统对气候变化的响应可能受到水分条件的强烈约束。

旱地约占全球陆地面积的较大比例，是全球碳循环年际波动的重要贡献区，同时也是对气候变化最敏感的区域之一。与湿润区相比，旱地生态系统更容易受到降水不足、蒸散增强和大气干旱的共同制约。因此，一个关键问题是：全球植被碳吸收增速放缓究竟主要发生在哪些区域？这种放缓的主导机制究竟是温度、CO₂，还是正在持续增强的大气水分亏缺？本研究正是在这一背景下，系统比较了干旱区与湿润区植被生产力的长期分化趋势及其气候驱动机制。

研究内容与方法

核心科学问题

本研究重点回答以下问题：

1. 全球植被碳吸收增速放缓是否存在显著的气候区分异，即干旱区与湿润区是否表现出不同趋势？
2. 在不同气候区中，温度、CO₂ 和 VPD 对 GPP 长期变化的相对作用有何差异？
3. 当前主流动态植被模型与地球系统模型能否正确模拟这种区域分化及其未来演变？

主要数据来源

FLUXNET 通量塔观测与机器学习升尺度 GPP 产品： 研究以全球分布的 FLUXNET 涡度协方差观测为基础，构建并使用 ML- and FLUXNET-based Carbon and Water Fluxes（MF-CW v2）数据集，对全球 GPP 与蒸散发进行机器学习升尺度估算。该产品覆盖 1982—2022 年，空间分辨率为 0.1°，是本文识别长期生产力变化趋势的核心数据来源。

卫星与植被观测数据： 为提高长期估算稳定性与区域解释能力，研究综合使用多源遥感数据，包括 AVHRR NDVI3g、MODIS 以及 OCO-2 太阳诱导叶绿素荧光等植被相关观测，用于约束长期植被活动与光合作用变化。

气候与水分因子数据： 研究整合 ERA5-Land、CRU TS、GPCC、MERRA-2 和 TerraClimate 等气象与再分析产品，提取温度、降水、VPD 等关键环境变量，以识别不同区域 GPP 变化的主导气候因子。

模型模拟数据： 为检验过程模型对观测事实的再现能力，研究进一步比较了 TRENDY 动态全球植被模型和 CMIP6 地球系统模型的历史模拟结果，并结合未来高排放情景下的模拟，评估全球植被碳吸收可能面临的风险。

分析方法

研究在全球尺度上分别分析 1982—2000 年和 2001—2022 年两个阶段干旱区与湿润区 GPP 的变化特征，识别 21 世纪前后趋势是否发生转折。在方法上，作者综合使用多套机器学习估算结果进行集成分析，并结合趋势检验、相关分析和偏最小二乘结构方程模型等统计方法，定量评估温度、CO₂ 与 VPD 对 GPP 的相对影响。同时，研究将观测约束结果与 TRENDY、CMIP6 模型输出进行对比，以判断现有模型是否能够重现观测到的区域不对称响应。

研究结果

1. 21 世纪以来全球植被碳吸收放缓主要由旱地主导

研究表明，在 1982—2000 年间，干旱区与湿润区的 GPP 整体均呈增长趋势，说明早期全球植被碳吸收普遍增强。然而在 2001—2022 年间，两类区域开始明显分化：湿润区 GPP 仍持续增加，而干旱区 GPP 增长几乎停滞。也就是说，全球植被碳吸收增速放缓并非各区域同步发生，而是主要集中在旱地系统中。

2. 干旱区的关键限制因子是不断增强的大气干旱

机制分析显示，进入 21 世纪后，干旱区 GPP 放缓最核心的驱动力是 VPD 上升。VPD 增加意味着大气“更渴”，植物需要通过减少气孔开放来抑制水分损失，但这同时也会限制 CO₂ 进入叶片，从而压制光合作用。相比之下，在湿润区，VPD 的抑制作用相对较弱，升温与 CO₂ 增加仍对 GPP 具有较明显的促进作用。因此，相同的全球变化背景在不同水分区产生了显著不同的生态后果。

3. CO₂ 施肥效应并不能完全抵消旱地水分约束

研究进一步指出，虽然大气 CO₂ 升高总体上有利于提升植被光合潜力，但在干旱区，这种促进作用会被更强的水分限制显著削弱。换言之，旱地生态系统并非没有受益于 CO₂ 增加，而是这种收益不足以抵消由大气干旱加剧所带来的负面影响。这也是为什么全球“增绿”背景下，旱地植被生产力仍可能表现出增速放缓甚至停滞。

4. 主流过程模型未能重现干旱区与湿润区的分化格局

无论是 TRENDY 动态全球植被模型还是 CMIP6 地球系统模型，在历史时期模拟中都未能较好再现观测约束结果所揭示的区域差异。模型普遍高估了 2001 年以后干旱区 GPP 的持续增长能力，低估了 VPD 增加对旱地碳吸收的抑制效应。这说明当前模型在水分胁迫、气孔调控以及碳—水耦合机制的表达上仍存在系统偏差。

5. 未来全球陆地碳汇可能面临更广泛的水分限制风险

研究认为，若未来持续变暖并伴随更高的大气干旱程度，旱地范围可能进一步扩张，全球更多区域的植被碳吸收都将受到类似水分约束。由于当前模型对这一风险存在低估，未来全球陆地碳汇能力的预测可能偏乐观。这一结果对陆地碳汇评估、生态系统管理与气候变化应对策略都具有重要启示。

研究结论

1. 全球植被碳吸收增速放缓具有显著空间异质性，核心减速区主要集中在旱地生态系统；
2. 进入 21 世纪后，干旱区 GPP 增长几乎停滞，而湿润区 GPP 仍保持增加，表明两类区域对全球变化的响应存在明显分化；
3. 干旱区 GPP 放缓的关键机制是 VPD 升高所导致的大气干旱增强及水分限制加剧，而湿润区则更多受到升温和 CO₂ 增加的正向驱动；
4. 当前主流动态植被模型和地球系统模型普遍低估了旱地水分限制对植被碳吸收的抑制作用，尚不能充分再现观测到的区域不对称变化；
5. 在未来气候变化背景下，若大气干旱持续增强并推动旱地扩张，全球陆地碳汇能力可能进一步受到水分约束，相关风险需要在模型改进与生态管理中被优先考虑。

主要图表