東北地理所在湖泊富營養化遙感估算研究中取得新進展
湖泊富營養化一直是內陸水體生態系統研究領域的熱點，其導致的水體缺氧、魚類死亡、藻華頻發及水體功能喪失等問題已引發全球關注。近幾年，研究發現一些飲用水源也出現了富營養化甚至有藻華暴發，這給本就匱乏的淡水資源帶來了更大的威脅，富營養化已然成為人類面臨的水生態系統健康安全的重大問題。在諸多應對策略中，對內陸水體實現大尺度快速的營養狀態評價是極其重要的一環。
湖泊富營養過程復雜，涉及諸多因素，如營養鹽過剩、浮游藻類瘋長、溶解氧下降、透明度下降等，其定量及評價方法也各不相同。傳統的檢測評價方法有單一指標評價法和綜合指標評價法，需要大量的實地采樣且測試費用昂貴。富營養化過程中藻類增加和透明度下降可改變水體光譜特征，這為遙感估算富營養化指數（TSI）帶來了機會。因此，本研究于2020年9-10月份在東北地區選取了7個不同營養等級的湖泊，分析了相關生物化學指標和實測高光譜數據，識別出與TSI密切相關的四個特征波段：443nm、575nm、680nm和710nm，然后基于這四個波段運算組合與TSI中三個參數TP、SDD、Chla的經驗關系建立了湖泊富營養化遙感估算方法。
研究結果表明此估算方法具有較高的估算精度（R2=0.88，RMSE=3.87，MRE=6.83%）。同時，根據Ternary制圖我們發現即便處于同一營養等級，湖泊富營養化的控制因子卻各不相同，例如蛤蟆通水庫和小興凱湖都是中度富營養化水體，但前者以葉綠素（Chla）為主控因子，其貢獻率為45.4%，后者則以總磷（TP）為主控因子（66.8%）。此外，研究還發現，使用單一參數估算湖泊營養狀態時會帶來很大誤差，所以本研究呼吁未來湖泊富營養化評價應使用多參數綜合指標估算法。這些發現為未來利用衛星影像數據進行大尺度高頻次的內陸水體富營養化檢測提供了理論和方法基礎，為水生態環境管理及決策制定提供有力支持。
該研究成果發表在國際期刊Optics Express上，中國科學院東北地理與農業生態研究所博士研究生呂麗麗為第一作者，溫志丹副研究員為通訊作者。
該研究得到了國家重點計劃課題（2019YFC0409105）和國家自然科學基金重點項目（41730104, 42001311, 42171385）等共同資助。
圖1. 各參數及綜合營養狀態指數實測值與估算值散點圖，(a): TSI(TP)、(b): TSI(SDD)、(c): TSI(Chla) 和(d):TSI。
論文信息如下：
Lili Lyu, Kaishan Song, Zhidan Wen*, Ge Liu, Yingxin Shang, Sijia Li, Hui Tao, Xiang Wang, Junbin Hou. Estimation of the lake trophic state index (TSI) using hyperspectral remote sensing in Northeast China. Optics Express, 2022, 30(7),10329-10345.
鏈接：https://doi.org/10.1364/OE.453404.
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