基于衛(wèi)星遙感的南海真光層底顆粒有機(jī)碳輸出通量時(shí)空特征研究

劉少軍，蔡大鑫，韓靜，羅琪，趙婷，張廷龍

(1.海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 海口 570203；2.海南省氣象科學(xué)研究所，海南 ?？?570203)

引言

邊緣海和開闊海構(gòu)成了全球海洋，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球邊緣海占整個(gè)海洋面積的7%～8%，邊緣海海水含碳約3.1×1011t，約占整個(gè)開闊海洋的1%；邊緣海初級(jí)生產(chǎn)力占全球海洋的15%～30%，但約有50%的顆粒無機(jī)碳和90%的有機(jī)碳存在于邊緣海中[1]。真光層顆粒有機(jī)碳(particulate organic carbon，POC)輸出通量代表了海洋“生物泵”的固碳能力，是衡量海洋生態(tài)系統(tǒng)對(duì)大氣二氧化碳濃度調(diào)控的重要參數(shù)。海洋真光層中的浮游植物通過光合作用，每天從大氣吸收的碳超過1億t[2]。南海總面積約為350萬 km2，是我國(guó)最大的邊緣海，因此厘清南海的顆粒有機(jī)碳輸出通量對(duì)掌握我國(guó)海洋的碳源匯格局具有重要的意義。

海洋固碳主要包括兩個(gè)過程：首先是海水與大氣交界面的CO2交換過程；其次是碳在海水中的轉(zhuǎn)換過程。根據(jù)調(diào)控機(jī)制不同，轉(zhuǎn)換過程又可分為：一是物理因素起主導(dǎo)作用的過程，也被稱為海洋固碳的“溶解度泵”；二是基于海洋浮游植物光合作用的“生物泵”過程[1,3]。雖然浮游植物固碳量較大，但所形成的POC 在沉降過程中會(huì)不斷被降解，真正沉降出真光層的POC少于表層初級(jí)生產(chǎn)力的15%，而最后到達(dá)海底被埋葬的POC只有初級(jí)生產(chǎn)力的0.1%[4]。海洋“生物泵”固碳代表了海洋有效的固碳過程，受浮游植物初級(jí)生產(chǎn)力水平的調(diào)控，與生源顆粒向真光層外的輸出密切相關(guān)，懸浮物也可以通過影響真光層深度從而影響水體的初級(jí)生產(chǎn)力[5-6]。因此，在定量研究海洋“生物泵”固碳能力時(shí)，可以采用初級(jí)生產(chǎn)力水平做大致的評(píng)估，使用真光層POC輸出通量表征海洋“生物泵”的實(shí)際固碳水平。傳統(tǒng)船測(cè)調(diào)查中，POC輸出通量的研究方法主要有兩種：沉積物捕集器法和放射性同位素方法(234Th-238U)。傳統(tǒng)的船舶斷面調(diào)查方法無法實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋的大面積同步觀測(cè)，而衛(wèi)星遙感不僅能夠獲得大面積同步、長(zhǎng)期連續(xù)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)在經(jīng)濟(jì)上相比船舶測(cè)量等方式具有較大的優(yōu)勢(shì)。衛(wèi)星遙感的大范圍、長(zhǎng)時(shí)序觀測(cè)優(yōu)勢(shì)，使其成為研究POC輸出通量的必要手段之一[7]。STRAMSKI et al.[8]于1999年提出可以利用水色遙感反演海水POC濃度。遙感反演海表POC濃度算法可分為三大類：一是基于葉綠素濃度、懸浮物與POC的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，通過遙感反演葉綠素和懸浮物濃度間接估算POC；二是建立表觀光學(xué)量(遙感反射比)與POC的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系；三是建立水體固有光學(xué)量(顆粒衰減系數(shù)、后向散射系數(shù))與POC的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系[9-12]。海洋水體環(huán)境不同將導(dǎo)致POC反演存在時(shí)空差異，因此需要考慮不同海區(qū)之間的時(shí)空變化差異，再確定POC和海水光學(xué)特征的定量關(guān)系，以構(gòu)建針對(duì)不同傳感器的POC遙感反演模型[9-11]。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，可以通過衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)來反演碳通量計(jì)算的相關(guān)參數(shù)，通過建立遙感模型，實(shí)現(xiàn)多時(shí)空尺度和長(zhǎng)時(shí)間序列的海洋碳通量評(píng)估。如，唐世林等[13]、朱鈺等[14]、TAN and SHI[15]、陳蔚芳[16]、許蘇清和陳立奇[17]、BAI et al.[18]、崔萬松[19]、呂航宇[20]、李騰[1]等利用遙感技術(shù)開展了南海碳通量遙感反演相關(guān)工作。綜上所述，前人在南海碳通量時(shí)空格局研究等方面已經(jīng)開展了大量的工作。

由于受限于實(shí)測(cè)觀測(cè)手段有限的時(shí)空覆蓋率，目前南海碳通量的時(shí)空變化特征仍不明確，調(diào)控機(jī)制仍不清晰。整個(gè)中國(guó)南海碳通量的評(píng)估依然存在不確定性[21-22]。在提升時(shí)空覆蓋度的觀測(cè)方面，遙感具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，因此本研究利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)分析南海真光層底顆粒有機(jī)碳輸出通量變化特征，以期為政府碳達(dá)峰和碳中和、南海藍(lán)色經(jīng)濟(jì)發(fā)展、近海生態(tài)保護(hù)及應(yīng)對(duì)氣候變化等提供決策依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)和方法

本研究所用的南海海底地形數(shù)據(jù)采用全球海洋DEM-GEBCO數(shù)據(jù)(https://download.gebco.net/)；2009—2018年基于MODIS的全球有機(jī)碳通量月度數(shù)據(jù)集[23](http://www.geodoi.ac.cn/)，該數(shù)據(jù)集反演的全球真光層底有機(jī)碳輸出通量具有較高的精度和穩(wěn)定性[24]。該數(shù)據(jù)集的算法主要是根據(jù)遙感數(shù)據(jù)反演的海面溫度、葉綠素濃度和真光層深度等數(shù)據(jù)，利用建立的真光層底顆粒有機(jī)碳通量反演模型(公式(1))來實(shí)現(xiàn)[24]。

POCflux=e-ratio×NPP

(1)

e-ratio=max(0.04,min(0.72,-0.008 1×

(2)

其中POCflux為顆粒有機(jī)碳通量；e-ratio為POC輸出效率(固碳效率)，具體算法見公式(2)[25]；Chl為葉綠素濃度；Zeu為真光層深度；SST為海面溫度；NPP表示真光層凈初級(jí)生產(chǎn)力(單位：mgC·m-2·d-1)，具體算法見文獻(xiàn)[26]。

以上數(shù)據(jù)的處理利用ArcGIS 10.1功能模塊Spatial Analyst Tools-cell statistics來實(shí)現(xiàn)，主要采用該模塊中的取最大值算法提取2009—2018年南海區(qū)域每月真光層底顆粒有機(jī)碳通量和標(biāo)準(zhǔn)偏差值。

2 結(jié)果與分析

2.1 南海年平均顆粒有機(jī)碳輸出通量分布特征

根據(jù)2009—2018年南海真光層底顆粒有機(jī)碳通量反演數(shù)據(jù)，研究區(qū)內(nèi)真光層底顆粒有機(jī)碳通量平均值為55.4 mgC·m-2·d-1，有機(jī)碳通量小于50 mgC·m-2·d-1主要分布在南海的東部、南部的海盆海區(qū)；有機(jī)碳通量50～100 mgC·m-2·d-1分布在南海的北部和西部；有機(jī)碳通量100～150 mgC·m-2·d-1分布在靠近大陸架區(qū)域；有機(jī)碳通量大于150 mgC·m-2·d-1分布在南海近岸區(qū)域(圖1)。主要原因在于南海陸架區(qū)真光層較淺且大粒徑藻類較盆地多，浮游植物光合作用的增加可以提高陸架區(qū)POC輸出效率，在陸架區(qū)再次通過浮游動(dòng)物的攝食、大粒徑藻類聚合等過程，最終以顆粒物由海洋上層沉降到海底，因此陸架區(qū)真光層有機(jī)碳輸出通量較高。同時(shí)內(nèi)陸架海區(qū)會(huì)受到陸源有機(jī)碳的影響，顆粒有機(jī)碳輸出通量較高；隨著深度的增加，外陸架海區(qū)顆粒有機(jī)碳輸出通量明顯下降。

圖1 2009—2018年年平均有機(jī)碳輸出通量(單位：mgC·m-2·d-1)Fig.1 Annual mean POC export flux (units: mgC·m-2·d-1) in the South China Sea from 2009 to 2018

2.2 南海顆粒有機(jī)碳輸出通量季度分布特征

由于南海真光層底顆粒有機(jī)碳輸出通量月值變化在1—3月、10—12月最為顯著，5—9月變化則不明顯，按照每3個(gè)月的有機(jī)碳通量取平均值來代表季節(jié)分布，有些區(qū)域的變化信息會(huì)因取平均值而被平滑掉，為了更好地體現(xiàn)季節(jié)性變化規(guī)律和趨勢(shì)，選擇2009—2018年1、4、7、10月的真光層底顆粒有機(jī)碳輸出通量平均值來代表南海冬、春、夏、秋四個(gè)季節(jié)的真光層有機(jī)碳輸出通量變化規(guī)律。根據(jù)2009—2018年南海真光層底顆粒有機(jī)碳輸出通量月平均值，計(jì)算了南海1、4、7、10月有機(jī)碳輸出通量標(biāo)準(zhǔn)偏差值(圖2)，從圖中可以看出，南海近岸和陸架區(qū)域不同月份顆粒有機(jī)碳輸出通量平均偏差值較大。1月整個(gè)南海有機(jī)碳輸出通量平均偏差值為27 mgC·m-2·d-1，4月整個(gè)南海有機(jī)碳輸出通量平均偏差值為13 mgC·m-2·d-1，7月整個(gè)南海有機(jī)碳輸出通量平均偏差值為16 mgC·m-2·d-1，10月整個(gè)南海顆粒有機(jī)碳輸出通量平均偏差值為19 mgC·m-2·d-1。

圖2 南海顆粒有機(jī)碳輸出通量標(biāo)準(zhǔn)偏差(a. 1月，b. 4月，c. 7月，d. 10月；單位：mgC·m-2·d-1)Fig.2 Standard deviation of POC export flux (units: mgC·m-2·d-1) in the South China Sea in January (a), April (b), July (c), and October (d)

研究區(qū)內(nèi)真光層底顆粒有機(jī)碳通量存在明顯的季節(jié)性變化，其中1、4、7、10月真光層底顆粒有機(jī)碳通量平均值為82.43、47.37、46.34、54.75 mgC·m-2·d-1。1月顆粒有機(jī)碳通量小于50 mgC·m-2·d-1范圍較小，分布在南海的中部、南部海區(qū)；顆粒有機(jī)碳通量50～100 mgC·m-2·d-1分布在南海的中部和南部；顆粒有機(jī)碳通量100～150 mgC·m-2·d-1分布在南海北部；顆粒有機(jī)碳通量大于150 mgC·m-2·d-1分布在南?？拷懙氐难睾：０稁^(qū)域。4月顆粒有機(jī)碳通量小于50 mgC·m-2·d-1分布在南海大部分海區(qū)，顆粒有機(jī)碳通量50～100 mgC·m-2·d-1分布在南海的北部和中部，顆粒有機(jī)碳通量100～150 mgC·m-2·d-1分布在南海的北部區(qū)域，顆粒有機(jī)碳通量大于150 mgC·m-2·d-1分布在南?？拷懙氐难睾：０稁^(qū)域。7月顆粒有機(jī)碳通量小于50 mgC·m-2·d-1分布在南海大部分海區(qū)，比4月覆蓋面積有所擴(kuò)大；顆粒有機(jī)碳通量50～100 mgC·m-2·d-1分布在南海的北部、中部和西部；顆粒有機(jī)碳通量100～150 mgC·m-2·d-1分布在南海的西南部；顆粒有機(jī)碳通量大于150 mgC·m-2·d-1分布在南海靠近陸地的沿海海岸帶區(qū)域。10月顆粒有機(jī)碳通量小于50 mgC·m-2·d-1主要分布在南海的中東部、南部海區(qū)，比4、7月覆蓋面積有所減?。活w粒有機(jī)碳通量50～100 mgC·m-2·d-1分布在南海的北部和西部，比4、7月覆蓋面積有所擴(kuò)大；顆粒有機(jī)碳通量100～150 mgC·m-2·d-1分布在南海西南部靠近海岸帶區(qū)域；顆粒有機(jī)碳通量大于150 mgC·m-2·d-1分布在南?？拷懙氐难睾：０稁^(qū)域(圖3)。

圖3 南海顆粒有機(jī)碳輸出通量(a. 1月，b. 4月，c. 7月，d. 10月；單位：mgC·m-2·d-1)Fig.3 POC export flux (units: mgC·m-2·d-1) in the South China Sea in January (a), April (b), July (c), and October (d)

總體而言，南海區(qū)域真光層底顆粒有機(jī)碳輸出通量冬季最高，春、秋季次之，夏季最小。1、4、7、10月顆粒有機(jī)碳輸出通量在時(shí)間和空間分布上存在較大差異。時(shí)間上，整體研究區(qū)顆粒有機(jī)碳輸出通量呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)；空間上，真光層底顆粒有機(jī)碳輸出通量1月高值區(qū)分布范圍最大，隨后逐漸縮小， 10月真光層底顆粒有機(jī)碳輸出通量開始再次出現(xiàn)增加趨勢(shì)。內(nèi)陸架海區(qū)會(huì)受到陸源有機(jī)碳的影響，顆粒有機(jī)碳輸出通量較高。結(jié)合南海海底地形圖(圖4)可以看出，南海總體地形從周邊向中央傾斜，海水深度由淺至深依次分布著大陸架和島架、大陸坡和島坡、深海盆地等地貌類型。由于受珠江、湄公河等大河輸入的影響，南海北部陸架的區(qū)域和南海東部的有機(jī)碳沉積速率遠(yuǎn)高于南海海盆區(qū)[21,27-28]；隨著深度的增加，外陸架海區(qū)顆粒有機(jī)碳輸出通量明顯下降，并在深度超過2 000 m的水體中趨于穩(wěn)定[27]。研究表明南海浮游植物的季節(jié)性分布特征與季風(fēng)驅(qū)動(dòng)的中尺度現(xiàn)象有很好的耦合關(guān)系[29]，由于南海上層水平環(huán)流受季風(fēng)影響，冬季的東北季風(fēng)和夏季的西南季風(fēng)直接強(qiáng)迫南海的表層海水運(yùn)動(dòng)，影響南海海水混合層的結(jié)構(gòu)，季風(fēng)通過改變營(yíng)養(yǎng)躍層深度,改變海水中營(yíng)養(yǎng)鹽的利用程度從而對(duì)南海浮游植物生產(chǎn)力產(chǎn)生影響[30]，從而導(dǎo)致真光層底顆粒有機(jī)碳通量季節(jié)性變化差異。

圖4 南海海底地形Fig.4 Submarine topography of the South China Sea

2.3 南海顆粒有機(jī)碳輸出通量月變化規(guī)律

選取區(qū)域A、B、C分別代表南海北部、中部、南部海區(qū)，根據(jù)2009—2018年南海真光層底顆粒有機(jī)碳通量反演數(shù)據(jù)，可以看出南海不同海區(qū)的真光層底顆粒有機(jī)碳通量呈現(xiàn)明顯的U形分布規(guī)律， 1月真光層底顆粒有機(jī)碳通量呈現(xiàn)最高值，8月處于低值區(qū)，10月開始快速回升(圖5)。南海北部的A區(qū)域顆粒有機(jī)碳通量整體高于B、C區(qū)域顆粒有機(jī)碳通量，但6—9月A、B、C區(qū)域顆粒有機(jī)碳通量值非常接近。其中A區(qū)域顆粒有機(jī)碳通量在1月達(dá)到最高值，顆粒有機(jī)碳通量平均值為164.9 mgC·m-2·d-1；7—9月達(dá)到低值區(qū)，顆粒有機(jī)碳通量平均值為26.3 mgC·m-2·d-1；10月開始迅速上升，顆粒有機(jī)碳通量平均值為60.91 mgC·m-2·d-1。在南海中部的B區(qū)域，1月達(dá)到最高值，顆粒有機(jī)碳通量平均值為53.69 mg C·m-2·d-1；8月達(dá)到最低值，顆粒有機(jī)碳通量平均值為24.5 mgC·m-2·d-1；10月開始上升，顆粒有機(jī)碳通量平均值為36.85 mgC·m-2·d-1。在南海南部的C區(qū)域，1月達(dá)到最高值，顆粒有機(jī)碳輸出通量平均值為85.65 mgC·m-2·d-1；8月達(dá)到低值，顆粒有機(jī)碳輸出通量平均值為30.9 mgC·m-2·d-1；10月開始上升，顆粒有機(jī)碳通量平均值為37.04 mgC·m-2·d-1。通過A、B、C區(qū)域遙感監(jiān)測(cè)的真光層顆粒有機(jī)碳輸出通量顯示：冬季最高，春、秋季次之，夏季最小，導(dǎo)致其變化的原因主要是浮游植物的光合作用、洋流變化等。浮游植物的初級(jí)生產(chǎn)力決定了顆粒有機(jī)碳輸出通量，顆粒有機(jī)碳通量輸出隨著溫度的增加而減小[1]；同時(shí)南海洋流的季節(jié)性變化也一定程度上影響顆粒有機(jī)碳輸出通量[31]。

圖5 南海A、B、C區(qū)域(a)顆粒有機(jī)碳輸出通量(單位：mgC·m-2·d-1)月分布規(guī)律(b)Fig.5 Monthly distribution of POC export flux (units: mgC·m-2·d-1) in A, B, and C regions (A/B/C in Fig.5a corresponds to blue/orange/gray solid line in Fig.5b) of the South China Sea

3 結(jié)論與討論

根據(jù)2009—2018年南海真光層底顆粒有機(jī)碳輸出通量數(shù)據(jù)分析可以得到：(1)南海近10 a年平均顆粒有機(jī)碳輸出通量為55.4 mgC·m-2·d-1，從空間上看存在明顯差異，其通量分布存在近岸>陸架>海盆的趨勢(shì)； (2)從季節(jié)上看，南海真光層底顆粒有機(jī)碳輸出通量冬季最高，春、秋季次之，夏季最小，主要原因在于冬季強(qiáng)東北季風(fēng)帶來的水體垂向混合作用增強(qiáng), 混合層下的營(yíng)養(yǎng)鹽向表層的補(bǔ)充促進(jìn)了表層浮游植物的生長(zhǎng)[31-32]。南海屬于邊緣海，相對(duì)于開闊的海區(qū)，邊緣海的生態(tài)系統(tǒng)較為復(fù)雜，這直接導(dǎo)致了真光層底顆粒有機(jī)碳輸出通量的不穩(wěn)定性[1]。根據(jù)2009—2018年遙感數(shù)據(jù)的估算結(jié)論，整個(gè)南海1、4、7、10月有機(jī)碳輸出通量平均偏差值范圍為13～27 mgC·m-2·d-1，該誤差范圍與李騰[1]的研究結(jié)果相接近，進(jìn)一步驗(yàn)證了該數(shù)據(jù)反演的南海真光層底顆粒有機(jī)碳輸出通量具有較高的精度[24]。

南海真光層底顆粒有機(jī)碳輸出通量與浮游植物光合作用、浮游植物群落結(jié)構(gòu)、浮游動(dòng)物攝食、藻華和海水溫度和水體運(yùn)動(dòng)過程等均有密切關(guān)系[1]。其中海水中的真光層底顆粒有機(jī)碳主要來源于浮游植物光合作用，浮游植物的初級(jí)生產(chǎn)力決定了有機(jī)碳輸出通量，一般情況下有機(jī)碳通量輸出效率會(huì)隨著初級(jí)生產(chǎn)力的增加而上升，隨著溫度的增加而減小[1]。浮游植物群落結(jié)構(gòu)不僅影響海洋初級(jí)生產(chǎn)力，同時(shí)會(huì)影響到真光層底顆粒有機(jī)碳的下降速率，一般情況下大粒徑藻類影響更明顯。浮游動(dòng)物攝食可以將下降速度慢的小型顆粒有機(jī)碳通過“打包效應(yīng)”轉(zhuǎn)化為沉降速度較快的顆粒有機(jī)碳[33]，同時(shí)浮游動(dòng)物的晝夜遷移也可將表層的顆粒有機(jī)碳帶入深海。藻華在爆發(fā)時(shí)快速增長(zhǎng)的浮游植物可以為浮游動(dòng)物提供大量的食物來源，顆粒有機(jī)碳輸出通量可以提高到平時(shí)10倍以上[32]。海水溫度大于15 ℃以上可以提高顆粒有機(jī)碳輸出效率。水體的運(yùn)動(dòng)，如中尺度渦旋可以增強(qiáng)顆粒有機(jī)碳輸出通量等[33]。

海洋固碳也稱為碳封存[1]。海洋固碳機(jī)理可分為“溶解度泵”固碳和“生物泵”固碳兩種類型?！叭芙舛缺谩惫烫际菍⑻紡暮Ｑ蟊砻孑斔偷胶Ｑ髢?nèi)部的物理化學(xué)過程，低溫和高鹽度表層海水在重力作用下將海氣表面吸收的CO2輸入到深海，構(gòu)成海洋儲(chǔ)碳的“溶解度泵”。大氣中排放大量CO2后，大氣中的CO2分壓增加，強(qiáng)迫大氣中的CO2向海洋中輸入；一方面海水中吸收大量的CO2后導(dǎo)致海水酸化；另外一方面，當(dāng)人類減排措施發(fā)揮作用時(shí)，大氣中的CO2分壓減小并小于海洋中CO2分壓時(shí)，溶解的CO2會(huì)重返大氣[1]，因此從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，“溶解度泵”固定的CO2并不可靠。海洋固碳的重點(diǎn)在于“生物泵”上，“生物泵”固碳是將海洋浮游植物通過光合作用將海洋從大氣中吸收的無機(jī)碳轉(zhuǎn)換為有機(jī)碳，并通過浮游動(dòng)物的攝食、大粒徑藻類聚合等過程，最后以顆粒物由海洋上層沉降到海底，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣CO2的調(diào)控。海洋“生物泵”固碳代表了海洋有效的固碳過程，基于衛(wèi)星遙感反演的真光層有機(jī)碳輸出通量一定程度上定量表征海洋“生物泵”的實(shí)際固碳水平。由于受多種因素的影響，利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演的南海真光層底顆粒有機(jī)碳輸出通量仍然存在很多不確定性。本文采用的真光層底顆粒有機(jī)碳輸出通量數(shù)據(jù)集的算法是在Dunne估算模型[25]的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)，采用的遙感反演數(shù)據(jù)有海面溫度、葉綠素濃度和真光層深度等，這些要素也同樣存在一定程度的誤差。因此下一步建立遙感反演真光層模型時(shí)，要考慮不同的海區(qū)建立反演模型，如近岸>陸架>海盆等分別建立對(duì)應(yīng)的模型，同時(shí)也應(yīng)考慮結(jié)合海洋動(dòng)力學(xué)模型，建立更加精確的南海真光層底顆粒有機(jī)碳輸出通量模型。由于南海屬于邊緣海，其顆粒有機(jī)碳通量變化具有很強(qiáng)的不確定性，受到南海天氣氣候和環(huán)境因子影響較大[34-36]，加上觀測(cè)資料有限，本文僅從宏觀上說明了南海區(qū)域真光層底顆粒有機(jī)碳輸出通量特征差異，但也不排除局部區(qū)域與實(shí)際情況存在一定誤差。同時(shí)，由于收集和整理的南海海上實(shí)測(cè)真光層POC輸出通量數(shù)據(jù)有限，暫時(shí)未全面系統(tǒng)地開展不同季節(jié)和不同海區(qū)POC遙感反演結(jié)果和精度驗(yàn)證工作，下一步將重點(diǎn)開展此方面的工作。