基于MODIS卫星遥感数据的西北太平洋初级生产力与环境参数的相关性

李璇 陈文忠

摘要：为掌握西北太平洋初级生产力的变化规律，科学预防赤潮灾害频发和海洋环境污染，保障海洋渔业等产业的发展，文章利用2007—2018年的MODIS卫星遥感数据，分别分析西北太平洋2个典型区域的叶绿素浓度、光合有效辐射、海表温度和净初级生产力的時空变化特征及其相关性，通过相关性对比分析不同区域净初级生产力的主要影响因素及其差异性，并根据异常气候条件（“厄尔尼诺”现象）年份的情况验证上述相关性结论。研究结果表明：区域A位于中高纬度的亲潮和黑潮寒暖流交界处，区域B受副热带环流和黑潮共同作用且台风较活跃，由于二者营养盐水平不同，净初级生产力的主要影响因素具有差异性;由于酶的活性受海表温度影响较大，营养盐浓度较高海域（区域A）的净初级生产力主要考虑海表温度的影响;营养盐浓度较低海域（区域B）的净初级生产力受叶绿素浓度和海表温度影响较大，其中与海表温度相关性较高的原因主要是叶绿素浓度（浮游植物生物量）受海表温度影响较大;2个区域的净初级生产力受光合有效辐射影响较小;异常气候条件年份（2015年）中，2个区域净初级生产力和相关环境参数的变化特征可验证上述相关性结论。

关键词：净初级生产力;叶绿素浓度;海表温度;光合有效辐射;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

海洋初级生产力（ocean primary productivity，OPP）是指海洋底栖植物和浮游植物等自养生物在单位面积上光合作用的能力，一般表示为每天或每年在单位面积上所产生的有机物质数量。其中，净初级生产力（net primary productivity，NPP）是指自养生物在初级生产过程中有部分能量被自身消耗，剩余的用于自身生长的能量。由于海洋生物的所有过程都与初级生产力有一定的关系，海洋初级生产力一直是海洋科学研究的核心和热点之一。海洋初级生产力为海洋生态系统的运转提供能量来源，也可用于估算渔业产量，同时在全球碳循环中发挥十分重要的作用。随着近年来我国赤潮灾害频发和二氧化碳含量升高等海洋环境问题日趋严重，初级生产力逐渐作为海洋环境评估和赤潮监测的重要参数。

海洋面积较大且复杂多变，获取大范围和长时间序列数据较困难。卫星遥感技术的发展可实现对高分辨率和长时间序列海洋数据的获取，其中最多应用于水色研究的为Sea WiFS和MODIS数据。卫星遥感所获取的海洋信息一般基于海洋表面，对于初级生产力的研究应针对多种因素进行探讨和分析。Ryther等[1]在光饱和的情况下研究初级生产力与叶绿素浓度之间的关系，为反演初级生产力模型的产生奠定基础。Behrenfeld等[2]通过分析大量的实测数据，发现可利用叶绿素浓度、海表温度和光照条件等卫星数据进行反演，从而得到初级生产力产品，并建立VGPM模型;该模型中的重要参数都可通过卫星数据获得，可帮助研究者较便捷地获取初级生产力的分布特点，此后对于反演方法的修改和优化大部分基于该模型;由该模型的参数可以看出，影响海洋浮游植物初级生产力的因素有很多，包括海水营养盐浓度、光照条件、温度、叶绿素浓度、海水透明度和生物摄食等。

国内外学者对于初级生产力的影响因素进行大量研究。陈兴群等[3]对太平洋部分海域的初级生产力和叶绿素浓度进行调查分析，发现叶绿素浓度与温度和盐度都存在一定的相关性，且不同区域的相关性不同;潘友联[4]对叶绿素a浓度和初级生产力进行研究，发现不同区域和不同季度的初级生产力变化很大，并不能单纯地用叶绿素浓度表征海域的初级生产力，且由于影响初级生产力的环境因子有很多，叶绿素浓度与初级生产力之间虽有很强的相关性但有时截然不同;林智涛[5]研究我国南海风场和温度对于初级生产力的影响，发现风场、海表温度和叶绿素浓度与浮游植物的初级生产力具有很强的相关性;丛丕福[6]对我国陆架海整体进行海洋叶绿素和初级生产力的研究，发现二者都具有一定的季节变化特征，且叶绿素浓度与海温呈显著负相关;Ryther等[1]最早提出浮游植物进行光合作用的速率与叶绿素浓度之间在一定条件下具有一定的相关性，并提出表征二者关系的简单经验模式，有关“从生物量到生产力”的研究模式也由此展开;Carr等[7]研究表明控制NPP模型之间差异性和相似性的2个主要因素是输入叶绿素数据的选择以及与光合速率的相关度，初级生产力与叶绿素浓度和光照条件之间具有一定的相关性;Gong等[8]对我国东海的初级生产力和叶绿素浓度进行分析，发现西北部海域具有明显的季节变化特征，但东南部海域的季节变化不明显，因此初级生产力和叶绿素浓度之间的关系对于不同海域来说是不固定的。

光合作用是浮游植物在叶绿素、酶和一定的光照条件下，将自然界中存在的无机碳合成为自身有机碳的过程。因此，光照条件、叶绿素浓度和酶的活性对于光合速率有很大的影响，而温度是影响酶的活性的重要因子。目前国内外对于初级生产力影响因素的研究主要集中于叶绿素浓度，且研究内容较单一，主要表明上述3种因子对于初级生产力具有一定的影响性，但并未将3种影响因子进行对比以及系统研究和总结，也很少对每种情况下所得出的结果进行验证并分析主要影响因子，且大部分研究对象是整个海域。本研究利用MODIS卫星遥感产品，研究叶绿素浓度、光合有效辐射和海表温度3种环境参数与西北太平洋不同海域净初级生产力的相关性，通过对比得出主要影响因素并分析其差异性，同时选取异常气候条件（“厄尔尼诺”现象）的年份对上述结论进行验证。

1 数据和研究区域

1.1 数据

中分辨率成像光谱仪（MODIS）是搭载在TERRA和AQUA卫星上的用于监测全球环境变化的重要仪器，其在1～2 d内可监测整个地球，光谱分布为0.405～14.385 μm，共有36个光谱波段，分别应用于大气、陆地和海洋水色遥感。MODIS属于高信噪比仪器，具有数据存储高效、信息丰富、数据获取快和覆盖范围广等特点，有非常大的应用价值，在海洋环境监测和研究中得到广泛应用。按照处理级别，MODIS数据产品分为0级、1级、2级、3级、4级和5级（以上）。

本研究选取的数据为叶绿素a浓度（CHL）、光合有效辐射（PAR）、海表温度（SST）和净初级生产力（NPP），其中净初级生产力的MODIS卫星数据主要来源于美国俄勒冈大學的官方网站。数据模型为AQUA/MODIS反演的Level-3月均产品，其中净初级生产力的数据是由Standard VGPM模型反演得到的产品。该模型的计算公式为：

1.2 研究区域

西北太平洋具有较复杂的海洋环境，对于全球气候变化、碳循环和海洋渔业等都具有一定的影响[9]。我国位于太平洋西岸，是受西北太平洋影响的国家之一，因此对于西北太平洋净初级生产力的研究十分重要[10]。本研究选取西北太平洋部分海域为研究区域，分别为区域A（40°～50°N，150°～170°E）和区域B（20°～30°N，130°～150°E）（图1）。

区域A位于西北太平洋中高纬度的亲潮区域，亲潮为北部寒流，北赤道流的黑潮暖流和亲潮寒流交汇于此。亲潮具有高含氧量和高含盐量的特点，大量营养盐随黑潮涌来形成渔场，因此该区域的海表温度变化较显著，且营养盐浓度较高，有利于研究海表温度和净初级生产力的相关性。杨海燕等[11]研究发现该区域的营养盐浓度一般在5～20 μmol/L，在西北太平洋属于营养盐较高的区域。

区域B为副热带环流区的黑潮区域，沿途海温通常受黑潮的影响，因此温度对其净初级生产力有一定的影响。该区域纬度较低、温度较高以及营养盐浓度较低，营养盐浓度常年低于0.5 μmol/L，冬季对流作用加强，营养盐浓度略有增大[11]。叶绿素浓度是营养盐的表征之一，因此有利于研究叶绿素浓度和海表温度与净初级生产力的相关性。

区域A和区域B处于不同的经纬度带，分别位于亲潮区域和黑潮区域，且营养盐浓度差距较大，因此可很好地研究净初级生产力的空间分布和季节变化特点。此外，2个区域均位于宽阔大洋，可去除陆源因素的影响，有利于研究净初级生产力与叶绿素浓度、海表温度和光合有效辐射3个环境因素的相关性。

2 结果与分析

2.1 各区域环境参数的变化特征

本研究根据2007-2018年MODIS卫星数据产品得到区域A和区域B的环境参数，经进一步处理，分析各区域环境参数的年平均分布、月平均变化和年际月平均变化。

2.1.1 年平均分布

2007—2018年區域A和区域B各参数的年平均分布如图2和图3所示。

由图2和图3可以看出：①区域A 的净初级生产力大部分表现为低纬度区域较高、高纬度区域较低的特征，西北小部分区域受陆地因素影响存在一定的异常现象;叶绿素浓度仅在西北部分靠近陆地区域较高，且低纬度区域较低、高纬度区域较高;海表温度和光合有效辐射的时空分布表现出很好的纬度分化，即高纬度区域较低、低纬度区域较高。②区域B的净初级生产力也表现出一定的纬度分化，即高纬度区域较高、低纬度区域较低;叶绿素浓度与净初级生产力的分布情况大体相同，且较区域A偏低，大部分区域低于0.2 mg/m3;海表温度和光合有效辐射的分布情况与净初级生产力刚好相反，均表现为高纬度区域较低、低纬度区域较高。

2.1.2 月平均变化

2007—2018年区域A和区域B各参数的月平均变化如图4所示。

由图4可以看出：①区域A的净初级生产力在7—9月较高，呈单峰现象，表现为夏季最高和冬季最低，变化趋势与李一凡等[12]的研究结果具有一致性;叶绿素浓度有2个峰值，分别出现在5月和10月;海表温度在7—9月较高，也呈单峰现象，与净初级生产力的季节变化基本相同;光合有效辐射在6月呈单峰现象。②区域B的净初级生产力在1—3月较高，在9月最低，且自10月起有上升趋势，变化特征与陈小燕[13]的研究结果相同;叶绿素浓度与净初级生产力的季节变化基本相同，均为冬季最高和夏季最低;海表温度在7—9月最高，与净初级生产力的季节变化相反;光合有效辐射在7月最高。

2.1.3 年际月平均变化

2007—2018年区域A和区域B各参数的年际月平均变化如图5所示。

由图5可以看出，2007—2018年区域A和区域B的年际月平均变化趋势基本相同。①区域A的净初级生产力略有上升，叶绿素浓度和海表温度也呈较小的上升趋势，光合有效辐射的变化较小;②区域B除海表温度呈上升趋势外，其余参数的变化较平缓。

总体来说，冬季区域B的净初级生产力较区域A高，而夏、秋季偏低;但区域B的叶绿素浓度常年处于较低水平，即使冬季较高仍小于区域A的最低值;区域B的海表温度和光合有效辐射均高于区域A。可见，不同区域环境参数的季节变化具有一定的差异性，虽然叶绿素浓度是反演估算净初级生产力的重要参数，但净初级生产力与叶绿素浓度的变化并不完全相同，即影响净初级生产力的因素有很多。基于此，本研究对不同区域净初级生产力的主要影响因素进行分析，探讨其差异性以及产生差异的原因。

2.2 各区域环境参数的线性相关性

2.2.1 区域A

2007—2018年区域A各参数逐月平均的相关性分析如图6所示。

由图6可以看出：区域A的净初级生产力与海表温度的线性关系最好，即相关性最高，相关系数约为0.74，具体来说即净初级生产力随着海表温度的升高而升高;净初级生产力与叶绿素浓度和光合有效辐射的相关性较低，相关系数分别约为0.45和0.50;叶绿素浓度与海表温度的相关性较低，相关系数约为0.19，即叶绿素浓度受海表温度的影响较小。

由于区域A在叶绿素浓度较高的季节其净初级生产力并未在较高水平，叶绿素浓度不是其净初级生产力的主要影响因素。区域A具有高营养盐的特点，在这种情况下主要考虑光照条件和海表温度的影响[14]。在非极地区域，光照条件对于净初级生产力的影响主要体现在水体的垂直分布上，即光照随水深的增加而减弱[14]。区域A位于中高纬度区域，海表温度常年处于20℃以下，平均值仅为8.33℃;同时，浮游植物须在酶的作用下进行光合作用，而酶的活性直接受温度的影响，大部分浮游植物进行光合作用的最适宜温度约为20℃[2]。因此，该区域较低的海表温度直接限制浮游植物的光合作用速率，净初级生产力受海表温度的影响较大。

2.2.2 区域B

2007—2018年区域B各参数逐月平均的相关性分析如图7所示。

由图7可以看出：区域B的净初级生产力与叶绿素浓度的相关性较高且呈正相关关系，相关系数约为0.87;净初级生产力与光合有效辐射的相关性很低，相关系数约为0.10;净初级生产力与海表温度的相关性很高，且呈负相关关系，相关系数约为0.92;叶绿素浓度与海表温度的相关性较高，且呈负相关关系，相关系数约为0.89。

区域B属于低营养盐区域，浮游植物的初级生产力受营养盐控制，即使在光照和温度都非常适宜的情况下，浮游植物仍然无法暴发。营养盐对于浮游植物净初级生产力的影响主要体现在生物量上[14]，由于所有浮游植物都含有叶绿素a，叶绿素a浓度是浮游植物生物量的重要表征[15]。因此，区域B的叶绿素浓度较低，且其净初级生产力受叶绿素浓度的影响较大。此外，海表温度可体现海水的层化程度和上升流的强度，而海水的层化程度对于表层营养盐浓度有一定的影响。区域B冬季的海表温度较低，混合层较其他季节最浅，因此其冬季的表层营养盐浓度最高，叶绿素浓度最高，净初级生产力最高。这与陈小燕[13]的研究结论一致。

综上所述：①区域A的净初级生产力与海表温度的相关性最高，较低的温度严重限制酶的活性，因此虽然其叶绿素浓度较区域B一直处于较高水平，但较低的海表温度限制其光合作用速率，其净初级生产力在冬季最低;②区域B的净初级生产力与叶绿素浓度和海表温度的相关性较高，其中与海表温度相关性较高的原因主要是叶绿素浓度受海表温度的影响，因此其净初级生产力在冬季最高，且高于区域A;③与区域B相比，区域A各环境参数与净初级生产力的相关性均较低;④由于光照对于海域净初级生产力的影响主要体现在极地区域，2个区域的净初级生产力与光合有效辐射的相关性都较低。

2.3 异常气候条件下相关性的验证

根据前文分析，2个区域的净初级生产力與海表温度都有较高的相关性，其中区域B的叶绿素浓度与海表温度的相关性也很高。由于研究期间的2015年为强“厄尔尼诺”年份，本研究选取该年份对2个区域的净初级生产力、叶绿素浓度和海表温度与2007—2018年整体进行逐月平均对比，从而验证各环境参数相关性的结论。

2.3.1 区域A

2015年和2007—2018年区域A各参数的逐月平均对比如图8所示。

由图8可以看出，与2007—2018年相比，2015年：①海表温度在2-5月表现为正异常，6—10月表现为负异常，此后负异常逐渐减弱;②净初级生产力在3—5月表现为正异常，6-10月基本表现为负异常（除7月外），此后负异常逐渐减弱;③叶绿素浓度有一定的变化，但与净初级生产力的变化不存在一致性。

区域A处于中高纬度区域，海洋的热传递占比约为70%，因此该区域的热传递主要集中于黑潮延伸体和亲潮区域，属于暖寒交界处。黑潮控制着太平洋中纬度区域的经向输送，而黑潮异常与“厄尔尼诺”现象具有很高的正相关性，因此当西北太平洋的海表温度变化时，黑潮区域的海表温度随之变化[16]。

除海表温度等基本环境因素，该区域的净初级生产力还受近年来气溶胶沉降等多种因素的影响，例如：2015年7月净初级生产力与历年平均相比较高，可能是当年3月底至4月初我国华北地区有大范围沙尘天气[17]，沙尘传输到西北太平洋一般有1～2个月的时滞，导致5—6月西北太平洋的气溶胶传输量变大[12]。

2.3.2 区域B

2015年和2007—2018年区域B各参数的逐月平均对比如图9所示。

由图9可以看出，与2007—2018年相比，2015年：①海表温度在1-3月表现为负异常，4—6月表现为正异常，7—11月基本表现为负异常，12月表现为正异常;②叶绿素浓度与海表温度的情况相反，即1—3月表现为正异常，4—5月表现为负异常，6—11月表现为正异常;③净初级生产力与叶绿素浓度的情况基本相同。

区域B位于西北太平洋副热带区域和黑潮区域，受“厄尔尼诺”现象的影响较大，即海表温度波动较大，且常年处于较高水平。2015年西北太平洋的海表温度因“厄尔尼诺”现象有一定的波动，夏、秋季已达到超强“厄尔尼诺”标准，因此大部分海域的海表温度在夏、秋季表现为负异常。区域A和区域B海表温度的波动情况与雷星宇[18]关于2015年“厄尔尼诺”现象对西太平洋海表温度影响的研究结果相同，但区域A受台风影响较小，其海表温度的波动主要是由“厄尔尼诺”现象、黑潮作用和纬度变化共同导致的正常波动。

2015年“厄尔尼诺”现象对于西北太平洋的影响主要体现在台风季提前，因此区域B自2015年年初即有台风频繁经过[19]，导致其净初级生产力即固碳量在短时间内出现正异常。小尺度的气候变化对于净初级生产力的影响主要体现在低营养盐海域，且台风对于西北太平洋副热带区域的碳循环影响较大[20]。区域B位于西北太平洋的宽阔海域，营养跃层较深[21]，台风过境时营养盐浓度仅存在微小的波动[13]。总体来说，区域B在台风过境时净初级生产力明显升高。

综上所述，异常气候条件下区域A和区域B的环境参数与净初级生产力的相关性与前述结论具有一致性。

3 结语

叶绿素浓度可表征浮游植物的生物量，是估算海洋初级生产力的重要参数之一[22]。海表温度和光照条件也是影响浮游植物光合作用的重要因素[23-24]，对于海洋初级生产力都有一定的影响。而对于不同海域来说，海洋环境的差异使初级生产力的主要影响因素有所不同。

本研究选取海表温度、叶绿素浓度和光合有效辐射3个环境参数，分析其对不同海域净初级生产力的影响。①对于非极地区域来说，净初级生产力受光合有效辐射的影响较小[14]。②区域A在营养盐浓度较高的情况下主要考虑海表温度的影响，即酶的活性受海表温度影响较大。③区域B在营养盐浓度较低的情况下主要考虑浮游植物生物量的影响，即受叶绿素浓度影响较大[14];由于该区域位于黑潮区域，温度对于海水混合层深度具有一定的影响，从而影响海水表层营养盐浓度，在低营养盐情况下其影响性很大，最终影响浮游植物生物量，导致叶绿素浓度偏低[13]。④2个区域的环境参数都有一定的纬度分化特征。⑤对于异常气候条件（“厄尔尼诺”现象）下的2015年来说，2个区域净初级生产力的变化特征与本研究的相关性结论基本一致。

本研究选取的2个区域具有一定的特殊性和代表性，其中区域A位于中高纬度的亲潮和黑潮寒暖流交界处，区域B受副热带环流和黑潮共同作用且台风较活跃。由于2个区域的营养盐水平不同，净初级生产力的主要影响因素具有差异性，即叶绿素浓度不能完全表征净初级生产力。面对当今全球气候变暖和异常天气增多的形势，我国应深入研究西北太平洋初级生产力的变化，从而预防赤潮灾害频发和海洋环境污染等情况，保障海洋渔业等产业的发展。净初级生产力的变化受多种因素的影响，很难将每种因素逐一归结，本研究仅分析少数基本海洋环境参数与净初级生产力的相关性，未来将收集更多的海洋环境资料，进一步研究净初级生产力的影响因素。

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