鏡泊湖水體富營養(yǎng)化空間分布特征與影響因素分析

劉宇

摘要：利用2015年9月鏡泊湖實測葉綠素a濃度與同步Landsat8 OLI數(shù)據(jù)建立了葉綠素a濃度波段組合模型，根據(jù)擬合度和驗證精度最優(yōu)原則，確定最優(yōu)反演模型為（B4+B5）/B3。通過Carlson營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法分析可知，鏡泊湖水體營養(yǎng)化狀態(tài)在空間上存在差異，其中湖區(qū)大部分地區(qū)屬于中營養(yǎng)狀態(tài)，南部地區(qū)湖心位置為貧營養(yǎng)狀態(tài)，鏡泊鄉(xiāng)附近湖區(qū)處于富營養(yǎng)化狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：葉綠素a;遙感反演;衛(wèi)星影像;富營養(yǎng)化;鏡泊湖

中圖分類號：X824 ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）05-0054-03

Abstract： Based on the chlorophyll a concentration and synchronous Landsat 8 OLI data of Jingpo lake in September 2015， a combined band model of chlorophyll a concentration was established. According to the principle of goodness of fit and validation accuracy， the optimal inversion model was determined as（B4+B5）/B3. The results showed that the spatial distribution of eutrophication in Jingpo lake is different by Carlson index method. Among them， most parts of the lake area belonged to the state of medium nutrition， the south part of the lake was in the state of poor nutrition， and the lake area near Jingbo township was in the state of eutrophication.

Key words： chlorophyll a concentration; remote inversion; satellite imagery; eutrophication; Jingpo lake

湖泊作為典型的內(nèi)陸水體，對維持生態(tài)平衡、保護全球生物多樣性具有至關(guān)重要的作[1]。同時，水生環(huán)境對人類也具有巨大的經(jīng)濟價值和休閑娛樂價值。然而，近年來，由于人類活動的影響，水生生態(tài)系統(tǒng)承受的壓力日益明顯，已成為全球最受威脅的生態(tài)系統(tǒng)之一。其中，湖泊富營養(yǎng)化通過藻類的大量繁殖致使湖區(qū)魚類大量死亡，生物多樣性驟降，成為了世界關(guān)注的水環(huán)境問題[2]。葉綠素a濃度作為水體浮游植物的重要指示，一直是水體富營養(yǎng)化狀態(tài)監(jiān)測的重要指標[3]。因此，對內(nèi)陸水體葉綠素a濃度的常規(guī)監(jiān)測具有十分重要的意義。

鏡泊湖是中國最大的高山堰塞湖，是牡丹江流域重要的淡水資源之一。湖區(qū)已形成以牡丹江干流為主，輔以大夾吉河、松乙河等支流的河道型湖泊。湖泊兼有養(yǎng)殖、水運、發(fā)電、旅游等多種功能，加之該地區(qū)特殊的火山地貌，現(xiàn)已成為黑龍江省東部地區(qū)重要的旅游景區(qū)。湖區(qū)位于黑龍江省東南部（128°30′E

—129°30′E、43°46′N—44°18′N），長白山余脈，為典型的山谷地貌。湖泊面積約為91.5 km2（平均水位350 m），庫區(qū)容量11.8億m3，平均水深40 m。湖區(qū)大體呈西南—東北走向，總長度約為45 km，最寬處可達6 km。區(qū)內(nèi)年均氣溫為3.6 ℃，年降水量為506.4 mm，日照時間達2 600 h。由于溫帶季風氣候的影響，氣溫年較差大，夏季降水約占全年的70%。

近年來，由于鏡泊湖周邊旅游業(yè)的快速發(fā)展和人類活動的增多，尤其湖區(qū)養(yǎng)殖及支流農(nóng)業(yè)的影響，致使湖區(qū)匯集的污染物增多，水體營養(yǎng)物質(zhì)負荷日益增大。雖然已有學者[4-6]對鏡泊湖水質(zhì)及富營養(yǎng)化狀態(tài)進行了分析與探討，但使用的方法大都基于傳統(tǒng)的水樣采集與分析，由于采樣點有限，很難反映湖泊水體的空間分布特征。遙感技術(shù)的出現(xiàn)很大程度上彌補了傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測的缺陷。本試驗以鏡泊湖水體為對象，利用實測葉綠素a濃度與同步Landsat 8 OLI影像建立遙感反演模型，并結(jié)合Carlson營養(yǎng)指數(shù)法，揭示了鏡泊湖富營養(yǎng)化的空間分布狀況，以期為湖泊可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定及生物多樣性保護提供可靠依據(jù)。

1 ?材料與方法

1.1 ?采樣點時間與位置

根據(jù)鏡泊湖功能分區(qū)特點和形態(tài)特征，共設(shè)置水面采樣點32個，于2015年9月22日完成，經(jīng)過篩選，剔除異常數(shù)據(jù)，共獲取有效采樣點數(shù)據(jù)30個。采樣點分布如圖1所示，均勻分布整個湖區(qū)，基本代表了鏡泊湖不同功能區(qū)的水環(huán)境特征。葉綠素a濃度采用乙醇萃取的分光光度法測量。

1.2 ?數(shù)據(jù)處理與分析

本研究采用的遙感影像為Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)，過境日期與水質(zhì)采樣同步，當天云量較少（4.85%），影像數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。經(jīng)過輻射定標和FLAASH大氣校正后，研究區(qū)影像反射率光譜曲線與水體的真實反射光譜較為接近，適合對葉綠素a濃度進行反演研究。

1.3 ?水體富營養(yǎng)化狀態(tài)評價

湖泊富營養(yǎng)化評價是對湖泊富營養(yǎng)化進程中某一階段營養(yǎng)狀態(tài)的定量描述，其方法通常是通過分析與湖泊營養(yǎng)狀態(tài)有關(guān)的一系列指標來判斷的。Carlson營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法（TSI）采用的指標包括水體中的葉綠素a濃度、總磷濃度和透明度等，其中任何一個參數(shù)都可以獨立地通過相應(yīng)的算法來評價水體富營養(yǎng)化狀態(tài)。但在單一因子評價方法中，與總磷濃度和透明度相比，葉綠素a濃度更適合用來評價水體的富營養(yǎng)化狀態(tài)[7]。葉綠素a濃度算法表達式如下：

TSI（chl.a）=10×[2.5+1.086ln（chl.a）] ?（1）

式中，chl.a為葉綠素a濃度;TSI為Carlson營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。TSI評價標準：當050時，湖泊處于富營養(yǎng)狀態(tài)。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?模型構(gòu)建

選用傳統(tǒng)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛠斫⑷~綠素a濃度遙感反演模型，即通過分析Landsat8 OLI數(shù)據(jù)不同波段組合與葉綠素a濃度之間的統(tǒng)計關(guān)系，利用建模數(shù)據(jù)庫（22組采樣點數(shù)據(jù)）建立大量波段組合模型。采用決定系數(shù)（R2）最優(yōu)原則，發(fā)現(xiàn)三次多項式（B4+B5）/B3模型擬合效果最好（R2=0.77）（表1）。模型具體表達式為y=2 434x3-8 169.6x2+9 148.3x-3 416.3，其中y為葉綠素a濃度值，x為波段組合（B4+B5）/B3值（圖2）。

2.2 ?模型驗證

利用驗證數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)（8組剩余采樣點數(shù)據(jù)）對該模型反演精度進行評價，將模型反演結(jié)果作為葉綠素a濃度模擬值，通過與實測葉綠素a濃度對比，發(fā)現(xiàn)模型均方根誤差（RMSE）與平均相對誤差（MRE）分別達到0.28 μg/L和15.0%（圖2）。通過分析各點預(yù)測精度發(fā)現(xiàn)，模型穩(wěn)定性較好，預(yù)測值向高值范圍和低值范圍偏離較為均衡，比較適合估算鏡泊湖葉綠素a濃度。

2.3 ?鏡泊湖水體營養(yǎng)化狀態(tài)空間分布

根據(jù)Carlson營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法單一因子與水體營養(yǎng)化狀況的關(guān)系，將模型所反演的葉綠素a濃度轉(zhuǎn)化為TSI來評價水體的營養(yǎng)狀態(tài)。從圖3可以看出，在研究期間，鏡泊湖水體營養(yǎng)化狀態(tài)在空間上存在一定的差異。湖泊大部分區(qū)域TSI位于30～50，處于中營養(yǎng)狀態(tài);低值區(qū)位于南部湖區(qū)中心附近，TSI基本小于20，處于貧營養(yǎng)狀態(tài);高值區(qū)位于鏡泊鄉(xiāng)附近，大部分區(qū)域TSI超過50，達到富營養(yǎng)狀態(tài)，靠近岸邊局部地區(qū)TSI甚至超過70。

3 ?討論

有研究表明，湖泊營養(yǎng)化狀態(tài)通常與湖泊不同區(qū)域的形態(tài)特征以及周邊環(huán)境有關(guān)[8，4-6]。通過分析鏡泊湖水體營養(yǎng)狀態(tài)的空間分布可知，南部湖心位置的TSI低值區(qū)基本處于貧營養(yǎng)狀態(tài)。其主要原因可能是該部分水體較深，湖區(qū)營養(yǎng)鹽由于沉積物的吸附作用在較長一段時間內(nèi)穩(wěn)定在湖泊底部。但該部分營養(yǎng)鹽會在風力和引潮力的擾動下再次處于懸浮狀態(tài)，并在沉積物與水體之間反復(fù)交換與運輸，從而成為湖泊富營養(yǎng)化的內(nèi)源[9]。另外，寬廣的水面使得該地區(qū)受到兩岸水生生物影響較小。

鏡泊湖屬于河道型湖泊，北部湖區(qū)由于寬度較小，具有換水頻率高、周期短等特點，因此富營養(yǎng)化狀況大部分處于中營養(yǎng)及貧營養(yǎng)狀況，這與蔡陽等[10]基于總氮、總磷和高錳酸鉀指數(shù)的評價結(jié)果基本一致。但小姜窯溝地區(qū)由于湖水較淺，有利于湖底營養(yǎng)鹽物質(zhì)上泛，加之周邊地區(qū)人類活動的影響，造成了該地區(qū)已經(jīng)處于富營養(yǎng)化的程度。

本研究典型的富營養(yǎng)湖區(qū)位于鏡泊鄉(xiāng)附近，由于該地區(qū)分布較多的入湖支流，且支流兩岸為該地區(qū)的主要農(nóng)耕區(qū)，有機農(nóng)藥、化肥的使用將大量的N、P等營養(yǎng)元素通過河流攜帶注入湖泊，造成局部地區(qū)的水體營養(yǎng)指數(shù)偏高[10，11]。另外，有研究表明[5，12]，該地區(qū)湖區(qū)水體相對封閉，流速緩慢，受周圍污染的水體很難得到及時更新，有利于藻類上浮與擴散。加之鏡泊湖該季節(jié)水溫較高，水體均溫層處于缺氧狀況，十分適合藻類的生長與繁殖，因而為水體局部地區(qū)富營養(yǎng)化創(chuàng)造了有利條件。

4 ?結(jié)論

本研究利用實測鏡泊湖葉綠素a濃度與同步Landsat 8 OLI影像建立波段組合反演模型，通過Carlson營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法將所建模型反演的葉綠素a濃度轉(zhuǎn)化為TSI來評價水體的營養(yǎng)狀況，得到以下主要結(jié)論。

1）在研究Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)不同波段組合與葉綠素a濃度之間統(tǒng)計關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過分析模型擬合度與驗證效果，發(fā)現(xiàn)三次多項式（B4+B5）/B3模型比較適合估算鏡泊湖葉綠素a濃度。

2）采用Carlson營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法將所反演的葉綠素a濃度轉(zhuǎn)化為TSI，結(jié)果顯示鏡泊湖水體富營養(yǎng)化狀況在空間上存在一定的差異。

3）鏡泊湖大部分地區(qū)處于中營養(yǎng)狀態(tài)及貧營養(yǎng)狀態(tài)。南部地區(qū)湖心位置營養(yǎng)狀態(tài)最低，可能與營養(yǎng)鹽在沉積物與水體之間反復(fù)交換與運輸有關(guān);鏡泊鄉(xiāng)附近湖區(qū)處于富營養(yǎng)化狀態(tài)，主要是與該地區(qū)上游兩岸農(nóng)業(yè)有機農(nóng)藥、化肥的使用有關(guān)。

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