基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的南海海域真光層POC 輸出效率分布特征

劉少軍，蔡大鑫，趙 婷，韓 靜，佟金鶴，李光偉

（海南省氣象科學(xué)研究所／海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，?？?570203）

引言

海洋是地球上最大的活躍碳庫，海洋不僅儲存了地球上大約93%的CO2，同時每年也大約消除30%人類排放CO2［1］。海洋可以長期儲存碳，也能對二氧化碳進(jìn)行重新分配。海洋碳匯在儲碳周期上比陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯存儲的時間更長，在調(diào)節(jié)全球氣候變化中發(fā)揮的作用更大［2］。海洋碳匯可以減緩氣候變化造成的影響，而真正對氣候變化發(fā)揮顯著調(diào)節(jié)作用的是海洋水體碳匯［3］。海洋中海水固碳過程和儲碳機(jī)制至關(guān)重要，生物泵（Biological Pump，BP）、碳酸鹽泵（Carbonate Counter Pump，CP）、溶解度泵等是常見的海洋儲碳機(jī)制［2］，在一個相對穩(wěn)定的時期里，海洋生物泵和微型生物碳泵等對氣候變化的影響更為突出［4］。生物泵是基于顆粒有機(jī)碳和垂直遷移過程，有機(jī)碳在重力作用下向深海沉降并最后到達(dá)海底實現(xiàn)長周期儲碳的生物學(xué)機(jī)制，雖然固碳量巨大，但儲碳效率并不高［5，6］，尤其是隨著深度加大生物泵產(chǎn)生的碳通量會出現(xiàn)Martin 曲線指數(shù)衰減［7］。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，實現(xiàn)對大氣CO2的調(diào)控。海水真光層是海洋浮游植物進(jìn)行光合作用的水層，而海洋真光層顆粒有機(jī)碳（Particulate Organic Carbon，POC）的分布變化是海洋生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)［8］，海洋真光層POC 輸出通量代表了海洋“生物泵”的固碳能力［9］，海洋真光層POC 輸出效率直接影響到輸出通量的多少，以及海洋“生物泵”的固碳能力。南海是我國最大的邊緣海，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，其POC 輸出通量及控制機(jī)制具有明顯的差異［9］，因此了解南海海洋POC 輸出效率空間變化特征具有重要意義。關(guān)于POC 通量輸出效率多以海區(qū)實際測得到的POC 輸出通量和初級生產(chǎn)力進(jìn)行相乘計算得到，然后通過遙感反演的海表溫度、葉綠素濃度、真光層深度、初級生產(chǎn)力等建立海洋POC 輸出效率的經(jīng)驗公式，實現(xiàn)海洋大范圍POC 輸出效率估算。如，李騰等［9］建立了南海北部陸架和海盆區(qū)不同的POC輸出效率和初級生產(chǎn)力的相關(guān)關(guān)系；Baines 等［10］，Henson 等［11］，Laws 等［12，13］，Dunne 等［14］分別建立POC輸出效率遙感反演算法。由于實測數(shù)據(jù)只能代表較小范圍內(nèi)的POC 輸出效率，無法滿足對南海POC 輸出通量長時序、大范圍觀測的需求。因此，本文借助衛(wèi)星遙感的優(yōu)勢，開展南海海域真光層POC通量輸出效率時空變化特征分析，以期為南海碳循環(huán)研究提供參考。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

文中采用的2003—2018 年基于MODIS 的全球有機(jī)碳通量月度數(shù)據(jù)集來源于文獻(xiàn)［15］，該數(shù)據(jù)反演的全球有機(jī)碳輸出通量效率具有較高的精度和穩(wěn)定性［16］。該數(shù)據(jù)集中有機(jī)碳輸出通量效率主要是根據(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)，利用真光層顆粒有機(jī)碳輸出效率反演算法（式1）來實現(xiàn)［14］。

其中eration 為POC 輸出效率（固碳效率），Zeu為真光層深度，SST 為海表溫度，Chl 為葉綠素濃度。

1.2 數(shù)據(jù)處理

以上數(shù)據(jù)的處理利用IDL 編程功能，實現(xiàn)對2003—2018 年有機(jī)碳通量月度數(shù)據(jù)集進(jìn)行南海區(qū)域各月、年平均值的提??；采用ArcGIS10.1 柵格計算器進(jìn)行線性傾向估計。其中，采用一元線性回歸分析法分析南海POC 通量輸出效率變化規(guī)律，并利用線性傾向估計進(jìn)行POC 通量輸出效率時間趨勢分析，具體參考文獻(xiàn)［17，18］。采用線性回歸法對2003—2018 年數(shù)據(jù)集同一區(qū)域每個像元的各月、年均POC 輸出效率值與月、年份進(jìn)行線性回歸，獲得POC 輸出效率在16a 間的變化斜率，其中POC 通量輸出效率線性傾向估計見公式（2）。

式中k 表示線性傾向率，表示該像元在該時間段內(nèi)POC 輸出效率月、年際變化的一元線性回歸方程的斜率，反映其在某一時間段內(nèi)總的變化趨勢，t為月份或年份，n 表示月份（時間序列1—12 月，即n＝12）或年份（時間序列2003—2018，即n＝16）。當(dāng)k大于零，表示隨時間的增加，POC 輸出效率呈上升趨勢；當(dāng)k 小于零，表示隨時間的減少，POC 輸出效率呈下降趨勢。

2 結(jié)果與分析

2.1 南海年平均有機(jī)碳通量輸出效率分布特征

根據(jù)2003—2018 年南海海域遙感反演POC 輸出效率數(shù)據(jù)，研究區(qū)內(nèi)顆粒有機(jī)碳通量輸出效率多年平均值為0.08，輸出效率分布呈現(xiàn)近岸高、海盆低的特征。從圖1 可以看出，南海區(qū)域2003—2018 年年平均POC 輸出效率大于0.30 的區(qū)域主要分布在靠近陸地的近岸區(qū)域，分布在南海北部、西部；POC輸出效率0.15～0.30，0.10～0.15 區(qū)域由近岸依次向外海延伸；POC 輸出效率小于0.05 的區(qū)域主要分布在南海的東部和南部。其中年平均POC 通量輸出效率小于0.05 占比24.4%；0.05～0.1 占比53.2%；0.1～0.15 占比11.4%；0.15～0.30 占比8.3%；大于0.30 占比2.7%。2003—2018 年南海海域顆粒有機(jī)碳年平均通量輸出效率呈現(xiàn)微弱的下降趨勢，南海POC 年平均輸出效率變化范圍為0.084～0.092，其中2003年南海顆粒有機(jī)碳年平均通量輸出效率最高，為0.092；2010 年、2012 年、2013 年P(guān)OC 平均通量輸出效率較小，均為0.084（圖2）。

圖1 南海區(qū)域2003—2018 年年平均POC 輸出效率

圖2 南海區(qū)域2003—2018 年P(guān)OC 輸出效率

2.2 南海有機(jī)碳通量輸出效率月變化規(guī)律

根據(jù)2003—2018 年南海遙感反演的POC 輸出效率數(shù)據(jù)，可以看出不同月份南海不同海區(qū)的POC輸出效率存在明顯的變化。1 月POC 輸出效率達(dá)到最高值，平均值為0.115；2—4 月POC 輸出效率快速下降，5 月達(dá)到最低值，平均值為0.072；6—8 月POC 輸出效率開始緩慢上升，8 月POC 輸出效率達(dá)到0.084；9 月POC 輸出效率開始下降到0.080，10—12 月又開始快速上升，12 月POC 輸出效率0.106（圖3）。

圖3 2003—2018 年1—12 月平均POC 輸出效率

從空間分布上看（圖4），整個南海通量輸出效率小于0.05 范圍在1 月份分布面積最小，幾乎為零，2 月開始出現(xiàn)在東沙群島和中沙群島附近，3—5月覆蓋范圍逐步擴(kuò)大到整個南海范圍，6—12 月，覆蓋范圍又開始從南海西部向東逐步縮小。POC 輸出效率0.05～0.10 范圍，1 月位于南海中部區(qū)域，2 月達(dá)到最大覆蓋范圍，3—5 月覆蓋范圍由海盆區(qū)域開始逐漸向四周縮小，5 月其范圍達(dá)到最小分布，6 月從南海西部開始逐漸擴(kuò)大范圍，12 月覆蓋南海中部海域；POC 通量輸出效率大于0.10 范圍主要分布在海岸帶區(qū)域，1 月在南海周邊近岸覆蓋范圍最大，2—5 月覆蓋范圍逐漸縮小，6—12 月覆蓋范圍逐漸擴(kuò)大。南海不同月份平均有機(jī)碳通量輸出效率占比分布見表1，其中月平均POC 通量輸出效率小于0.05 占比最多的出現(xiàn)在5 月，為59.0%，占比最少出現(xiàn)在1 月，為13.0%；月平均POC 通量輸出效率在0.05～0.1 范圍內(nèi)占比最多的出現(xiàn)在2 月，為48.9%，占比最少出現(xiàn)在5 月，為24.5%；月平均POC 通量輸出效率在0.1～0.15 范圍內(nèi)占比最多的出現(xiàn)在1月，為21.9%，占比最少出現(xiàn)在4 月，為7.7%；月平均POC 通量輸出效率在0.15～0.30 范圍內(nèi)占比最多的出現(xiàn)在1 月，為17.0%，占比最少出現(xiàn)在5 月，為6.5%；月平均POC 通量輸出效率在大于0.30 占比最多的出現(xiàn)在1 月，為4.3%，占比最少出現(xiàn)在9 月，為1.9%。

圖4 2003—2018 年南海月平均POC 輸出效率

表1 南海不同月份平均有機(jī)碳通量輸出效率占比分布（單位：%）

2.3 POC 通量輸出效率變化趨勢

一元線性回歸分析法可以在一定程度上減少不同月、年中南海各種極端事件的影響，真實反映POC 通量輸出效率的變化規(guī)律。從2003—2018 年各月POC 輸出效率計算得到的月線性傾向率可以看出，南海北部近岸、海南島周邊海域、南海的西部、南部大部分海域、南海西部靠近海岸帶月POC 輸出效率呈現(xiàn)顯著增長趨勢；南海的中部靠近西沙海域以東區(qū)域，POC 月通量輸出效率呈現(xiàn)微弱減少趨勢；而在南海的北部東沙海域、南海南部的南沙海域以東，POC 月通量輸出效率呈現(xiàn)明顯減少趨勢（圖5a）。其中POC 通量輸出效率月線性傾向率小于-0.005 占比3.0%；-0.005～-0.001 占比33.8%；-0.001～0 占比25.2%；0～0.001 占比17.2%；大于0.001 占比20.8%。從年線性傾向率來看，南海北部近岸海域、海南島四周及南海的西部靠近海岸帶區(qū)域，POC 年平均輸出效率呈現(xiàn)顯著增長趨勢；南海中部及南部絕大部分區(qū)域POC 輸出效率呈現(xiàn)微弱減少趨勢（圖5b）。其中POC 通量輸出效率年線性傾向率小于-0.005 占比0.1%；-0.005～-0.001 占比15.4%；-0.001～0 占比68.9%；0～0.001 占比13.2%；大于0.001 占比2.4%。

圖5 POC 通量輸出效率線性傾向率

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

根據(jù)2003—2018 年衛(wèi)星遙感反演的南海真光層POC 輸出效率數(shù)據(jù)分析可以得到：（1）南海海域有機(jī)碳輸出效率多年平均值為0.08，從空間上看存在明顯差異，輸出效率分布呈現(xiàn)近岸高、海盆低的特征；（2）從月尺度上看，南海真光層POC 輸出效率1月達(dá)到最高值，5 月為最低值。（3）南海POC 輸出效率月線性傾向率和年線性傾向率呈現(xiàn)明顯差異。從分布范圍看，南海POC 輸出效率月線性傾向率顯著增長區(qū)域相對大于年線性傾向率增長區(qū)域；而POC輸出效率月線性傾向率減少區(qū)域相對小于年線性傾向率減少區(qū)域。

3.2 討論

海洋生物固碳包括海洋微生物固定的碳、浮游植物初級生產(chǎn)固定的碳、海岸帶植物群落固定的碳、貝類和珊瑚礁通過碳酸鈣分泌固定的碳等［19］。海洋真光層的浮游植物開展光合作用，每天消耗一億噸以上的來自大氣的CO2［20］。真光層POC 輸出效率在海洋固碳中起著關(guān)鍵作用，直接影響POC 輸出通量的數(shù)量，進(jìn)而影響海洋“生物泵”的固碳和“微型生物碳泵”的海洋儲碳能力［3］。POC 輸出效率與海面溫度（SST）、葉綠素濃度（Chla）和真光層深度（Zeu）等數(shù)據(jù)的變化密切相關(guān)。一般情況下全球海洋POC 輸出效率隨著海表溫度的增加而減弱，隨著NPP 的增加而增加［10-14］；海域浮游植物群落結(jié)構(gòu)粒徑越大，真光層NPP 輸出到深層水體的能力越強(qiáng)。而根據(jù)李騰等人研究表明，南海北部陸架區(qū)域的POC 輸出效率隨著NPP 的上升而增加，在海盆區(qū)域，POC 輸出效率隨著NPP 的上升而減弱［9］，其主要原因在于：在南海北部和近岸海域由于硅藻在真光層內(nèi)浮游植物群落結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)，POC 輸出效率與硅藻比例的增加而趨于增強(qiáng)；而在海盆區(qū)域受到溶解有機(jī)碳（DOC）輸出、浮游動物攝食和NPP 輸出時間延遲等的綜合影響，POC 輸出效率較低［9］。沉降有機(jī)質(zhì)在海洋中層水中的礦化速率和海洋溫度的分布有極大關(guān)系，低緯高溫水層活性有機(jī)質(zhì)組分快速降解，難降解組分被輸送到海洋底部［4］。由于以上原因的綜合影響，南海區(qū)域POC 輸出效率在空間分布上高值區(qū)主要分布在近岸和陸架海區(qū)，隨著海水深度的增加而逐漸減少；在時間上，由于南海上層水平環(huán)流受季風(fēng)影響、浮游植物季節(jié)性變化、海面溫度等共同影響，POC 輸出效率1 月達(dá)到最高值，5 月為最低值。本研究僅利用遙感數(shù)據(jù)從宏觀角度給出了南海海域POC 輸出效率的變化規(guī)律，由于南海海域環(huán)境的復(fù)雜性，受控因素較多，需要進(jìn)一步對不同區(qū)域和影響因素等開展專題研究，才能更好地認(rèn)識南海POC 輸出效率控制機(jī)制。