周雯, 魏盼盼, 李彩, 王桂芬, 鄭文迪, 鄧霖, 趙紅五一, 余凌暉,曹文熙

1. 熱帶海洋環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所), 廣東 廣州 511458;

2. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(廣州), 廣東 廣州 511458;

3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049;

4. 河海大學(xué)海洋學(xué)院, 江蘇 南京 210098;

5. 中山大學(xué)海洋學(xué)院, 廣東 珠海 510275

海水中包含著多種懸浮顆粒, 其粒徑大小分布范圍從0.1nm 到1.0mm 不等(Stramski et al, 2004)。懸浮顆粒通常劃分為非藻類顆粒物和浮游植物兩大類, 其中非藻類顆粒物包括(1)浮游生物產(chǎn)生的有機(jī)碎屑(如糞便、死亡細(xì)胞等); (2) 異養(yǎng)細(xì)菌、病毒及浮游動(dòng)物, 以及(3)無機(jī)礦物質(zhì)顆粒, 如硅酸鹽、塵埃、底質(zhì)泥沙等(Kheireddine et al, 2021)。 而浮游植物按照細(xì)胞大小, 即粒級(jí)結(jié)構(gòu), 常劃分為三大類:微微型浮游植物(＜2μm)、微型浮游植物(2～20μm)和小型浮游植物(＞20μm)(Sieburth et al, 1978)。粒級(jí)結(jié)構(gòu)可作為表征海洋中浮游植物功能類群的重要參數(shù)之一(Sathyendranath, 2014)。這些海洋懸浮顆粒在海洋生物碳泵、海洋生態(tài)系統(tǒng)及生物地球化學(xué)循環(huán)等過程都扮演著非常重要的角色(Brewin et al, 2021)。

海洋中顆粒物的光后向散射系數(shù)[bbp]可表示為水體中各種顆粒物的后向散射貢獻(xiàn)累加之和,bbp量值的變化包含了水體中顆粒物濃度等的變化信息(Twardowski et al, 2001; Huot et al, 2008)。近年, 隨著商業(yè)化儀器和水色遙感技術(shù)的發(fā)展, 海水中顆粒物后向散射系數(shù)能利用各種商業(yè)化儀器或觀測(cè)平臺(tái)便捷獲取, 如加拿大HOBI 公司研發(fā)的Hydroscat-6和美國(guó)WetLab 公司的BB-9, 以及海洋生物光學(xué)Bio-Argo 水下自動(dòng)平臺(tái)等; 此外, 基于衛(wèi)星觀測(cè)的遙感反射率采用半分析的算法(如半分析算法QAA、通用的固有光學(xué)量反演算法GIOP 等)也可獲得海水中顆粒物的光后向散射系數(shù)的大時(shí)空尺度數(shù)據(jù)集(Lee et al, 2002; Werdell et al, 2013)。

葉綠素a濃度(Chla)作為表征海洋中浮游植物生物量的重要參數(shù)之一, 顆粒物后向散射系數(shù)與葉綠素a 濃度之間的關(guān)系也得到了廣泛關(guān)注(Huot et al,2008; Antoine et al, 2011; Brewin et al, 2012; Xing et al, 2014; Bellacicco et al, 2019; Kheireddine et al,2021)。部分學(xué)者在South Ocean 和South Pacific Ocean 東部等大洋區(qū)域發(fā)現(xiàn)bbp和Chla存在較顯著的冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系(Huot et al, 2008; Xing et al,2014); 但部分學(xué)者認(rèn)為兩者間關(guān)系受水環(huán)境影響顯著, 尤其在近岸復(fù)雜水環(huán)境可能呈現(xiàn)出高離散性(Antoine et al, 2011)。Brewin 等(2012)嘗試引入不同浮游植物粒級(jí)結(jié)構(gòu)的散射貢獻(xiàn)和水體后向散射背景值對(duì)大洋bbp和Chla關(guān)系進(jìn)行建模, 模型結(jié)果指出該思路可能顯著提升bbp和Chla關(guān)系模型精度;Zhang 等(2020)采用0.2μm 和0.7μm 過濾得到亞微米顆粒水樣的后向散射實(shí)測(cè)數(shù)據(jù), 結(jié)果也進(jìn)一步證實(shí)了海洋中亞微米顆粒對(duì)bbp的貢獻(xiàn)最高可能達(dá)到～50%。Kheireddine 等(2021)采用紅海實(shí)測(cè)的bbp和Chla沿用Brewin 等(2012)的思路也很好證實(shí)該模型可顯著提升低葉綠素濃度水體bbp和Chla間的模擬精度, 并指出當(dāng)Chla低于0.2mg·m-3時(shí), 非藻類顆粒物為主的水體后向散射背景值對(duì)bbp貢獻(xiàn)非常顯著。

海南島是南海最大的島嶼, 海南島東部海域受熱帶季風(fēng)氣候影響, 每年五月至十月降水量較多(謝玲玲 等, 2012; Li et al, 2015), 且受夏季上升流影響顯著(Jing et al, 2015), 大陸架較窄, 底質(zhì)以懸浮細(xì)沙等為主(許東禹 等, 1997) 。營(yíng)養(yǎng)鹽從近岸到外海呈顯著降低的趨勢(shì), 外海海表屬于典型貧營(yíng)養(yǎng)水體,水下營(yíng)養(yǎng)鹽垂向分布受水體混合影響較大(Huang et al, 2013; Li et al, 2014)。由于該海域的水體環(huán)境存在顯著的區(qū)域性特征, 本文擬選定該海域開展bbp和Chla間的區(qū)域關(guān)系模型研究。

1 實(shí)驗(yàn)方法和模型構(gòu)建

1.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

2013 年8 月30 日至9 月3 日搭載了國(guó)家基金委西部航次, 由中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所實(shí)驗(yàn)3號(hào)船執(zhí)行; 采集實(shí)驗(yàn)站點(diǎn)31 個(gè)(圖1), 共獲得bbp和溫鹽深垂向剖面31 個(gè), Chla樣品137 個(gè)。

bbp由加拿大HOBI 公司研發(fā)的Hydroscat-6 測(cè)量獲得, 采集波段為420、442、488、532、590 和676nm, 采樣頻率為1Hz, 投放速度約為0.2m·s-1。數(shù)據(jù)處理基于 HOBI 公司提供的處理流程采用Matlab 編譯程序進(jìn)行(Maffione et al, 1997)。首先對(duì)原始測(cè)量的體散射通量信號(hào)進(jìn)行暗電流校正, 隨后應(yīng)用同步采集的吸收-散射數(shù)據(jù)(WetLab 公司, 吸收衰減儀)和儀器定標(biāo)系數(shù)進(jìn)行體散射函數(shù)計(jì)算及Sigma 校正, 扣除純海水貢獻(xiàn)(Zhang et al, 2009), 最后將體散射函數(shù)β(140,λ) 與轉(zhuǎn)換系數(shù)1.08 相乘得到bbp值(Oishi, 1990; Maffione et al, 1997)。溫度、鹽度和深度由SeaBird 公司的CTD 同步采集。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)隨后進(jìn)行異常點(diǎn)剔除, 插值獲取各個(gè)站位1m間隔的顆粒物后向散射系數(shù)剖面數(shù)據(jù)。

Chla采用熒光法測(cè)得, 有關(guān)測(cè)量方法見Parsons 等(1984)。當(dāng)站位水深小于60m, 采樣標(biāo)準(zhǔn)水層為0、10、25、50m 或最大水深; 水深大于60m的站位, 標(biāo)準(zhǔn)水層一般設(shè)置為0、25、50、75、100、120或140m。樣品采集過濾水樣體積為0.5～1L。

1.2 模型構(gòu)建

bbp與Chla濃度間關(guān)系的構(gòu)建基于Brewin 等(2015)和Kheireddine 等(2021)提出的思路。首先將顆粒物后向散射劃分為 pico 級(jí)浮游植物(微微型)[bbp,p]和較大粒級(jí)的浮游植物(包括微型—大型)[bbp,mn]以及亞微米顆粒后向散射背景值(常量)[bbp,k]三部分, 即

其中, 較大粒級(jí)和pico 級(jí)浮游植物后向散射系數(shù)可進(jìn)一步表示為單位葉綠素濃度的后向散射系數(shù)與葉綠素a 濃度的乘積:

式中[b*bp,mn,b*bp,p]分別表示較大粒級(jí)和pico 級(jí)浮游植物單位葉綠素濃度歸一化的后向散射系數(shù); [Cp,Cmn]分別表示較大粒級(jí)和pico 級(jí)浮游植物的Chla貢獻(xiàn)值,基于三組分算法可進(jìn)一步表示為水體中Chla的函數(shù)(Sathyendranath et al, 2001; Brewin et al, 2010):

2 結(jié)果和討論

2.1 bbp 與Chl a 之間關(guān)系模型結(jié)果

在航次調(diào)查期間, 海南島東部陸架剖面的溫度和鹽度表現(xiàn)出明顯的沿岸上涌特征, 低溫高鹽的深水沿底部邊界層向岸上升。底部邊界層厚度可達(dá)10～20m 厚, 垂直混合現(xiàn)象較強(qiáng)(汪彧 等, 2016)。在該區(qū)域同步采集的bbp和Chla之間的關(guān)系也呈現(xiàn)出兩種不同關(guān)系, 如圖2 所示。整體來說, 隨著Chla濃度增加,bbp呈增大的變化趨勢(shì)。在類似的Chla范圍, 高bbp(實(shí)心圓)樣品多收集于底部霧狀層(簡(jiǎn)稱底層), 而相對(duì)低bbp(空心圓)樣品收集于上層水體(簡(jiǎn)稱上層)。

圖2 分別給出了上層和底層水體的模型擬合曲線(圖中黑色實(shí)線), 模型擬合參數(shù)如表1 所示。針對(duì)上層水體, 總體來說, 采用瓊東海域的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)重參數(shù)化的模型有效地重現(xiàn)了bbp和Chla總體變化特征, RMSE 為0.00048m-1。在低Chla范圍模型效果顯著更優(yōu), 而在較高Chla范圍, 模型存在輕微的低估現(xiàn)象。當(dāng)Chla濃度較低(＜0.25mg·m-3)時(shí),bbp變化范圍非常窄, 受Chla濃度變化影響較小, 這與模型擬合曲線設(shè)置了固定后向散射背景值bbp,k比較吻合,也初步印證了Zhang 等(2020)研究結(jié)論: 在清潔的海洋水體中, 亞微米顆粒的后向散射貢獻(xiàn)比較強(qiáng),且不隨Chla濃度變化而變化, 可形成相對(duì)穩(wěn)定的后向散射背景值。

表1 模型擬合參數(shù)Tab. 1 The fitted parameters of the model

針對(duì)底層水體,bbp和Chla之間存在顯著的離散性, 模型整體表現(xiàn)出很好的擬合性能, 但在極低Chla附近(～0.02mg·m-3)兩個(gè)樣品bbp顯著降低至～2×10-3m-1,遠(yuǎn)低于模型擬合所得的bbp,k固定值(～0.0067m-1), 導(dǎo)致模型存在顯著的高估。值得注意的是上述兩個(gè)樣品量值與上層水體的bbp,k固定值(～0.001161m-1)更為接近。

與文獻(xiàn)給出的部分海域bbp,k固定值相比, 如果不考慮不同波段間的變化性, 瓊東上層水體的bbp,k(490)與紅海bbp,k(440) [～0.00109m-1]非常接近(Kheireddine et al, 2021), 略高于大洋水體[bbp,k(517)= 0.00070m-1](Brewin et al, 2012) 和Zhang 等(2020)給出的清潔水體實(shí)驗(yàn)估計(jì)值[bbp,k(517) =0.00031m-1]。底層水體模型擬合bbp,k(490)值(～0.00672m-1)顯著高于上層水體的擬合bbp,k(490)值(～0.00116m-1), 可能是底層受上升流的影響, 底質(zhì)細(xì)沙的重懸浮導(dǎo)致水體中不隨Chla共變的顆粒物濃度增大, 其后向散射相應(yīng)增強(qiáng)。同時(shí)底層水體模型擬合的兩類浮游植物的bb*p,p(490)(～0.0563m2·mg-1)和bb*p,mn(490) (～0.0566 m2·mg-1)較上層水體對(duì)應(yīng)參量增大了一個(gè)量級(jí); 從理論上推測(cè), 單位葉綠素的后向散射系數(shù)增大可能歸因于水體小粒徑、高折射率顆粒的數(shù)目增多, 即高折射率的藻類(如硅藻等)或藻類相關(guān)的有機(jī)碎屑導(dǎo)致了后向散射系數(shù)以及單位葉綠素濃度歸一化的后向散射增大。針對(duì)本文研究的瓊東水體, 底層Chla濃度范圍與上層水體相近,bb*p,p和bb*p,mn顯著增大, 更可能表征了底層水體中與浮游植物相關(guān)的非藻類顆粒物(如死亡降解物、聚集絮狀物等)增多, 這些非藻類顆粒物折射率較浮游植物高, 且由于顆粒沉降作用在底層可能聚集濃度更高, 因此導(dǎo)致了后向散射系數(shù)增強(qiáng), 同時(shí)bb*p,p和bb*p,mn顯著增大。

圖3 給出了瓊東海域兩個(gè)浮游植物類群的后向散射貢獻(xiàn)和后向散射背景值的貢獻(xiàn)百分比隨Chla濃度的變化趨勢(shì)。針對(duì)上層水體, 當(dāng)Chla濃度低于0.6mg·m-3時(shí), 后向散射背景值的貢獻(xiàn)百分比超過50%,bbp變化由bbp,k主導(dǎo); 隨著Chla濃度的增加,較大粒級(jí)的浮游植物對(duì)bbp的貢獻(xiàn)顯著增加,bbp,mn的貢獻(xiàn)百分比由30%迅速增大至80%; 在Chla濃度介于[0.2, 1] mg·m-3之間時(shí), pico 級(jí)浮游植物bbp,p對(duì)bbp貢獻(xiàn)最高, 模型估算的bbp,p貢獻(xiàn)百分比在14%～16%之間。對(duì)于底層水體, 各組分對(duì)bbp貢獻(xiàn)與上層水體存在一定的差異性,bbp,k對(duì)bbp的主導(dǎo)貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在葉綠素濃度小于0.1mg·m-3范圍; 與上層水體相比, 在Chla濃度0.2～0.4mg·m-3范圍內(nèi),底層水體中pico 級(jí)浮游植物bbp,p的貢獻(xiàn)百分比顯著增大, 最大貢獻(xiàn)比可超過 40%; Chla濃度大于0.3mg·m-3后, 較大粒級(jí)的浮游植物bbp,mn的貢獻(xiàn)百分比可從30%迅速增大至90%。

瓊東海域水體 Chla實(shí)測(cè)值主要分布在0.06～0.7mg·m-3之間, 針對(duì)上層水體,bbp,k的貢獻(xiàn)隨著Chla濃度增加分布從98%降至48%, 較大粒級(jí)的浮游植物bbp,mn的貢獻(xiàn)百分比從2%增至33%, pico級(jí)浮游植物bbp,p的貢獻(xiàn)百分比由6%增至18%。對(duì)于底層水體,bbp,k的貢獻(xiàn)隨著Chla濃度增加分布從64%降至13%, 同時(shí)較大粒級(jí)的浮游植物bbp,mn的貢獻(xiàn)百分比從7%增至53%, pico 浮游植物bbp,p的貢獻(xiàn)百分比由28%增至33%。

2.2 與其他模型結(jié)果對(duì)比

為了驗(yàn)證本文所構(gòu)建模型的性能, 將與其他模型進(jìn)行對(duì)比。已有文獻(xiàn)指出, 在全球其他不同海域bbp和Chla存在較明顯的冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系(Huot et al,2008)。因此, 圖4a 給出了本文模型與冪函數(shù)擬合關(guān)系的對(duì)比。對(duì)于上層水體(空心點(diǎn)), 在低葉綠素濃度范圍, 隨著Chla的增加, 顆粒物后向散射系數(shù)變化很小, 本文模型較好地描述了這一特征。相對(duì)而言,冪函數(shù)在低葉綠素濃度范圍, 擬合的顆粒物后向散射系數(shù)隨Chla變化趨勢(shì)更為顯著, 因此也導(dǎo)致了冪函數(shù)擬合的RMSE(～0.1528m-1)顯著高于本文模型RMSE(～0.00048m-1)?？梢娫诘虲hla濃度范圍,本文模型顯著優(yōu)于冪函數(shù)擬合結(jié)果; 而底層水體(黑點(diǎn)), 由于后向散射系數(shù)與Chla之間關(guān)系離散性大,雖然本文模型和冪函數(shù)擬合呈現(xiàn)相似的決定系數(shù)(～0.67), 冪函數(shù)似乎更好描述了顆粒物后向散射系數(shù)隨Chla濃度增大而增大的變化趨勢(shì)。

同時(shí), 圖4b 也將本文模型與已有文獻(xiàn)在全球其他海域建立的bbp和Chla關(guān)系模型進(jìn)行了對(duì)比, 具體包括: Huot 等(2008)的南太平洋東部上層水體[H08,bbp(470)]、Dall’Olmo 等(2009)的赤道太平洋表層水(D09)、Xing 等(2014)近極地的北大西洋上層水體[X14,bbp(532)]、Brewin 等(2012) 的赤道太平洋和北大西洋表層水[B12,bbp(470)]、Zhang 等(2020)的太平洋北部[Z20bbp(512)]和 Kheireddine 等(2021)的紅海[K21,bbp(490)], 其中B12 和K21 模型采用了南海Cpm和S1參數(shù)進(jìn)行了區(qū)域優(yōu)化(王桂芬等, 2014)。文獻(xiàn)給出模型中bbp波段與本文選用的490nm 不同, 由于目前沒有精確的波段間轉(zhuǎn)換關(guān)系可參考, 因此在后面不同模型性能比對(duì)分析中, 假定bbp在470～532nm 波段間變化較小, 不考慮波段差異的影響。

總體來說, 與冪函數(shù)或者線性擬合函數(shù)的模型相比(H08、A09、X14、Z20), 優(yōu)化的B12 和K21模型采用了分粒級(jí)浮游植物和固定后向散射背景值擬合思路表現(xiàn)出更優(yōu)的模擬性能, 與本文模型性能類似, 尤其是優(yōu)化的K21 模型與本文擬合曲線在低葉綠素范圍基本重疊(圖4b 黑線和藍(lán)線), 很好描述了瓊東海域bbp和Chla區(qū)域關(guān)系。H08、A09、X14和 Z20 等冪函數(shù)或者線性擬合函數(shù)的模型在低Chla濃度區(qū)域(＜0.1mg·m-3)均表現(xiàn)出顯著低估,這一現(xiàn)象也很好地證實(shí)了 Zhang 等(2020)基于實(shí)測(cè)亞微米顆粒后向散射特性分析結(jié)果: 當(dāng)Chla濃度低于0.02mg·m-3時(shí),bbp和Chla之間的冪函數(shù)關(guān)系已不適應(yīng)。

2.3 不同水層的模型結(jié)果

為了更好地闡釋上層水體中bbp與Chla之間關(guān)系的離散性, 我們將上層水體進(jìn)一步劃分為表層、葉綠素最大層以及兩者之間的中間層分別進(jìn)行模型擬合。圖5 和表1 給出了分水層模型擬合結(jié)果及擬合參數(shù)。

擬合結(jié)果表明, 不同水層bbp與Chla的關(guān)系存在一定的差異性。與其他水層相比, 葉綠素最大層Chla濃度顯著增大, 但對(duì)應(yīng)bbp量值并未顯著增加。從模型擬合參數(shù)來看, 葉綠素最大層的bbp,k值(～0.000571m-1)顯著低于表層和中間層的bbp,k值(～0.000894 和0.000626m-1), 表明葉綠素最大層中亞微米顆粒的后向散射背景值最低。該層Chla濃度主要分布在0.2～0.428mg·m-3之間, pico 級(jí)浮游植物bbp,p的貢獻(xiàn)百分比約為40%, 較大粒級(jí)的浮游植物bbp,mn的貢獻(xiàn)百分比約為20%～38%,bbp,k的貢獻(xiàn)百分比約為21%～35%; 當(dāng)該層Chla濃度達(dá)到最大值3.75mg·m-3時(shí), [bbp,pbbp,mnbbp,k]的貢獻(xiàn)百分比發(fā)生了顯著改變, 分別為[9% 87% 30%], 較大粒級(jí)的浮游植物對(duì)bbp的貢獻(xiàn)占據(jù)了絕對(duì)主導(dǎo)。

相對(duì)于葉綠素最大層, 表層和中間層水樣的區(qū)別并不顯著, 表層bbp,k(490) (～0.000894m-1)略高于中間層bbp,k(490)值(～0.000626m-1)。表層和中間層具有相似的Chla濃度分布區(qū)間, 分別為0.07～0.4 和0.09～0.73mg·m-3, 在較低Chla濃度范圍,bbp,p、bbp,mn和bbp,k的貢獻(xiàn)百分比分別為24%、7%和69%; 而在較高Chla濃度值(～0.4mg·m-3),bbp,p、bbp,mn和bbp,k的貢獻(xiàn)百分比逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?7%、35%和27%; 在中間層當(dāng)Chla濃度值達(dá)到最大值(～0.73mg·m-3),bbp,p、bbp,mn和bbp,k的貢獻(xiàn)百分比逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?7%、50%和21%。Zhang 等(2020)指出, 當(dāng) Chla濃度小于0.1mg·m-3時(shí), 與Chla濃度不相關(guān)的亞微米顆粒對(duì)bbp的貢獻(xiàn)可達(dá)到 50%; 隨著 Chla濃度增大至0.3mg·m-3, 亞微米顆粒對(duì)bbp的貢獻(xiàn)將降至30%。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)論與本文三個(gè)水層模型估算的bbp,k(490)貢獻(xiàn)百分比非常貼合。

3 結(jié)論

基于瓊東海域采集的生物—光學(xué)數(shù)據(jù)集, 建立了水體中顆粒物后向散射系數(shù)與Chla濃度之間的關(guān)系模型。該模型將顆粒物后向散射系數(shù)劃分為pico 級(jí)浮游植物(＜2μm)的后向散射、較大粒級(jí)的浮游植物(＞2μm)的后向散射和不隨Chla濃度變化的后向散射固定背景值三部分累加和。研究發(fā)現(xiàn), 本文構(gòu)建的模型能很好地模擬出瓊東海域水體的后向散射系數(shù)與Chla濃度之間的變化趨勢(shì), 性能遠(yuǎn)優(yōu)于常用的冪函數(shù)關(guān)系模型, 尤其在低葉綠素濃度范圍, 很好地解決冪函數(shù)顯著低估的現(xiàn)象; 模型結(jié)果表明, 瓊東海域bbp和Chla濃度關(guān)系存在顯著的水層變化, 在底層受上升流的影響, 后向散射固定背景值bbp,k顯著高于上層水體背景值; 而在葉綠素最大層, 后向散射固定背景值bbp,k顯著低于上層水體(如表層中間層)的bbp,k背景值,bbp,k的貢獻(xiàn)百分比約為21%～35%; 隨著Chla濃度增大, 較大粒級(jí)的浮游植物對(duì)bbp的貢獻(xiàn)也顯著增大, 可達(dá)到50%以上,pico 級(jí)浮游植物貢獻(xiàn)穩(wěn)定在40%附近。

本文構(gòu)建的模型結(jié)果很好地吻合了“海水中亞微米顆粒(＜0.2 或 0.7μm)對(duì)后向散射貢獻(xiàn)顯著(Zhang et al, 2020)”這一實(shí)驗(yàn)研究結(jié)論, 表明在瓊東水體中, 不隨Chla濃度變化的后向散射固定背景值對(duì)水體后向散射系數(shù)具有不可忽視的貢獻(xiàn)。同時(shí)模型也更好表述了bbp和Chla濃度的關(guān)系。本研究成果將為瓊東海域浮游植物生物量的光學(xué)遙感研究提供更為精確的區(qū)域性模型, 獲取的浮游植物群落結(jié)構(gòu)及生物量信息也將為瓊東生物地球化學(xué)過程的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。