0 引言
卫星遥感技术的快速发展为实现南大洋大范围连续的浮游植物叶绿素a（Chl a）监测提供了重要手段[5-7]，但其观测深度有限，难以揭示混合层以下浮游植物的垂直特征。近年来，生物地球化学剖面浮标（Biogeochemical-Argo， BGC-Argo）的广泛应用有效弥补了这一局限。该浮标凭借高分辨率剖面观测能力，逐步揭示出南大洋浮游植物垂向分布显著的区域复杂性与动态变化性[8-13]。例如，SU等[9]基于BGC-Argo数据揭示了中尺度涡旋对次表层Chl a分布的调制作用；最近多项基于BGC-Argo的研究证实，次表层叶绿素最大值层（subsurface chlorophyll maxima layer，SCML）在南大洋全年普遍存在[10-16]。与低纬度海域SCML的形成通常受营养盐-光照限制不同，南大洋SCML的形成机制更为复杂，常涉及硅藻聚集、海冰消退、涡流作用、俯冲事件和光驯化等多个过程[10-16]。其空间分布与垂直结构受光照、混合等多尺度海洋过程的显著调控，这种分布与结构可通过提升局部尺度的碳输出、初级生产力和高营养级能量供给[7-8]影响整个海域的碳汇潜力[10-12]。目前，在全球多个海域（如北太平洋、热带印度洋）已相继开展基于多平台观测的浮游植物垂直结构整合研究[17-18]，并成功揭示了物理-生物耦合对SCML的影响。开展卫星遥感联合BGC-Argo观测，已逐渐成为海洋生态研究的共识。然而，在南大洋-印度洋扇区这一碳汇关键海域，现有研究多集中于表层Chl a时空变化[19-20]，对浮游植物垂直结构的认知还存在明显不足。特别是，该海域 Chl a 与浮游植物碳生物量（phytoplankton carbon biomass，Cphyto）的垂直分布是否存在季节与年际尺度上的解耦行为，以及光照、温度、营养盐等环境因子如何协同调控垂直结构等关键科学问题，尚缺乏深入探讨。
为此，本研究整合卫星遥感与BGC-Argo浮标数据，分析南大洋-印度洋扇区浮游植物Chl a与Cphyto 垂直分布的时空变化特征和环境因子影响，阐明SCML的形成机制与维持条件；结合2015/2016年强厄尔尼诺事件，进一步探讨极端气候过程对该海域浮游植物垂直结构的影响。该研究可为改进生物地球化学模型参数化方案、增强南大洋碳汇功能和气候响应预测提供科学依据。
1 研究区域
本研究聚焦于南大洋-印度洋扇区（30°E—160°E，65°S—25°S，图1），北起副热带辐合带，南至南极大陆边缘，连接非洲南部、南印度洋与澳大利亚以南海域，是南大洋的核心组成部分。该区域受强劲西风带驱动，表层风速常年居高不下，垂向混合强烈，上升流显著，深层营养盐上涌活跃，形成了独特的水文环境[5,15-16]。在此动力背景下，该海域浮游植物呈现出极为显著的季节性特征：夏季（本文中的季节均指南半球）期间，光照条件增强，风驱动混合不断输送营养盐，促使浮游植物频繁爆发大面积水华。水华不仅显著提升了海洋初级生产力，支撑了从磷虾到高等捕食者的复杂食物网[3]；同时还通过“生物泵”效应将大量碳输出至深海，对南大洋乃至全球生态系统结构与碳循环过程产生深远影响。这使南大洋成为研究海洋对气候变化响应的重要热点区域。
图1 南大洋-印度洋扇区研究范围及Chl a质量浓度空间分布（2015—2018年平均值）（图a中的黑色框线区域为本文研究区域。图b中的黑色线与圆圈表示BGC-Argo浮标轨迹，白色箭头表示风场分布。） Fig. 1 Study area in the Southern Ocean-Indian Ocean sector and spatial distribution of Chl a mass concentration（average value from 2015 to 2018） （The area within the black frame line in Fig.a represents the study region. Black lines and circles in Fig.b represent the trajectories of BGC-Argo floats， and white arrows represent wind field distribution.） |
2 数据与方法
2.1 观测及再分析数据
本研究使用的BGC-Argo浮标数据（浮标编号：6901583）来源于BGC-Argo数据中心（https://biogeochemical-argo.org/）。该浮标搭载的传感器可测量温度、盐度、叶绿素a质量浓度[ρ（Chl a）]、光合有效辐射（photosynthetically active radiation，PAR）、700 nm颗粒后向散射系数[particle backscattering coefficient at 700 nm，bbp（700）]及硝酸盐等多个关键环境参数。该浮标于2015年4月布放于爱德华王子群岛附近海域，随后大致沿南大洋西风漂流带自东向西移动（图1b），持续工作至2018年11月，期间共获取314条经质量控制的有效剖面。剖面的采样时间间隔为4天，垂向分辨率在0~200 m水层范围内约为0.2 m。
本研究使用的海表叶绿素a质量浓度卫星遥感数据来自GlobColour平台（http://globcolour.info/）。该平台集成了MODIS、VIIRS-SNPP & JPSS1以及OLCI-S3A & S3B等多源卫星传感器的观测结果。数据时间跨度为2015年1月—2018年12月，时间分辨率为月平均，空间分辨率为4 km。海表面风场数据来自哥白尼数据空间生态系统（Copernicus Data Space Ecosystem， https://dataspace.copernicus.eu/）。该数据集基于ECMWF ERA5再分析数据形成，并结合Metop-A/B/C、ASCAT、QuikSCAT、SeaWinds、ERS-1/2等多源卫星观测资料进行了校正。数据时间范围同样为2015年1月—2018年12月，时间分辨率为月平均，空间分辨率为0.25°。
本文使用月平均多变量ENSO指数（multivariate ENSO index， MEI）指示ENSO事件的发生。该数据由美国国家海洋和大气管理局物理科学实验室（NOAA Physical Sciences Laboratory， https://psl.noaa.gov/enso/mei/）提供。MEI指数是通过对海平面气压、海表温度、海表经向风和纬向风以及向外长波辐射这五个变量进行融合分析得到的。本文所使用数据的时间跨度为2015年1月—2018年12月。
2.2 数据分析方法
本文基于BGC-Argo提供的bbp（700）剖面数据计算Cphyto，以定量评估浮游植物固碳能力。其计算公式为[17]：
$\begin{array}{l} C_{\text {phyto }}=13000 \times[\operatorname{bbp}(443)-\operatorname{bbNAP}(443)]= \\ 13000 \times\left[\operatorname{bbp}(700) \times\left(\frac{443}{700}\right)^{Y}-\operatorname{bbNAP}(443)\right] \end{array}$
式中：bbp（443）和bbp（700）分别为443 nm和700 nm处的颗粒后向散射系数；bbNAP（443）表示非藻类颗粒物对bbp（443）的贡献，取固定值0.000 35 m-1； Y为颗粒物后向散射系数的光谱斜率，取值-1[17]。
通过阈值法处理温度和盐度数据，分别确定混合层和温跃层深度。混合层深度定义为温度较表层下降0.2 ℃时所在深度，温跃层深度定义为5 ℃等温线所处的深度。
$\mathrm{EPV}=\frac{1}{\rho_{\mathrm{w}} f}\left[\frac{\partial\left(\tau_{y}\right)}{\partial x}-\frac{\partial\left(\tau_{x}\right)}{\partial y}\right]$
式中：τx表示经向风应力；τy表示纬向风应力；ρw为海水密度，取值1.025×103 kg·m-3；f为科氏力参数。
3 结果
3.1 南大洋-印度洋扇区Chl a及Cphyto的季节变化
在垂直分布上（图3），Chl a 与 Cphyto 在 10~100 m 深度范围内显著增加，Chl a质量浓度平均值维持在 0.3~0.8 mg·m-3，形成了明显的次表层叶绿素最大值层（Chl a质量浓度平均值>0.6 mg·m-3），Cphyto平均值保持在 10~20 mg·m-3；相比之下，在100 m以下水层，浮游植物生产力显著降低（图3a和3c）。夏季，浮游植物爆发可延伸至 100 m 水层，Chl a质量浓度与Cphyto平均值均达到全年最高水平（Chl a质量浓度平均值>0.75 mg·m-3，Cphyto平均值>20 mg·m-3）；冬季，该区域浮游植物处于全年最低水平，Chl a质量浓度平均值（<0.5 mg·m-3）和Cphyto平均值（< 10 mg·m-3）均降至全年最低（图3）。其中，Chl a质量浓度和Cphyto的显著下降主要发生在10~100 m水层：Chl a质量浓度平均值从夏季的约 0.8 mg·m-3 降至冬季的约0.4 mg·m-3，Cphyto平均值从夏季的约25 mg·m-3 降至冬季的约5 mg·m-3（图3b和3d）。值得注意的是，冬季 Chl a分布深度可延伸至200 m左右，从6月开始，100~200 m水层Chl a显著增加（图3b），而Cphyto则从7月开始逐渐增加（图3d）， 较Chl a滞后1个月。春季和秋季则呈现典型的过渡期特征。春季为浮游植物生长启动阶段，在 0~100 m水层中，Chl a质量浓度和 Cphyto 均呈逐月上升趋势：Chl a质量浓度平均值从冬季的约 0.4 mg·m-3上升至春季的约 0.8 mg·m-3，Cphyto平均值由冬季的约5 mg·m-3 上升至春季的约15 mg·m-3（图3b和3d）。秋季则反映了从高生产力期向衰退期的转变：在0~100 m水层中，Chl a质量浓度平均值由夏季的约 0.8 mg·m-3 缓慢下降至秋季的约0.5 mg·m-3，Cphyto平均值从夏季的约 25 mg·m-3 降至秋季的约10 mg·m-3（图3b和3d）。
3.2 南大洋-印度洋扇区Chl a及Cphyto的年际变化
3.3 南大洋-印度洋扇区水体环境因子变化
在南大洋-印度洋扇区，光照、温度、盐度及营养盐条件存在显著的年内差异，表现出强烈的季节性变化，其中以夏季和冬季差异最显著。夏季（12月—次年2月），0~100 m水层的光照强度达到全年最高水平（PAR均值>100 μmol·m-2·s-1，图6a和6b）；伴随光照增强，水温也升至年度最高水平（均值>7 ℃，图6c和6d）；盐度显著降低（均值<34.0， 图6e和6f）；硝酸盐质量摩尔浓度降至全年最低水平（均值<24 μmol·kg-1，图6g和6h）。冬季（6月—8月），水体环境表现出与夏季截然不同的特征：光照时间缩短，0~100 m层的光照强度显著减弱（PAR均值<50 μmol·m-2·s-1，图6a和6b）；水温降至全年最低水平（均值<7 ℃，图6c和6d）；盐度逐渐增加（图6e 和 6f）；硝酸盐质量摩尔浓度显著上升，达到全年最高水平（均值>24 μmol·kg-1，图6g和6h）。与夏、冬季的极端情况相比，春、秋季则表现为过渡状态：春季光照和水温从冬季低值逐步回升，秋季则从夏季高值逐渐回落；硝酸盐质量摩尔浓度的季节变化与光照和水温相反。
4 讨论
夏季（12月—次年2月），随着太阳直射点南移，研究区域光照强度逐渐增强，在0~100 m层，光合有效辐射达到全年最高水平（PAR均值>100 μmol·m-2·s-1，图6b），上层海洋层结稳定性增强，垂向混合作用减弱，深层的硝酸盐难以通过垂向混合作用向上补充（图6e和6f）。同时，适宜的光热条件促进了浮游植物生长[18-19]，导致营养盐消耗增加，硝酸盐含量降至年内最低水平（图6g），Cphyto显著升高（图3）。冬季（6月—8月），PAR显著降低， 0~100 m层的PAR均值多降至 50 μmol·m-2·s-1以下（图6b），光照成为浮游植物生长的主要限制因子。同时，冬季混合层加深增强了水体的垂向混合作用，Chl a在混合层内呈现相对均匀的垂向分布，次表层叶绿素最大值层结构消失，Chl a质量浓度平均值下降，Cphyto降至全年最低水平（图3）。此外，冬季混合层加深可能导致0~100 m层中的Chl a向深层输送增加，即观测显示100~200 m层Chl a增加，而Cphyto未同步增加，两者出现明显解耦（图3）。有研究表明，浮游植物在弱光环境下可通过提高ρ（Chl a）∶Cphyto比值（单位细胞叶绿素含量）来增强光捕获能力，而非实现生物量的实质性增长[17]，这与本文的结果一致。春季，随光照条件改善，温度逐步回升，浮游植物开始生长，并于夏季达到Cphyto峰值；秋季，光照与温度条件逐渐恶化，浮游植物进入衰减阶段。上述周期变化充分体现了南大洋-印度洋扇区浮游植物垂向分布对季节变化的响应。该结果修正了以往研究多聚焦于表层响应的认识，为理解海洋环境变化对海洋生态系统的影响提供了垂直维度上的新证据。
2015/2016年发生了较强的厄尔尼诺事件（MEI>1.0，图8a），其强度与1982/1983年和1997/1998年这两次历史性“超级厄尔尼诺”事件相当[24-25]。从2015年8月起，厄尔尼诺进入发展期，热带中太平洋显著的海表温度正异常通过改变沃克环流结构，激发了经向传播的罗斯贝波，进而影响热带辐合带的位置和强度；该气候异常信号通过大气遥相关机制传递至南半球中高纬度地区，引发区域大气环流和风场结构显著调整[26-27]。2015年7月—2016年4月，相比于正常年份，0~100 m光照强度未发生显著增加（图7b），混合层深度也未见加深（图 8c），但埃克曼抽吸速率（EPV）显著增加，最大值达到0.76×10-5 m·s-1（图8d），表明风驱动力作用显著增强。EPV的增强进一步导致温跃层深度明显变浅（<200 m， 图8b），即温跃层抬升。温跃层抬升有利于下层冷水和营养盐向上输送，强化了上升流活动，所以2015年研究区域0~100 m水温明显较低（图7c）。上升流将深层低温、高营养盐的海水输送至真光层[26-27]，引起了夏季浮游植物爆发强度增大和持续时间增加（图5），改变了该海域生物地球化学循环的季节特征。与以往研究[18,25,27]对比发现，本次厄尔尼诺事件对南大洋-印度洋扇区的影响，凸显了中高纬度海洋生态系统对强气候事件响应的敏感性。尽管营养盐供应并非该区域浮游植物生长的主要限制因子（该海域表层硝酸盐含量终年维持较高水平），但南大洋高营养盐、低叶绿素区域普遍存在铁等痕量元素限制[28]，因此夏季浮游植物通常无法将硝酸盐彻底消耗。但强上升流引起的物理输送与混合在浮游植物年度动态中仍起着关键作用，这一认识为理解未来强气候事件频发下的南大洋生态响应机制提供了参考。
本研究仍存在若干关键问题有待进一步探索，例如目前对浮游植物生理状态（如Chl a与Cphyto的解耦机制）、种群结构演变及其对碳输出的实际贡献仍缺乏系统评估；不同厄尔尼诺事件类型（如中部型与东部型）对南大洋不同区域的影响是否存在异质性尚不明确。未来应继续拓展BGC-Argo等原位观测网络，结合高分辨率生态模型，重点解析多尺度物理过程与生物地球化学循环的耦合机制，以提升对南大洋碳汇功能的预测能力及对气候反馈效应的评估精度。
5 小结
本文基于BGC-Argo浮标、卫星遥感及再分析数据，系统分析了南大洋-印度洋扇区叶绿素a（Chl a）与浮游植物碳生物量（Cphyto）的垂向季节变化特征、驱动机制及其对2015/2016年强厄尔尼诺事件的响应。
研究揭示了该区域浮游植物垂向季节演变规律及其环境影响机制。结果表明，浮游植物主要分布于0~100 m深度层，除冬季外，10~100 m层存在显著的次表层叶绿素最大值层（SCML），其形成与消退具有明显季节性。夏季，充足的光照与适宜的温度条件共同促进浮游植物生长，SCML结构显著，Cphyto达到全年最高值；冬季，光照减弱和混合层加深导致10~100 m 层的SCML消失，Chl a与Cphyto出现解耦现象。
2015/2016年强厄尔尼诺事件通过增强区域西风、引起埃克曼抽吸和温跃层抬升，促进了深层营养盐向表层输送，从而延长了浮游植物藻华的物理-生物耦合过程。