全球红树林生产力的历史时空变化及其对环境的响应：基于多种卫星观测生产力指标的视角

《Agricultural and Forest Meteorology》：Historical spatiotemporal trends in global mangrove productivity and its response to the environment: Perspectives from multiple satellite-based productivity proxies

红树林遥感生产力评估及环境驱动机制研究。本研究通过整合GPP、SIF、NIRv、LAI等8类遥感代理数据集，揭示全球红树林生产力自1982年总体上升但2000年后增速放缓至50%的现象。验证显示GOSIF、CSIF和GOGPP与地面观测数据的一致性最佳（R2达0.37-0.70），而NIRv和LAI表现欠佳。敏感性分析表明气温（AirT）、海温（SST）和大气CO2浓度是主要促进因素，而VPD和SSS则产生抑制作用。该成果为红树林碳循环模型优化和滨海生态系统保护提供科学依据。

　　近年来，随着全球气候变化和人类活动对沿海生态系统的影响日益加剧，红树林作为高度生产力的生态系统，其生态功能和环境响应受到了广泛关注。红树林虽然仅占全球海岸海洋区域的2%，却在全球碳循环中发挥着重要作用，其净生态系统生产力（NEP）约占全球总量的3%，总初级生产力（GPP）约占7%，沿海生态系统呼吸作用约占8%。这一显著的碳汇能力使得红树林成为研究全球气候变化和生态恢复的重要对象。然而，红树林生产力的变化趋势及其对环境因素的响应机制仍然存在诸多不确定性，尤其是在全球和区域尺度上，生产力数据的准确性和适用性尚未达成一致。

当前，对红树林生产力的研究主要依赖于地面观测数据，但由于红树林分布广泛且环境条件复杂，长期、大规模的实地监测工作面临诸多挑战。因此，科学家们开始探索遥感技术和地理信息系统（GIS）在估算红树林生产力中的应用。通过结合不同模型和机制，多种生产力代理产品（proxy products）被开发出来，用于模拟全球陆地植被的变化趋势。例如，基于光能利用效率（LUE）模型的MODIS、GLASS和VPM产品，以及通过太阳诱导叶绿素荧光（SIF）技术获取的GOSIF和CSIF产品，均在一定程度上展示了其在估算植被生产力方面的潜力。此外，植被指数如近红外反射（NIRv）和叶面积指数（LAI）也被广泛应用于评估植被的活力和绿色度。

然而，这些代理产品在红树林生态系统中的适用性仍存在争议。一方面，不同的模型和计算方法导致了代理产品在不同地区表现出显著的性能差异；另一方面，由于缺乏足够的观测数据，这些产品中存在较大的不确定性，可能影响研究结论的准确性。例如，Sun等人（2024）利用涡度协方差数据和网格化环境变量，通过高斯过程回归估算全球红树林GPP，并发现其生产力在1996至2020年间呈现下降趋势。但这一结果与Ruan等人（2022）基于归一化植被指数（NDVI）的研究结果相矛盾，后者指出全球红树林生产力在近几十年内有所增长。这种差异可能源于模型本身的不确定性，以及不同研究对环境因素的处理方式不同。

本研究选取了八种生产力代理产品，包括四种GPP产品、两种SIF产品、植被近红外反射（NIRv）和叶面积指数（LAI），并结合地面观测数据，对全球红树林生产力的时空变化趋势进行了系统评估。研究结果表明，GOSIF、CSIF和基于GOSIF的GPP（GOGPP）产品在不同时间尺度（年、月、8天）上均表现出较强的与地面观测数据的一致性，其相关系数（R2）范围为0.37至0.70，显著优于NIRv和LAI产品，后者相关系数仅为0.07至0.50。这说明SIF产品在估算红树林生产力方面具有更高的准确性，可能与其直接反映植被光合作用的特性有关。

进一步的敏感性分析和贡献度评估显示，气温（AirT）、海面温度（SST）和大气二氧化碳浓度（CO?）是推动全球红树林生产力增长的主要因素，而蒸气压差（VPD）和海面盐度（SSS）则在一定程度上抑制了生产力的增长。尽管这些抑制因素对生产力的负面影响相对较小，但它们的存在仍然对红树林生态系统的整体变化趋势产生了显著影响。值得注意的是，研究发现自1982年以来，全球红树林生产力总体呈上升趋势，但自2000年后增长速度有所减缓，仅达到早期增长速率的约50%。这一变化趋势可能与全球气候模式的调整、海洋环境的波动以及人类活动对红树林的保护和恢复措施有关。

红树林生态系统的复杂性不仅体现在其生产力的变化上，还体现在其对多种环境因素的响应机制中。与陆地生态系统相比，红树林受到更多来自海洋环境的变量影响，如海面温度、盐度、潮汐变化和海洋酸化等。这些因素与陆地上的气温、降水和二氧化碳浓度共同作用，塑造了红树林的生产力格局。然而，现有研究大多集中在短期实验或区域性分析上，缺乏对全球尺度上红树林生产力变化的系统性研究。因此，本研究不仅填补了这一空白，还为未来红树林生产力模型的构建和沿海生态系统保护提供了重要的理论依据。

研究还指出，尽管多种代理产品在估算红树林生产力方面取得了一定进展，但其在不同区域的表现存在较大差异。这种差异可能源于红树林的地理分布、植被类型、生长条件以及数据获取方式的不同。例如，某些区域可能由于卫星观测数据的分辨率限制或模型参数的不适用性，导致代理产品的估算结果与实际生产力存在偏差。因此，在应用这些代理产品时，需要结合具体区域的生态特征和环境条件，进行必要的校正和验证。

此外，本研究强调了对代理产品不确定性的系统性评估的重要性。由于不同研究采用的模型和计算方法存在差异，导致估算结果的波动性较大，这可能会影响对红树林生产力变化趋势的准确判断。因此，未来的研究应更加注重对代理产品误差来源的识别和量化，以提高其在红树林生态系统中的适用性和可靠性。同时，结合多源数据和多种模型，进行综合分析，有助于更全面地理解红树林生产力的驱动机制和变化趋势。

红树林的生产力变化不仅关系到其自身的生态健康，还对全球碳循环和生物多样性保护具有重要意义。随着全球气候变化的加剧，红树林面临着前所未有的挑战，包括海平面上升、极端天气事件频发和人类活动对沿海环境的干扰。因此，准确评估红树林生产力的变化趋势，对于制定有效的保护和恢复策略至关重要。本研究的结果表明，尽管存在一定的不确定性，但整体趋势显示红树林生产力在近几十年内有所提升，这可能与全球碳排放的增加和气候条件的改变有关。

为了更深入地理解红树林生产力的变化机制，未来的研究可以进一步探讨不同环境因素之间的相互作用，以及这些因素如何共同影响红树林的生长和碳吸收能力。例如，可以研究气温上升与海面盐度变化之间的协同效应，或者评估海洋酸化对红树林光合作用和碳储存能力的潜在影响。此外，还可以结合更多的实地观测数据，对现有的代理产品进行优化和改进，以提高其在红树林生态系统中的适用性。

本研究的成果对于红树林生产力模型的开发和沿海生态系统保护具有重要的指导意义。通过系统评估多种代理产品的性能，研究为选择最合适的模型和数据源提供了依据。同时，对全球红树林生产力变化趋势的揭示，有助于更准确地预测未来气候变化对红树林生态系统的影响，并为相关政策的制定提供科学支持。此外，对环境因素贡献度的量化分析，也为红树林生态系统的管理提供了新的视角，使得科学家和政策制定者能够更加精准地识别关键驱动因素，并采取相应的保护措施。

总之，红树林作为全球碳循环中的重要组成部分，其生产力的变化趋势和环境响应机制是当前生态学研究的热点之一。尽管现有研究在估算红树林生产力方面取得了一定进展，但仍然存在诸多挑战和不确定性。本研究通过综合评估多种代理产品的性能，揭示了全球红树林生产力的总体上升趋势，以及主要环境因素对这一趋势的影响。这些发现不仅有助于更深入地理解红树林生态系统的运行机制，也为未来的研究和保护工作提供了重要的参考。随着遥感技术和生态模型的不断发展，我们有望在未来更准确地估算红树林生产力，并进一步揭示其在全球气候变化背景下的响应规律。