植物的光合作用途径主要可分为C3 途径、C4 途径和CAM途径。具有C4 光合途径的植物（包括玉米、甘蔗、高粱、苋菜、梭梭、莎草、狼尾草等）虽然仅占维管植物物种总数的约3%，但C4植被却贡献了全球陆地生态系统约1/5的总初级生产力。C4 植被通过CO2浓缩机制抑制了光呼吸，能够在高温、干旱和低大气CO2浓度的条件下获得较高的光合作用效率，其对气候变化的响应与C3植被迥异。因此，准确认识C4植被的空间分布特征是理解陆地生态系统碳循环如何响应气候变化的重要基础。然而，当前模拟C3和C4植被分布的模型普遍基于“生态演化最优性”的假设，其模拟结果只能反映特定气候条件下C3植被与C4 植被竞争达到平衡状态时的C4植被分布。这一假设明显不符合当下气候快速变化与人类活动广泛且高强度地管理与扰动陆地生态系统的现实。如何获取全球C4 植被的真实分布格局仍是亟待解决的难题。

针对上述问题，北京大学城市与环境学院长聘副教授、碳中和研究院双聘教师王旭辉研究组从C3植被和C4植被的光合作用对温度响应的生理差异出发，基于多源遥感数据，解析了冠层光合效率对温度的敏感性（ST）。团队以美国玉米带和华北平原的高分辨率C4作物分布图为数据基础，建立了ST与C4 植被覆盖度之间的关系。这一方法不仅有效识别了无法被生态最优性模型捕捉到的C4作物的分布，而且与多个地面观测的C4植被覆盖度数据集具有较高的一致性，在不同生态系统间具有较好的可迁移性。

研究团队应用这一新方法绘制了数据驱动的全球C4植被分布图。研究结果表明，全球 C4植被的总面积约 1950 万平方公里 (90% 置信区间: 1610-2290万平方公里)。C4植被分布的空间格局与以往模型的估计存在明显差异。虽然在传统上认为C4植被占优势的热带/亚热带的非森林区域有一定的共识，但新的全球C4植被分布图识别了被以往模型忽视的欧亚大陆温带半干旱/干旱区域C4植被的广泛分布（图1）。

图1 全球C4 植被分布及不确定性

该研究摆脱了“生态演化最优性”的假设，率先基于遥感数据估算了全球C4 植被的现实分布格局，为厘清气候变化和人类活动对C4 植被分布的影响、为深入认识陆地生态系统碳循环对气候变化的响应提供了科学依据。

该研究近日以“Global C4 vegetation pattern revealed by the temperature response of remotely sensed photosynthetic efficiency”为题发表于Environmental Research Letters。北京大学城市与环境学院2022级博士研究生赵泉博为第一作者，王旭辉长聘副教授为通讯作者。合作者包括新加坡国立大学罗翔中教授，科罗拉多州立大学陈安平教授，北京大学刘鸿雁教授、张尧研究员、已毕业研究生杜昊淳、王琛智等。这项研究得到了国家重点研发计划(2024YFF0809103)等项目的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1088/1748-9326/ae8040

全球C4 植被分布数据：

https://figshare.com/s/ebbee9446bffb296e16b