Remote Sensing | 20年卫星数据分析：全球海洋初级生产力与气候相关性

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海洋初级生产力

海洋初级生产力(Marine Primary Productivity)也称为海洋原始生产力，是指浮游植物、底栖植物(包括定生海藻、红树和海草等高等植物)以及自养细菌等生产者，通过光合作用制造有机物的能力[1]。海洋初级生产力是最基本的生物生产力，可以用于预估渔业资源潜力的大小。目前国际上广泛采用叶绿素含量法测定海洋中植物初级生产力，传统的海洋生产力测量依赖于随船采样，然而这样的测量方法无法保证实时获取动态数据，也难以满足大尺度数据测量的要求[2]。而随着卫星遥感技术的成熟，在大尺度海洋环境测量中，卫星测量逐渐取代了随船采样，有效解决了传统测量存在的问题。

海洋初级生产力主要受海洋中温度、光和营养素等驱动因素的影响，在季节和年际间这些驱动因素显示出不同的影响力。例如，由于极地地区冰雪会在春夏两季融化，因此这个区域的初级生产力受季节影响较为显著。相反的，在信风盛行的低纬度地区，由于全年营养有限，因此该区域的初级生产力季节变化并不明显。

基于20年间卫星数据的海洋生产力研究

科学家们认为海洋初级生产力可能与年际尺度和几十年尺度的海洋气候振荡有关，但是大部分对海洋水色的观测记录都是短期的，无法证实这一猜测。近期，英国普利茅斯海洋实验室的Gemma Kulk博士及其研究团队在Remote Sensing期刊上发表了一篇论文，他们利用1998至2018年的卫星海洋数据，使用三个不同模型在全球范围内预估了年度和季节性初级生产量，并对浮游植物生物量(叶绿素单位)和光合活性辐射进行分析(图1)。该研究结果与过去的研究结果相符，这20年中全球初级产量为38.8–42.1 Gt·C/y [3,4]。该研究证实了全球年初级生产量会随着厄尔尼诺现象，以及大西洋多年代际振荡等海洋气候变化而变化，且海洋初级生产力的大部分变化都可以用大规模的海洋气候振荡来解释。

(a)1998年

(b)2017年

图1：卫星观测浮游植物生物量年度变化。

(图片来源：https://www.acri-st.fr)

研究中的两大挑战

研究中的一大挑战是光合参数的分配，研究团队通过建立数据库解决了这个问题。该数据库包含了大约一万次的观测数据，涵盖了大部分生物地理区域(图2)。由于卫星观测局限于一个比真光深度小得多的有限表层，观测结果无法体现深度变化。因此，在估算卫星初级生产力时，所面临的另一个挑战是如何详细说明浮游植物生物量的垂直结构。为了克服这一局限性，在此研究中Gemma Kulk博士团队利用大型的叶绿素a剖面数据库来推算海洋水体叶绿素a。利用P-I参数和叶绿素a剖面参数的季节平均值，以及20年间遥感叶绿素a浓度和地表光合速率的时间序列，最终确定了全球初级生产力及其在这20年中的变化，更准确地评估了全球初级生产力及其过去20年的趋势。

图2：此研究共选择8676个样本位置，覆盖53个生物地理省份和世界上96.6%的海洋面积。

研究展望

大尺度长时间跨度的研究是过去、现在乃至未来学者们的奋斗方向，本研究中利用20年间全球海洋数据评估出全球海洋初级生产力及其趋势，该结果能够更好地协调渔业发展和海洋保护的关系。作者认为不同的光合作用参数和其他遥感变量在海洋盆地及海洋生物群落研究方面具有较大的应用潜力。

参考文献：

[1] 潘友联. 叶绿素与海洋初级生产力[J]. 海洋科学, 1987(01):67-69.

[2] 张异凡, 王奎, 王振波. 海洋生态系统净生产力研究进展[J]. 海洋通报, 2019, 038(001):1-7.

[3] Buitenhuis, E.T.; Hashioka, T.; Quéré, C.L. Combined constraints on global ocean primary production using observations and models. Glob. Biogeochem. Cycles 2013, 27, 847–858.

[4] Sathyendranath, S.; Platt, T.; Brewin, R.J.W.; Jackson, T. Primary Production Distribution. In Encyclopedia of Ocean Sciences, 3rd ed.; Cochran, J.K., Bokuniewicz, J.H., Yager, L.P., Eds.; Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, 2019; Volume 1, pp. 635–640.

Remote Sensing (ISSN 2072-4292; IF: 4.509, Cite Score 6.1) 是一个与遥感学科相关的国际型开放获取期刊。其期刊范围涵盖遥感 科学所有领域，从传感器的设计、验证和校准，到遥感在地球科学、环境生态、土木建筑等各方面的广泛应用。Remote Sensing采取单盲同行评审，一审周期约为19天，文章从接收到发表仅需2.9天。

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原文出自Remote Sensing期刊

Kulk, G.; Platt, T.; Dingle, J.; Jackson, T. et al.Primary Production, an Index of Climate Change in the Ocean: Satellite-Based Estimates over Two Decades. Remote Sens. 2020, 12, 826.

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版权声明：

*翻译作者：Magalie Xu

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