《Journal of Arid Environments》：Antagonistic effects of aerosol loading and climate change on gross primary productivity in water-limited ecosystems of north China (2000–2024)
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刘敏霞|黄子航|张帆|张楠中国西北师范大学地理与环境科学学院，兰州，730070摘要气溶胶光学厚度（AOD）可以通过辐射效应调节总初级生产力（GPP），然而其与水文气候（温度（T）、降水量（P）、水汽压差（VPD）和入射太阳辐射（Rad）的相互作用仍缺乏定量研究。利用四种独立的G
刘敏霞|黄子航|张帆|张楠
中国西北师范大学地理与环境科学学院，兰州，730070
摘要
气溶胶光学厚度（AOD）可以通过辐射效应调节总初级生产力（GPP），然而其与水文气候（温度（T）、降水量（P）、水汽压差（VPD）和入射太阳辐射（Rad）的相互作用仍缺乏定量研究。利用四种独立的GPP产品（BEPS、基于NIRv的GPP、FLUXCOM和修订后的EC-LUE），我们量化了2000–2024年的GPP变化趋势，并通过趋势分析和空间变异归因方法确定了其驱动因素。所有产品的GPP均有所增加，增幅分别为5.618、5.831、0.227和6.566克碳每平方米每年（P<0.01）。AOD的变化是主要驱动因素，在不同产品中占比为51.11–90.37%。在基于NIRv和修订后的EC-LUE的估算中，AOD的正面贡献减弱（-0.222克碳每平方米每年），而辐射的负面贡献增强（-0.007克碳每平方米每年）。AOD和气候变化对GPP的净影响在植被类型上主要是相互抵消的：温度在低纬度地区限制了与AOD相关的效应，而在高纬度地区水汽压差起到了限制作用。这些结果表明，气溶胶-气候耦合可以显著影响区域碳吸收。
引言
总初级生产力（GPP）是陆地生态系统中最大的碳通量，对陆地碳循环的变异性具有首要控制作用（Anav等人，2015年）。在水分受限的生态系统中，能量供应、大气干燥度和水分可用性的微小变化会迅速影响光合作用和生态系统功能，从而直接影响区域碳封存和生态系统服务（Liu等人，2022年）。因此，量化环境变化如何调节GPP对于理解干旱地区的碳动态以及在变暖和日益多变的水文气候条件下进行生态系统管理至关重要（Liu等人，2024年）。
越来越多的研究探讨了水文气候因素（包括温度（Tem）、降水量（Pre）、水汽压差（VPD）和太阳辐射（Rad）在调节年际GPP变化中的作用（Fang等人，2024年）。然而，关于主要控制因素尚未达成共识，不同研究分别强调了温度（Yu等人，2024年）、水汽压差（Yang等人，2025年）或水分和辐射限制（Cao等人，2023年）。除了水文气候，气溶胶负荷（通常通过气溶胶光学厚度AOD表示）也可以通过改变入射辐射的数量和分布来影响区域碳吸收，进而影响冠层的光利用效率和光合作用活动（Xue等人，2021年）。重要的是，气溶胶效应并非单向的：在某些条件下，AOD的变化可能通过增加散射光比例来增强光合作用，但在其他情况下也可能通过减少总辐照度和与大气及地表能量-水过程的耦合来抑制生产力（Li等人，2025年）。
关键的是，AOD的作用并非孤立存在。气溶胶对GPP的影响程度甚至方向可能取决于水文气候背景，特别是在水分限制和大气干燥限制气孔导度的情况下。例如，升温最初可能增加光合作用潜力，但一旦热应力或水分胁迫成为限制因素，这种效应可能会减弱或逆转（Ma等人，2022年）。降水量调节土壤湿度和植物水分利用，从而影响辐射变化是否转化为碳积累（Wang等人，2024年）。随着水汽压差的增加，气孔导度通常会降低，这可能会抵消辐射带来的益处，表明气溶胶和气候驱动的路径之间存在潜在的权衡或竞争（Zaret等人，2024年）。尽管在概念上有所进展，但对AOD和水文气候对GPP的交互（而非叠加）效应的定量归因仍然有限，尤其是在不同植被类型和水分限制的空间梯度上。
因此，我们研究了2000–2024年间气溶胶负荷和水文气候如何共同调节中国北方水分受限生态系统的植被生产力。为了量化气溶胶和气候变异性对GPP变化的贡献，我们应用了移动窗口（10年）多变量RESTREND框架。此外，我们还使用偏相关性和路径分析评估了各驱动因素之间的耦合。这种设计使我们能够区分AOD、温度（Tem）、降水量（Pre）、水汽压差（VPD）和太阳辐射（Rad）的相对作用，并明确测试在同时发生的水文气候变化下气溶胶相关效益是否被放大或受到限制。这种不确定性在之前的区域评估中仍然缺乏定量分析。我们提出了三个可检验的假设：（问题1）自2000年以来，在气溶胶负荷和水文气候同时变化的情况下，中国北方的年GPP是增加还是减少？（假设1）我们假设2000–2024年间区域年GPP表现出可检测的长期变化。然而，由于模型结构和生态系统敏感性的差异，不同产品和植被类型的趋势和幅度可能有所不同。（问题2）AOD和水文气候驱动因素（Tem、Pre、VPD和Rad）对GPP变化的贡献在空间和植被类型上如何变化？（假设2）我们假设气溶胶相关和气候相关的贡献在空间上是异质的，反映了水分限制和能量供应的梯度。水文气候压力（如变暖和大气干燥）可能会限制气溶胶效应的实现。（问题3）气溶胶和气候相关的路径在调节GPP时是协同作用还是相互抵消的？主导限制因素是否随气候梯度而变化？（假设3）我们假设气溶胶-气候相互作用依赖于具体背景，其耦合（协同 vs. 抵消）的强度会随着水分与能量相关限制相对重要性的变化而变化。这些分析提供了关于气溶胶-气候耦合及其在气候敏感、水分受限地区限制区域碳吸收能力的过程导向视角。
章节摘录
研究区域
中国北方（东经97°17′–127°07′，北纬34°58′–53°33′）从北部的中蒙边界延伸到南部的秦岭-淮河线，东临渤海和黄海，西接青藏高原。海拔范围从-70米到3500米（图1）。该区域面积约为1.56×10^6平方公里，包括内蒙古大部分、河北、山西以及北京和天津，是一个重要的政治经济中心，也是中国的主要粮食生产区之一。气候特征为
2000–2024年间，根据四种产品（BEPS、基于NIRv的GPP、FLUXCOM和修订后的EC-LUE）得出的中国北方年GPP分别为1511–1763、1431–1711、1396–1509和1141–1395克碳每平方米每年（图2）。相应的区域平均GPP值分别为1631、1603、1468和1263克碳每平方米每年，变化趋势分别为5.618（P<0.01）、5.831（P<0.01）、0.227和6.566克碳每平方米每年（P<0.01）。
植被类型遵循IGBP土地覆盖分类。缩写说明
GPP产品之间一致的空间分布但趋势幅度不同，表明中国北方生产力的变化在模式上具有稳健性，但在速率上存在结构性不确定性，这一现象与全球和区域尺度上的多产品GPP不确定性相似（Jung等人，2020年）。在四种产品中，年均GPP显示出一致的空间梯度，较高值集中在中国北部的中部和东南部，而较低值出现在较冷的地区
本研究利用四种长期GPP产品（BEPS、基于NIRv的GPP、FLUXCOM和修订后的EC-LUE）以及移动窗口多变量RESTREND框架，量化了2000–2024年间气溶胶负荷和水文气候如何共同调节中国北方水分受限生态系统的年GPP。- (1)
三种产品的年GPP均有所增加，区域趋势幅度分别为5.618、5.831、0.227和6.566克碳每平方米每年（BEPS、基于NIRv的和修订后的EC-LUE的P<0.01）。高GPP值出现在
资助
本研究得到了国家自然科学基金（42461008）和甘肃省高校产业支持计划项目（2023CYZC-21）的财政支持。
刘敏霞：概念构思、资金获取、方法论、初稿撰写、审稿与编辑。黄子航：资源获取、软件使用、验证。张帆：数据管理、方法论、软件使用、可视化、初稿撰写。张楠：数据管理、正式分析、调查、方法论。
我们衷心感谢甘肃甘南草原生态系统国家野外科学观测站提供的实验场地。同时感谢石建阳在论文撰写中的协助。
