Tree species richness relates to long-term forest photosynthesis increase来自 Tree species richness relates to long-term forest photosynthesis increase | Nature Climate Change 基本信息题目中英文对照Tree species richness relates to long-term forest photosynthesis increase树种丰富度与森林光合作用的长期增加密切相关期刊名称Nature Climate Change发表时间2026年7月27日作者信息Ruochen Cao, Yongguang Zhang, Alessandro Cescatti, Philippe Ciais, Jordi Sardans, Chaoyang Wu, Constantin M. Zohner, Marcos Fernández-Martínez, Adrià Descals, Josep PeñuelasDOI10.1038/s41558-026-02698-7【核心观点】总结本研究结合全球高分辨率树种丰富度图谱与2001—2020年卫星反演的日光诱导叶绿素荧光SIF等光合作用代理指标首次在宏观尺度证实树种丰富度不仅能提升当前的森林光合作用基线更能显著加速光合作用的长期增长斜率。这一效应主要由高丰富度森林中增强的二氧化碳施肥效应CFE、对水资源限制的有效缓解以及叶片养分氮、磷状况的改善共同驱动。预估表明若不加干预到2050年生物多样性的丧失将使全球森林光合作用增长趋势下降3%至17%造成4.4至35.7 PgC的累积光合碳吸收损失凸显了将生物多样性保护纳入全球气候减缓战略的紧迫性。️ 一、 引言部分简要总结 (Introduction Summary)现实与科学背景森林占全球陆地光合碳同化的核心份额。近几十年来在大气 CO2 浓度上升驱动下全球植被光合作用呈普遍增加趋势即“变绿”现象这显著强化了陆地碳汇。然而全球尺度上养分氮、磷与水资源限制的加剧导致 CO2 施肥效应CFE出现衰退迹象给未来的陆地碳汇功能蒙上了巨大的不确定性阴影。前人局限与核心科学问题生物多样性能够通过互补效应Complementarity effect和选择效应Selection effect提高生态系统生产力、改善土壤养分与水分利用效率。然而过往研究多侧重于探讨物种丰富度S对“当前/静态”生产力空间变率的调节对于树种丰富度能否以及如何调控在 CO2 浓度持续升高背景下森林光合作用的“长期/动态”增长速率学界缺乏全球尺度的直接实证。厘清该问题对于纠正现有碳循环模式对未来陆地碳汇的预测偏差、评估生物多样性保护的生态气候效益至关重要。 二、 研究方法详细介绍与分析 (Methodology Framework)数据源与空间掩膜树种丰富度图谱基于全球森林生物多样性倡议GFBI超过130万个野外实测样方数据覆盖全球97%的森林生态区利用机器学习插值生成的 0.025°/0.5° 高分辨率全球树种丰富度S图谱。光合作用代理指标选用 2001—2020 年连贯的全球连续日光诱导叶绿素荧光CSIF作为主要光合作用代理指标平行引入 GOSIF、LCSIF、GOME-2 三套 SIF 数据FluxSat 与 CEDAR 两套地面观测扩展的 GPP 数据MODIS、GLOMAP、GIMMS4g 三套叶面积指数LAI以及近红外反射率NIRv展开多源交叉校验。环境与干扰掩膜利用 Hansen 树木覆盖与损失数据及 ESA CCI 土地覆盖产品严格剔除树木覆盖率小于10%、累积树木损失或土地利用变更超过20%的严重干扰像元重点分析光合趋势呈正向增加的像元占全球森林约87%。统计与模型工作流多元线性与偏相关方程构建包含“年份 × 树种丰富度”交互项的多元线性回归方程在控制林龄Age、背景光合水平BP、气温Temp、土壤湿度SM、土壤有机碳SOC、海拔及环境变率后检验丰富度对光合作用时间趋势斜率的独立调制。非线性时序回归与自回归模型应用偏相关分析、非线性时序回归Sequential regression剥离环境因子对 S 的解释残差及空间自回归模型SAR剔除空间自相关伪影。随机森林RF与机制归因构建随机森林大模型生成 S 对光合作用趋势影响的空间归因图谱采用滑动窗口法15×15 像元解析 S 对土壤湿度敏感性、叶片氮/磷浓度的局地响应基于 CMIP6 多模式预估及 2015—2050 年物种损失图谱量化生物多样性下降对未来碳吸收的累积损失。 三、 主要研究结果与充实数据分析 (Main Results Quantified Data)树种丰富度对光合作用长期增长趋势的强正向驱动在 2001—2020 年间全球 87% 的森林呈现光合作用增加趋势。偏相关分析r 0.19, P 0.001与非线性时序回归标准化效应系数 beta 0.49 ± 0.02, P 0.001均证实树种丰富度S与森林光合作用的长期增加斜率呈高度显著的正相关详见 Figure 1a, 1b。随机森林归因显示在 73% 的全球森林网格中S 均显著促进了光合作用的长期上升趋势详见 Figure 1d。该结论在剥离 LAI 结构变化后依然稳健详见 Extended Data Fig. 3, 4表明其作用于单位叶面积光合能力P_leaf的内在生理路径。图片名Figure 1图例说明Figure 1 | 树种丰富度S对全球森林光合作用长期变化趋势的影响。a不同树种丰富度分位数下光合作用SIF随时间的增加斜率b光合作用趋势与 S、林龄、气温、土壤湿度等因子的偏相关与时序回归系数c随机森林模型解算出的 S 与光合作用趋势的偏依赖曲线d全球网格尺度上 S 对光合作用趋势提升百分比的空间分布图e不同水热梯度下的空间响应特征f, g多源卫星 SIF/GPP 及单位叶面积光合代理指标的交叉校验结果。丰富度对二氧化碳施肥效应CFE的显著放大数值解算表明S 能够显著增强光合作用对大气 CO2 浓度升高的敏感性CFEP 0.001详见 Figure 2a。随着 CO2 浓度的持续攀升光合作用对 S 的标准化敏感性系数呈线性上升从 0.53 升至 0.57详见 Figure 2b。偏相关分析证实S 与多元回归解算及随机森林模拟的 CFE 均呈极显著正相关P 0.001详见 Figure 2c。此外S 与过去 40 年间 CFE 的变化趋势Trend of CFE呈现显著正相关P 0.001说明树种丰富度高的森林能够有效缓解全球普遍出现的 CFE 衰退现象强化森林在极端气候下的年际光合稳定性详见 Extended Data Fig. 9。图片名Figure 2图例说明Figure 2 | 树种丰富度对二氧化碳施肥效应CFE的放大作用。a在控制环境与生物协变量后光合作用SIF在 S 与 CO2 浓度二维空间上的响应曲面b光合作用对 S 的标准化敏感性随 CO2 浓度的增加趋势cS 与基于不同模型计算的 CFE 绝对值及其历史变化趋势的偏相关系数。水分与养分限制缓解的核心机理机制分析揭示了树种丰富度驱动光合作用长期增加的三大生态生理路径水分限制缓解S 与光合作用对土壤湿度的敏感性呈极显著负相关r -0.21, P 0.001详见 Figure 3a。在 42% 的森林网格中高 S 显著降低了光合作用对土壤湿度亏缺的依赖详见 Figure 3b。养分状况改善在控制气温和土壤湿度背景后S 与叶片氮浓度r 0.51, P 0.00143.6% 的网格呈显著正相关详见 Figure 3d, 3e及叶片磷浓度r 0.16, P 0.001在赤道附近磷限制区尤为强烈详见 Figure 3g, 3h均呈显著正相关证实丰富林分能够通过根系地下生态位分化与生物地球化学生态位重叠改善植物养分吸收避免高 CO2 下的养分稀释。图片名Figure 3图例说明Figure 3 | 树种丰富度S缓解水分与养分限制的机理。a-cS 与光合作用对土壤湿度SM敏感性的负相关关系、空间滑动窗口映射及纬度分布d-fS 与叶片氮N浓度的正相关关系及空间分布g-iS 与叶片磷P浓度的正相关关系及空间分布。未来生物多样性丧失对碳吸收的灾难性预估将物种丰富度损失预测与 CMIP6 9个地球系统模式的 GPP 趋势进行耦合解算详见 Figure 4。结果表明到2050年在可持续发展情景SSP1/RCP2.6下生物多样性丧失将导致全球森林光合作用增长趋势下降 3% 至 12%相当于 2015—2050 年间累积损失 4.4 至 15.2 PgC均值 9.8 PgC的碳同化量而在化石燃料驱动的高排放情景SSP5/RCP8.5下光合增长趋势将下降 5% 至 17%累积损失高达 10.3 至 35.7 PgC均值 23 PgC热带雨林区将成为碳损失的核心重灾区。图片名Figure 4图例说明Figure 4 | 2015—2050 年间预估树种丰富度丧失对全球森林累积光合作用损失的影响。aSSP1/RCP2.6 与 SSP5/RCP8.5 情景下全球网格尺度累积光合作用损失gC/m²的空间图谱b2015—2050 年间全球总累积光合损失量PgC的时间演化轨迹与不确定性带宽。 四、 讨论部分的不足与未来展望 (Discussion Limitations Perspectives)研究不足与不确定性来源静态丰富度图谱与动态演替的错位研究采用的 GFBI 树种丰富度图谱在空间上高度详实但在时间轴上属于静态基线未能逐年动态追踪过去二十年间微观尺度上的树种组成漂移与群落演替。地下过程与呼吸消耗的未完全解耦研究主要依托 SIF 与 GPP 代理指标解算总初级生产力光合总同化量尚未直接测量生态系统自养与异养呼吸消耗高 CO2 和高丰富度下的碳分配如分配至根系分泌物与木质部生长仍存在物理未解闭环。热带低纬度样方密度的空间不均尽管 GFBI 涵盖了全球 97% 的生态区但热带雨林区的实测样方密度依然显著低于北半球中高纬度地区这可能对热带极高丰富度区效应量的估算注入了一定的空间不确定性。下一代碳循环模式重塑与气候政策展望破除现行碳循环模式的“多样性盲区”当前的地球系统模式ESMs和动态全球植被模型DGVMs在预估未来陆地碳汇时几乎统一假设植被功能类型PFTs的生理参数是静态且同质的完全忽略了树种丰富度对 CFE 放大、水分与养分协同缓解的生物学效应。这直接导致现行模式可能严重高估了单优纯林或低多样性森林在未来的碳吸收潜能。将生物多样性保护并轨至基于自然的解决方案NbS研究结果为制定全球气候减缓政策提供了坚实的科学依据。造林与森林恢复决不能简单追求“植树造林”的数量或单优商业速生林必须将保护和恢复高树种丰富度的混交林作为核心战略。只有将《昆明-蒙特利尔全球生物多样性框架》与《巴黎协定》的碳中和目标深度融合才能真正保障陆地生态系统碳汇的长效稳定性与可持续wenx