基于卫星遥感数据的南海海域真光层POC 输出效率分布特征

刘少军，蔡大鑫，赵 婷，韩 静，佟金鹤，李光伟

（海南省气象科学研究所／海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海口 570203）

引言

海洋是地球上最大的活跃碳库，海洋不仅储存了地球上大约93%的CO2，同时每年也大约消除30%人类排放CO2［1］。海洋可以长期储存碳，也能对二氧化碳进行重新分配。海洋碳汇在储碳周期上比陆地生态系统碳汇存储的时间更长，在调节全球气候变化中发挥的作用更大［2］。海洋碳汇可以减缓气候变化造成的影响，而真正对气候变化发挥显著调节作用的是海洋水体碳汇［3］。海洋中海水固碳过程和储碳机制至关重要，生物泵（Biological Pump，BP）、碳酸盐泵（Carbonate Counter Pump，CP）、溶解度泵等是常见的海洋储碳机制［2］，在一个相对稳定的时期里，海洋生物泵和微型生物碳泵等对气候变化的影响更为突出［4］。生物泵是基于颗粒有机碳和垂直迁移过程，有机碳在重力作用下向深海沉降并最后到达海底实现长周期储碳的生物学机制，虽然固碳量巨大，但储碳效率并不高［5，6］，尤其是随着深度加大生物泵产生的碳通量会出现Martin 曲线指数衰减［7］。海洋浮游植物通过光合作用将海洋从大气中吸收的无机碳转换为有机碳，并通过浮游动物的摄食、大粒径藻类聚合等过程，最终以颗粒物由海洋上层沉降到海底，实现对大气CO2的调控。海水真光层是海洋浮游植物进行光合作用的水层，而海洋真光层颗粒有机碳（Particulate Organic Carbon，POC）的分布变化是海洋生态系统中碳循环的重要环节［8］，海洋真光层POC 输出通量代表了海洋“生物泵”的固碳能力［9］，海洋真光层POC 输出效率直接影响到输出通量的多少，以及海洋“生物泵”的固碳能力。南海是我国最大的边缘海，生态系统结构相对复杂，其POC 输出通量及控制机制具有明显的差异［9］，因此了解南海海洋POC 输出效率空间变化特征具有重要意义。关于POC 通量输出效率多以海区实际测得到的POC 输出通量和初级生产力进行相乘计算得到，然后通过遥感反演的海表温度、叶绿素浓度、真光层深度、初级生产力等建立海洋POC 输出效率的经验公式，实现海洋大范围POC 输出效率估算。如，李腾等［9］建立了南海北部陆架和海盆区不同的POC输出效率和初级生产力的相关关系；Baines 等［10］，Henson 等［11］，Laws 等［12，13］，Dunne 等［14］分别建立POC输出效率遥感反演算法。由于实测数据只能代表较小范围内的POC 输出效率，无法满足对南海POC 输出通量长时序、大范围观测的需求。因此，本文借助卫星遥感的优势，开展南海海域真光层POC通量输出效率时空变化特征分析，以期为南海碳循环研究提供参考。

1 数据和方法

1.1 数据

文中采用的2003—2018 年基于MODIS 的全球有机碳通量月度数据集来源于文献［15］，该数据反演的全球有机碳输出通量效率具有较高的精度和稳定性［16］。该数据集中有机碳输出通量效率主要是根据遥感数据反演的海面温度、叶绿素浓度和真光层深度等数据，利用真光层颗粒有机碳输出效率反演算法（式1）来实现［14］。

其中eration 为POC 输出效率（固碳效率），Zeu为真光层深度，SST 为海表温度，Chl 为叶绿素浓度。

1.2 数据处理

以上数据的处理利用IDL 编程功能，实现对2003—2018 年有机碳通量月度数据集进行南海区域各月、年平均值的提取；采用ArcGIS10.1 栅格计算器进行线性倾向估计。其中，采用一元线性回归分析法分析南海POC 通量输出效率变化规律，并利用线性倾向估计进行POC 通量输出效率时间趋势分析，具体参考文献［17，18］。采用线性回归法对2003—2018 年数据集同一区域每个像元的各月、年均POC 输出效率值与月、年份进行线性回归，获得POC 输出效率在16a 间的变化斜率，其中POC 通量输出效率线性倾向估计见公式（2）。

式中k 表示线性倾向率，表示该像元在该时间段内POC 输出效率月、年际变化的一元线性回归方程的斜率，反映其在某一时间段内总的变化趋势，t为月份或年份，n 表示月份（时间序列1—12 月，即n＝12）或年份（时间序列2003—2018，即n＝16）。当k大于零，表示随时间的增加，POC 输出效率呈上升趋势；当k 小于零，表示随时间的减少，POC 输出效率呈下降趋势。

2 结果与分析

2.1 南海年平均有机碳通量输出效率分布特征

根据2003—2018 年南海海域遥感反演POC 输出效率数据，研究区内颗粒有机碳通量输出效率多年平均值为0.08，输出效率分布呈现近岸高、海盆低的特征。从图1 可以看出，南海区域2003—2018 年年平均POC 输出效率大于0.30 的区域主要分布在靠近陆地的近岸区域，分布在南海北部、西部；POC输出效率0.15～0.30，0.10～0.15 区域由近岸依次向外海延伸；POC 输出效率小于0.05 的区域主要分布在南海的东部和南部。其中年平均POC 通量输出效率小于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 年南海海域颗粒有机碳年平均通量输出效率呈现微弱的下降趋势，南海POC 年平均输出效率变化范围为0.084～0.092，其中2003年南海颗粒有机碳年平均通量输出效率最高，为0.092；2010 年、2012 年、2013 年POC 平均通量输出效率较小，均为0.084（图2）。

图1 南海区域2003—2018 年年平均POC 输出效率

图2 南海区域2003—2018 年POC 输出效率

2.2 南海有机碳通量输出效率月变化规律

根据2003—2018 年南海遥感反演的POC 输出效率数据，可以看出不同月份南海不同海区的POC输出效率存在明显的变化。1 月POC 输出效率达到最高值，平均值为0.115；2—4 月POC 输出效率快速下降，5 月达到最低值，平均值为0.072；6—8 月POC 输出效率开始缓慢上升，8 月POC 输出效率达到0.084；9 月POC 输出效率开始下降到0.080，10—12 月又开始快速上升，12 月POC 输出效率0.106（图3）。

图3 2003—2018 年1—12 月平均POC 输出效率

从空间分布上看（图4），整个南海通量输出效率小于0.05 范围在1 月份分布面积最小，几乎为零，2 月开始出现在东沙群岛和中沙群岛附近，3—5月覆盖范围逐步扩大到整个南海范围，6—12 月，覆盖范围又开始从南海西部向东逐步缩小。POC 输出效率0.05～0.10 范围，1 月位于南海中部区域，2 月达到最大覆盖范围，3—5 月覆盖范围由海盆区域开始逐渐向四周缩小，5 月其范围达到最小分布，6 月从南海西部开始逐渐扩大范围，12 月覆盖南海中部海域；POC 通量输出效率大于0.10 范围主要分布在海岸带区域，1 月在南海周边近岸覆盖范围最大，2—5 月覆盖范围逐渐缩小，6—12 月覆盖范围逐渐扩大。南海不同月份平均有机碳通量输出效率占比分布见表1，其中月平均POC 通量输出效率小于0.05 占比最多的出现在5 月，为59.0%，占比最少出现在1 月，为13.0%；月平均POC 通量输出效率在0.05～0.1 范围内占比最多的出现在2 月，为48.9%，占比最少出现在5 月，为24.5%；月平均POC 通量输出效率在0.1～0.15 范围内占比最多的出现在1月，为21.9%，占比最少出现在4 月，为7.7%；月平均POC 通量输出效率在0.15～0.30 范围内占比最多的出现在1 月，为17.0%，占比最少出现在5 月，为6.5%；月平均POC 通量输出效率在大于0.30 占比最多的出现在1 月，为4.3%，占比最少出现在9 月，为1.9%。

图4 2003—2018 年南海月平均POC 输出效率

表1 南海不同月份平均有机碳通量输出效率占比分布（单位：%）

2.3 POC 通量输出效率变化趋势

一元线性回归分析法可以在一定程度上减少不同月、年中南海各种极端事件的影响，真实反映POC 通量输出效率的变化规律。从2003—2018 年各月POC 输出效率计算得到的月线性倾向率可以看出，南海北部近岸、海南岛周边海域、南海的西部、南部大部分海域、南海西部靠近海岸带月POC 输出效率呈现显著增长趋势；南海的中部靠近西沙海域以东区域，POC 月通量输出效率呈现微弱减少趋势；而在南海的北部东沙海域、南海南部的南沙海域以东，POC 月通量输出效率呈现明显减少趋势（图5a）。其中POC 通量输出效率月线性倾向率小于-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%。从年线性倾向率来看，南海北部近岸海域、海南岛四周及南海的西部靠近海岸带区域，POC 年平均输出效率呈现显著增长趋势；南海中部及南部绝大部分区域POC 输出效率呈现微弱减少趋势（图5b）。其中POC 通量输出效率年线性倾向率小于-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%。

图5 POC 通量输出效率线性倾向率

3 结论与讨论

3.1 结论

根据2003—2018 年卫星遥感反演的南海真光层POC 输出效率数据分析可以得到：（1）南海海域有机碳输出效率多年平均值为0.08，从空间上看存在明显差异，输出效率分布呈现近岸高、海盆低的特征；（2）从月尺度上看，南海真光层POC 输出效率1月达到最高值，5 月为最低值。（3）南海POC 输出效率月线性倾向率和年线性倾向率呈现明显差异。从分布范围看，南海POC 输出效率月线性倾向率显著增长区域相对大于年线性倾向率增长区域；而POC输出效率月线性倾向率减少区域相对小于年线性倾向率减少区域。

3.2 讨论

海洋生物固碳包括海洋微生物固定的碳、浮游植物初级生产固定的碳、海岸带植物群落固定的碳、贝类和珊瑚礁通过碳酸钙分泌固定的碳等［19］。海洋真光层的浮游植物开展光合作用，每天消耗一亿吨以上的来自大气的CO2［20］。真光层POC 输出效率在海洋固碳中起着关键作用，直接影响POC 输出通量的数量，进而影响海洋“生物泵”的固碳和“微型生物碳泵”的海洋储碳能力［3］。POC 输出效率与海面温度（SST）、叶绿素浓度（Chla）和真光层深度（Zeu）等数据的变化密切相关。一般情况下全球海洋POC 输出效率随着海表温度的增加而减弱，随着NPP 的增加而增加［10-14］；海域浮游植物群落结构粒径越大，真光层NPP 输出到深层水体的能力越强。而根据李腾等人研究表明，南海北部陆架区域的POC 输出效率随着NPP 的上升而增加，在海盆区域，POC 输出效率随着NPP 的上升而减弱［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层内浮游植物群落结构中占主导，POC 输出效率与硅藻比例的增加而趋于增强；而在海盆区域受到溶解有机碳（DOC）输出、浮游动物摄食和NPP 输出时间延迟等的综合影响，POC 输出效率较低［9］。沉降有机质在海洋中层水中的矿化速率和海洋温度的分布有极大关系，低纬高温水层活性有机质组分快速降解，难降解组分被输送到海洋底部［4］。由于以上原因的综合影响，南海区域POC 输出效率在空间分布上高值区主要分布在近岸和陆架海区，随着海水深度的增加而逐渐减少；在时间上，由于南海上层水平环流受季风影响、浮游植物季节性变化、海面温度等共同影响，POC 输出效率1 月达到最高值，5 月为最低值。本研究仅利用遥感数据从宏观角度给出了南海海域POC 输出效率的变化规律，由于南海海域环境的复杂性，受控因素较多，需要进一步对不同区域和影响因素等开展专题研究，才能更好地认识南海POC 输出效率控制机制。