文章题目：Rapid climate changes responsible for increased net global cropland carbon sink during the last 40 years
作者：Heng Wei, Luhua Wu*, Dan Chen, Dongni Yang, Jinjun Du, Yingjuan Xu, Jianlan Jia
DOI：10.1016/j.ecolind.2024.112465
作为陆地生态系统的重要组成部分，农田生态系统是陆地碳循环的重要场所。在以往，农田生态系统碳汇长期被忽略，其碳汇潜力被严重低估，甚至被认为不存在。其主要原因有三：其一，农作物增加的生物量大多在短时期内经分解又释放到大气中，导致年度净碳汇极低；其二，农作物收获期短，粮食和秸秆大多被消费和消耗掉，难以作为稳定的碳汇固存；其三，人类在农业活动中导致的碳排放与农作物碳汇相互抵消。实际上，当代农田生态系统已经经历了显著变革，并通过多元化的机制加强了对碳的吸收和有效的封存，从而形成了更为稳定和持久的碳汇。然而，以往的研究主要集中在农田土壤碳汇之上，忽视了农作物植被碳汇在农田生态系统中的作用，对其整体空间演变和驱动机制知之甚少。
铜仁学院吴路华副教授团队于2024年8月在《Ecological Indicators》（中科院二区TOP、IF=7.0）上发表题为“Rapid climate changes responsible for increased net global Cropland carbon sink during the last 40 years”的文章。该研究基于多源遥感数据，揭示了全球农田生态系统碳汇时空演变趋势，量化气候因素对农田碳汇增长的相对贡献及主控区域，并进一步阐明了农田生态系统碳汇变化的驱动机制及空间特征。该文章的第一作者为铜仁学院硕士研究生魏珩，通讯作者为铜仁学院副教授吴路华。
1、全球农田生态系统碳汇的变化
研究基于NEP，NPP，GPP三种碳汇指标，揭示了全球农田生态系统碳汇的时空演变趋势（图1和图2）。结果表明1982-2018年，全球农田生态系统GPP、NPP和NEP均呈显著（p＜0.05）增长趋势，年平均增长分别为2.41、2.38和0.34 g C m-2 yr-1。三种碳汇指标在空间上出现显著增长的区域占比均超过了35%，其主要分布在中国及印度。
图1：1982-2018年全球农田生态系统GPP（a）、Rs（b）、NPP（c）、Ra（d）、NEP（e）和Rh（f）的演变趋势。SI、II、ID和SD分别表示显著增加、不显著增加、不显著减少和显著减少。黑点代表显著变化区域。
图2：全球农田生态系统GPP、自养呼吸（Ra）、NPP、Rh、Rs和NEP的年变化特征
2、全球农田生态系统碳源、汇与呼吸之间的互馈关系
1982年至2018年间，全球农田生态系统NEP/NPP、NEP/GPP和NEP/Rs均显示出相似的上升趋势，平均增长率分别为0.44%、0.60%和0.64%。2000年是一个转折点，2000年之前，这四种趋势均表现出显著上升，NEP的总增长率（27.55%）超过了NPP（14.25%）、GPP（11.11%）和Rs（12.54%）。而2000年之后，这些数据均呈现出轻微下降趋势，反映出全球变暖加强了农田生态系统的呼吸作用。此外，印度农田碳汇下降主要受呼吸作用所控制，而中国的农田碳汇增长则由GPP强光合作用驱动（图3）。
图3：全球农田生态系统碳源、汇与呼吸之间的互馈关系。（a） 代表NEP/NPP。（b）代表 NEP/GPP。（c）代表 NEP/Rs。（d）代表 Rs/GPP。左下角的折线图表示相应的年度变化趋势。
3、气候因素对农田碳汇增长的相对贡献
该研究利用Lindeman-Merenda-Gold（LMG）方法量化了气候因素（太阳辐射（SR）、温度（T）、降水（P）、土壤水分（SM）和二氧化碳（CO2））对全球农田生态系统GPP、NPP和NEP的相对贡献。研究结果显示， CO2是驱动全球农田生态系统GPP、NPP和NEP变化的主要气候因素，其相对贡献分别为27.50%、29.20%和29.89%。此外，研究基于偏相关系数，通过空间叠加进一步识别了各气候因素在碳汇变化中的主控区域，结果表明CO2 主控了全球农田生态系统约35%的面积中的碳汇(GPP、NPP与NEP)变化（图4-7）。
图4：气候因素对GPP变化相对贡献的空间格局。a、 b、c、d和e代表CO2、P、SM、SR和T的RC。f代表各种气候因素的平均相对贡献。
图5：气候因素对NPP变化相对贡献的空间格局。a、 b、c、d和e代表CO2、P、SM、SR和T的RC。f代表各种气候因素的平均相对贡献。
图6：气候因素对NEP变化相对贡献的空间格局。a、 b、c、d和e代表CO2、P、SM、SR和T的RC。f代表各种气候因素的平均相对贡献。
图7：气候因素在全球农田生态系统碳汇变化中的主要控制区域。（a） 代表GPP变化的主要控制区域，（b）代表NPP变化的主控制区域，以及（c）代表NEP变化的主控区域。
4、全球农田生态系统碳源汇面积特征
研究基于GPP、土壤呼吸（Rs）和NEP的演变趋势，设计了六种情景以深入探讨全球农田生态系统内的碳源与碳汇动态（图8）。结果表明，GPP弱主导机制驱动着碳汇区（KNEP>0）中碳汇的增加，其主控区占比62.46%。相比之下，在碳源区域（KNEP<0）中，Rs强主导机制则起到主控作用，其主控区占比64.89%。图8：不同情景在全球农田生态系统碳源，汇区中的主控区域分布。（a）代表碳汇区 （b）代表碳源区。
5、光合作用及呼吸对农田碳汇的控制作用
为了精准识别控制全球农田碳汇变化的关键生态因素，研究选择单个像元上贡献最大的生态因素作为该像元的主控因素。研究表明，在1982年至2018年期间，全球农田生态系统碳汇的增长大多被GPP光合作用所主控，其主控区占比50.66%。主要位于西非和北美中部地区。异养呼吸（Rh）则是碳源区中最主要的控制因素，其控制区占比达45.98%，主要分布于印度（图9）。
图9：不同因素在全球农田生态系统碳源，汇区中主控区域的分布。（a）代表碳汇区 （b）代表碳源区。
6、气候变化对农田生态系统的驱动机制
为了深入研究气候因素和土壤呼吸对农田生态系统碳汇变化的驱动机制，该研究基于结构方程模型（SEM），设计了三种碳汇模型以探讨外部气候因素（P、T、SR、SM和CO2）及内部土壤呼吸（Ra和Rh）对农田碳汇变化的驱动效应（图10）。结果表明Rh是驱动NEP变化的主要因素，其总效应为0.64。此外，在NEP的变化中，外部气候因素的驱动效应占主导，其总贡献率达75.11%，而内部土壤呼吸（Ra和Rh）的总贡献率仅为24.89%。图10：气候因素和呼吸作用对GPP（a）、NPP（b）和NEP（C）的驱动机制。***，**分别为极显著（p<0.01）和显著（0.01<p<0.05）。
7、农田碳汇途径机制
尽管传统观点往往认为农作物碳汇几乎为零，但实际上，当代农田碳汇途径和形式已在全球变化背景下发生了改变，并通过多样化的机制加强碳的吸收与有效封存（图11），其主要途径有三：（1）农田的生产力的提升显著增加了粮食产量，使大气中更多的CO2以农作物中有机碳形式被长期储存；（2）作物的死亡和秸秆的快速分解加速了有机碳向土壤的转移，增加了土壤有机碳的积累；（3）部分农田已经从短期粮经作物转向长期经果林的种植，经果林树木生长通过光合作用吸收大气中的CO2，并将其积累在木材中。图11：农田生态系统碳汇机制
总结
作为陆地生态系统的重要组成部分，农田生态系统是陆地碳循环的重要场所。然而，以往的研究主要集中在农田土壤碳汇之上，忽视了农作物植被碳汇在农田生态系统中的作用，对其整体空间演变和驱动机制知之甚少。实际上，当代农田生态系统已经经历了显著变革，并通过多元化的机制加强了对碳的吸收和有效的封存，从而形成了更为稳定及持久的碳汇。
