珠江口海域浮游植物碳含量对颗粒有机碳贡献的遥感估算

Chlorophyll a has traditionally served as an important proxy for phytoplankton biomass in models of primary production in waters. However, this biological variable is limited to explore the importance of photosynthesis production for aquatic ecosystem dynamics and the carbon cycle. As a result, the ability to predict the contribution of phytoplankton carbon to particulate organic carbon (phytoplankton carbon:POC) is fundamental to understanding the biogeochemical processes such as carbon fixation and “biological pump” in the marine ecosystem. At present, there have been limited studies assessing phytoplankton carbon:POC from ocean color. In this project, in situ, laboratory and simulated measurements will be used to remotely estimate phytoplankton carbon:POC in Pearl River estuary. The effect of chlorophyll a and POC assembles on the remote sensing reflectance will be analyzed to provide estimation models for chlorophyll a concentrations and POC contents from remote sensing. Furthermore, we will spatially determine the phytoplankton functional types using satellite remote sensing imagery in natural waters and then, quantitatively compare the cellular chlorophyll a with POC for different phytoplankton species in the laboratory. Finally, we will develop a remote sensing-based model to explore the temporal and spatial variability of phytoplankton carbon:POC in Pearl River estuary using NPP/VIIRS imagery. Implementation of this project will be of benefit to advance the level of quantitative water color remote sensing and can further researches in the estimation of primary production in marine ecosystems.

叶绿素a浓度是评价初级生产力的重要指标，但不能充分表征水生生态系统中浮游植物光合作用对海洋碳循环的贡献，因此，研究自然水体中浮游植物碳含量对颗粒有机碳的贡献是弄清海洋生态系统中生物固碳、“生物泵”等地球化学循环过程的必要途径。目前利用遥感技术估算浮游植物碳含量对颗粒有机碳贡献方面的研究还未见报道。本项目以珠江口海域为研究区，以野外观测、室内实验和计算机模拟为手段，分析叶绿素a与颗粒有机碳的光谱响应特征，构建叶绿素a浓度和颗粒有机碳含量的遥感估算模型；研究自然水体中浮游植物群落的遥感分类标准，获取浮游藻类的空间分布；通过室内培养实验研究常见浮游藻类单个细胞中叶绿素a浓度与浮游植物有机碳含量之间定量关系；结合NPP/VIIRS卫星遥感影像，揭示浮游植物碳含量对颗粒有机碳贡献的动态变化。本项目的实施有助于提高海洋初级生产力的估算精度，并将有助于拓展水色遥感的应用领域，具有重要的理论和现实意义。

基于野外观测、室内实验和计算机模拟的生物-光学数据，利用VIIRS卫星遥感影像数据，揭示了珠江口海域浮游植物的固碳水平占颗粒有机碳含量的比例。首次利用颗粒物的固有光学特征（吸收系数）判断了内陆和海岸带水体中颗粒有机碳的来源，构建了统一的颗粒有机碳浓度遥感估算算法，经过Hydrolight模拟数据分析，该模型具有较好的稳定性。考虑了浮游植物的生长环境，利用颗粒物组份的变化特征对光学特性复杂的II类水体进行光学分类，提高了内陆和海岸带水体中叶绿素a浓度的反演精度，同时，利用Hydrolight进行模拟，发现该模型具有较好的鲁棒性，适用于其它II类水体。研究了珠江口海域浮游植物碳对颗粒有机碳的贡献，发现浮游植物碳的贡献较小，说明珠江口海域颗粒有机碳主要来源于陆源。同时，在本课题资助下，还研究了珠江口海域的水色参量、环境参数和生态特征，为粤港澳大湾区的生态文明建设提供很好的基础数据。该项目成果将应用于海洋环境监测的业务化工作中，为拓展水色遥感的应用领域、增强遥感技术的服务能力提供技术和方法论支撑。