基于遙感與實(shí)測資料的河流有機(jī)碳通量估算研究.pdf

1、河流連通著地球最大的兩個(gè)碳庫一陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)碳庫。全球河流每年可以輸運(yùn)約219.50±54.36 Tg C/yr的溶解有機(jī)碳(DOC)，204.00±21.73 Tg C/yr的顆粒有機(jī)碳(POC)進(jìn)入邊緣海。河流有機(jī)碳輸運(yùn)不僅影響著全球碳循環(huán)，而且會(huì)影響河口和邊緣海的生態(tài)環(huán)境，輸運(yùn)量也反映了流域的自然過程和人為活動(dòng)的變化。在自然變化和人為活動(dòng)等多種因素的影響下，河流有機(jī)碳通量具有顯著的時(shí)空變異特征，這些時(shí)空變異增加了通量監(jiān)測和估算

2、的難度。
　　目前，國際上關(guān)于河流有機(jī)碳輸運(yùn)的研究大多關(guān)注歐美大陸河流，這些河流積累了長時(shí)間序列的有機(jī)碳(DOC、POC)觀測資料。而東亞季風(fēng)影響下的亞洲河流有機(jī)碳輸運(yùn)報(bào)道較少，且缺乏不同河流有機(jī)碳輸運(yùn)的空間變異和同一河流的時(shí)間變異研究。基于此，本文基于不同入海河流有機(jī)碳實(shí)測數(shù)據(jù)與流域特征數(shù)據(jù)，分析了中國大陸入海河流有機(jī)碳通量的空間變異;并進(jìn)一步以長江為重點(diǎn)研究區(qū)，在長江河流（大通水文站斷面）和河口分別開展了月尺度和季節(jié)尺度的光學(xué)

3、-化學(xué)同步現(xiàn)場觀測，利用多源遙感和實(shí)測資料估算了長江長時(shí)間序列的有機(jī)碳通量，并討論了流域特征對(duì)長江有機(jī)碳輸運(yùn)時(shí)空變異的影響，為進(jìn)一步估算全球河流有機(jī)碳輸運(yùn)通量打下基礎(chǔ)。本文的主要研究內(nèi)容和取得的結(jié)論如下:
　　(1)中國大陸入海河流有機(jī)碳輸運(yùn)通量及空間變異。通過分析中國大陸不同入海河流有機(jī)碳(DOC、POC)數(shù)據(jù)與流域特征數(shù)據(jù)，構(gòu)建了中國大陸入海河流年平均DOC濃度和POC濃度的估算模型，并以2010年為代表，估算了中國大陸不同入

4、海河流的DOC年通量和POC年通量。2010年，中國大陸入海河流有機(jī)碳輸運(yùn)通量約為5.05 Tg C的DOC和7.00 Tg C的POC;其中，34.65％的DOC和42.43％的POC由長江輸運(yùn)?？臻g分布上，雖然降雨會(huì)稀釋河流DOC濃度和總懸浮物(TSM)中的POC重量百分比(POC(％TSM))，但單位面積的流域DOC與POC輸出量都與降雨量的空間分布一致。中國大陸東南部降雨多的流域，單位面積的流域DOC和POC輸出量都較高。

5、>　　(2)長江河流(大通水文站斷面)DOC通量估算。以流量、流域耕地面積比和總初級(jí)生產(chǎn)力為自變量，構(gòu)建了長江大通DOC濃度的多層回饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估算模型，并結(jié)合大通實(shí)測流量估算了2000-2013年長江大通水文站的DOC月通量。2000-2013年，長江大通DOC月通量變化范圍為3.88-42.78×104t C，平均值為13.49±6.73×104 t C/month。大通DOC月通量主要是由流量決定的，兩者存在顯著的正相關(guān)線性關(guān)系(R

6、=0.8914，P＜0.0001)。
　　(3)長江河流(大通水文站斷面)POC通量估算。根據(jù)大通的光學(xué)-化學(xué)同步觀測數(shù)據(jù)和生物光學(xué)模型模擬數(shù)據(jù)，構(gòu)建了適用于Landsat數(shù)據(jù)(空間分辨率30m)的POC濃度遙感算法。大通斷面上，POC濃度與TSM濃度之間存在正相關(guān)線性關(guān)系，且空間變異不顯著。結(jié)合大通流量，利用2000-2016年的TM/Landsat-5和ETM+/Landsat-7數(shù)據(jù)，估算了大通長時(shí)間序列的POC月通量。20

7、00-2016年，長江大通的POC月通量變化范圍為1.4-52.04×104 t C，平均值為13.04±7.17×104 t C/month。大通POC月通量與流量之間存在顯著的正相關(guān)線性關(guān)系(R=0.7143，P＜0.05)。過去十幾年，大通POC與DOC的平均月通量基本相等，并未呈“高POC輸運(yùn)”的特征。
　　(4)長江河口(徐六涇水文站斷面)POC通量估算。根據(jù)長江河口的光學(xué)-化學(xué)同步測量數(shù)據(jù)，構(gòu)建了適用于GOCI數(shù)據(jù)(空

8、間分辨率500 m)的POC濃度遙感算法。長江河口，POC濃度與TSM濃度存在顯著的正相關(guān)線性關(guān)系;徐六涇斷面的流量剖面分布呈線性函數(shù)變化，POC濃度剖面分布呈指數(shù)函數(shù)變化。結(jié)合大通水文站的流量，利用GOCI數(shù)據(jù)估算了徐六涇斷面的POC月通量。2015年5月至2016年4月，長江徐六涇POC月通量平均為7.14×104t C，比大通POC月通量實(shí)測值平均高44.58％。長江河口復(fù)雜的水動(dòng)力環(huán)境（潮汐、風(fēng)）及顆粒再懸浮等會(huì)增加該區(qū)域的PO

9、C通量，且在冬季的增加效應(yīng)更明顯。
　　(5)長江河流（大通水文站斷面）有機(jī)碳輸運(yùn)時(shí)間變異和流域特征的影響。綜合分析長時(shí)間序列的長江大通有機(jī)碳(DOC、POC)月通量和流域特征遙感數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn):因降雨的稀釋作用，大通DOC濃度表現(xiàn)為“濕季低、干季高”的季節(jié)特征（濕季為5月至10月），干季DOC濃度平均是濕季的1.14倍;因降雨的沖刷作用，大通POC濃度表現(xiàn)為“濕季高、干季低”的季節(jié)特征。長江三峽大壩正常運(yùn)行之后，大通POC濃度的季節(jié)

10、差異正逐漸減弱;由于流量的調(diào)控作用，DOC與POC通量都表現(xiàn)為“濕季高、干季低”的季節(jié)特征。2000-2013年濕季DOC通量平均占全年通量的65.89％，2000-2016年濕季POC通量平均占全年通量的75.01％。2000-2013年，長江大通DOC濃度和DOC通量都沒有發(fā)生顯著變化;但2000-2016年，長江大通POC濃度和POC通量都呈指數(shù)顯著降低。
　　總的來說，本文利用遙感和實(shí)測數(shù)據(jù)估算了中國大陸入海河流有機(jī)碳輸運(yùn)