基于MODIS衛星遙感數據的西北太平洋初級生產力與環境參數的相關性

李璇 陳文忠

摘要：為掌握西北太平洋初級生產力的變化規律，科學預防赤潮災害頻發和海洋環境污染，保障海洋漁業等產業的發展，文章利用2007—2018年的MODIS衛星遙感數據，分別分析西北太平洋2個典型區域的葉綠素濃度、光合有效輻射、海表溫度和凈初級生產力的時空變化特征及其相關性，通過相關性對比分析不同區域凈初級生產力的主要影響因素及其差異性，并根據異常氣候條件（“厄爾尼諾”現象）年份的情況驗證上述相關性結論。研究結果表明：區域A位于中高緯度的親潮和黑潮寒暖流交界處，區域B受副熱帶環流和黑潮共同作用且臺風較活躍，由于二者營養鹽水平不同，凈初級生產力的主要影響因素具有差異性;由于酶的活性受海表溫度影響較大，營養鹽濃度較高海域（區域A）的凈初級生產力主要考慮海表溫度的影響;營養鹽濃度較低海域（區域B）的凈初級生產力受葉綠素濃度和海表溫度影響較大，其中與海表溫度相關性較高的原因主要是葉綠素濃度（浮游植物生物量）受海表溫度影響較大;2個區域的凈初級生產力受光合有效輻射影響較小;異常氣候條件年份（2015年）中，2個區域凈初級生產力和相關環境參數的變化特征可驗證上述相關性結論。

關鍵詞：凈初級生產力;葉綠素濃度;海表溫度;光合有效輻射;西北太平洋

Abstract： In order to grasp the changes of primary productivity in the Northwest Pacific，scientific prevention of frequent red tide disasters and pollution of the ocean environment，and safeguard the development of industries such as ocean fisheries.This paper used MODIS satellite remote sensing data （2007—2018） to analyze the spatiotemporal characteristics and correlations of chlorophyll concentration，photosynthetically active radiation，sea surface temperature and net primary productivity in two typical regions of the Northwest Pacific.Through the correlation comparison，the main influencing factors and differences of net primary productivity in different areas were analyzed，and the above correlation conclusions based on the years of abnormal climate （“El Nio” phenomenon） were verified.The research results showed that： Area A was located at the junction of pro-tide and Kuroshio cold and warm currents at mid-high latitudes.Area B was affected by subtropical circulation and Kuroshio，and typhoons were active.Due to the different nutrient levels，the main factors affecting net primary productivity were different.Because enzyme activity is greatly affected by sea surface temperature，the net primary productivity in areas with high nutrient concentrations （area A） is mainly affected by sea surface temperature.Net primary productivity in areas with low nutrient concentrations （area B） is mainly affected by chlorophyll concentration and sea surface temperature，and the higher correlation with sea surface temperature is mainly due to the chlorophyll concentration （phytoplankton biomass） being greatly affected by sea surface temperature.The net primary productivity of the two areas was less affected by photosynthetically active radiation.In the year of abnormal climate （2015），the change characteristics of the net primary productivity and related environmental parameters of the two areas could verify the above-mentioned correlation conclusions.

Key words：Net primary productivity，Chlorophyll concentration，Sea surface temperature，Photosynthetically active radiation，Northwest Pacific Ocean

0 引言

海洋初級生產力（ocean primary productivity，OPP）是指海洋底棲植物和浮游植物等自養生物在單位面積上光合作用的能力，一般表示為每天或每年在單位面積上所產生的有機物質數量。其中，凈初級生產力（net primary productivity，NPP）是指自養生物在初級生產過程中有部分能量被自身消耗，剩余的用于自身生長的能量。由于海洋生物的所有過程都與初級生產力有一定的關系，海洋初級生產力一直是海洋科學研究的核心和熱點之一。海洋初級生產力為海洋生態系統的運轉提供能量來源，也可用于估算漁業產量，同時在全球碳循環中發揮十分重要的作用。隨著近年來我國赤潮災害頻發和二氧化碳含量升高等海洋環境問題日趨嚴重，初級生產力逐漸作為海洋環境評估和赤潮監測的重要參數。

海洋面積較大且復雜多變，獲取大范圍和長時間序列數據較困難。衛星遙感技術的發展可實現對高分辨率和長時間序列海洋數據的獲取，其中最多應用于水色研究的為Sea WiFS和MODIS數據。衛星遙感所獲取的海洋信息一般基于海洋表面，對于初級生產力的研究應針對多種因素進行探討和分析。Ryther等[1]在光飽和的情況下研究初級生產力與葉綠素濃度之間的關系，為反演初級生產力模型的產生奠定基礎。Behrenfeld等[2]通過分析大量的實測數據，發現可利用葉綠素濃度、海表溫度和光照條件等衛星數據進行反演，從而得到初級生產力產品，并建立VGPM模型;該模型中的重要參數都可通過衛星數據獲得，可幫助研究者較便捷地獲取初級生產力的分布特點，此后對于反演方法的修改和優化大部分基于該模型;由該模型的參數可以看出，影響海洋浮游植物初級生產力的因素有很多，包括海水營養鹽濃度、光照條件、溫度、葉綠素濃度、海水透明度和生物攝食等。

國內外學者對于初級生產力的影響因素進行大量研究。陳興群等[3]對太平洋部分海域的初級生產力和葉綠素濃度進行調查分析，發現葉綠素濃度與溫度和鹽度都存在一定的相關性，且不同區域的相關性不同;潘友聯[4]對葉綠素a濃度和初級生產力進行研究，發現不同區域和不同季度的初級生產力變化很大，并不能單純地用葉綠素濃度表征海域的初級生產力，且由于影響初級生產力的環境因子有很多，葉綠素濃度與初級生產力之間雖有很強的相關性但有時截然不同;林智濤[5]研究我國南海風場和溫度對于初級生產力的影響，發現風場、海表溫度和葉綠素濃度與浮游植物的初級生產力具有很強的相關性;叢丕福[6]對我國陸架海整體進行海洋葉綠素和初級生產力的研究，發現二者都具有一定的季節變化特征，且葉綠素濃度與海溫呈顯著負相關;Ryther等[1]最早提出浮游植物進行光合作用的速率與葉綠素濃度之間在一定條件下具有一定的相關性，并提出表征二者關系的簡單經驗模式，有關“從生物量到生產力”的研究模式也由此展開;Carr等[7]研究表明控制NPP模型之間差異性和相似性的2個主要因素是輸入葉綠素數據的選擇以及與光合速率的相關度，初級生產力與葉綠素濃度和光照條件之間具有一定的相關性;Gong等[8]對我國東海的初級生產力和葉綠素濃度進行分析，發現西北部海域具有明顯的季節變化特征，但東南部海域的季節變化不明顯，因此初級生產力和葉綠素濃度之間的關系對于不同海域來說是不固定的。

光合作用是浮游植物在葉綠素、酶和一定的光照條件下，將自然界中存在的無機碳合成為自身有機碳的過程。因此，光照條件、葉綠素濃度和酶的活性對于光合速率有很大的影響，而溫度是影響酶的活性的重要因子。目前國內外對于初級生產力影響因素的研究主要集中于葉綠素濃度，且研究內容較單一，主要表明上述3種因子對于初級生產力具有一定的影響性，但并未將3種影響因子進行對比以及系統研究和總結，也很少對每種情況下所得出的結果進行驗證并分析主要影響因子，且大部分研究對象是整個海域。本研究利用MODIS衛星遙感產品，研究葉綠素濃度、光合有效輻射和海表溫度3種環境參數與西北太平洋不同海域凈初級生產力的相關性，通過對比得出主要影響因素并分析其差異性，同時選取異常氣候條件（“厄爾尼諾”現象）的年份對上述結論進行驗證。

1 數據和研究區域

1.1 數據

中分辨率成像光譜儀（MODIS）是搭載在TERRA和AQUA衛星上的用于監測全球環境變化的重要儀器，其在1～2 d內可監測整個地球，光譜分布為0.405～14.385 μm，共有36個光譜波段，分別應用于大氣、陸地和海洋水色遙感。MODIS屬于高信噪比儀器，具有數據存儲高效、信息豐富、數據獲取快和覆蓋范圍廣等特點，有非常大的應用價值，在海洋環境監測和研究中得到廣泛應用。按照處理級別，MODIS數據產品分為0級、1級、2級、3級、4級和5級（以上）。

本研究選取的數據為葉綠素a濃度（CHL）、光合有效輻射（PAR）、海表溫度（SST）和凈初級生產力（NPP），其中凈初級生產力的MODIS衛星數據主要來源于美國俄勒岡大學的官方網站。數據模型為AQUA/MODIS反演的Level-3月均產品，其中凈初級生產力的數據是由Standard VGPM模型反演得到的產品。該模型的計算公式為：

1.2 研究區域

西北太平洋具有較復雜的海洋環境，對于全球氣候變化、碳循環和海洋漁業等都具有一定的影響[9]。我國位于太平洋西岸，是受西北太平洋影響的國家之一，因此對于西北太平洋凈初級生產力的研究十分重要[10]。本研究選取西北太平洋部分海域為研究區域，分別為區域A（40°～50°N，150°～170°E）和區域B（20°～30°N，130°～150°E）（圖1）。

區域A位于西北太平洋中高緯度的親潮區域，親潮為北部寒流，北赤道流的黑潮暖流和親潮寒流交匯于此。親潮具有高含氧量和高含鹽量的特點，大量營養鹽隨黑潮涌來形成漁場，因此該區域的海表溫度變化較顯著，且營養鹽濃度較高，有利于研究海表溫度和凈初級生產力的相關性。楊海燕等[11]研究發現該區域的營養鹽濃度一般在5～20 μmol/L，在西北太平洋屬于營養鹽較高的區域。

區域B為副熱帶環流區的黑潮區域，沿途海溫通常受黑潮的影響，因此溫度對其凈初級生產力有一定的影響。該區域緯度較低、溫度較高以及營養鹽濃度較低，營養鹽濃度常年低于0.5 μmol/L，冬季對流作用加強，營養鹽濃度略有增大[11]。葉綠素濃度是營養鹽的表征之一，因此有利于研究葉綠素濃度和海表溫度與凈初級生產力的相關性。

區域A和區域B處于不同的經緯度帶，分別位于親潮區域和黑潮區域，且營養鹽濃度差距較大，因此可很好地研究凈初級生產力的空間分布和季節變化特點。此外，2個區域均位于寬闊大洋，可去除陸源因素的影響，有利于研究凈初級生產力與葉綠素濃度、海表溫度和光合有效輻射3個環境因素的相關性。

2 結果與分析

2.1 各區域環境參數的變化特征

本研究根據2007-2018年MODIS衛星數據產品得到區域A和區域B的環境參數，經進一步處理，分析各區域環境參數的年平均分布、月平均變化和年際月平均變化。

2.1.1 年平均分布

2007—2018年區域A和區域B各參數的年平均分布如圖2和圖3所示。

由圖2和圖3可以看出：①區域A 的凈初級生產力大部分表現為低緯度區域較高、高緯度區域較低的特征，西北小部分區域受陸地因素影響存在一定的異常現象;葉綠素濃度僅在西北部分靠近陸地區域較高，且低緯度區域較低、高緯度區域較高;海表溫度和光合有效輻射的時空分布表現出很好的緯度分化，即高緯度區域較低、低緯度區域較高。②區域B的凈初級生產力也表現出一定的緯度分化，即高緯度區域較高、低緯度區域較低;葉綠素濃度與凈初級生產力的分布情況大體相同，且較區域A偏低，大部分區域低于0.2 mg/m3;海表溫度和光合有效輻射的分布情況與凈初級生產力剛好相反，均表現為高緯度區域較低、低緯度區域較高。

2.1.2 月平均變化

2007—2018年區域A和區域B各參數的月平均變化如圖4所示。

由圖4可以看出：①區域A的凈初級生產力在7—9月較高，呈單峰現象，表現為夏季最高和冬季最低，變化趨勢與李一凡等[12]的研究結果具有一致性;葉綠素濃度有2個峰值，分別出現在5月和10月;海表溫度在7—9月較高，也呈單峰現象，與凈初級生產力的季節變化基本相同;光合有效輻射在6月呈單峰現象。②區域B的凈初級生產力在1—3月較高，在9月最低，且自10月起有上升趨勢，變化特征與陳小燕[13]的研究結果相同;葉綠素濃度與凈初級生產力的季節變化基本相同，均為冬季最高和夏季最低;海表溫度在7—9月最高，與凈初級生產力的季節變化相反;光合有效輻射在7月最高。

2.1.3 年際月平均變化

2007—2018年區域A和區域B各參數的年際月平均變化如圖5所示。

由圖5可以看出，2007—2018年區域A和區域B的年際月平均變化趨勢基本相同。①區域A的凈初級生產力略有上升，葉綠素濃度和海表溫度也呈較小的上升趨勢，光合有效輻射的變化較小;②區域B除海表溫度呈上升趨勢外，其余參數的變化較平緩。

總體來說，冬季區域B的凈初級生產力較區域A高，而夏、秋季偏低;但區域B的葉綠素濃度常年處于較低水平，即使冬季較高仍小于區域A的最低值;區域B的海表溫度和光合有效輻射均高于區域A。可見，不同區域環境參數的季節變化具有一定的差異性，雖然葉綠素濃度是反演估算凈初級生產力的重要參數，但凈初級生產力與葉綠素濃度的變化并不完全相同，即影響凈初級生產力的因素有很多。基于此，本研究對不同區域凈初級生產力的主要影響因素進行分析，探討其差異性以及產生差異的原因。

2.2 各區域環境參數的線性相關性

2.2.1 區域A

2007—2018年區域A各參數逐月平均的相關性分析如圖6所示。

由圖6可以看出：區域A的凈初級生產力與海表溫度的線性關系最好，即相關性最高，相關系數約為0.74，具體來說即凈初級生產力隨著海表溫度的升高而升高;凈初級生產力與葉綠素濃度和光合有效輻射的相關性較低，相關系數分別約為0.45和0.50;葉綠素濃度與海表溫度的相關性較低，相關系數約為0.19，即葉綠素濃度受海表溫度的影響較小。

由于區域A在葉綠素濃度較高的季節其凈初級生產力并未在較高水平，葉綠素濃度不是其凈初級生產力的主要影響因素。區域A具有高營養鹽的特點，在這種情況下主要考慮光照條件和海表溫度的影響[14]。在非極地區域，光照條件對于凈初級生產力的影響主要體現在水體的垂直分布上，即光照隨水深的增加而減弱[14]。區域A位于中高緯度區域，海表溫度常年處于20℃以下，平均值僅為8.33℃;同時，浮游植物須在酶的作用下進行光合作用，而酶的活性直接受溫度的影響，大部分浮游植物進行光合作用的最適宜溫度約為20℃[2]。因此，該區域較低的海表溫度直接限制浮游植物的光合作用速率，凈初級生產力受海表溫度的影響較大。

2.2.2 區域B

2007—2018年區域B各參數逐月平均的相關性分析如圖7所示。

由圖7可以看出：區域B的凈初級生產力與葉綠素濃度的相關性較高且呈正相關關系，相關系數約為0.87;凈初級生產力與光合有效輻射的相關性很低，相關系數約為0.10;凈初級生產力與海表溫度的相關性很高，且呈負相關關系，相關系數約為0.92;葉綠素濃度與海表溫度的相關性較高，且呈負相關關系，相關系數約為0.89。

區域B屬于低營養鹽區域，浮游植物的初級生產力受營養鹽控制，即使在光照和溫度都非常適宜的情況下，浮游植物仍然無法暴發。營養鹽對于浮游植物凈初級生產力的影響主要體現在生物量上[14]，由于所有浮游植物都含有葉綠素a，葉綠素a濃度是浮游植物生物量的重要表征[15]。因此，區域B的葉綠素濃度較低，且其凈初級生產力受葉綠素濃度的影響較大。此外，海表溫度可體現海水的層化程度和上升流的強度，而海水的層化程度對于表層營養鹽濃度有一定的影響。區域B冬季的海表溫度較低，混合層較其他季節最淺，因此其冬季的表層營養鹽濃度最高，葉綠素濃度最高，凈初級生產力最高。這與陳小燕[13]的研究結論一致。

綜上所述：①區域A的凈初級生產力與海表溫度的相關性最高，較低的溫度嚴重限制酶的活性，因此雖然其葉綠素濃度較區域B一直處于較高水平，但較低的海表溫度限制其光合作用速率，其凈初級生產力在冬季最低;②區域B的凈初級生產力與葉綠素濃度和海表溫度的相關性較高，其中與海表溫度相關性較高的原因主要是葉綠素濃度受海表溫度的影響，因此其凈初級生產力在冬季最高，且高于區域A;③與區域B相比，區域A各環境參數與凈初級生產力的相關性均較低;④由于光照對于海域凈初級生產力的影響主要體現在極地區域，2個區域的凈初級生產力與光合有效輻射的相關性都較低。

2.3 異常氣候條件下相關性的驗證

根據前文分析，2個區域的凈初級生產力與海表溫度都有較高的相關性，其中區域B的葉綠素濃度與海表溫度的相關性也很高。由于研究期間的2015年為強“厄爾尼諾”年份，本研究選取該年份對2個區域的凈初級生產力、葉綠素濃度和海表溫度與2007—2018年整體進行逐月平均對比，從而驗證各環境參數相關性的結論。

2.3.1 區域A

2015年和2007—2018年區域A各參數的逐月平均對比如圖8所示。

由圖8可以看出，與2007—2018年相比，2015年：①海表溫度在2-5月表現為正異常，6—10月表現為負異常，此后負異常逐漸減弱;②凈初級生產力在3—5月表現為正異常，6-10月基本表現為負異常（除7月外），此后負異常逐漸減弱;③葉綠素濃度有一定的變化，但與凈初級生產力的變化不存在一致性。

區域A處于中高緯度區域，海洋的熱傳遞占比約為70%，因此該區域的熱傳遞主要集中于黑潮延伸體和親潮區域，屬于暖寒交界處。黑潮控制著太平洋中緯度區域的經向輸送，而黑潮異常與“厄爾尼諾”現象具有很高的正相關性，因此當西北太平洋的海表溫度變化時，黑潮區域的海表溫度隨之變化[16]。

除海表溫度等基本環境因素，該區域的凈初級生產力還受近年來氣溶膠沉降等多種因素的影響，例如：2015年7月凈初級生產力與歷年平均相比較高，可能是當年3月底至4月初我國華北地區有大范圍沙塵天氣[17]，沙塵傳輸到西北太平洋一般有1～2個月的時滯，導致5—6月西北太平洋的氣溶膠傳輸量變大[12]。

2.3.2 區域B

2015年和2007—2018年區域B各參數的逐月平均對比如圖9所示。

由圖9可以看出，與2007—2018年相比，2015年：①海表溫度在1-3月表現為負異常，4—6月表現為正異常，7—11月基本表現為負異常，12月表現為正異常;②葉綠素濃度與海表溫度的情況相反，即1—3月表現為正異常，4—5月表現為負異常，6—11月表現為正異常;③凈初級生產力與葉綠素濃度的情況基本相同。

區域B位于西北太平洋副熱帶區域和黑潮區域，受“厄爾尼諾”現象的影響較大，即海表溫度波動較大，且常年處于較高水平。2015年西北太平洋的海表溫度因“厄爾尼諾”現象有一定的波動，夏、秋季已達到超強“厄爾尼諾”標準，因此大部分海域的海表溫度在夏、秋季表現為負異常。區域A和區域B海表溫度的波動情況與雷星宇[18]關于2015年“厄爾尼諾”現象對西太平洋海表溫度影響的研究結果相同，但區域A受臺風影響較小，其海表溫度的波動主要是由“厄爾尼諾”現象、黑潮作用和緯度變化共同導致的正常波動。

2015年“厄爾尼諾”現象對于西北太平洋的影響主要體現在臺風季提前，因此區域B自2015年年初即有臺風頻繁經過[19]，導致其凈初級生產力即固碳量在短時間內出現正異常。小尺度的氣候變化對于凈初級生產力的影響主要體現在低營養鹽海域，且臺風對于西北太平洋副熱帶區域的碳循環影響較大[20]。區域B位于西北太平洋的寬闊海域，營養躍層較深[21]，臺風過境時營養鹽濃度僅存在微小的波動[13]。總體來說，區域B在臺風過境時凈初級生產力明顯升高。

綜上所述，異常氣候條件下區域A和區域B的環境參數與凈初級生產力的相關性與前述結論具有一致性。

3 結語

葉綠素濃度可表征浮游植物的生物量，是估算海洋初級生產力的重要參數之一[22]。海表溫度和光照條件也是影響浮游植物光合作用的重要因素[23-24]，對于海洋初級生產力都有一定的影響。而對于不同海域來說，海洋環境的差異使初級生產力的主要影響因素有所不同。

本研究選取海表溫度、葉綠素濃度和光合有效輻射3個環境參數，分析其對不同海域凈初級生產力的影響。①對于非極地區域來說，凈初級生產力受光合有效輻射的影響較小[14]。②區域A在營養鹽濃度較高的情況下主要考慮海表溫度的影響，即酶的活性受海表溫度影響較大。③區域B在營養鹽濃度較低的情況下主要考慮浮游植物生物量的影響，即受葉綠素濃度影響較大[14];由于該區域位于黑潮區域，溫度對于海水混合層深度具有一定的影響，從而影響海水表層營養鹽濃度，在低營養鹽情況下其影響性很大，最終影響浮游植物生物量，導致葉綠素濃度偏低[13]。④2個區域的環境參數都有一定的緯度分化特征。⑤對于異常氣候條件（“厄爾尼諾”現象）下的2015年來說，2個區域凈初級生產力的變化特征與本研究的相關性結論基本一致。

本研究選取的2個區域具有一定的特殊性和代表性，其中區域A位于中高緯度的親潮和黑潮寒暖流交界處，區域B受副熱帶環流和黑潮共同作用且臺風較活躍。由于2個區域的營養鹽水平不同，凈初級生產力的主要影響因素具有差異性，即葉綠素濃度不能完全表征凈初級生產力。面對當今全球氣候變暖和異常天氣增多的形勢，我國應深入研究西北太平洋初級生產力的變化，從而預防赤潮災害頻發和海洋環境污染等情況，保障海洋漁業等產業的發展。凈初級生產力的變化受多種因素的影響，很難將每種因素逐一歸結，本研究僅分析少數基本海洋環境參數與凈初級生產力的相關性，未來將收集更多的海洋環境資料，進一步研究凈初級生產力的影響因素。

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