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现场和遥感数据揭示南海北部初级生产力季节变化特征——“冬季高、夏季低”不该成为固有观点

2020/11/21点击次数:

季节是一个非常重要的生态概念,季节指导着人类的农业生产活动如播种、灌溉和收获,人类的生存离不开这些生产活动。海水中的初级生产者浮游植物是仅显微镜可见的单细胞藻类,它们的特征是生长周期短、周转率高。浮游植物的季节变化(与陆地植被的相异之处)反映为生物量和初级生产力(固碳能力)的高低差异以及群落结构的演替。浮游植物固碳能力的季节变化对海洋生态系统和人类社会经济都有着非常重要的意义,它不仅决定着海洋中的渔业资源,也在一定程度上影响着海洋的碳汇和气候调节能力。

南海是北太平洋最大的边缘海,边缘海与人类关系相对密切,但相关研究依然不足,还存在不少未知的领域甚至错误的观点。2020年11月,期刊《海洋学进展》(Progress in Oceanography)在线发表了实验室黄邦钦教授课题组题为Striking seasonal pattern of primary production in the river-dominated ocean margin of the northern South China Sea (NSCS-RiOMar) revealed by new field and remotely sensed data的最新研究成果。本研究通过分析2009-2012年间南海北部初级生产力的现场C-14实测数据和新遥感算法估算的2003-2017年间平均初级生产力,揭示了南海北部河流主导型边缘的初级生产力季节变化特征是夏季高、冬季低,质疑并成功挑战了南海北部整体都是冬季高、夏季低的固有观点。本研究的核心内容可以用“两个执念、一个工具、两处改进、两套数据和一个结论”五点来概括。

  • 过往对南海北部的研究存在两个执念:(1)初级生产力季节特征统一为“冬季高、夏季低”;(2)200米等深线是近海和海盆不同浮游生态系统的分界线。前者起源于SEATS时间序列站的研究发现,但是在近海未得到现场数据的验证,则是由VGPM估算的遥感初级生产力所支持。后者是参考地球另一端海区的经验,但是南海北部200米等深线附近并无显著的锋面现象,锋面反而是出现在50米等深线附近。在近岸区域,夏季盛行珠江冲淡水和上升流,这些区域出现二氧化碳的净生物吸收,部分区域更是出现缺氧现象。这些过程本该与高初级生产力关联,与“冬季高、夏季低”的评语相冲突,但是这个矛盾一直没有得到合理的解释。实践中,执念(2)还严重影响了现场的采样设计,导致50米以浅的数据不足,使执念(1)更难以得到化解。但是本研究打破固有观点,将50米等深线作为分界线,推测50米以浅的河流主导型边缘的初级生产力季节变化特征可能“与众不同”,并开展相关研究。因为现场数据的不足,本研究也依赖于遥感数据的支持。

  • 一个工具:使用诊断模型来“解剖”初级生产力,“解剖”发现决定河流主导型边缘的初级生产力季节变化的首要因素是真光层深度,其次是半饱和光强。使用诊断模型实现了对研究对象的精准“手术”,避免了漫无目的的分析。VGPM假设真光层深度是叶绿素的函数,但在近岸水体,叶绿素仅是光学活性物质的一部分,因此该假设不成立;近年来的研究显示营养盐的多寡可彻底改变浮游植物固碳系数与温度之间的关系,而一种遥感算法通常仅反映了一种营养状态,比如,在20-30度区间(南海海表温度变化范围),标准VGPM和Eppley-VGPM分别仅代表寡营养和富营养的情况。

  • 针对以上问题,本研究对遥感初级生产力算法做了两处改进:(1)使用基于固有光学属性的真光层深度数据;(2)使用邻近搜索法查找和分配不同环境条件下的固碳系数。改进后的算法显著改善了遥感反演初级生产力的准确性。

  • 产生了两套数据:南海北部现场和遥感初级生产力数据,其中现场数据包括6个航次和91个站位。


  • 结论是:遥感初级生产力和本研究及其文献中的现场数据基本一致;南海北部河流主导型边缘的初级生产力季节变化特征是夏季高、冬季低(与以往的遥感结果相反),峰值出现在6-7月份,与珠江径流量的峰值月份是一致的;而陆架上50-200米水深区域中的大部分以及海盆区仍然是冬季高、夏季低。


本研究为南海近海碳循环和渔业资源研究提供了更加准确的初级生产力数据,为南海其他领域的研究提供了初级生产力季节变化规律的佐证,还可能使将来的一些相关研究少走或不走弯路。

本论文的第一作者为谢聿原博士(现为NOAA东北渔业科学中心Milford 研究所的博士后),通讯作者为黄邦钦教授。林丽贞、肖武鹏、余小龙、蓝文陆为论文共同作者。黄邦钦教授团队主攻海洋生态系统与全球变化相关领域研究,包括边缘海浮游植物群落时空格局、演变机制、生物泵等海洋生态系统储碳过程与机制以及生态灾害等(http://ceg.globedrugmart.com )。该研究获国家重点研发计划“全球变化及应对”重点专项项目 “海洋生态系统储碳过程的多尺度调控及其对全球变化的响应” (MARCO, http://marco2016.globedrugmart.com)(2016YFA0601200)、国家973计划重大科研项目(2015CB954002)和国家自然基金联合基金项目(U1805241)等资助。


论文来源:

Yuyuan Xie, Lizhen Lin, Wupeng Xiao, Xiaolong Yu, Wenlu Lan, Bangqin Huang*. (2020). Striking seasonal pattern of primary production in the river-dominated ocean margin of the northern South China Sea (NSCS-RiOMar) revealed by new field and remotely sensed data. Progress in Oceanography, 189: 102470.


论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0079661120302068