Полученные результаты могут быть использованы при оценке состояния планеты, совершенствовании управления экосистемами, а также при разработке прогнозов изменения климата и стратегий смягчения его последствий.
1 августа 2025 г.
Согласно новому исследованию, опубликованному в журнале Nature Climate Change 1 августа , наземные растения способствовали увеличению глобального фотосинтеза в период с 2003 по 2021 год. Эта тенденция была частично компенсирована небольшим снижением фотосинтеза (процесса использования солнечного света для производства пищи) среди морских водорослей. Результаты могут помочь в оценке планетарного здоровья, совершенствовании управления экосистемами, а также в разработке прогнозов изменения климата и стратегий смягчения его последствий.
Фотосинтезирующие организмы, также известные как первичные продуценты, образуют основу пищевой цепи, обеспечивая существование большей части жизни на Земле. Используя энергию солнца, первичные продуценты связывают, или преобразуют, углерод из воздуха в органические, или углеродсодержащие вещества. Однако первичные продуценты также выделяют углерод посредством процесса, называемого автотрофным дыханием, которое в некоторой степени похоже на дыхание. Скорость прироста углерода после учёта потерь через дыхание называется чистой первичной продукцией.
«Чистая первичная продукция измеряет количество энергии, которую фотосинтезирующие организмы улавливают и используют для поддержания практически всей остальной жизни в экосистеме», — сказал первый автор исследования Юйлун Чжан, научный сотрудник лаборатории Вэньхуна Ли в Школе окружающей среды имени Николаса при Университете Дьюка. «Будучи основой пищевых цепей, чистая первичная продукция определяет здоровье экосистемы, обеспечивает людей пищей и волокнами, снижает антропогенные выбросы углерода и способствует стабилизации климата Земли».
Предыдущие исследования чистой первичной продукции, как правило, были сосредоточены либо на экосистемах суши, либо океана, что оставляло пробелы в нашем понимании чистой первичной продукции на Земле и ее потенциальных последствий для смягчения последствий изменения климата. В рамках данного исследования группа изучала годовые тенденции и изменчивость глобальной чистой первичной продукции, уделяя особое внимание взаимодействию между экосистемами суши и океана. «Если вы изучаете планетарное здоровье, вам необходимо учитывать как наземную, так и морскую среду для получения комплексного представления о чистой первичной продукции. Новаторские исследования, впервые объединившие наземную и морскую первичную продукцию, не подвергались существенному обновлению более двух десятилетий», — сказал соавтор Николас Кассар, заведующий кафедрой биологии окуня имени Ли Хилла Сноудона в Школе Николаса, который совместно с Чжаном курировал исследование.
СПУТНИКОВЫЕ ДАННЫЕ
Наблюдения со спутников позволяют непрерывно наблюдать за фотосинтезом растений и морских водорослей, называемых фитопланктоном. В частности, специализированные спутниковые приборы измеряют зелёность поверхности, которая отражает содержание зелёного пигмента, хлорофилла, вырабатываемого фотосинтезирующими организмами. Затем компьютерные модели оценивают чистую первичную продукцию, комбинируя данные о зелёности с другими данными об окружающей среде, такими как температура, освещённость и изменчивость питательных веществ.
Авторы нового исследования использовали шесть различных наборов спутниковых данных о чистой первичной продукции — три для суши и три для океанов — за период с 2003 по 2021 год. Используя статистические методы, они проанализировали годовые изменения чистой первичной продукции для суши и, отдельно, для океана.
Они обнаружили значительный рост чистой первичной продукции на суше со скоростью 0,2 млрд метрических тонн углерода в год в период с 2003 по 2021 год. Эта тенденция была широко распространена от умеренных до бореальных (высокоширотных) зон, за исключением тропиков Южной Америки. Напротив, группа исследователей выявила общее снижение чистой первичной продукции морской среды примерно на 0,1 млрд тонн углерода в год за тот же период. Значительное снижение наблюдалось преимущественно в тропических и субтропических океанах, особенно в Тихом океане. В целом тенденции на суше доминируют над тенденциями в океанах: глобальная чистая первичная продукция значительно возросла в период с 2003 по 2021 год со скоростью 0,1 млрд метрических тонн углерода в год.
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ
Чтобы понять потенциальное воздействие экологических факторов, группа проанализировала такие переменные, как доступность света, температура воздуха и поверхности моря, осадки и глубина смешанного слоя — показатель, отражающий степень перемешивания верхнего слоя океана под воздействием ветра, волн и поверхностных течений. «Сдвиг в сторону большей первичной продуктивности на суше в основном произошел за счет растений в более высоких широтах, где потепление увеличило вегетационный период и создало более благоприятные температуры, а также в умеренных регионах, где в некоторых районах наблюдалось локальное увлажнение, расширение лесов и интенсификация пахотных земель», — сказал Вэньхун Ли, профессор наук о Земле и климате в Школе Николаса и соавтор исследования.
В некоторых районах океана повышение температуры, по-видимому, имело противоположный эффект. «Повышение температуры поверхности моря, вероятно, привело к снижению первичной продукции фитопланктона в тропических и субтропических регионах», — добавил Кассар. «Более тёплые воды могут залегать поверх более холодных и мешать смешиванию питательных веществ, необходимых для выживания водорослей».
Авторы обнаружили, что хотя суша способствовала общему росту первичной продукции в мире, на межгодовую изменчивость, особенно во время сильных климатических явлений, таких как Эль-Ниньо и Ла-Нинья, в первую очередь влиял океан. «Мы обнаружили, что первичная продукция океана гораздо сильнее реагирует на Эль-Ниньо и Ла-Нинья, чем первичная продукция суши», — сказал соавтор исследования Шиненг Ху, доцент кафедры динамики климата в Школе Николаса. «Серия событий Ла-Нинья частично обусловила смену тренда первичной продукции океана, выявленную нами после 2015 года. Это открытие подчёркивает большую чувствительность океана к будущей изменчивости климата».
ШИРОКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ
По словам авторов, исследование указывает на важную роль наземных экосистем в компенсации снижения чистой первичной продукции морского фитопланктона. Однако они добавили, что снижение чистой первичной продукции в тропических и субтропических океанах в сочетании со стагнацией на суше в тропиках может ослабить основу тропических пищевых цепей, что повлечёт каскадные последствия для биоразнообразия, рыболовства и местной экономики. Со временем эти нарушения могут также поставить под угрозу способность тропических регионов эффективно выполнять функцию поглотителей углерода, потенциально усиливая последствия потепления климата. «Продолжится ли снижение первичной продукции океана, и как долго и в какой степени рост на суше сможет компенсировать эти потери, остаётся ключевым вопросом без ответа, имеющим серьёзные последствия для оценки состояния всех живых существ и разработки мер по смягчению последствий изменения климата», — сказал Чжан. «Долгосрочный скоординированный мониторинг экосистем суши и океана как неотъемлемых компонентов Земли крайне важен».
Финансирование : проекты YZ, WL и GS частично финансировались в рамках сотрудничества Университета Дьюка и Лесной службы Министерства сельского хозяйства США (23-JV-11330180-119). Проект NC финансировался Национальным научным фондом (OCE-2123198). Проект JM финансировался Окриджской национальной лабораторией. Проект JX финансировался Национальным научным фондом (макросистемная биология) и Научной программой с поддержкой NEON (DEB-2017870).
Ссылка : « Контрастные тенденции биологического производства на суше и в океане », Чжан И., Ли В., Сунь Г., Мао Цз., Данненберг М., Сяо Цз., Ли Цз., Чжао Х., Чжан Цюй, Ху С., Сун Ц. и Кассар Н. Nature Climate Change, 1 августа 2025 г., DOI: 10.1038/s41558-025-02375-1.
КОНТАКТЫ СО СМИ: Статья Джули Лейбах, старшего научного автора. Школа коммуникаций и маркетинга имени Николая dukenvironment@nicholas.duke.edu