基于遥感的官厅水库水质监测研究

遥感监测具有监测面积广、速度快、成本低等优势,常用于大面积水质监测。以北京官厅水库为研究对象,通过野外和实验室测量数据建立水质参数遥感反演的生物光学模型,对夏季官厅水库的非色素颗粒物浓度、叶绿素a浓度和有色可溶性有机物(CDOM)浓度进行了反演。该模型研究的目的就是通过建立反演模型,利用卫星数据进行水质参数反演,从而得到大面积水体的水质分布图。采用CHRIS/Proba高光谱数据反演官厅水库的水体组分浓度,对库区水质反演要素的空间分布规律进行了分析。结果表明,所采用的遥感反演模型基本适用于官厅水库水质监测,反演出的叶绿素a、总悬浮物和CDOM的空间分布与实际测量值的空间分布基本吻合。     

灞河流域溶解性有机质分子量分级表征及其与水质的相关性

溶解性有机质是水体中有机质分解与营养盐再生的核心载体之一,是碳、氮等生源要素生物地球化学循环的重要环节,也是水环境科学研究的重点内容.本研究应用液相-有机碳-有机氮检测(LC-OCD-OND)技术研究了西安市灞河流域水体中溶解性有机质(DOM)不同分子量组分特征,分析其与河水水质的相关性.结果表明: 河水DOM按照分子量分布,主要由生物大分子、腐殖质类物质、腐殖质降解产物、低分子中性物质和低分子酸组成,各组分平均浓度分别为0.15、1.75、0.48、0.36和0.002 mg·L^-1,河水中DOM总体含量水平由高到低的顺序为城市河段＞城镇河段＞源区河段.组分中分子量介于1000~20000 Da的腐殖质类物质占DOM总量的49.0%,含量及丰度从高到低依次为中游城镇段＞污水厂出口段＞污水厂下游河口段＞上游源头段;分子量＞20000 Da的生物大分子约占DOM总量的5.1%,丰度由高到低依次为污水厂出口＞污水厂下游河口＞上游源头＞中游城镇段,污水处理厂出水所产生的外生源有机质对河流DOM的贡献最大.DOM不同分子量组分与水质的相关性明显,表明基于LC-OCD-OND分级表征的DOM各分子量组分和丰度不仅可以作为水质监测的一个综合性指标,也可以用来表征河流水质的空间异质性,并能对污染物各组分进行定量化判别和来源解析.     

基于ETM+影像的千岛湖叶绿素a浓度卫星遥感反演研究

以千岛湖为研究对象,利用Landsat 7 ETM+遥感影像与野外实测数据,建立叶绿素a浓度的遥感定量反演模型。将叶绿素a浓度与波段反射率组合进行Pearson相关性分析,选择(B4+B2)/B3波段组合构建叶绿素a反演模型,并得到千岛湖叶绿素a浓度的时空分布。结果表明:(1)2007年千岛湖叶绿素a浓度低于4μg/L的水体面积占水体总面积达到99%以上,整体水质优良;(2)千岛湖叶绿素a浓度随季节变化特征明显,夏季容易出现局地高值,秋季平均浓度整体升高;(3)通过反演不同时期的叶绿素a浓度分布,可以刻画出千岛湖藻类的消长过程,从空间上发现易爆发富营养化的区域。该反演模型能较为精确地估算千岛湖的叶绿素a浓度,对今后水体富营养化的监测和预警具有重要意义。     

真光层深度的遥感反演及其在富营养化评价中的应用

真光层深度直接影响水体中浮游植物的分布和初级生产力以及水体生态环境,是水生态研究的一个重要参数.利用2006年10月24日～11月2日太湖水下实测光谱数据和光合有效辐射(PAR)数据,通过数据的处理和分析,尝试建立真光层深度与水面以下遥感反射率的关系模型,并利用真光层深度与透明度的关系,建立水体富营养化真光层深度评价模型.研究结果表明:真光层深度与归一化遥感反射率具有很好的相关性;选用特定波段的归一化反射率作为变量,建立两者的关系模型能较好的反演真光层深度,所建立的模型算法中,指数模型拟合方程的综合效果好于其他模型,波段比值算法反演精度要好于单波段算法;利用利用真光层深度进行富营养化评价具有一定的应用价值,利用该模型对太湖水体进行富营养化评价,得出太湖西部湖区大部分已富营养化,东部湖区处于中营养化和轻度富营养化状态.     

亚热带河口陆基养虾塘水体溶解性碳浓度及沉积物-水界面碳通量时空动态特征

以福建闽江和九龙江河口陆基养虾塘为研究对象,通过野外原位观测和室内模拟培养实验,开展了河口陆基养虾塘养殖期间水体溶解性有机碳(DOC)和溶解性无机碳(DIC)及养虾塘沉积物-水界面碳交换通量变化特征的研究。结果表明:时间变化上,养虾塘水体溶解性碳浓度及沉积物-水界面碳通量在闽江河口呈现8月中旬10月中旬6月中旬的特征,在九龙江河口表现为随养殖阶段推移而增加的趋势;空间变化上,闽江河口养虾塘水体溶解性碳浓度及沉积物-水界面碳通量显著高于九龙江河口;沉积物释放溶解性碳速率与水体溶解性碳浓度呈现显著正相关关系,沉积物碳释放过程是引起养虾塘水体溶解性碳浓度时空变化的重要因素。表明河口区水产养虾塘碳循环研究时需考虑不同形态碳生物地球化学循环的时空差异性。     

太湖水体溶解性氨基酸的空间分布特征

为探索氨基酸(DAAs)组分特征对生物可利用性溶解有机质(DOM)的示踪及定量表征可能性, 对太湖3个湖区(北太湖: 藻型湖区,东太湖: 草型湖区, 南太湖: 农业污染湖区)水体DAAs浓度、组分特征及其空间变化进行了调查研究,并对控制其量、质空间分布的因素加以讨论。结果表明夏季太湖水体DAAs的浓度范围为0.27-3.95 μmol/L,平均值为(1.38±1.17)μmol/L,与湖泊、海洋中研究中报道结果相近。北太湖、南太湖、东太湖3个湖区的DAAs浓度平均值分别为(2.59±0.71)μmol/L,(0.48±0.14)μmol/L,(0.48±0.16)μmol/L,北太湖DAAs浓度及对有机碳氮的贡献都明显高于其他湖区,DAAs组分中以苯丙氨酸和赖氨酸为主,而在南太湖和东太湖,赖氨酸都是最主要的DAAs组分。表明水体的DAAs组分特征能对湖泊营养状态及生态类型的变化做出响应,可以作为指示湖泊营养状态的生物标记物。DAAs也可以作为DOM 生物降解性的评价参数,反映湖泊水体中与生物活性相关的DOM 动态变化。根据氨基酸对有机碳的贡献估算出北太湖的活性溶解性有机碳相对含量为(17.65±17.84)%,显著高于南太湖和东太湖。但由于太湖高度的空间异质性,还需要在今后的研究工作中进行相关的室内实验,建立适用于太湖的经验公式。     

基于高光谱影像湖泊叶绿素a浓度反演分析

针对湖泊叶绿素a浓度的快速变化及水体富营养化问题,以太湖水体为例,利用太湖区域2019年10月、11月和12月的珠海一号高光谱影像,采用波谱特征分析、主成分分析、皮尔逊相关系数、建立反演模型分析江苏省太湖区域水体叶绿素a浓度的分布状态以及时空变化状况。通过主成分分析划分与水体信息相关的成分,提出采用珠海一号高光谱影像的中红外波段建立耦合可见光和近红外辐射信号的WCI模型。结果表明:(1)水体光谱曲线特征与主成分分析结果一致,分别为光合作用波段、细胞散射波段和水体增温波段。(2)改进的耦合可见光与中红外辐射信号的建立的WCI模型的反演精度最高,均方根误差RMSE为(1.4008 mg·L^-1),平均相对误差(MRE)为10.69%。(3)2019年10月一12月间,湖泊叶绿素浓度整体变化不大,太湖叶绿素a浓度的遥感反演结果总体上呈现为湖西区域浓度较低,湖东区域浓度较高的特征。     

不同类型泥炭沼泽湿地无机离子、溶解有机质的变化特征及生态学意义

泥炭沼泽湿地仅占地球陆地面积的3％,而碳储量却占全球的30％,是陆地生态系统重要的碳库.溶解性有机质(DOM)是泥炭地碳循环重要组成部分,也是泥炭地生物地球化学过程的重要参与者.本研究利用新型电化学方法、稳定同位素技术对2个泥炭样地(矿养型泥炭沼泽,LB;雨养型泥炭沼泽,OS)地表水、地下水、土壤孔隙水中DOM及无机离...     

基于碳稳定同位素示踪的金水河颗粒有机碳来源辨析

颗粒有机碳(Particle Organic Carbon,POC)在河流碳循环中占重要地位,并能提供流域内自然及人类活动的记录。通过采集和测定汉江上游金水河流域河岸带土壤和植物及河流中藻类和悬浮颗粒有机碳(POC)的季节性碳稳定同位素值和C/N比值,对河流水体中悬浮颗粒有机碳的浓度的季节性变化特征以及来源及其贡献进行了研究。结果表明,金水河流域水体中颗粒有机碳(POC)的浓度值存在明显的季节性变化特征,夏季春季秋季冬季。河流上游轻度干扰区的POC浓度值明显低于中下游中度干扰区和严重干扰区。河流中POC主要来源于土壤有机质、C3植物和藻类3个端元,而来源于浮游生物和C4植物碎屑的贡献很小。各季节之间具体的来源及其贡献有所差异,且POC的来源及其贡献具有空间差异。因此,金水河水体中颗粒有机碳(POC)的来源及其贡献受到季节变化和人为干扰程度的影响。     

基于GOCI影像的湖泊悬浮物浓度分类反演

悬浮物直接影响到光在水体中的传播,进而影响着水生生态环境,最终决定了湖泊的初级生产力。传统的遥感反演估算模型大多是针对某一湖区进行统一建模,忽视了不同区域水体光学性质的复杂差异性,并且传统的传感器时间分辨率和空间分辨率受到一定限制。针对太湖、巢湖、滇池、洞庭湖4个湖区利用两步聚类法将高光谱模拟到GOCI影像上的波段进行分类,将水体类型分为三类,第一类水体为悬浮物主导的水体,第二类水体为悬浮物和叶绿素a共同主导的水体,第三类水体为叶绿素a主导的水体。针对不同类型水体的光学特征,分别构建了悬浮物浓度反演模型,结果表明第一类水体可以利用B7/B4,第二和第三类水体可以利用B7/(B8+B4)作为波段组合因子对悬浮物浓度进行模型构建。精度验证结果表明,分类建模后第一类和第三类水体悬浮物浓度估算精度都得到了较明显提高,第一类水体RMSE降低了9.19mg/L,MAPE降低了3%,第三类水体RMSE降低了5.63 mg/L,MAPE降低了13.97%,第二类水体精度稍有降低。最后将反演模型应用于2013年5月13日的GOCI影像,可知整体而言太湖西南部地区悬浮物浓度较高,东北部地区悬浮物浓度较低,并且从9:00到15:00,太湖南部悬浮物浓度较高的区域在逐渐缩小。     

滨海湿地植被地上生物量遥感反演

盐沼植被生物量是滨海湿地生态系统碳循环研究的重要参数,是湿地生态系统健康评价、资源可持续利用的关键指标,开展盐沼植被地上生物量监测方法研究具有重要意义。目前,遥感技术在湿地生物量监测领域已经得到广泛应用,但反演方法仍以统计模型为主,模型构建需要实测数据支撑,时空拓展性不强。选择江苏盐城丹顶鹤保护区为研究区,基于冠层辐射(PROSAIL)传输模型,通过局部和全局敏感性分析,对模型参数本地化,构建了互花米草地上生物量半经验反演模型,应用于Landsat 8 OLI遥感影像,获得了互花米草地上生物量的时空分布。研究结果表明,利用PROSAIL模型模拟互花米草冠层反射率,叶面积指数(LAI)、叶片干物质含量(Cm)、叶倾角分布参数(LIDF)、等效水厚度(Cw)、叶绿素含量(Cab)、叶片结构参数(N)为高敏感性参数,类胡萝卜素含量(Car)、土壤参数(P_soil)为低敏感性参数;利用不同时刻的遥感影像反演了地上生物量,遥感反演结果与实测数据对比,拟合度R²为0.83,均方根误差(RMSE)为0.43kg/m²,平均相对误差(MRE)为15.7%,精度较高,模型具有较好的时空普适性。研究发展了盐沼植被地上生物量遥感反演方法,解决了以往过于依赖现场实测数据构建反演模型的局限性,该方法可以为研究滨海湿地生态系统碳循环以及准确估算其碳汇潜力提供技术支持。     

砷与天然溶解性有机质相互作用研究进展

砷(As)是一种来源广泛的重金属元素,其在天然水体中的主要存在形式为无机态的砷酸盐和亚砷酸盐。天然水体中的溶解性有机质(DOM)会与砷发生复杂的络合作用,探究两者间的络合作用对了解砷在水体中的迁移转化规律有着重要意义。现有研究缺乏对As-DOM络合物关系的深入讨论,为厘清水体As与DOM的络合机制及影响因素,本文重点综述了:(1)水体中不同形态、价态砷的来源及转化过程;(2) As与DOM的直接络合及金属离子参与下的间接络合机理;(3) p H、温度和盐度等环境因子对As-DOM络合作用的影响;(4)对As-DOM络合物的分离、分析技术进行归纳对比,如色谱法、光谱法及多种分析手段联用的方法;(5)总结现有研究的不足之处及展望后续研究发展方向。本文为后续水体砷迁移转化及砷-溶解性有机质络合物相关研究提供参考及理论支撑。     

风场对太湖叶绿素a空间分布的影响

叶绿素a的浓度是水环境评价的重要参数。根据2005—2009年太湖全湖32个采样点的20次太湖采样数据,结合气象要素资料模拟的太湖风场,探求了风场对太湖叶绿素a空间分布的影响。结果表明:叶绿素a浓度的高值中心位于太湖西北侧、竺山湾以及梅梁湾流域,而太湖东南部的叶绿素a浓度较低;全太湖全年以东南风为主,南部风速较大,北部风速较弱;风场对叶绿素a的输移作用明显,在风场作用下,叶绿素向太湖西北部和北部输移,造成了该地区太湖流域叶绿素浓度普遍偏高。     

土壤溶解性有机质生物降解研究进展

溶解性有机质(DOM)是土壤有机质中最容易被微生物利用的一部分, 是土壤微生物代谢重要的物质和能量来源。DOM 的生物降解反映了其稳定性及在物质、能量代谢中的作用, 对土壤的碳循环和大气的温室效应有重要影响。目前, 有关DOM 生物降解的研究主要集中在降解过程的表征及其影响因素两大方面, 该文对相关问题进行了综述。表征指标可以归纳为降解率、降解速率、半衰期等矿化动力学指标和光谱指标两大类; 降解过程直接取决于DOM 分子大小、结构和微生物群落、数量和活性等直接影响因素, 而土层深度、土壤湿度、温度、土地利用和管理方式、pH等间接因素通过影响DOM 的组成结构及微生物的性质进而影响DOM 的降解过程。在此基础上, 论文指出了目前国内研究中存在的问题, 并提出了进一步研究的方向。     

浑河流域水体污染的季节性变化及来源

2009年枯水期(4月)、丰水期(8月)和平水期(11月)对浑河流域水体进行采样,分析了一个水文年内水体污染变化特征及水体污染的来源.结果表明:浑河流域水体下游(七间房-于家房)NH4+-N污染较重,水质属于Ⅴ类甚至劣Ⅴ类(＞1.5 mg·L-1),大部分监测断面枯水期NH4+-N浓度较高;水体中总磷含量较低(均值为0...     

典型喀斯特河流汛期溶解性有机质空间变化及其光学参数的耦合关系

内陆水体溶解性有机质（DOM）在全球及区域碳循环中扮演至关重要的作用。然而,具有特殊生物地球化学过程的喀斯特河流DOM成分和来源空间格局却鲜有报道。以我国典型喀斯特河流-芙蓉江为对象,探索了光学参数（SUVA₂₅₄、SUVA₂₈₀、E2：E3、S_290-350、BIX、FI、Frl和HIX）的空间变化及其相互耦合关系,并利用三维荧光矩阵平行因子分析（EEM-PARAFAC）解析了该河流DOM主要构成,同时分析了各光学参数之间的相关性。结果显示,芙蓉江标准化吸光系数（SUVA₂₅₄和SUVA₂₈₀）较低而E2：E3和S_290-350值较高,说明汛期DOM同时受生物和水文过程影响。EEM-PARAFAC表明该喀斯特河流DOM包括3项主要成分,即C1（陆源腐殖质）、C2（色氨酸）和C3（络氨酸）。河流BIX和FI分别在（0.77-1.11）和（2.14-2.39）范围,表明生物内源是DOM的主要来源。Frl值（0.75-0.94）显示河流水体以新生DOM主导,而HIX值（0.14-0.79）阐明其腐殖化程度较低。光学参数之间存在显著的相关关系,揭示了河流DOM成分、分子大小和来源具有一致的生态水文学意义。     

太湖流域河流与湖泊间主要水质指标的空间关联特征

基于2006—2012年太湖流域主要观测断面水质监测资料,应用冗余分析法,研究分析了流域上游入湖河流、下游出湖河流与太湖湖体间水质在5、10、20、40和80 km等不同观测尺度上的关联性。研究表明,2006—2012年,太湖流域水质总体较差,但不同观测尺度内主要水质指标超标率存在较大差异,太湖湖体水质好于上游入湖河流,上游入湖河流水质总体好于下游出湖河流;上游入湖河流是太湖湖体营养盐输入的主要来源,其溶解氧、总磷和氨氮对太湖湖体相应指标超标率的累计方差贡献率均超过50%,分别达到75.9%、67.4%和57.4%;在单尺度上,太湖湖体水质主要对上游0~5 km内环湖河流水质变化的响应较显著,而对其他尺度河流水质无明显响应。在下游出流区,太湖湖体主要水质指标对出湖河流相应水质指标超标率的累计尺度和单尺度方差贡献率均低于7%,河流水质受太湖湖体水质的影响总体较小,且尺度效应不明显,下游出流区河流主要水质指标的高超标率更多受陆源污染的影响。     

可溶性有机质输入对杉木人工林表层土壤有机碳矿化的激发效应

可溶性有机质(dissolved organic matter,DOM)是生态系统主要的可移动碳库及重要的养分库,它对森林土壤碳吸存的影响已引起高度关注,但DOM对森林土壤有机碳矿化的影响及机制仍不清楚。通过室内为期36 h的短期培养实验,利用~(13)C稳定同位素示踪技术,探究杉木(Cunninghamia lanceolata)凋落叶DOM、米槠(Castanopsis carlesii)凋落叶DOM、杉木死根DOM、米槠死根DOM输入对11年生杉木人工林表层(0—10 cm)土壤有机碳矿化的激发效应,以期揭示DOM在森林碳循环中的作用,对于完善森林碳循环模型有重要意义。研究结果表明:通过~(13)C标记区分不同来源CO_2后发现添加米槠凋落叶DOM和杉木凋落叶DOM处理中来自DOM的CO_2排放速率前期迅速升高,至12 h达到最大值,分别为第2小时的8.0和3.4倍,之后下降,第12小时分别为第36小时的4.6和7.0倍;来自土壤有机碳的CO_2排放速率同样在第12小时达到最大值,分别为同时间点对照的10.1倍和6.3倍。对不同来源CO_2累积排放量进行区分发现,土壤添加凋落叶DOM后来自DOM的CO_2累积排放量显著大于添加死根DOM的(P0.01),其中来自米槠凋落叶DOM的CO_2累积排放量显著大于来自杉木凋落叶DOM的(P0.05),这与添加不同来源DOM中DOC含量呈显著正相关(P0.001)。不同DOM添加对土壤有机碳矿化的激发效应强度不同,培养36h期间添加凋落叶DOM后土壤有机碳激发效应强度始终高于添加死根DOM的。添加米槠凋落叶DOM、杉木凋落叶DOM、米槠死根DOM、杉木死根DOM所引起的激发效应都在第5小时达到峰值,第36小时时添加杉木死根DOM出现负激发效应。可见,添加不同来源DOM对土壤原有有机碳矿化产生了不同的激发效应,这除了与不同来源DOM性质有关外,还可能与DOM添加后土壤微生物群落组成变化有关。有关DOM添加对土壤有机碳矿化影响的微生物学机制有待进一步研究。     

基于多源遥感数据的呼伦湖溶解氧反演模型

呼伦湖在我国东北部的生态环境保护和经济发展中具有重要地位.利用32个采样点的实测溶解氧含量数据、高光谱数据和近同步的Landsat TM遥感影像,通过光谱特征分析和相关分析,提取了呼伦湖溶解氧含量的敏感波段,建立了溶解氧的遥感反演模型,并初步分析了呼伦湖溶解氧含量的空间分布.虽然模拟结果存在一定的误差,但经验证该模型能够反映呼伦湖溶解氧含量的空间特征,可为呼伦湖溶解氧含量的实时监测提供快速、经济、有效的工具.     

基于光谱特征和HSV变换融合MODIS影像的滇池叶绿素a浓度监测

使用实测高光谱数据,研究滇池水体的光谱特征,应用统计方法建立滇池叶绿素a浓度的高光谱反演模型,并基于滇池水体的光谱特征,运用HSV变换融合遥感影像技术,监测水体叶绿素a浓度分布。结果表明:滇池水体光谱的反射峰位于550和700nm附近;此2个反射峰的位置和大小对水体叶绿素a浓度的变化反应最敏感。随着水体叶绿素a浓度升高,2个反射峰的峰值越接近,同时,550nm附近反射峰向短波方向偏移,而700nm附近反射峰向长波方向偏移。用这2个反射峰峰值的差值作为参数建立的滇池水体叶绿素a浓度估测模型,其精度较高;HSV变换融合MODIS遥感影像的假彩色合成图能直观反演滇池水体叶绿素a浓度的空间分布。