中国亚热带地区13,100年的初级生产力净值记录揭示了气候与人为因素影响的变迁

《Anthropocene》：A 13,100-year record of net primary productivity from subtropical China reveals shifting climatic and anthropogenic controls

　　

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  在新仙女木期，净初级生产力下降，而在全新世早期至中期则有所上升。
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  全新世中晚期，随着降雨量增加和森林覆盖范围扩大，净初级生产力达到峰值。
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  即便木质植被覆盖减少，由于人类活动加剧，全新世晚期的净初级生产力依然保持稳定。

引言

自工业革命以来，人类活动——尤其是化石燃料的燃烧——导致大气中的二氧化碳浓度急剧上升，进而加剧温室效应并深刻改变全球碳循环（IPCC，2021）。因此，中国提出了在2030年前实现碳达峰、在2060年前实现碳中和的战略目标，即所谓的“双碳”目标。在地球碳循环系统中，海洋、泥炭地、土壤和植被是四大关键碳库，它们在调节大气二氧化碳水平及稳定全球气候方面发挥着重要作用。然而，古环境记录和模型研究显示，这些碳库在不同时间尺度上面临着不同挑战。例如，全新世期间全球泥炭碳储量呈逐渐下降趋势（Yu等人，2011），而深海珊瑚的δ¹¹B记录表明海洋碳库相对稳定，没有出现显著上升趋势（Rae等人，2018）。此外，由于人类活动，过去2000年来全球土壤碳储量持续减少（Sandermana等人，2017）。鉴于海洋碳汇的相对稳定性以及泥炭地和土壤碳库的不断衰退，作为陆地生态系统重要组成部分的植被，在实现碳中和目标中愈发重要，它需要承担抵消25%人为碳排放的任务（Sha等人，2022）。因此，提升陆地植被的碳汇能力、增加植被碳储存是应对双碳目标的关键措施。值得注意的是，人类对碳循环的干扰并非始于工业革命；有研究认为，早在7000年前，早期人类活动就可能已导致大气二氧化碳浓度上升（Monnin等人，2001；Monnin等人，2004）。这凸显出深入研究陆地植被碳储存的长期演变规律的必要性，明确其与气候变化和人类活动的复杂关系，从而为当代植被碳封存与增强实践提供历史参考和科学依据。

净初级生产力（NPP）是指在扣除自养呼吸作用后，植被固定的碳的净速率，它是衡量生态系统碳吸收能力的直接指标（Lieth和Whittaker，1975；Field等人，1995）。尽管目前已有多种基于过程的生态系统模型（如McGuire等人，1995；Potter等人，1993）以及基于卫星的数据产品（如Zhao等人，2010；Westberry等人，2023），可用于估算区域乃至全球范围内的现代NPP值。然而，能够覆盖千年时间尺度、尤其是整个全新世的NPP定量重建仍十分有限。这种匮乏限制了我们评估植被碳汇对气候变异以及人类活动日益加剧的影响的能力。距今13.1千年的时间段涵盖了从晚冰期向全新世的过渡期，这一时期气候快速重组，人类活动也开始出现并不断发展。因此，研究这一时期的植被动态对于理解长期碳循环演变至关重要。

现代NPP的估算主要依赖于近几十年来发展起来的实地测量、遥感数据以及生态系统模型，这些方法使得从局部到全球范围的长期连续监测成为可能（如Piao等人，2006；Zhao和Running，2010；Guan等人，2017；Liu等人，2025）。越来越多的证据表明，在气候变化和人类活动日益加剧的双重压力下，NPP的动态变化变得更加剧烈，进而对生态环境产生影响（Liu等人，2018；Liu等人，2020；Li等人，2023）。长期以来，由于实证数据有限，加之难以获取数值模拟所需的详细气候和环境参数，古植被NPP的重建一直面临诸多困难，这也使得现代NPP模型无法直接应用于远古时期的定量分析。化石花粉组合为重建长期植被生产力的变化提供了一种可行的替代方法，因为花粉记录反映了植被的组成、结构及覆盖度，而这些因素都与生态系统的碳固定能力密切相关（Peng等人，1998；Sepp?和Hicks，2006；Wu等人，2009；Li等人，2020）。不过，基于化石花粉数据对植被NPP进行定量重建的研究仍然极为罕见；迄今为止，仅有Cui等人（2026）将这种方法应用于青藏高原过去2000年的NPP重建。在中国南方亚热带山区，基于花粉的NPP定量重建更为少见，这也凸显了本研究的新颖性和重要性。为此，我们利用洞庭湖流域两个年代明确的泥炭序列（SWGT和ZGT）中的化石花粉，对过去13,100年的NPP进行了定量重建。我们基于半径1500公里范围内的地表花粉数据，运用随机森林模型构建出了一个可靠的花粉与NPP之间的转换函数。

我们的研究区域位于中国南方的亚热带山区，该地区因其独特的气候、生态和人类活动特征，成为研究晚冰期至全新世期间NPP变化的关键区域。该地区深受东亚夏季风的影响，季风强度与当地气温、降水之间存在紧密关联，因此对轨道尺度上的气候变化以及新仙女木期和4.2千年前那次降温事件等突发性气候事件极为敏感（Yao等人，2022；Zhao等人，2026a）。这种敏感性使得该地区成为研究上一次冰消期及整个全新世期间植被与气候反馈关系的理想天然实验室。此外，该地区以亚热带常绿阔叶林为主，这类森林是中国最重要的陆地碳汇之一，因此重建这一时期的NPP对于了解东亚季风区的长期碳收支具有重要意义。除了上述气候和生态意义之外，该地区还拥有悠久的人类居住历史；大约在4-3千年前开始，农业扩张和森林砍伐活动日益加剧，这意味着在该地区的全新世晚期，生态系统动态已从以气候为主导转变为以人类活动为主导（Zhao等人，2026b）。这为我们提供了一个独特的机会，以便厘清在环境发生深刻变化的背景下，气候强迫和人类活动在驱动植被生产力变化中所扮演的相对角色。综合来看，这些因素都凸显出在中国南方亚热带地区开展从晚冰期到全新世的可靠NPP重建工作的紧迫性和科学价值。

该地区保存的泥炭沉积物为研究晚冰期至全新世期间的变化提供了连续的沉积记录（Zhao等人，2024；2026）。对中国南方亚热带地区自13.1千年前以来的NPP进行重建，有助于深入了解该地区的环境变化，进而促进人们对全新世期间陆地碳动态的更全面认识。

章节摘要

区域背景

中国南方属于亚热带地区，植被类型多样，地形以丘陵为主，气候以季风气候为主。由于该地区对气候变异极为敏感，且植被与气候之间存在着密切的联系，因此它为研究全新世期间的长期植被动态和NPP变化提供了重要的天然实验场。我们的研究区域位于南亚热带和中华南亚热带的过渡地带，这一地带条件尤为适宜

沉积岩心

本研究中分析的地层样本取自洞庭湖流域南部的两个泥炭序列：SWGT泥炭岩心（北纬26°5′，东经110°21′，海拔约1700米）和ZGT泥炭岩心（北纬26°24′40.26″，东经114°4′40.02″，海拔约1785米）（见图1）。SWGT岩心的总长度为250厘米，主要由黑色泥炭构成，其间偶有植物残体及细砾石交错分布。ZGT岩心的长度为270厘米，其中0到250厘米为黑色泥炭层，其下方为

年代测定

两个岩心中的所有经过1?C测定的样本均按地层顺序排列（见图2；表1），且这些沉积物的堆积速率相对均匀，没有明显的沉积间断。SWGT岩心的基底年龄约为11.6千年前（见图2a），而ZGT岩心的基底年龄约为13.1千年前（见图2b）。

NPP结果

通过ZGT和SWGT泥炭序列重建得到的NPP记录，在过去13,100年间呈现出大致一致的时间变化规律（见图3a、b）。在ZGT地区，重建得到的NPP数值在525.0至722.7克·碳·平方米·年?1之间波动

长期NPP动态及其影响因素：气候与人类活动

通过ZGT和SWGT泥炭序列得到的13,100年的NPP重建结果（见图3），为了解中国南方亚热带地区的生态系统生产力变化提供了连续的记录，有助于分析植被碳吸收如何响应重大的气候变迁以及人类土地使用的兴起。总体而言，观察到的NPP动态反映出，从全新世早期以气候因素为主导，到全新世晚期则越来越多地受到人类活动的调控。

结论

通过对中国南方亚热带山区全新世NPP的重建，我们发现了一个连续的13,100年变化轨迹，这一轨迹显示出生态系统生产力主导因素发生了根本性转变。ZGT和SWGT地区的NPP变化基本同步，在寒冷的新仙女木期数值较低，而在全新世早期至中期，由于气候温暖湿润且以气候因素为主导，NPP数值出现明显上升。在全新世中期

未引用参考文献

（Alley，2000；Chapin等人，2011；Chen等人，2023；Fang，2000；Field等人，1998；Liu等人，2025a；Renssen等人，2015；Ruddiman，2020；Wu等人，2025；Zhao和Running，2010）

CRediT作者贡献说明

Zhiguo Rao： 方法学、资金获取、数据整理。Tengwen Long： 方法学、数据整理。Haibin Wu： 文章撰写——审阅与编辑、文章撰写——初稿、方法学、数据整理。Lin Zhao： 文章撰写——审阅与编辑、文章撰写——初稿、项目管理、方法学、资金获取、数据整理。Zijian Liu： 方法学、数据整理。Shanshan Meng： 方法学、数据整理。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

Lin Zhao|Shanshan Meng|Zijian Liu|Tengwen Long|Zhiguo Rao|Haibin Wu