Declining grassland canopy height in China under asymmetric biomass allocation

来自 <https://www.nature.com/articles/s41467-026-70275-9>

1. 研究背景

气候变化和人类活动正在深刻重塑全球草地生态系统。近年来，大量研究表明草地生产力和绿度显著提升，但这些指标主要反映“量”的变化，而忽视了生态系统结构特征。草地冠层高度作为关键功能性状，直接影响植物竞争、物种多样性以及放牧资源利用效率。然而，由于遥感方法限制和草地结构复杂性，冠层高度的长期大尺度变化仍缺乏系统研究。这一认知空白限制了我们对草地生态系统稳定性及其对气候变化响应机制的理解。因此，有必要从生物量分配角度重新审视草地结构变化及其生态意义。

1. 研究方法

本研究基于2001–2022年中国草地多源数据，融合MODIS遥感数据、ERA5气候再分析数据以及24,125个野外样点观测数据，利用随机森林模型估算地上生物量，并通过光谱混合分析获取植被覆盖度，进一步构建“生物量/覆盖度”比值来表征冠层高度。同时，结合结构方程模型（SEM）与线性混合模型（LMM），系统分析气候因子（温度、降水、辐射、CO₂）与放牧压力对草地结构变化的驱动机制。

1. 研究结果

研究首先基于随机森林模型评估了地上生物量变化，结果显示融合气候与遥感因子的模型精度最高（R²=0.73），能够有效刻画草地生产力变化。2001–2022年，中国草地地上生物量整体呈显著上升趋势，约63%的区域表现为增加，平均增长速率约0.44 g m⁻² yr⁻¹（图1）。这一结果表明，在气候变暖和CO₂浓度升高背景下，草地生产力持续提升。然而，空间上呈现显著异质性，高寒草地甚至出现轻微下降，说明气候驱动下的生态响应具有区域差异。

Fig. 1: Spatiotemporal changes in grassland aboveground biomass in China from 2001 to 2022 estimated using satellite-driving metrics and climatic factors separately and in combination.

进一步分析植被覆盖度发现，其在研究期内也显著增加（约0.24% yr⁻¹），且与生物量变化呈显著正相关（r=0.41），约70%的区域表现出同步增长（图2）。这表明草地“变绿”主要来源于植被在水平方向的扩展，即覆盖面积增加，而非单株生长增强。同时，在高覆盖区域，该增长趋势趋于饱和，限制了进一步扩展能力。这种“横向扩张主导”的模式意味着草地生产力提升具有结构约束，并可能掩盖生态系统质量变化。

Fig. 2: Changes in fractional vegetation cover and the correlation with aboveground biomass across Chinese grasslands from 2001 to 2022.

与上述趋势形成对比的是，草地冠层高度在全国尺度上呈显著下降趋势。研究表明约57%的区域冠层高度降低，平均下降速率为−0.04 cm yr⁻¹（图3）。这一现象表明，尽管生物量增加，但其在垂直方向的分配却减少，即单位面积内植被变得更“矮”。这种结构性变化揭示出生态系统功能的潜在弱化：较低的冠层高度通常意味着竞争能力下降和群落结构简化。

Fig. 3: Spatial regime of grassland canopy height and its trends across China from 2001 to 2022.

为了验证这一结论，研究结合长期观测站数据，发现垂直生物量分配持续下降（约−2.27 g m⁻² yr⁻¹），与模型结果高度一致（图4）。此外，GEDI激光雷达数据也支持冠层高度下降趋势。多源证据表明，“草地矮化”是一个普遍且稳健的生态现象，而非模型误差。这进一步说明，传统基于绿度或生物量的评估可能高估生态系统健康状况。

Fig. 4: Surveyed and modeled changes in the vertical allocation of aboveground biomass from the long-term grassland ecosystem observation stations across China.

在驱动机制方面，结构方程模型显示降水和CO₂浓度对植被覆盖度和高度具有促进作用，而气温升高和放牧压力则显著抑制冠层高度（图5）。特别是温度升高与放牧的协同作用，显著加剧了冠层高度下降。这种机制反映了一种生态适应策略：在水分受限或干扰增强条件下，植物更倾向于横向扩展以提高光资源获取并减少被啃食风险，但代价是垂直结构退化。

Fig. 5: Responses of canopy height and fractional vegetation cover to environmental changes in solar radiation (Ra), precipitation (Pr), air temperature (Ta), CO2 fertilization effect (Ca), and grazing pressure (Gp).

进一步分析发现，冠层高度变化与生物多样性密切相关。研究表明，当物种丰富度低于11或冠层结构复杂度降低时，冠层高度显著下降（图6）。这说明放牧和气候变化引起的物种丧失会削弱生态系统稳定性，使草地对极端气候更加敏感，从而加剧“矮化”趋势。

Fig. 6: Correlation between 2001–2022 canopy height trends and plant diversity across Chinese grasslands.