全球光合作用 “一升一降”：陆地每年增2亿吨碳，海洋却在减少！
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关键信息导读：
[*]2003年~2021年，陆地净初级生产力以每年2亿吨碳的速率显著增加，海洋净初级生产力每年约减少1亿吨碳，全球净初级生产力以每年1亿吨碳的速率显著增加；
[*]陆地初级生产力增加主要源于高纬度地区植物因气候变暖延长生长季节、温带地区局部湿润等，而海面温度上升降低了热带和亚热带地区浮游植物的初级生产力；
[*]海洋初级生产力对厄尔尼诺和拉尼娜的响应比陆地强烈得多，一系列拉尼娜事件在一定程度上导致了2015年后海洋初级生产力趋势逆转。
本文约4300字，阅读约8分钟
文 | 王海诗
出品 | 海潮天下
在全球气候变化这个复杂系统中，陆地和海洋正在经历一场悄然进行的“功能转换”。这种变化并不是发生在肉眼可见的森林火灾、或珊瑚白化事件中，而是体现在一个更基础却很关键的过程上——光合作用。
最近，美国杜克大学牵头的一项研究通过对2003~2021年间的卫星观测数据进行分析，揭示出一个趋势：全球的净初级生产力正在发生显著变化，而这背后，是陆地和海洋生态系统对气候变化迥然不同的响应方式。该研究于2025年8月1日发表在《自然·气候变化》期刊上。
（图文无关）▲上图：瑞士的油菜花田。每当春季到来，广阔的田野便会被金黄色的油菜花覆盖。摄影：肖莹佳 | 海潮天下（Marine Biodiversity）
我们知道，光合作用是维系地球生命体系的基础过程，由植物和浮游藻类等初级生产者完成。它们吸收阳光，将空气中的二氧化碳固定为有机物，并构建起生态系统的食物链。
首先说说净初级生产力（Net Primary Production，简称NPP），它是指植物和其他光合生物通过光合作用吸收二氧化碳并合成有机物的能力，减去它们自身呼吸作用所释放的碳之后的“净收益”。这是衡量生态系统碳吸收能力、整体活力的重要指标，同时也直接关系到人类赖以生存的碳循环系统的稳定性。
这项研究首次将陆地和海洋的NPP长期趋势进行了并列分析。该研究团队使用了六个基于卫星的NPP数据集——三组来自陆地，三组来自海洋，系统追踪了2003至2021年间的年际变化。结果显示，全球NPP整体呈增长趋势，平均每年净增长约0.11亿吨碳。
这个结果，乍看之下令人欣慰，但当研究人员将陆地和海洋分别拆开来看时，发现了一个明显的对比：陆地NPP以每年约0.20亿吨碳的速度持续增长，而海洋NPP却呈现出每年约0.12亿吨碳的下滑趋势。虽然总量上陆地的增长抵消了海洋的下降，但这种“此消彼长”的格局揭示出不同生态系统在全球变暖背景下表现出的不对称性。
（图文无关）上图：2024年9月6日早上，超强台风“摩羯”到来之前，香港西贡一带沿海风光。摄影：裘德卫（Saul Dewei chiu）| 海潮天下
陆地NPP的增长并不是偶然现象。该研究表明，主要推动因素来自高纬度地区气温的升高，这种变暖延长了植物的生长季，为光合作用提供了更长的窗口期。此外，中纬度某些地区降水的增加、森林面积的扩展以及农业集约化程度的提高，也在不断推动陆地生态系统吸收更多的碳。
换句话说，随着气候变暖，部分陆地地区在短期内反而变得更适合植物生长，这使得它们的生产力水平显著提高。
不过，海洋的反应却显得更加脆弱。特别是在热带和亚热带地区，浮游植物的NPP正在下降。这主要是由于海水表层温度的上升导致水体分层加剧，进而阻碍了深层营养盐的上升。营养盐的供应一旦不足，浮游植物的光合作用效率便会受到严重限制，进而影响整个海洋食物链的基础。
这种变化并非只存在于某一两个海域，而是广泛出现在全球多个热带和副热带洋盆中，尤其是在太平洋地区更为明显。
尽管从长期趋势看，陆地成为全球NPP增长的主力军；但从年际波动的角度看，海洋对全球NPP变化的影响更大，尤其是在经历诸如厄尔尼诺、或拉尼娜等强烈气候事件时更是如此。研究人员指出，海洋浮游植物对这些气候异常事件的响应更加敏感，导致海洋NPP在这些年份出现明显波动。这种高度敏感性说明，海洋生态系统在未来气候不确定性加剧的情况下，可能面临更大的波动性甚至退化风险。
（图文无关）▲上图：软珊瑚。©摄影：王敏幹（John MK Wong）| 海潮天下
“我们观察到，海洋初级生产力对厄尔尼诺和拉尼娜的响应比陆地初级生产力强烈得多，” 该研究的共同作者、尼古拉斯学院气候动力学助理教授胡仕能（Shineng Hu, 音译）说，“一系列拉尼娜事件在一定程度上导致了我们在 2015 年后确定的海洋初级生产力趋势逆转。这一发现凸显了海洋对未来气候变化的更高敏感性。”
更令人担忧的是，热带地区——无论陆地还是海洋——都显示出NPP增长停滞甚至下降的趋势。由于这些地区原本就是地球碳汇的重要组成部分，一旦它们的生产力受限，不仅会对当地生态系统造成影响，还可能对全球碳循环产生深远的负面效应。这种变化的连锁反应可能会影响生物多样性、渔业资源以及以自然生态为基础的经济体系，最终回到人类社会本身。
▲上图：这张图片展示了2003~2021年全球净初级生产力（NPP）的年度趋势，所谓净初级生产力，即地球上光合生物的净碳获取量。它直观呈现了这19年间陆地与海洋生态系统中，光合生物在固定碳并扣除自养呼吸消耗后，碳净积累的变化态势，为理解全球生态系统的碳循环动态提供了一个比较清晰的视觉参考。图源：张玉龙等人，杜克大学
这项研究，对当前和未来的气候治理策略提出了重要启示。它打破了以往陆地和海洋系统“各自为政”的研究模式，强调了将两者视为一个整体的重要性。陆地和海洋在碳吸收与释放方面彼此关联、互为影响，单独看任何一方都无法全面反映地球生态系统的真实运行状态。此外，它也揭示了在全球变暖的大背景下，陆地生态系统目前表现出一定的“韧性”，但，这种趋势是否能够长期维持，仍充满不确定性。一旦温度继续上升、干旱频发或其他极端气候事件加剧，陆地系统的生产力也有可能出现转折。
海洋生态系统的脆弱性则更为紧迫。虽然它们对年际气候变化的反应迅速，具备一定的“调节能力”，但当营养循环受阻、温度持续升高的趋势持续存在时，海洋生态系统可能会逐步失去恢复的弹性，进而影响整个地球系统的稳定。
因此，研究团队呼吁，应建立长期、系统、协同的陆-海一体化观测体系，持续追踪NPP的变化趋势。这不仅对于理解地球碳循环和生态系统响应机制至关重要，也有助于制定更有针对性、更具前瞻性的气候变化应对策略。
（图文无关）陆海交接之处。摄影：裘德卫（Saul Dewei chiu）| 海潮天下
在全球气候变化的棋局中，森林与海洋并非对立的两方，而是共同承担起维持地球生态平衡的任务。它们各自在变暖时代下经历着不同的挑战，也展现出不同的响应能力。这项研究，让我们看到了这场“光合作用变局”的全貌：一个更努力的陆地系统、和一个正在退步的海洋系统，二者共同塑造了当前的碳循环格局。而它们未来的走向，将深刻影响人类社会在应对气候危机中的选择空间与政策走向。
地球系统的每一次悄无声息的变化，都可能是未来冲击的前奏。 “我们尚无法判断陆地生态系统能否持续抵消海洋的生产力损失。” 该研究第一作者、杜克大学尼古拉斯环境学院李文洪实验室的张玉龙博士（音译）表示，“但可以肯定的是，只有将陆地和海洋视为一个不可分割的整体，才能真正理解地球系统的未来走向。”
图源：Nature Climate Change
感兴趣的海潮天下（Marine Biodiversity）读者可以参看该研究的全文：
“Contrasting biological production trends over land and ocean,” Zhang Y., Li W., Sun G., Mao J., Dannenberg M., Xiao J., Li Z., Zhao H., Zhang Q., Hu S., Song C. and Cassar N. Nature Climate Change, Aug. 1, 2025, DOI: 10.1038/s41558-025-02375-1.
海潮天下·读而思
【思考题】学而时习之
Q1: 陆地NPP看似在“增产”，但这背后真的是生态系统变健康了吗？这个研究显示陆地植物的光合作用能力在持续增强，尤其是在高纬度地区。但我们该警惕的是：这种“增产”可能并不等于生态系统的“恢复”或“健康”。是不是更多依赖于人为的因素，比如灌溉、施肥、植被快速扩张？还有一个值得思考的角度是，这种碳增汇是否伴随着生态脆弱性，比如更容易受到干旱、病虫害和火灾的影响？从长期看，你觉得，这到底是“红利期”还是“透支期”呢？
Q2：这项研究指出，热带和亚热带的海洋地区正是NPP下降最明显的区域。而热带生态系统原本是全球碳循环中重要的“碳汇”。那么一个棘手的问题就来了——如果这种趋势继续的话，热带的碳吸收功能是否会突破临界点、出现“翻转”？以及，海洋浮游植物减少后，会不会触发整个热带食物链的塌缩效应、从而使热带地区从“碳汇”变成“碳源”呢？
Q3：当前大多数地球系统模型，在模拟碳循环和气候反馈时，是否已经充分捕捉到了这种“陆地贡献上升、海洋贡献下降”的新趋势呢？如果模型还是建立在“海陆贡献相对平衡”的假设上，那未来的碳预算预测可能就有系统性误差。那么，是否应该重新校准全球碳模型的权重机制？特别是在面对不确定性越来越高的气候情景下，是不是应该为“区域性崩溃”预留更大的响应空间？
Q4，退一部说，虽然这个研究使用了多个遥感数据集，观察到了陆地NPP显著上升的趋势，尤其是在高纬度地区。不过，作者团队对NPP增加的解释，是否有点过度依赖了“绿化”等表层指标（将这一现象主要归因为“气候变暖拉长了生长季”“局地湿润化”“森林扩张”等自然因子）、而忽视了生态系统结构和功能的真实变化了呢？（问题在于，遥感绿度或表观NPP的增加，并不总是等同于生态系统结构、碳储存能力或生态功能的提升）在未来在模型和进一部的数据解读中，有没有可能引入“功能性碳汇”or“碳驻留时间”的视角？
Q5、这个论文指出热带和亚热带海域NPP下降，主要归因于海表升温抑制了上层混合、减少了营养物供应（虽然这一解释符合当前的主流观点）。但是这种分析框架，是否过于依赖线性趋势？海洋生态系统的临界阈值行为（tipping points）在其中可能扮演什么角色？厄尔尼诺、以及尼娜驱动的短期波动是否掩盖了深层长期下降趋势？
环境科学前沿
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声明：本文仅代表资讯，供读者参考，不代表平台观点。
论文来源 | Zhang, Y., Li, W., Sun, G. et al.
文 | 王海诗（Amphitrite Wong）
审核 | Linda Wong
日期 | 2025年8月5日
参考资料
https://www.nature.com/articles/s41558-025-02375-1
https://nicholas.duke.edu/news/study-identifies-global-upswing-photosynthesis-driven-land-offset-oceans
https://www.sciencedaily.com/releases/2025/08/250802022926.htm
https://nicholas.duke.edu/people/staff/yzhang
https://xueshu.baidu.com/scholarID/CN-BJG9YZJK
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