海洋浮游植物粒徑等級遙感研究現(xiàn)狀與展望*

丘仲鋒，孫德勇，王勝強(qiáng)，何宜軍

(南京信息工程大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇南京 210044)

海洋浮游植物粒徑等級遙感研究現(xiàn)狀與展望*

丘仲鋒，孫德勇**，王勝強(qiáng)，何宜軍

(南京信息工程大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇南京 210044)

海洋水體中浮游植物粒徑等級的差異能反映其功能類型的不同，浮游植物粒徑等級的探測對水生態(tài)系統(tǒng)中浮游植物功能多樣性及浮游植物生物地理化學(xué)功能的研究具有極其重要的意義。本文綜述當(dāng)前浮游植物粒徑等級的遙感探測算法，闡述各算法的步驟過程及其特點(diǎn)，并分析了優(yōu)缺點(diǎn)?；诖耍槍ξ覈＜昂０稁w，提出海洋浮游植物粒徑等級(phytoplankton size classes,PSCs)遙感研究今后需要開展的工作。

浮游植物粒徑等級 遙感算法 海洋水體

0 引言

水生態(tài)系統(tǒng)中的自養(yǎng)生物庫由多種類型的浮游植物組成，就其生物地理化學(xué)作用而言，這些浮游植物彼此之間呈現(xiàn)出功能性差異[1-3]。例如，顆石藻是水體中鈣元素的主要控制者，可進(jìn)行鈣化作用；硅藻主導(dǎo)硅元素的變化，可用以揭示硅循環(huán)過程[4]，同時(shí)貢獻(xiàn)全球約20%的碳固定[5]；束毛藻(富含藍(lán)細(xì)菌)和原核生物是水體中固氮作用的重要貢獻(xiàn)者；藍(lán)藻(如原綠球藻、聚球藻等)和微小真核生物是水體中無機(jī)物質(zhì)的重要攝取者，改變和影響著無機(jī)物質(zhì)的含量；鞭毛藻是水體中化學(xué)成分DMS(二甲基硫)的主要制造者[6]。由此，學(xué)術(shù)界提出“浮游植物功能類型”的概念,用以描述浮游植物的不同生物地理化學(xué)功能[1-2]。

不同功能類型的浮游植物往往呈現(xiàn)出差異明顯的粒徑大小分布[2-3,7-8]，例如，由于高的表面積與體積比，小顆粒浮游植物在營養(yǎng)鹽含量相對有限的水體中更能高效的吸收營養(yǎng)鹽，所以它更易主導(dǎo)貧營養(yǎng)水體，同時(shí)它的沉降速率要慢于大顆粒浮游植物；而大顆粒浮游植物更易在富營養(yǎng)的水體中出現(xiàn)，且是碳輸出到深水層的主要貢獻(xiàn)者[2]。因此，科研工作者常利用所謂的“浮游植物粒徑等級(Phytoplankton Size Class,PSC)”對水生態(tài)系統(tǒng)中浮游植物功能多樣性進(jìn)行研究。根據(jù)Sieburth等[9]提出的細(xì)胞粒徑概念模型，浮游植物粒徑等級可分為微微型浮游植物(<2 μm)、微型浮游植物(2～20 μm)和小型浮游植物(>20 μm)3類。通常情況下，微微型浮游植物主要包括藍(lán)藻(如原綠球藻、聚球藻等)和微小真核生物；而微型浮游植物包括綠藻、隱藻、定鞭藻、金藻等，小型浮游植物則主要是硅藻、鞭毛藻等[6]。本文分析了我國近海及海岸帶水體浮游植物種群結(jié)構(gòu)特征，并綜述當(dāng)前浮游植物粒徑等級的遙感探測算法，由此，提出我國近海及海岸帶水體今后需要開展的研究工作。

1 我國近海及海岸帶水體浮游植物種群結(jié)構(gòu)特征

就我國近海及海岸帶水體而言，學(xué)者們對浮游植物種群結(jié)構(gòu)及分布特征開展過大量的研究。周然[10]根據(jù)2004年-2007年的調(diào)查數(shù)據(jù)和以往資料分析了渤海灣的天津港海域浮游植物種群結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)該海域共出現(xiàn)7門126種浮游植物，以硅藻和甲藻為主要優(yōu)勢藻，且出現(xiàn)綠藻。肖凱恩[11]對珠江口海域的浮游植物生長和種群結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)浮游植物生長與海水中營養(yǎng)鹽含量及比例有關(guān)，含量豐富的氮、磷、硅是硅藻成為該海域浮游植物優(yōu)勢種群的主要原因。方濤等[12]通過對長江口及毗鄰海域進(jìn)行現(xiàn)場過濾培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)該海域浮游植物優(yōu)勢種多為硅藻和綠藻。宋倫等[13]于2005年7～9月對遼東灣海域水體的浮游植物種群進(jìn)行調(diào)查研究，共鑒定出56種以上的浮游植物，其中以硅藻和甲藻為主要優(yōu)勢藻。陳紀(jì)新等[14]通過高效液相色譜法獲取了東海和南海北部典型斷面浮游植物的光合色素組成，進(jìn)而分析了浮游植物種群結(jié)構(gòu)，指出東海斷面浮游植物群落受海水層化的影響，上層以藍(lán)藻為優(yōu)勢藻，下層則以硅藻為優(yōu)勢。孫軍等[15]對渤海中部和渤海海峽及鄰近海域的浮游植物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)查研究，結(jié)果表明浮游植物群落主要由硅藻(61.5%～92.1%)和甲藻(2.9%～38.4%)組成，也有藍(lán)藻、綠藻和硅鞭藻，且出現(xiàn)明顯的季節(jié)和周年變化。王海黎等[16]對臺灣海峽特征光合色素的分布及其對浮游植物種群結(jié)構(gòu)的作用進(jìn)行了研究，指出夏季臺灣海峽浮游植物的優(yōu)勢種群為藍(lán)藻，約占48.78%。王俊等[17]報(bào)道了1992年-1993年渤海生態(tài)基礎(chǔ)調(diào)查的研究結(jié)果，資料分析表明，渤海浮游植物出現(xiàn)共70種，其中硅藻所占比例最高，甲藻次之，且浮游植物數(shù)量分布出現(xiàn)明顯的季節(jié)變化，在2月和10月出現(xiàn)數(shù)量峰值。與此同時(shí)，研究者們對一些河口海域也進(jìn)行了調(diào)查分析，結(jié)果表明常見的浮游植物優(yōu)勢種群有硅藻、藍(lán)藻、甲藻、綠藻等，在懸沙含量不高的河口海灣如膠州灣、大亞灣和臺灣海峽甲藻是僅次于硅藻的優(yōu)勢種[18-20]，但在懸沙含量較高的長江口海域綠藻和藍(lán)藻則取代了甲藻成為次優(yōu)勢藻[21-22]。

綜上所述，我國近海及海岸帶水體浮游植物的種群結(jié)構(gòu)及分布特征在很大程度上呈現(xiàn)出復(fù)雜性特征，主要表現(xiàn):(1)雖然硅藻、甲藻、綠藻和藍(lán)藻通常是水體中浮游植物的優(yōu)勢藻，但哪些藻為絕對優(yōu)勢藻以及各自的數(shù)值比重，在不同水體之間存在較大差異；(2)針對同一水體，浮游植物的優(yōu)勢藻及其數(shù)值比重存在時(shí)序上的演替，如存在年份、季節(jié)、甚至月份上的無序變化。我國近海及海岸帶水體浮游植物常見的優(yōu)勢藻，即硅藻、甲藻、綠藻和藍(lán)藻，分別處于小型、微型和微微型的不同浮游植物粒徑等級之中[2,6,23-24]，這為利用浮游植物粒徑等級的探測而研究浮游植物種群結(jié)構(gòu)提供了契機(jī)。

2 浮游植物粒徑等級遙感探測的研究現(xiàn)狀

通過遙感手段，學(xué)者們對水體浮游植物粒徑等級的探測進(jìn)行過相關(guān)的研究，查閱主要代表性的研究成果可概括出以下6種算法。

2.1 基于葉綠素a濃度分解的算法(算法1)

Brewin等[25]針對大西洋水體，將水體葉綠素a濃度分解成微微型、微型和小型3類浮游植物的貢獻(xiàn)，建立了濃度分解的關(guān)系模型，并通過實(shí)測數(shù)據(jù)集和非線性最小二乘法擬合獲得濃度分解模型中的參數(shù)；從而利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演的水體總?cè)~綠素a濃度，可分別推算微微型、微型和小型浮游植物的葉綠素a濃度，進(jìn)而通過計(jì)算每類的濃度貢獻(xiàn)比例，就可得到大西洋水體的浮游植物粒徑等級的空間分布。Brotas等[6]利用同樣的方法，對東大西洋富營養(yǎng)化水體的浮游植物粒徑等級進(jìn)行探測，驗(yàn)證了該方法的有效性。

2.2 基于葉綠素a和診斷色素之間關(guān)系的算法(算法2)

Aiken等[24]針對Benguela南部水域，建立了各診斷色素濃度與葉綠素a濃度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，通過MERIS數(shù)據(jù)對水體葉綠素a濃度進(jìn)行反演，結(jié)合之前建立的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系推算出各診斷色素濃度，進(jìn)而可計(jì)算得到浮游植物粒徑等級的比例因子。Uitz等[26]利用SeaWiFS遙感數(shù)據(jù)反演開闊大洋水體的表層葉綠素a濃度，再由此推算水體真光層的葉綠素a濃度，通過建立水體真光層的葉綠素a濃度與各診斷色素濃度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，得到各診斷色素濃度。由于通過各診斷色素及相應(yīng)權(quán)重可量化表達(dá)微微型、微型和小型浮游植物的分布比重，所以該方法可實(shí)現(xiàn)對開闊大洋水體浮游植物粒徑等級的探測。

2.3 基于浮游植物吸收分解的算法(算法3)

Mouw等[27]根據(jù)不同大小類別的浮游植物會呈現(xiàn)出不同的吸收系數(shù)光譜這個(gè)特性，將水體浮游植物比吸收通過比例因子分解成微微型植物的貢獻(xiàn)和小型浮游植物的貢獻(xiàn)，并通過執(zhí)行一個(gè)前向光學(xué)模型查找表，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)反演比例因子，達(dá)到對浮游植物粒徑等級探測的目的。Ciotti等[28]同樣將浮游植物吸收分解成兩部分，通過反演比例因子，實(shí)現(xiàn)對巴西大陸架海域水體浮游植物粒徑等級的探測。Devred等[29]針對開闊大洋水體，將浮游植物吸收分解成兩部分，通過構(gòu)建的雙組分吸收模型反演浮游植物吸收系數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對不同浮游植物粒徑等級的探測。

2.4 基于光譜特征的算法(算法4)

Hirata等[30]利用443 nm和510 nm波長的浮游植物吸收系數(shù)構(gòu)建光譜響應(yīng)因子，用于描述浮游植物粒徑等級。該因子與吸收系數(shù)呈現(xiàn)出密切的關(guān)系，如構(gòu)建二者之間的關(guān)系模型，可通過衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演得到的吸收系數(shù)，推算光譜響應(yīng)因子，實(shí)現(xiàn)探測水體浮游植物粒徑等級分布的目的。王桂芬等[31]利用浮游植物吸收光譜斜率變化，對南海北部灣水體也做了類似研究。Nair等[2]利用浮游植物比吸收系數(shù)光譜對海洋水體中的幾種典型藻類(包括原綠球藻、聚球藻、金藻和硅藻)進(jìn)行識別，探測不同功能類型的浮游植物。Alvain等[32-33]利用歸一化離水輻亮度數(shù)據(jù)對水體典型浮游植物的光譜特征進(jìn)行分析，提出不用浮游植物的光譜量化特征，進(jìn)而通過SeaWiFS影像數(shù)據(jù)對全球大洋Case Ⅰ水體的浮游植物進(jìn)行遙感探測。

2.5 基于理論推演的算法(算法5)

Roy等[3,34]從表征葉綠素a濃度本質(zhì)出發(fā)，對于特定浮游植物細(xì)胞大小范圍的葉綠素a濃度，可由3個(gè)因素決定，即該大小范圍的浮游植物細(xì)胞數(shù)量、每個(gè)細(xì)胞的體積和細(xì)胞內(nèi)葉綠素a濃度，這3個(gè)因素可進(jìn)一步由浮游植物大小光譜指數(shù)、比吸收系數(shù)及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行量化表達(dá)，最終建立起微微型、微型和小型浮游植物的分布比例因子與浮游植物大小光譜指數(shù)，比吸收系數(shù)及相關(guān)參數(shù)的關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)通過MODIS數(shù)據(jù)反演全球大洋水體微微型、微型和小型浮游植物的空間分布。Kostadinov等[35]基于Mie理論建立了描述水體懸浮顆粒物粒徑分布的Junge指數(shù)，粒子數(shù)濃度與后向散射光譜指數(shù)之間關(guān)系的查找表，利用SeaWiFS遙感數(shù)據(jù)反演得到全球宏觀水域的不同波段的懸浮顆粒物后向散射系數(shù)，并推算其光譜指數(shù)，再通過建立的查找表即可獲得不同粒徑范圍的懸浮顆粒物粒子數(shù)濃度，從而計(jì)算不同粒徑范圍粒子數(shù)濃度與總濃度的比率，即可得到浮游植物粒徑等級的分布。

2.6 其它算法(算法6)

Fujiwara等[36]針對Chukchi和Bering大陸架海區(qū)水域，通過粒徑大于5 μm浮游植物的葉綠素a濃度與總?cè)~綠素a濃度的比率定義了浮游植物大小的因子指數(shù)，并建立了該因子與水體固有光學(xué)量(吸收比率aph(443)/aph(667)、aph(488)/aph(555)、懸浮顆粒物后向散射的光譜指數(shù)γ)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系模型，從而可通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演的固有光學(xué)量推算水體浮游植物大小的因子指數(shù)。Organelli等[8]利用大洋水體(包括北大西洋、赤道太平洋、地中海、南太平洋等)的實(shí)測診斷色素?cái)?shù)據(jù)，對微微型、微型和小型浮游植物粒徑等級的比例因子進(jìn)行量化表達(dá)，結(jié)合偏最小二乘法，建立比例因子與吸收光譜四階微分之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，最終達(dá)到利用遙感數(shù)據(jù)反演的吸收探測浮游植物粒徑等級的目的。

2.7 6種算法優(yōu)缺點(diǎn)分析

由此可見，學(xué)者們對大洋水體浮游植物粒徑等級的遙感探測已進(jìn)行了較充分的研究，基本揭示了浮游植物粒徑等級的宏觀分布及空間變化。然而，上述算法各具優(yōu)缺點(diǎn)。具體而言，對于算法1和算法2，它們的優(yōu)勢是對出現(xiàn)較大或較小色素濃度的水體具有很好的表現(xiàn)，而不足之處在于對中間色素濃度的水體狀態(tài)的表現(xiàn)不盡如人意，這是由于不同浮游植物粒徑等級的出現(xiàn)更易混淆中間色素濃度的信號，導(dǎo)致對呈現(xiàn)相同浮游植物生物量水體中的不同浮游植物粒徑等級未能進(jìn)行準(zhǔn)確區(qū)分[7]。對于算法3和算法4，它們的優(yōu)勢是充分利用了浮游植物的光譜特征(無論是吸收光譜還是離水輻射光譜)，對呈現(xiàn)出相同或相近色素濃度的不同浮游植物粒徑等級可進(jìn)行區(qū)分[37-41]，而該方法的局限性在于無法探測呈現(xiàn)相似光譜特征的不同浮游植物粒徑等級，并且對于由生長狀況、營養(yǎng)條件和光獲取等變化因素而導(dǎo)致不同光譜特征的相同浮游植物也無法適用[2]。對于算法5，優(yōu)勢在于該方法是基于理論推演而開發(fā)的，所以更具魯棒性，在不同水體狀態(tài)應(yīng)用中的普適性較好，然而，令人遺憾的是用于計(jì)算浮游植物粒徑等級的量化表征因子的參數(shù)，如浮游植物大小光譜指數(shù)、葉綠素a細(xì)胞內(nèi)濃度與粒徑的關(guān)系指數(shù)等，目前很難通過遙感方法準(zhǔn)確獲取，仍需要原位實(shí)測或理論推算獲得[3,34-35,42-43]，這無疑阻礙了該方法的應(yīng)用。對于算法6，優(yōu)點(diǎn)是操作簡單易行，缺點(diǎn)是該方法以局部水域的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系為基礎(chǔ)，無法保證算法應(yīng)用的魯棒性和普適性。

與此同時(shí)，已開發(fā)算法中用于浮游植物粒徑等級的量化表征因子呈現(xiàn)出多樣無序性，如色素濃度表示法,通過診斷色素與相應(yīng)權(quán)重推算微微型、微型和小型浮游植物的葉綠素a濃度，再分別計(jì)算三者的濃度貢獻(xiàn)比例，見算法1、算法2和算法6；浮游植物比吸收的分解參數(shù)表示法,將浮游植物比吸收分解成微微型和小型浮游植物的貢獻(xiàn)，再利用模型中的分解參數(shù)來表示，見算法3；光譜特征響應(yīng)表示法,通過量化不同浮游植物粒徑等級之間的吸收光譜、比吸收光譜、離水輻亮度光譜等的差異進(jìn)行表示，見算法4；理論比重因子表示法,由理論推演得到，通過葉綠素a細(xì)胞內(nèi)濃度與粒徑的關(guān)系指數(shù)、細(xì)胞粒徑閾值和浮游植物大小光譜指數(shù)的耦合關(guān)系進(jìn)行表示，見算法5。雖然這些量化表征因子均被用于表示海洋水體中浮游植物粒徑等級，但本質(zhì)上它們的出發(fā)點(diǎn)不盡相同，如浮游植物比吸收的分解參數(shù)表示法僅反映微微型和小型兩種浮游植物的比例貢獻(xiàn)。況且，這些量化表征因子之間是否具有一致性，是否可相互驗(yàn)證，現(xiàn)有的研究中均未給出答案。

此外，多數(shù)已開發(fā)算法是以葉綠素a和固有光學(xué)量的準(zhǔn)確反演為前提的，而針對開闊的大洋Case Ⅰ水體，這兩者的遙感反演是相對準(zhǔn)確和可行的[44-47],因此也保證了這些算法的有效性。然而，針對我國近海及海岸帶的光學(xué)復(fù)雜水體，通過衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演葉綠素a和固有光學(xué)量仍存在一定的模糊性和誤差[48-53]，使得針對大洋水體中開發(fā)的算法難用于近岸水體，由此針對我國近海及海岸帶水體的浮游植物粒徑等級遙感探測的研究勢在必行。

3 浮游植物粒徑等級遙感探測的研究展望

針對我國典型近海及海岸帶水體，探明浮游植物粒徑等級呈現(xiàn)出的分布特征，及其有效的時(shí)空演化探測方法，成為理解近海及海岸帶水體浮游植物種群結(jié)構(gòu)、認(rèn)識浮游植物功能多樣性和揭示水生態(tài)系統(tǒng)中許多生物地理化學(xué)過程的重要途徑。為了更好的解決這個(gè)問題，今后需從以下幾個(gè)方面開展工作：(1)開展針對我國海域特征的水體浮游植物粒徑等級的量化表征因子研究；(2)開展量化表征因子對實(shí)測水體反射信號的光譜映射機(jī)制研究；(3)開展遙感探測浮游植物粒徑等級的模型構(gòu)建方法研究。

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(責(zé)任編輯：尹 闖)

Research Status and Prospect of Remote Sensing of Phytoplankton Size Classes in Marine Waters

QIU Zhongfeng,SUN Deyong,WANG Shengqiang,HE Yijun

(School of Marine Science,Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing,Jiangsu,210044,China)

The difference if phytoplankton size classes (PSCs) in marine waters reflects phytoplankton function diversity,of which the study is of significance for understanding the structure of phytoplankton community,and revealing biogeochemical processes of water ecosystem.This article reviews current researches on remote sensing algorithms of PSCs in marine waters.The processes of existing remote sensing algorithms are addressed in detail,and their advantages and disadvantages are also analyzed,based on which,several important aspects of research work are proposed for developing remote sensing algorithms suitable for coastal waters of China.

phytoplankton size classes (PSCs),remote sensing algorithm,marine waters

2016-09-25

丘仲鋒(1979-)，男，博士，教授，主要從事物理海洋、海洋遙感等方面的研究。

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41276186，41576172，41506200)，江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20151526，BK20150914)，江蘇省高校自然科學(xué)基金項(xiàng)目(15KJB170015)和江蘇省“青藍(lán)工程”優(yōu)秀青年骨干教師項(xiàng)目資助。

http://www.cnki.net/kcms/detail/45.1206.G3.20170109.1051.001.html

P73

A

1005-9164(2016)06-0492-07

**通信作者：孫德勇(1984-)，男，博士，副教授，主要從事水光學(xué)、水環(huán)境遙感等方面的研究，E-mail:sundeyong1984@163.com。

廣西科學(xué)Guangxi Sciences 2016,23(6):492～498

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先數(shù)字出版時(shí)間：2017-01-09 【DOI】10.13656/j.cnki.gxkx.20170109.002