镜泊湖水体富营养化空间分布特征与影响因素分析

刘宇

摘要：利用2015年9月镜泊湖实测叶绿素a浓度与同步Landsat8 OLI数据建立了叶绿素a浓度波段组合模型，根据拟合度和验证精度最优原则，确定最优反演模型为（B4+B5）/B3。通过Carlson营养状态指数法分析可知，镜泊湖水体营养化状态在空间上存在差异，其中湖区大部分地区属于中营养状态，南部地区湖心位置为贫营养状态，镜泊乡附近湖区处于富营养化状态。

关键词：叶绿素a;遥感反演;卫星影像;富营养化;镜泊湖

中图分类号：X824         文献标识码：A

文章编号：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

湖泊作为典型的内陆水体，对维持生态平衡、保护全球生物多样性具有至关重要的作[1]。同时，水生环境对人类也具有巨大的经济价值和休闲娱乐价值。然而，近年来，由于人类活动的影响，水生生态系统承受的压力日益明显，已成为全球最受威胁的生态系统之一。其中，湖泊富营养化通过藻类的大量繁殖致使湖区鱼类大量死亡，生物多样性骤降，成为了世界关注的水环境问题[2]。叶绿素a浓度作为水体浮游植物的重要指示，一直是水体富营养化状态监测的重要指标[3]。因此，对内陆水体叶绿素a浓度的常规监测具有十分重要的意义。

镜泊湖是中国最大的高山堰塞湖，是牡丹江流域重要的淡水资源之一。湖区已形成以牡丹江干流为主，辅以大夹吉河、松乙河等支流的河道型湖泊。湖泊兼有养殖、水运、发电、旅游等多种功能，加之该地区特殊的火山地貌，现已成为黑龙江省东部地区重要的旅游景区。湖区位于黑龙江省东南部（128°30′E

—129°30′E、43°46′N—44°18′N），长白山余脉，为典型的山谷地貌。湖泊面积约为91.5 km2（平均水位350 m），库区容量11.8亿m3，平均水深40 m。湖区大体呈西南—东北走向，总长度约为45 km，最宽处可达6 km。区内年均气温为3.6 ℃，年降水量为506.4 mm，日照时间达2 600 h。由于温带季风气候的影响，气温年较差大，夏季降水约占全年的70%。

近年来，由于镜泊湖周边旅游业的快速发展和人类活动的增多，尤其湖区养殖及支流农业的影响，致使湖区汇集的污染物增多，水体营养物质负荷日益增大。虽然已有学者[4-6]对镜泊湖水质及富营养化状态进行了分析与探讨，但使用的方法大都基于传统的水样采集与分析，由于采样点有限，很难反映湖泊水体的空间分布特征。遥感技术的出现很大程度上弥补了传统水质监测的缺陷。本试验以镜泊湖水体为对象，利用实测叶绿素a浓度与同步Landsat 8 OLI影像建立遥感反演模型，并结合Carlson营养指数法，揭示了镜泊湖富营养化的空间分布状况，以期为湖泊可持续发展、生态系统稳定及生物多样性保护提供可靠依据。

1  材料与方法

1.1  采样点时间与位置

根据镜泊湖功能分区特点和形态特征，共设置水面采样点32个，于2015年9月22日完成，经过筛选，剔除异常数据，共获取有效采样点数据30个。采样点分布如图1所示，均匀分布整个湖区，基本代表了镜泊湖不同功能区的水环境特征。叶绿素a浓度采用乙醇萃取的分光光度法测量。

1.2  数据处理与分析

本研究采用的遥感影像为Landsat 8 OLI数据，过境日期与水质采样同步，当天云量较少（4.85%），影像数据质量较好。经过辐射定标和FLAASH大气校正后，研究区影像反射率光谱曲线与水体的真实反射光谱较为接近，适合对叶绿素a浓度进行反演研究。

1.3  水体富营养化状态评价

湖泊富营养化评价是对湖泊富营养化进程中某一阶段营养状态的定量描述，其方法通常是通过分析与湖泊营养状态有关的一系列指标来判断的。Carlson营养状态指数法（TSI）采用的指标包括水体中的叶绿素a浓度、总磷浓度和透明度等，其中任何一个参数都可以独立地通过相应的算法来评价水体富营养化状态。但在单一因子评价方法中，与总磷浓度和透明度相比，叶绿素a浓度更适合用来评价水体的富营养化状态[7]。葉绿素a浓度算法表达式如下：

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

式中，chl.a为叶绿素a浓度;TSI为Carlson营养状态指数。TSI评价标准：当050时，湖泊处于富营养状态。

2  结果与分析

2.1  模型构建

选用传统的经验模型来建立叶绿素a浓度遥感反演模型，即通过分析Landsat8 OLI数据不同波段组合与叶绿素a浓度之间的统计关系，利用建模数据库（22组采样点数据）建立大量波段组合模型。采用决定系数（R2）最优原则，发现三次多项式（B4+B5）/B3模型拟合效果最好（R2=0.77）（表1）。模型具体表达式为y=2 434x3-8 169.6x2+9 148.3x-3 416.3，其中y为叶绿素a浓度值，x为波段组合（B4+B5）/B3值（图2）。

2.2  模型验证

利用验证数据库数据（8组剩余采样点数据）对该模型反演精度进行评价，将模型反演结果作为叶绿素a浓度模拟值，通过与实测叶绿素a浓度对比，发现模型均方根误差（RMSE）与平均相对误差（MRE）分别达到0.28 μg/L和15.0%（图2）。通过分析各点预测精度发现，模型稳定性较好，预测值向高值范围和低值范围偏离较为均衡，比较适合估算镜泊湖叶绿素a浓度。

2.3  镜泊湖水体营养化状态空间分布

根据Carlson营养状态指数法单一因子与水体营养化状况的关系，将模型所反演的叶绿素a浓度转化为TSI来评价水体的营养状态。从图3可以看出，在研究期间，镜泊湖水体营养化状态在空间上存在一定的差异。湖泊大部分区域TSI位于30～50，处于中营养状态;低值区位于南部湖区中心附近，TSI基本小于20，处于贫营养状态;高值区位于镜泊乡附近，大部分区域TSI超过50，达到富营养状态，靠近岸边局部地区TSI甚至超过70。

3  讨论

有研究表明，湖泊营养化状态通常与湖泊不同区域的形态特征以及周边环境有关[8，4-6]。通过分析镜泊湖水体营养状态的空间分布可知，南部湖心位置的TSI低值区基本处于贫营养状态。其主要原因可能是该部分水体较深，湖区营养盐由于沉积物的吸附作用在较长一段时间内稳定在湖泊底部。但该部分营养盐会在风力和引潮力的扰动下再次处于悬浮状态，并在沉积物与水体之间反复交换与运输，从而成为湖泊富营养化的内源[9]。另外，宽广的水面使得该地区受到两岸水生生物影响较小。

镜泊湖属于河道型湖泊，北部湖区由于宽度较小，具有换水频率高、周期短等特点，因此富营养化状况大部分处于中营养及贫营养状况，这与蔡阳等[10]基于总氮、总磷和高锰酸钾指数的评价结果基本一致。但小姜窑沟地区由于湖水较浅，有利于湖底营养盐物质上泛，加之周边地区人类活动的影响，造成了该地区已经处于富营养化的程度。

本研究典型的富营养湖区位于镜泊乡附近，由于该地区分布较多的入湖支流，且支流两岸为该地区的主要农耕区，有机农药、化肥的使用将大量的N、P等营养元素通过河流携带注入湖泊，造成局部地区的水体营养指数偏高[10，11]。另外，有研究表明[5，12]，该地区湖区水体相对封闭，流速缓慢，受周围污染的水体很难得到及时更新，有利于藻类上浮与扩散。加之镜泊湖该季节水温较高，水体均温层处于缺氧状况，十分适合藻类的生长与繁殖，因而为水体局部地区富营养化创造了有利条件。

4  结论

本研究利用实测镜泊湖叶绿素a浓度与同步Landsat 8 OLI影像建立波段组合反演模型，通过Carlson营养状态指数法将所建模型反演的叶绿素a浓度转化为TSI来评价水体的营养状况，得到以下主要结论。

1）在研究Landsat 8 OLI数据不同波段组合与叶绿素a浓度之间统计关系的基础上，通过分析模型拟合度与验证效果，发现三次多项式（B4+B5）/B3模型比较适合估算镜泊湖叶绿素a浓度。

2）采用Carlson营养状态指数法将所反演的叶绿素a浓度转化为TSI，结果显示镜泊湖水体富营养化状况在空间上存在一定的差异。

3）镜泊湖大部分地区处于中营养状态及贫营养状态。南部地区湖心位置营养状态最低，可能与营养盐在沉积物与水体之间反复交换与运输有关;镜泊乡附近湖区处于富营养化状态，主要是与该地区上游两岸农业有机农药、化肥的使用有关。

参考文献：

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