海水营养盐与温度的关系研究

论文总字数：12907字

目 录

摘要…………………………………………………………………1

一 引言…………………………………………………………………3

二 研究过程……………………………………………………………4

2.1水平区域对比……………………………………………………………………………5

2.2垂直深度对比……………………………………………………………………………9

三 验证…………………………………………………………………13

四 结论以及讨论………………………………………………………18

参考文献(顶格、黑体、四号)…………………………………………20

致谢(顶格、黑体、四号)………………………………………………21

海水营养盐与温度的关系研究

张奇超

，China

Abstract：Seawater nutrient salt plays a very important role in Marine ecosystem, and its content changes greatly affect the growth of phytoplankton and atmospheric CO2.In the present study, there is a strong negative correlation between nutrient salt and temperature, and the correlation has a strong seasonal and annual cycle.In this study, a regression analysis was conducted to explore the relationship between temperature and nutrient salt in space.It is found that there are obvious changes in different latitudes and depths.In addition, the location of sea and land is also an important factor affecting the relationship between the two.

Key words：Sea surface temperature, seawater nutrient salt, spatial variation

一 引言

海水营养盐指的是在海水中含量相对较小的磷酸盐、硝酸盐、和硅酸盐等。因为它们对海洋浮游植物的生长和繁殖至关重要，同时也是海洋初级生产力和食物链的基础。另一方面，海水中营养盐的分布明显受到海洋生物活动的影响，而这种分布通常与海水的盐度无关。

在大洋之中，海水营养盐的分布包括了垂直分布和区域分布两方面。在水平区域分布方面，由于海水营养盐的来源主要是岩石风化物、有机分解产物和排入河流的废物。此外，海洋生物的腐烂、海洋风化、极地冰期、火山和海底温泉，甚至大气中的灰尘，都可以成为海水营养盐的来源。因此不同的经纬度地区营养盐分布存在一定差距。在垂直分布方面由于在海洋的真光层内，浮游植物生长和繁殖会不断吸收营养盐；此外，各类动植物在代谢过程中产生的排泄物以及死后残骸，经过细菌的分解，又会使一部分营养盐再次溶入海水中；而那些沉降到真光层之下的残害和排泄物，会在中层或深层水中被分解，并再次生成营养盐，同时这部分营养盐也可能被上升流或对流带回到真光层之中，如此循环往复，影响营养盐的垂直分布。

从20世纪初以来，海水营养盐一直是化学海洋学的一项重要的研究内容。在海洋生态系统中，海水营养盐扮演了十分重要的角色，其含量的变化极大的影响了浮游植物的生长，以及大气CO₂等。

由于ARGO浮标自身的限制以及成本问题，对营养盐的直接观测十分困难以及稀少，Daniel Kamykowski^【1】等尝试了通过卫星反演sst推算NO3、PO4和SiO。通过使用ARGO地理定位的2006年水柱温度测量数据计算磷酸盐浓度（[PO4]），进一步开发TN回归方法并与从现有的GEOSECS数据集中导出的TP线性回归对比。相较于单独的温度，TP估计[PO4]可以通过提供更具体的营养物质分布估计来增强开发中的基于ARGO的生态系统应用的解释。在特定地区TP关系呈现出很好的多年稳定性，而在一些水体改变较大的地区，需要使用使用季节性的关系来进行补充。

在已有的研究中除了发现了营养盐与温度之间强烈的负相关性，同时也发现了这种关系存在季节性的周期性。Henson^【2】等在2003通过对连续四次对伊尔明格盆地的巡航：两次早期冬季巡航（2001年11月至12月），春季前巡航（2002年4月至5月）和盛开后的夏季巡航（7月 - 2002年8月）所得到的数据进行线性拟合，并为每次巡航绘制了TN图，发现春夏两季TN图几乎没有相关性，而两次冬季巡航的TN图显示出强烈的逆相关性。此外这两次不同时间的冬季巡航的TN关系的斜率不同。因此由于这种变化，也许一个TN关系可能仅在特定地点，季节甚至年份才有效，然而，变化本身并没有成为构建TN关系的障碍，它本身包含了关于潜在的生物和物理过程的信息。

ARGO温度数据被用来推断养分的存在(Freeland和Cummins, 2005;Sasamal, 2007)和缺席(Uz, 2007)以及对浮游植物群落组成的影响(Batten和Freeland, 2007)。 Daniel Kamykowski^【3】等在2002年将1999年4月，7月和10月以及2000年1月的SeaWiFS叶绿素a分布与这几个月的N，P，S进行比较。 提出了可以将营养盐与叶绿素的关系转化成与生物群落结构的关系。引入这种关系对计算得出营养盐浓度进行修正，可以显著地降低季节性的偏差。

V Sherlock^【4】等在新西兰地区（30°-50°S，154°〜160°W）的亚热带和亚南极海域推导出了混合层硝酸盐浓度与温度和气候盐度的函数关系的回归模型。使用遥感海面温度（SST）和叶绿素浓度（Chla）来推断硝酸盐浓度，并且显著改善表层海洋中硝酸盐的时空估计频率。然后使用独立的现场测量温度和硝酸盐浓度以及遥感SST和Chla对这些模型进行验证。均方根（RMS）硝酸盐预测误差随着水体质量而变化，并呈现季节性依赖性偏差。预测的硝酸盐消耗温度与其他已发表的研究的比较突出了温度-硝酸盐回归模型存在地区差异，因此详细的区域验证十分重要。

如之前所说营养盐的分布是存在着空间上的差异的。在现有的研究中，研究者偏向汇集一个地区的所有可用资料进行研究，虽然已经发现不同地区之间的模型存在差异。因此在本次研究中，我将尝试探寻温度与营养盐之间关系是否存在空间上的差异，如果存在又有什么规律。

营养盐在空间上的分布包括了垂直分布和区域分布两部分,由此考虑到是否温度与营养盐之间的关系也存在着空间上的变化。对应营养盐的分布差异我将从水平方向和垂直方向两个不同的角度分析营养盐与温度之间的关系。在本次研究中，采用了来自JODC1986-2008年走航数据、GEOSECS太平洋地区数据、WOA13温度与营养盐平均年数据、Argo温度数据（太平洋地区）。

二 研究过程

为了了解太平洋地区海表温度与营养盐的关系，我首先使用GEOSECS数据库的数据，从中筛选出太平洋地区（100-180E,0-60N；120-180W，0-60N）的温度与营养盐数据，根据这些数据绘制散点图，而后进行回归分析。

在陈中笑导师的研究^【5】已经发现在5-10°以上温度与营养盐之间存在有条件的线性关系，而在5°以下两者关系会产生变化。考虑到5°C一般已经到了较深的海域，这部分对生物群落以及大气的影响很小，所以在选择在使用来自数据库的再分析资料时排除5°C以下的数据。

在现有的研究中，大部分选择对温度与营养盐进行线性回归，在本次研究中尝试采用二次函数进行回归，对比两者的回归效果，以观察是否存在一些使用线性回归时被忽略的问题。

由图1可以看出温度与营养盐呈现明显的负相关性，虽然使用两种方法拟合的结果都不是很好，并且从散点图中可以看出，虽然数据点偏离趋势线较大，但总体上是沿着趋势线分布在线的两侧，说明其总体上的关系是正确的，只是在精度上存在欠缺。这也从侧面说明TN关系应该是存在着地区间的差异的。此外，由图1可以看出使用二次函数进行回归的效果是要优于线性回归的，因此在之后的分析中，我会以二次函数进行回归为主，线性回归作为一种补充以及对比的手段。

图1：黑色实线为使用二次函数拟合的结果，红色点线为线性拟合结果。 A为TN关系图，B为TP关系图C为TSi关系图。

1. 水平区域对比

由于GEOSECS数据在进行区域划分后并不能保证足够的数量，因此选用了数据更多分布更平均的WOA13数据。以0-60°N 110-170°E为范围，筛选数据。然后根据经纬度的不同划分区域，分别进行回归后，进行不同区域间TN关系的对比，以此来观察不同区域间的差异。

首先在经度上以10°为一个单位，对不同区域分别进行回归分析。

为了简便的描述回归关系，我将在下文中使用a来代表二次项前的系数，b代表1次项的系数，c来代表常数。

由图2可以看出，经过区域划分后，回归结果明显优于不进行区域划分时，可见不同区域间的TN关系有着一定差异，在使用温度估算硝酸盐浓度时必须注意区域的不同带来的影响。此外110-120E范围内的TN关系与别的区域差别很大，在这个区域中a的值只有0.0258，而别的区域a的值都在0.08左右，显现出随温度升高，在靠近大陆的地区其硝酸盐浓度下降速度较慢。考虑到其海陆位置以及营养盐的来源，猜测陆源营养盐对该地区TN关系产生了很大的影响。此外，除了靠近大陆的110°-120°E地区外，其余地区在5-10°C的范围内出现了许多与平均水平差别较大的数据，具体原因不明，因此在使用温度计算硝酸盐浓度时可能会出现计算值与实际值差别很大的情况，需要注意。总体上来说，除了在靠近大陆地区TN关系会发生明显的变化外，其余地区TN关系的差异不会太大。同样的情况也发生在了TP关系上，与TN关系类似TP关系在靠近大陆的地区a值小于其余地区。

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