2003至2021年间，地球光合作用总量呈现净增长，这主要得益于陆地植物在气候变暖、降水增加环境下的蓬勃生长——尤其在温带及高纬度地区。与此同时，海洋藻类在热带水域分层加剧、营养匮乏的困境中艰难生存。科学家通过卫星数据追踪到这种全球能量格局的转变，揭示出陆地生态系统不仅增加了更多生物量，还通过吸收更多碳元素为气候稳定作出贡献。
光合生物——亦称初级生产者——构成了食物链的基础，使地球上大多数生命得以存在。初级生产者利用来自太阳的能量，将空气中的碳固定或转化为有机物或含碳物质。但初级生产者也会通过一种称为自养呼吸的过程释放碳，该过程在某种程度上类似于呼吸。扣除呼吸作用损失后的碳获取速率被称为净初级生产量。
「净初级生产量衡量光合生物捕获并转化为生态系统内几乎所有其他生命可用能量的总量，」第一作者、杜克大学尼古拉斯环境学院李文宏实验室研究科学家张玉龙（音译）表示。「作为食物网的基础，净初级生产量决定着生态系统健康，为人类提供食物和纤维，缓解人为碳排放，并有助于稳定地球气候。」
先前对净初级生产量的研究通常侧重于陆地或海洋生态系统，导致我们对地球整体净初级生产量及其对气候减缓潜在影响的理解存在空白。
在本研究中，该团队探索了全球净初级生产量的年度趋势和变异性，重点关注陆地与海洋生态系统之间的相互作用。
「若要评估地球健康，需综合考察陆地和海洋领域的净初级生产量。首次整合陆地和海洋初级生产量的开创性研究已有二十多年未获实质性更新，」共同通讯作者、尼古拉斯学院李·希尔·斯诺登·巴斯讲席教授尼古拉斯·卡萨尔指出。
卫星洞察
卫星观测为植物和被称为浮游植物的海洋藻类的光合作用提供了连续视角。具体而言，专用卫星仪器测量地表绿度，其代表光合生物产生的绿色色素叶绿素的丰度。计算机模型随后将绿度数据与其他环境数据（如温度、光照和营养盐变率）结合，估算净初级生产量。
新研究作者使用了2003至2021年间六种不同的卫星净初级生产量数据集——三种针对陆地，三种针对海洋。他们运用统计方法分别分析了陆地和海洋净初级生产量的年度变化。
研究发现陆地净初级生产量显著增长，2003至2021年间年均增长2亿公吨碳。该趋势从温带至北方（高纬度）区域广泛存在，唯南美洲热带地区呈现显著例外。
相较之下，团队发现同期海洋净初级生产量整体下降，年均减少约1亿公吨碳。主要下降区域集中在热带和亚热带海洋，尤以太平洋最为显著。
总体而言，陆地趋势主导海洋：2003至2021年全球净初级生产量以年均1亿公吨碳的速率显著增长。
环境驱动因素
为探究潜在环境因素，团队分析了光照可用性、气温与海表温度、降水及混合层深度等变量——混合层深度反映风浪和表层洋流对海洋顶层混合的程度。
「陆地初级生产量的增长主要源于高纬度植物，该区域气候变暖延长了生长季并创造了更有利的温度条件；此外温带地区部分区域的局部湿润化、森林扩张和农田集约化也贡献显著，」研究合著者、尼古拉斯学院地球与气候科学教授李文宏（音译）解释道。
在某些海域，升温似乎产生了相反效应。
「海表温度上升可能降低了热带和亚热带区域浮游植物的初级生产量，」卡萨尔补充道。「较暖海水会在较冷海水上方形成分层，阻碍藻类生存必需营养盐的混合。」
作者发现，尽管陆地驱动了全球初级生产量的整体增长，但海洋主要影响年际变率，尤其在厄尔尼诺和拉尼娜等强气候事件期间。
「我们观察到海洋初级生产量对厄尔尼诺和拉尼娜的响应远强于陆地初级生产量，」合著者、尼古拉斯学院气候动力学助理教授胡世能（音译）表示。「2015年后我们发现海洋初级生产量出现趋势逆转，一系列拉尼娜事件是部分诱因。这一发现凸显了海洋对未来气候变率的更高敏感性。」
广泛影响
作者指出，该研究揭示了陆地生态系统在抵消海洋浮游植物净初级生产量下降方面的重要作用。
但他们补充道，热带和亚热带海洋净初级生产量的下降，加上热带陆地的停滞，可能削弱热带食物网基础，进而对生物多样性、渔业和地方经济产生连锁效应。长期来看，这些破坏还可能削弱热带地区作为有效碳汇的功能，加剧气候变暖的影响。
「海洋初级生产量的下降是否会持续——以及陆地增长能在多大程度、多长时间内弥补这些损失——仍是悬而未决的关键问题，对评估所有生物健康及指导气候变化减缓具有重大意义，」张玉龙强调。「将陆地和海洋生态系统作为地球整体组成部分进行长期协同监测至关重要。」
资金支持：张玉龙、李文宏和G.S.部分获得杜克大学-美国林务局合作项目（23-JV-11330180-119）资助；尼古拉斯·卡萨尔获美国国家科学基金会资助（OCE-2123198）；J.M.获橡树岭国家实验室支持；J.X.获美国国家科学基金会宏观系统生物学项目及NEON科学计划（DEB-2017870）资助。