《Journal of Environmental Management》：Synergistic climate-human interactions promote grassland restoration over degradation: Evidence from China's major grassland ecosystems
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净初级生产力（ANPP）时空演变及驱动机制研究，通过多源遥感、模型与机器学习分析，揭示中国八大草地类型2000-2019年ANPP增长3.34 gC·m?2·year?1，68.4%草地恢复，气候变化主导（29.4%），协同效应（24.9%）及人类活动（14.1%）共同作用。降水对ANPP空间变异影响最大（q≈0.62-0.73），机器学习模型预测SSP245情景下2060年生产力最高且稳定。
张健|任晓冉|刘晓倩|阿西姆·比斯瓦斯|范瑶媛|王旭峰
中国西北师范大学地理与环境科学学院，兰州，730070
摘要
全球气候变化和人类活动的加剧显著改变了中国的草地生产力，而中国拥有世界上最大、最多样化的草地系统之一。通过整合多源遥感、生物地球化学建模、机器学习和空间统计分析，我们量化了2000年至2019年间中国八种主要草地类型的实际净初级生产力（ANPP）的时空动态。研究结果显示，草地普遍呈现恢复趋势，平均ANPP增加了3.34克碳·平方米·年，68.4%的草地面积实现了恢复。气候变化是主要驱动因素，通过增加降水促进了29.4%草地的生产力。人类活动独立地促进了14.1%草地的恢复，但在许多干旱地区，相对于气候决定的潜力，人类活动降低了生产力。值得注意的是，气候变化和人类活动之间的协同作用共同促进了24.9%草地的恢复。最优参数地理检测器分析表明，降水是对ANPP空间变异性的最强控制因素（q约为0.62–0.73），而单独的人类活动因素的影响较弱。然而，气候-人类相互作用始终表现出非线性的增强效应。基于随机森林模型的未来预测表明，SSP245中等排放情景下，到2060年草地生产力将最高且空间最稳定。
引言
陆地草地生态系统覆盖了地球陆地表面的大约40%，储存了全球近20%的土壤碳，在全球碳循环和气候系统中发挥着关键作用（Ahlstr?m等人，2015；Fan等人，2022；Wang等人，2019）。作为最大的陆地生物群落，草地提供了重要的生态系统服务，包括碳封存、生物多样性保护、畜牧业生产和气候调节（Bradford等人，2016；Chen等人，2019；Dlamini等人，2016；Lin等人，2024）。然而，加速的气候变化和加剧的人类活动对草地生态系统造成了前所未有的压力，形成了复杂的相互作用因素，共同影响生态系统的稳定性、恢复力和生产力（De Boeck等人，2016；Zhang等人，2019）。
根据IPCC第六次评估报告，自工业化前以来，全球地表温度上升了1.1°C，同时降水量模式和极端气候事件也发生了显著变化（IPCC，2023）。与此同时，放牧、土地转换、城市化和资源开采等人类活动在全球草地地区不断加剧，通过与气候因素的相互作用进一步复杂化了生态系统的响应（Cai等人，2022；Zhao等人，2024a）。因此，理解气候变化和人类活动的相对影响以及它们的共同影响已成为草地生态系统研究的核心挑战。
中国为应对这些挑战提供了一个独特的自然实验室，拥有世界上最广阔和多样化的草地系统，这些草地面积约为3.92亿公顷，占全国陆地面积的41.7%（Wang等人，2017；Gong等人，2017）。这些草地跨越了从青藏高原的高山草甸到温带草原和沙漠草原的强烈环境梯度，同时经历了快速的气候变化和加剧的人类干预，包括大规模的生态恢复计划（Su，1996）。
尽管对草地生态系统进行了大量研究，但仍存在几个关键空白。首先，大多数现有研究集中在单一地区或特定草地类型上，限制了研究结果的普遍性（Borer等人，2017；Zhao等人，2020）。其次，气候变化和人类活动通常被独立研究，对其对草地生产力的相互作用影响缺乏定量评估（Teng等人，2020；Liu等人，2022）。第三，很少有研究系统地分析多种气候和人为因素对不同草地类型和空间尺度上草地生产力动态的相对贡献，或探讨生产力响应是否存在可能减弱或逆转的气候阈值（Sun等人，2024；Lomax等人，2024）。
净初级生产力（NPP）表示植物通过光合作用固定的二氧化碳总量，减去自养呼吸作用后的净值，是生态系统功能和碳封存能力的基本指标（Field等人，1995；Wang等人，2022；He等人，2024）。NPP综合了包括气候变量、土壤条件、地形和人类干扰在内的多种环境因素的影响，使其成为量化生态系统对环境变化响应的理想指标（Gong等人，2023；Sharma等人，2022；Turner等人，2006；Xu等人，2024）。
为了解决这些空白，本研究对中国主要草地类型的草地生产力动态进行了全面的多尺度分析。通过整合基于遥感的生产力估计、生物地球化学建模、机器学习方法和最优参数地理检测器（OPGD）分析，我们定量区分了气候变化和人类活动对草地生产力的单独和相互作用影响。这一综合框架能够系统地归因关键驱动因素，识别相互作用机制，并对多种气候情景下的未来生产力进行稳健预测。
本研究的具体目标是：（1）使用先进的遥感和生物地球化学建模方法，量化中国八种主要草地类型的实际净初级生产力（ANPP）的时空动态；（2）分离并量化气候变化和人类活动对草地生产力变化的单独和协同贡献；（3）使用最优参数地理检测器分析识别草地生产力的关键气候和人为因素，并使用多尺度分析和双向固定效应面板模型评估气候-人类相互作用机制在尺度、生态系统和时间维度上的稳健性；（4）预测多种气候情景下的未来草地生产力动态，并评估其对碳封存和生态系统管理策略的影响。
研究区域
中国位于东经73°40′至135°05′，北纬3°51′至53°33′之间，涵盖了广泛的环境梯度，支持高度多样化的草地生态系统（Wang等人，2017；Gong等人，2017）。中国草地面积达3.92亿公顷（占全国领土的41.7%），是全球最大和最多样化的草地之一，分为18个主要类别、128组和813个类型（Su，1996）。它们分布在三个主要的生物地理区域：中国北部和西部的干旱/半干旱地带
数据来源和处理
本研究整合了2000年至2019年期间的多个高质量数据集，以确保全面覆盖影响草地生产力的环境和人为因素。我们的数据整合方法遵循了多源环境数据分析的既定协议，确保所有变量的空间和时间一致性（表1）。
模型验证和性能评估
我们的CASA模型对ANPP的估计与研究区域内独立的NPP观测结果高度一致（Xia等人，2018）。使用2001-2004年和2011年的468个随机分布的验证点进行的相关性分析显示，相关性非常显著（R2 = 0.6285，p < 0.001），证实了我们的生产力估计在不同草地类型和环境条件下的可靠性（图3）。这些结果为后续分析提供了可靠的基础
讨论
本研究全面定量评估了气候变化和人类活动在中国主要草地系统中塑造草地生产力动态的相对作用。与普遍认为草地在全球变化和人类压力增加下遭受广泛退化的观点相反，我们的结果显示，在2000-2019年间，中国68.4%的草地实现了恢复。更重要的是，通过
结论
本研究全面定量评估了气候变化和人类活动在中国塑造草地生产力方面的相对作用。我们发现，在2000-2019年间，中国68.4%的草地实现了恢复，其中气候变化是主要驱动因素（29.4%），气候-人类之间的协同作用进一步促进了24.9%的恢复面积。
我们的研究结果表明，草地生产力的响应
CRediT作者贡献声明
张健：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，监督，方法论，概念化。任晓冉：撰写 – 原始草稿，可视化，正式分析，数据管理。刘晓倩：撰写 – 原始草稿，正式分析，数据管理。阿西姆·比斯瓦斯：撰写 – 审稿与编辑。范瑶媛：数据管理。王旭峰：撰写 – 审稿与编辑。
资助
本研究得到了国家自然科学基金的资助[42061010]。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
