太湖水生植被时空变化及对水下光场和富营养化的响应

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本研究以太湖为研究对象,首先建立了一种适用于太湖这类草、藻共存的富营养化水体的水生植被遥感提取方法;进而针对水生植被茂盛的东太湖,通过将长时间序列的水质监测数据与水生植被的遥感反演数据相结合的方法,探讨其水生植被消退的潜在影响机制,厘清其主导影响要素;随后针对影响水生植被生长的关键光学要素,建立了一种适用于太湖的半分析遥感算法;最终得到了太湖水生植被恢复的光学阈值,并对其潜在恢复区域进行了探讨。本研究有助于揭示富营养化浅水湖泊水下光场变化对沉水植物生长及消退的作用机制,并服务于太湖水生植被的恢复和良性生态系统的重建。  针对太湖草、藻型湖区并存的现状建立了一种基于藻类指数频次法的富营养水体水生植被遥感提取方法,以去除常年水华区域对水生植被面积精确遥感反演的影响。经过2008-2012年MODIS(Moderate-Resolution ImagingSpectroradiometer,MODIS)影像与实测结果的对比,水生植被遥感反演总体精度分别为87%、81%、77%、88%和73%。将藻类指数频次法应用到2003-2014年的MODIS影像,并得到了其水生植被的分布动态变化。经验证,本方法能有效去除漂浮藻类在水生植被遥感反演中造成的影响,通过典型时段划分、频次判定与卫星影像判定结合的方式,有效消除漂浮藻类以及常年水华区域对水生植被面积精遥感确反演的影响。  通过对2003-2014年间太湖典型草型区域(东太湖)的MODIS影像进行分析,获得了该区域水生植被的出现频次,并结合1998-2014年间长期定位观测的水质指标进行分析,厘清了影响太湖水生植被生长的关键环境因子。东太湖生境呈现氮磷营养盐、悬浮物和藻类生物量显著增加,透明度显著下降,湖泊长期处于高水位运行,湖泊生境条件越来越不利于水生植被生长。由此导致的湖泊富营养化和水下光环境的恶化显著影响了水生植被的生长。2003-2014年MODIS影像揭示:水生植被出现频次(Vegetation Presence Frequency, VPF)逐渐降低,水生植被低频次水域也在逐渐扩大,水生植被和生态系统呈现快速退化趋势。统计分析和分类回归树模型揭示,在总氮、总磷、溶解性总氮、溶解性总磷、氨态氮、叶绿素a、悬浮物、透明度、水位等生境因子中,氨态氮浓度(反映富营养化水平)、透明度与水位比值(反映水下光照强度)对水生植被出现频次的解释率高达60.1%,是决定东太湖水生植被消退的决定性因子。该研究结果可以用于指导我国受损湖泊生态系统进行以水生植物重建为主导的湖泊生态修复。  东太湖的定量研究表明,透明度是影响太湖水生植被生长的关键因素,而现有的透明度半分析遥感算法在浑浊水体的适用性较差,很难获得准确的透明度时空变化。因此,本研究首先提出了一种改进的半分析方法(Quasi-AnalyticalAlgorithm,QAA),以从遥感反射率(Rrs)反演得到更为精确的水体固有光学特性(Inherent Optical Properties,IOPs),进而由Rrs和IOPs反演得到透明度;从而实现类似太湖这类浑浊水体透明度的半分析遥感反演。基于地面实测数据,改进的QAA模型反演得到的总吸收系数(a(λ))与实测值的吻合性较好,9个MERIS(Medium Resolution Imaging Spectrometer,MERIS)波段反演结果与实测值相比的决定系数(r2)均大于0.70,相对均方根误差变化范围为17.2~27.7%。反演得到的透明度与实测值相关性较好,r2大于0.7。将该模型应用于MERIS影像上,其反演结果与实测值的相符度较高(r2=0.83,p<0.001,n=85)。进而使用2003-2011年间的74幅MERIS影像得到了太湖透明度的气候学变化和时空格局。本方法对太湖吸收系数及透明度的反演具有较好的效果,并有助于进一步实现浑浊水体悬浮物的半分析遥感反演和提高有色可溶性有机物吸收系数半分析反演精度。  进一步基于2006到2013年的实测数据(8年×4季节×32个站点),对太湖各采样点的水生植被出现频次进行了分析,获得太湖水生植被恢复的关键光学阈值。研究显示,胥口湾和东太湖的大部分站点在32次调查中,水生植被出现频次达0.70以上。与半定量参数透明度相比,真光层深度能更精确地反映光的穿透深度,因此本研究提出使用真光层深度与水深的比值(Euphotic Depthdividing Water Depth,Zeu/WD)表征水下光环境。研究发现随着Zeu/WD的升高,水生植被的覆盖比例有所上升。在有水生植被出现的19个站点,Zeu/WD与VPF呈显著的正相关关系(r2=0.48,p<0.001,n=19)。由于营养盐和水下光环境对水生植被的协同作用,在营养盐浓度较高、水体污染较严重的区域,需要比低营养盐区域更高的光学条件以满足水生植被的生长。太湖水生植被分布的光学阈值Zeu/WD为0.80。Zeu/WD在0.57和0.80之间的水域被稀疏、零星的水生植被覆盖,这部分区域是水生植被恢复的潜在区域。  通过建立MODIS波段与真光层深度的经验关系,利用2003-2013年间的MODIS影像以及水位日变化的监测数据反演得到了太湖Zeu/WD的时空分布。结合太湖各区域多年光学和营养盐分布情况提出:太湖南部、胥口湾、光福湾及贡湖湾的部分区域可作为水生植被恢复的关键区域,若未来竺山湾和梅梁湾的营养盐水平继续降低,也可作为水生植被恢复的潜在区域。
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