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

作者：Fei Li, Jingfeng Xiao, Jiquan Chen, Ashley Ballantyne, Josep Peñuelas, Julia K. Green, Shichao Tian, Yingjun Zhang, Benjamin Poulter, Stephen Sitch, Jiming Jin, Xinmiao Hu, Gang Bao

期刊：Nature Geoscience

中科院分区：1区

发布日期：2026年4月1日

DOI：10.1038/s41561-026-01957-8

论文封面

摘要：大气CO2浓度、气温和饱和水汽压差的升高显著影响植物光合作用和陆地碳吸收，但这些驱动因子如何在不同气候区域交互改变光合作用尚不清楚。本研究利用全球分布的FLUXNET测量数据和基于卫星衍生的机器学习总初级生产力（GPP）估算（1982-2022年），揭示了旱地与湿润区之间植被生产力的不对称转变。这一转变以2001年以来旱地GPP增速的大幅放缓为主导，主要归因于与VPD升高相关的水分约束。相比之下，湿润区表现出GPP的持续增加，响应气温和大气CO2的升高。值得注意的是，动态全球植被模型和地球系统模型在历史模拟和未来预测中均未能捕捉这种分异。鉴于大气干旱的加剧和旱地的持续扩张，我们预期全球光合能力将面临广泛的水分约束，可能限制陆地碳汇。因此，我们倡导优先在旱地制定适应性策略，在湿润区推进基于自然的解决方案，以加强全球气候行动。

📡 研究背景

近几十年来，大气理化性质发生了剧烈变化，特别是CO2浓度（Ca）、气温（Ta）和饱和水汽压差（VPD）的增加及其相互作用显著塑造了陆地光合作用和碳吸收。大量研究表明，升高的气温和大气CO2的施肥效应增强了陆地生态系统的光合碳同化。然而，近期研究暗示由于CO2施肥效应减弱、温度超过生理最适值以及干旱和热浪的增加，湿润区域的植被碳吸收可能正在减速甚至逆转。因此，陆地生态系统在减缓气候变暖方面是增强还是减弱贡献仍不确定。

与湿润区域相比，旱地生产力较低，通常被认为对全球陆地碳吸收的贡献较小，但多项研究报道干旱和半干旱生态系统对全球生态系统碳吸收趋势和年际变率产生了不成比例的影响。这两个视角突出了生态系统功能的不同方面——碳吸收能力与变率——然而旱地和湿润区如何差异化调控全球陆地碳吸收的幅度、变率和长期趋势仍知之甚少。更好地理解升高的Ca、升高的Ta和增加的VPD如何交互影响不同生物气候区域的光合碳吸收，对于预测陆地净碳吸收及其碳-气候反馈至关重要。

🌍 主要方法

1. 基于机器学习的全球GPP估算

研究使用24种机器学习（ML）算法的集合估算，融合长期卫星观测（NDVI）、气候再分析数据和全球重新编制的FLUXNET涡度相关（EC）观测数据，在光能利用率（LUE）逻辑指导下建立模型，驱动变量包括卫星衍生的NDVI、光合有效辐射（PAR）、气温、VPD、土壤水分变化和植物功能型（PFT）特定的最大光能利用率，生成1982-2022年月尺度0.1°×0.1°分辨率的全球GPP格点数据。

2. 旱地与湿润区的划分

使用干旱指数（AI），即年平均降水量（MAP）与年平均潜在蒸散发（PET）的比值，来区分旱地（AI ≤ 0.65）和湿润区（AI > 0.65）。AI ≤ 0.65的旱地包括超干旱（AI < 0.03）、干旱（0.03-0.2）、半干旱（0.2-0.5）和干亚湿润（0.5-0.65）气候区。PET采用FAO-56 Penman-Monteith方法计算。

3. 植物气孔理论与环境因子交互分析

基于Fick定律和Clausius-Clapeyron方程，通过植物气孔导度整合CO2和水汽交换路径，推导出环境因子的综合效应（Ta × Ca/VPD）来近似描述净CO2同化速率。同时使用偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）检验气候因子和大气CO2对GPP的影响。

4. 模型对比分析

将基于观测约束的ML-GPP估算与TRENDY-v12项目中20个动态全球植被模型（DGVM）和CMIP6中6个地球系统模型（ESM）的GPP模拟进行对比，评估模型对旱地与湿润区GPP趋势分异的捕捉能力，并分析SSP5-8.5情景下的未来预测。

🌍 数据来源

1. 卫星遥感数据

● MODIS NDVI（MOD13C2产品）：空间分辨率0.05°×0.05°，时间范围2000年2月至2022年12月

● AVHRR GIMMS NDVI3g：空间分辨率0.08°，时间范围1981年7月至2015年12月

● MODIS土地覆盖产品（MCD12Q1）：空间分辨率500m，基于IGBP分类方案，识别11种植物功能型

● OCO-2 GOSIF太阳诱导叶绿素荧光数据：用于独立验证ML-GPP估算（2001-2022年）

2. 气象再分析数据

● ERA5-Land月均气候再分析数据：空间分辨率0.1°×0.1°，时间范围1982-2022年，包含气温、露点温度、大气压、太阳辐射、风速、降水和土壤水分

● 9套长期月尺度格点降水数据集：包括ERA5-Land、GPCC、CRU、PREC/L、CMAP、MSWEP、NOAA CPC、MERRA-2和TerraClimate，用于量化降水变率的不确定性

3. 涡度相关（EC）通量数据

● 全球292个EC站点数据（1997-2022年）：涵盖145个森林站点、32个灌丛站点、18个稀树草原站点、60个草地站点和37个农田站点，包含25180个月度GPP记录和27097个月度ET记录

● 数据来源：AmeriFlux、ICOS、USCCC、ChinaFlux和OzFlux等区域EC通量网络

4. 模型输出数据

● TRENDY-v12：20个动态全球植被模型（DGVM）的GPP输出（1982-2022年，S3模拟）

● CMIP6：6个地球系统模型的GPP和气候变量（1982-2100年，SSP5-8.5情景），包括ACCESS-ESM1.5、CESM2、CanESM5、EC-Earth3、MIROC6和MPI-ESM1.2-LR

🔍 研究结果

1. 旱地与湿润区光合碳吸收的不对称变化

研究估算表明，1982至2022年全球年均GPP为132.3±4.39 PgC yr⁻¹。旱地占全球植被面积的近30%，但仅贡献总光合碳吸收的20.48±0.91 PgC yr⁻¹（15.49%），而湿润区贡献111.82±4.29 PgC yr⁻¹（84.51%）。全球光合碳吸收在1982-2000年至2001-2022年间增加了3.26±0.23 PgC yr⁻¹，其中湿润区贡献了92.6%，旱地仅贡献7.4%。

在单位面积基础上，旱地在1982-2000年期间的光合作用增速（2.74±0.37 gC m⁻² yr⁻²）与湿润区（2.89±0.38 gC m⁻² yr⁻²）相当。然而，自2001年以来，旱地光合作用趋势变得统计上不显著（0.77±0.39 gC m⁻² yr⁻²，P = 0.21），GPP仅增加1.18%（0.24±0.24 PgC yr⁻¹）。相比之下，湿润区在2001-2022年期间GPP持续增加（2.49±0.43 gC m⁻² yr⁻²，P < 0.001），相对于1982-2000年增加了2.74%（3.02±0.63 PgC yr⁻¹）。FLUXNET EC网络的283个站点的分析同样证实了这种分异：湿润区EC站点显示出稳健的年际GPP增加趋势（后验均值斜率=7.1 gC m⁻² yr⁻²），而旱地EC站点仅显示出微弱且高度不确定的趋势（后验均值斜率=3.74 gC m⁻² yr⁻²）。

图1 1982-2000年与2001-2022年全球旱地与湿润区GPP变化速率的不对称性（原文Fig. 1）   

2. 环境因子的交互作用对全球光合作用的影响

环境因子的综合效应（Ta × Ca/VPD）在1982-2022年期间主导了GPP的变化。自2001年以来，（Ta × Ca/VPD）与GPP的相关性更强，表明相对于CO2施肥效应，气候影响有所加剧。PLS-SEM路径系数进一步表明，2001-2022年期间GPP因气温增强（1.10）和CO2施肥（1.11）而增加，但VPD的上升（-1.35）同时约束了光合碳吸收。对于旱地，PLS-SEM分析显示CO2施肥效应仅有适度影响（0.79），同时VPD约束加剧（-1.25），且气温在1982-2000年和2001-2022年期间均呈统计上不显著的效应。VPD升高引起的气孔下调，通过限制CO2向羧化和电子传递过程的供应，日益抑制了旱地的光合作用。

在湿润区，气温升高的持续正影响仍然明显。根据Fick定律和Clausius-Clapeyron方程，气温升高可以增大叶内和大气水汽压之间的差异，从而增强蒸腾和光合能力，前提是蒸散的水分可利用性不受限制。使用9套降水数据集模拟ET的结果表明，全球旱地的ET增加仅为2.08±4.54 mm yr⁻¹，远低于湿润区（13.2±1.28 mm yr⁻¹），尽管旱地经历了更大的PET增加（约比湿润区高50%）。这种不对称变化与Budyko理论的预测一致，即生态系统从能量限制（PET/P < 1）向水分限制（PET/P > 1）转变的响应。在湿润区，PET与GPP在整个1982-2022年期间呈显著正相关；而在旱地，2001-2022年期间PET与GPP呈负相关（r = -0.39，P = 0.07）。

图2 环境因子之间的交互作用及其对旱地与湿润区GPP的影响（1982-2022年）（原文Fig. 2）   

3. DGVM和ESM模型对历史与未来光合作用的模拟偏差

根据TRENDY-v12 S3实验中20个DGVM的模拟，1982-2022年全球陆地生态系统的年均GPP为122.71±15.05 PgC yr⁻¹，旱地和湿润区分别贡献13.5%和86.5%，与基于卫星衍生的ML-GPP估算的相对贡献相似。然而，由于DGVM施加了Ca和Ta升高对光合作用的持续正效应，且未能充分解释水分约束的广泛出现，它们估算的全球GPP增速约为观测约束的ML估算的两倍（3.59±0.72 vs. 1.62±0.36 gC m⁻² yr⁻²），旱地GPP增速更是ML估算的三倍以上（2.09±0.67 vs. 0.65±0.36 gC m⁻² yr⁻²）。ML方法稳健识别的2001年以来旱地GPP的非显著变化，DGVM未能捕捉，反而模拟出显著的增加趋势（2.76±0.75 gC m⁻² yr⁻²，P < 0.001）。

类似地，ESM预测旱地GPP将继续增强，2001-2022年增加2.97±1.56 gC m⁻² yr⁻²，2041-2060年升至4.51±3.91 gC m⁻² yr⁻²，2081-2100年在SSP5-8.5情景下缓和至3.14±5.08 gC m⁻² yr⁻²。这一轨迹以PET的显著增加和降水的相对弱趋势为特征。值得注意的是，除ACCESS-ESM1.5外，所有模型均显示旱地GPP对升温的显著增加响应，突出了在预测陆地生态系统光合能力方面的不确定性和潜在高估。

在SSP5-8.5情景下，6个CMIP6 ESM预测全球植被陆地PET将持续增加（2.86±0.76 mm yr⁻²，P < 0.001），旱地将向原湿润区域扩张，主要由VPD升高驱动。相对于1982-2022年旱地面积（占全球植被面积的25.87%-28.54%），到2041-2060年将有超过34.57±2.94%的全球植被面积面临加剧的水分约束，到21世纪末（2081-2100年）这一比例预计增至37.85±3.63%。若按Budyko理论设定水分约束阈值为1.0，到2041-2060年将有超过54.04±3.34%的全球植被面积经历水分胁迫，到2081-2100年升至57.9±3.93%。

图3 全球旱地与湿润区GPP趋势的历史估算与未来预测及旱地扩张（原文Fig. 3）   

⚛️ 结论

主要发现：

1.旱地GPP增速自2001年以来显著放缓：旱地光合碳吸收增速从1982-2000年的2.74±0.37 gC m⁻² yr⁻²下降至2001-2022年的0.77±0.39 gC m⁻² yr⁻²（统计上不显著），GPP仅增加1.18%，远低于湿润区的2.74%增幅。

2.VPD升高导致的水分约束是主导驱动因素：VPD上升通过气孔下调限制了旱地的CO2供应，尽管大气CO2升高具有一定的施肥效应，但水分约束对旱地光合碳吸收的负面影响远超湿润区。

3.动态植被模型和地球系统模型存在系统性偏差：DGVM估算的全球GPP增速约为观测约束的两倍，旱地GPP增速更是ML估算的三倍以上。ESM模型继续预测旱地GPP的持续增强，未能捕捉2001年以来的增速放缓。

4.未来水分约束范围将大幅扩展：在SSP5-8.5情景下，到2081-2100年超过37.85%的全球植被面积将被旱地覆盖（按AI ≤ 0.65定义），按Budyko水分约束阈值（PET/P = 1）计算，将有57.9%的全球植被面积面临水分胁迫。

管理启示：

●优先制定旱地适应性策略：随着旱地扩张和大气干旱加剧，旱地生态系统对降水波动的脆弱性将进一步加剧，需要针对农业和牧场生态系统制定适应性管理策略。

●在湿润区推进基于自然的解决方案：湿润区是未来光合碳吸收增长的主要潜力区域，应通过生态修复和保护增强其碳汇功能。

●改进气候模型的水分约束表征：当前DGVM和ESM对旱地光合作用的系统性高估可能导致对陆地碳汇减缓气候变暖能力的过度乐观估计，需要改进模型对VPD升高和水分约束的表征。

🔖 引用格式

Li Fei, Xiao Jingfeng, Chen Jiquan, Ballantyne Ashley, Peñuelas Josep, Green Julia K., Tian Shichao, Zhang Yingjun, Poulter Benjamin, Sitch Stephen, Jin Jiming, Hu Xinmiao, Bao Gang. Dryland dominance in the slowdown of global vegetation carbon uptake[J]. Nature Geoscience, 2026. https://doi.org/10.1038/s41561-026-01957-8

📋作者信息

该成果以“Dryland dominance in the slowdown of global vegetation carbon uptake”为题发表在Nature Geoscience。中国农业科学院草原研究所李飞研究员为第一作者兼通讯作者，新罕布什尔大学肖劲锋教授为共同通讯作者，美国密歇根大学陈吉泉教授等13位科研人员参与了此项研究。本研究得到国家自然科学基金（42471426），内蒙古自治区科技计划项目（2025YFDZ0055）和内蒙古自治区科技攻关项目（2025KJTW0026）共用支持。     

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