中国生物质利用效率提升重塑HANPP时空格局及其对可持续发展的启示

《Resources, Environment and Sustainability》：Enhanced biomass utilization efficiency reshapes spatiotemporal shifts of China’s HANPP

为量化人类活动对生态系统生物量流动的影响，中国科学院团队开展"人类净初级生产力占用(HANPP)"研究，通过构建1990-2022年1公里分辨率图谱揭示：中国生物质利用效率从55.33%提升至73.94%，有效缓解了经济发展对生态资源的压力，为可持续发展政策提供新视角。

　　

随着全球人口增长和经济扩张，人类对自然资源的需求达到前所未有的水平。植被的净初级生产力（Net Primary Productivity, NPP）作为维持地球异养生命的基础能源来源，不仅是人类社会发展的关键生态资源，更是生态系统服务供给的物质基础。然而，人类通过土地覆盖改变、生物量收割等方式不断改造和利用NPP，这种过度消费已日益突破地球边界，引发生物多样性丧失、生态系统退化等一系列生态问题，严重威胁人类福祉并阻碍联合国可持续发展目标（SDGs）的实现。

在此背景下，"人类占用净初级生产力"（Human Appropriation of Net Primary Production, HANPP）框架应运而生，成为量化土地利用强度和资源利用可持续性的核心指标。该框架通过计算潜在NPP（NPP_pot）与人类收割后生态系统中实际留存NPP之间的差异，表征土地转换和管理活动导致的NPP资源和生物量流动变化。然而，现有研究大多聚焦于NPP占用的量化与制图，忽视了资源利用效率提升对缓解生态资源压力的积极作用，可能导致对生物量流动人为压力的系统性误判。此外，HANPP变化的驱动因素及其与社会经济发展关系的研究尚属空白。

为填补这些研究空白，中国科学院成都生物研究所的研究团队在《Resources, Environment and Sustainability》上发表了一项开创性研究。该研究以中国为案例，这个自1990年代以来经历空前社会经济转型的世界最大发展中国家，其人均GDP按不变价计算增长约15倍，人均肉类和煤炭消费量分别增长约1.5倍和3倍，对生态资源造成巨大压力。

研究人员整合高分辨率遥感数据与30万余条地级市社会经济记录，首次生成了1990-2022年中国1公里分辨率的HANPP时空动态图谱。研究采用空间杜宾模型（Spatial Durbin Model, SDM）分析多尺度驱动机制，并创新性地构建了生物量利用与留存相互作用的二维概念框架。

关键技术方法包括：基于土地利用类型的差异化HANPP计算体系，涵盖耕地收割、草地放牧、林业采伐等五大生物量 appropriation 途径；利用MOD17A3等遥感数据提取NPP参数；通过空间计量经济学模型识别社会经济指标对HANPP的空间效应；建立利用强度（HANPP/NPP_pot）与利用效率（NPP_harv/HANPP）的评估指标体系。

3.1. HANPP的时空特征

研究显示，中国自然生态系统潜在NPP（NPP_pot）在1990-2020年间波动于3.70-4.84 Pg C a^-1，年均约4.16 Pg C a^-1。同期中国HANPP呈"下降-上升"趋势：1990年代平均1.33 Pg C a^-1，2000-2010年降至1.30 Pg C a^-1，2010-2022年回升至1.37 Pg C a^-1。自然生态系统中留存的生物量（NPP_eco）先降后升，体现生态系统的恢复韧性。

人类收割的植物生长量（NPP_harv）从0.61增至1.05 Pg C a^-1，近翻倍增长。构成上，农作物种植和牲畜放牧是主要生物量占用途径，分别占NPP_harv总量的70%和20%。林业活动和野火造成的NPP损失相对稳定，分别约占5%和1%。建成区收割NPP占比持续增长，从初期<1%升至2022年的5%。

空间上，HANPP呈现显著异质性。华北平原、四川盆地和长江中下游地区为高值区，而西北等生态脆弱区则分布大面积低值区。时间上，极高强度HANPP区域（≥800 g C m²a^-1）从5.00%降至3.74%，中强度区域（200-500 g C m²a^-1）从7.98%增至9.72%，反映资源利用格局的优化。

3.2. 生物量利用与留存的相互作用关系

通过建立NPP_harv/NPP_pot和NPP_eco/NPP_pot二维框架，研究发现生物量利用与留存关系可划分为四种类型：协调型（高利用高留存）、冲突型（高利用低留存）、生态低效型（低利用低留存）和自然正向型（低利用高留存）。其中自然正向型占主导，多年平均超过40%，冲突型（27.58%）和生态低效型（23.49%）次之，协调型仅占5%。

1990年代，自然正向型区域占比超过50%，协调型城市不足4%，反映社会经济发展初期生物量利用与留存之间存在明显权衡。随着社会进步，冲突型区域面积显著增加，表明社会从生态系统提取生物量资源的能力大幅提升。至2022年，协调型城市增长和生态低效型城市减少，体现生物量利用强度与环境压力间互动关系的改善。

3.3. HANPP与社会经济指标的关系

研究发现，HANPP各组分与社会经济因素增长趋势迥异。三十年研究期内，中国GDP按不变价增长约16倍，远超所有HANPP指标增速。NPP_harv增长显著高于人口增长，而HANPP总体增幅略低于人口增长，这种差异可归因于HANPP效率增速高于人口增速。

城镇化与各HANPP指标增长趋势呈现阶段相关性。仅在社会经济发展初期（1990-2000年），城镇化与NPP_harv和HANPP效率增长近乎同步。相比之下，HANPP和HANPP强度从一开始就与城镇化趋势明显分化。

3.4. HANPP对社会经济指标的响应

空间计量经济学分析显示，人口密度是1990-2022年中国HANPP增加的主要驱动因素，与社会经济发展相关的产业结构变化也是重要贡献者。出乎意料的是，城镇化通过提高收割效率抑制了HANPP增长，尤其在华中西部地区效果显著。

研究揭示城镇化通过三条协同路径提升HANPP效率并抑制其增长：首先，城镇化推动人口从分散农村向城镇大规模迁移，减少对自然生态系统的人为干扰，降低土地利用变化导致的NPP损失（NPP_luc）；其次，农村向城市迁移促进农业整合，进一步提高农业集约化程度和收割效率；第三，基础设施和管理效率提升减少收割后储存、运输和分配过程中的NPP损失。

研究结论强调，中国生物量利用效率的持续提升重塑了HANPP的时空格局，有效缓解了经济发展对生态资源的压力。尽管生物量采收强度不断增加，但利用效率的改善促使生物量资源利用与留存间互动关系向协调发展转变。这一发现挑战了城镇化必然加剧生态压力的传统观点，为协调社会经济繁荣与生态可持续性提供了新思路。

该研究的政策启示包括：优先推进耕地可持续管理，通过精准农业等优化资源利用；减少粮食损失浪费，升级基础设施降低产后损失；实施区域中心城市带动发展战略，实现社会经济集聚发展与生态资源可持续利用的平衡。这些见解为全球可持续发展目标下的生物资源管理提供了重要科学依据。