海洋中的浮游生物并非均匀分布，而是呈斑块状散布，但“物理过程塑造生物分布”这一通行假设，从未在全球尺度用一致的现场观测检验过。多国研究团队依托“塔拉”科考帆船计划两个任务、五年积累的走航观测数据，分析了大西洋、太平洋与南大洋约66万条近连续的表层测量记录，发现生物与地球化学参数的斑块化格局与物理参数并不同步。其中，塔拉微生物组航段上由Seapoint紫外荧光计连续测量的CDOM荧光信号，是保障这套走航数据完整性的重要一环。成果发表于2025年《Nature Communications》。
研究背景
斑块化研究由来已久，但物理、生态与生物地球化学过程如何共同控制生物斑块，始终缺乏共识。传统观点认为物理过程是“模板”、生物过程是“刻画”，然而这一假说从未在盆地尺度上用一致的现场测量加以检验。卫星遥感虽覆盖面广，但像元尺度粗，且大气校正可能在叶绿素极低的寡营养海区人为注入小尺度方差，难以代表水面下的真实结构；历史上的零散航次又因仪器与处理流程不统一，结果难以跨海区比较。
要跨越盆地尺度比较斑块化，需要一个统一的量化指标和一套跨海区、跨年度、处理流程一致的现场数据。“塔拉”计划的太平洋与微生物组两个任务恰好提供了这样的条件：调查帆船以走航方式连续采集表层水体的光学与物理参数，时间跨度达五年，覆盖三大洋。
研究过程
研究使用的核心指标是“方差斜率”：把方差与空间尺度的关系取对数后拟合直线，其斜率（Γ值）刻画斑块化程度——Γ越低，意味着小尺度方差占比越高、斑块越细碎。团队将661552条分钟级（约200米分辨率）测量分为两组：物理域为温度、盐度与密度；生物与地球化学域为叶绿素a、443纳米颗粒衰减系数与平均粒径光学代用指标。
走航数据由船载进样系统连续获取。在塔拉微生物组航段中，Seapoint紫外荧光计持续测量CDOM荧光（fCDOM），为数据质控中因过滤中断的时段提供插值依据，保证叶绿素等生物参数序列的连续性；物理参数则由温盐系统同步记录。方差计算在500个样本的子集上进行，采用11个对数分布的窗口（3至500个样本，对应约0.6至100公里尺度）拟合方差斜率。
实验结果
生物斑块化与物理斑块化互不相关
现场数据显示，叶绿素a的Γ值与温度的Γ值几乎没有相关性，生物地球化学参数之间（如叶绿素a与颗粒衰减、粒径代用指标）却彼此高度一致；温度与盐度的Γ值同样相互呼应。斑块化在生物与物理两大域内各自“抱团”，域间则明显脱钩。相关分析给出的对比十分直观：叶绿素a与粒径代用指标在绝对数值上几乎无关（决定系数仅0.03），在方差斜率上却高度相关（决定系数0.42）；叶绿素a与温度则正好相反，绝对值强相关（0.36）而方差斜率几乎无关（0.02）。
图1. 美国Seapoint公司SUVF荧光计（UV荧光法测CDOM）
图2. 研究数据的空间覆盖范围与叶绿素a、海表温度统计分布（论文 Figure 1）
现场与卫星结论相反
卫星遥感的同类分析给出相反结果——温度的Γ值反而低于叶绿素a，且地理格局与现场不符。研究团队将其归因于海洋水色遥感的测量灵敏度与大气校正问题：在叶绿素极低的寡营养海区，信噪比不足使小尺度方差被人为放大，凸显了走航原位观测的不可替代性。
图3. 叶绿素a与温度方差斜率的全球地理分布（论文 Figure 3）
小尺度生物波动真实存在
放大个别航段可以看到，生物变量在公里以下尺度高频起伏，而物理变量平缓得多。这些“尖峰”并非仪器噪声：不同传感器之间的协同变化，以及408至730纳米的颗粒吸收与衰减光谱的内部一致性，都表明它们反映了真实的小尺度生物结构。这类细碎斑块在马尾藻海与亚热带南太平洋尤为明显，直接拉低了当地的Γ值。
图4. 四个典型航段的叶绿素a与温度序列及其方差级联（论文 Figure 2）
图5. 生物地球化学与物理变量方差斜率的域内及域间相关比较（论文 Figure 4）
研究结论
该研究在盆地尺度证明：海洋生物与地球化学参数的斑块化具有独立于物理场的发生逻辑，卫星遥感难以忠实再现，必须依靠走航原位观测；这也意味着生物地球化学模型的参数检验需要引入空间统计手段，而千米以下尺度的生态过程值得专门研究。
支撑这项工作的走航观测体系里，Seapoint紫外荧光计承担了连续CDOM荧光测量的任务：设备体积小、功耗低，接入船载进样系统即可昼夜不间断运行，其数据既参与叶绿素序列的质控插值，也为认识有色溶解有机物的分布背景提供了长程记录。对于以走航剖面为主要手段的全球海洋生态调查而言，这类可长期无人值守运行的荧光传感器，是保证数据链完整的基础装备。
参考文献
Gray, P. C., Boss, E., Bourdin, G., et al. Emergent patterns of patchiness differ between physical and planktonic properties in the ocean. Nature Communications, 2025, 16: 1808. https://doi.org/10.1038/s41467-025-56794-x
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