段巍巖,黃 昌,2,3* (.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院,陜西 西安 7027；2.西北大學(xué),陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 7027；3.西北大學(xué)地表系統(tǒng)與災(zāi)害研究院,陜西 西安 7027)

碳循環(huán)作為地球各圈層間相互連接與轉(zhuǎn)化的紐帶,不僅影響著全球的氣候變化,而且對(duì)于維持生物圈結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定起著重要作用,是全球物質(zhì)能量循環(huán)與氣候變化的關(guān)鍵[1].河流湖泊生態(tài)系統(tǒng)不斷地將陸地和大氣中的碳物質(zhì)輸送到海洋碳庫(kù),與陸海生態(tài)系統(tǒng)之間進(jìn)行著強(qiáng)烈的物質(zhì)循環(huán)與能量交換[2].河湖中的碳經(jīng)物理、化學(xué)和生物等方面的作用不斷遷移轉(zhuǎn)化,形成了河流湖泊碳循環(huán).研究表明[3-4],包括河流和湖泊等在內(nèi)的內(nèi)陸水域可能是水和溶解物質(zhì)的巨大運(yùn)輸通道,在生物地球化學(xué)循環(huán)中扮演著重要角色.從 1750～2013年,河流碳的運(yùn)輸量從 0.75PgC/a增至 0.90～0.95PgC/a,增加了約20%[5].在全球范圍內(nèi),河網(wǎng)向海洋輸入的碳量為1.06PgC/a,是海洋碳庫(kù)的一個(gè)重要來(lái)源[6-7].此外,河流湖泊也與大氣進(jìn)行著碳交換.據(jù)估計(jì)[8],全球河流陸地碳負(fù)荷中只有約三分之一到達(dá)海洋,大約三分之一(25%～44%)經(jīng)過(guò)呼吸作用以CO2釋放到大氣中.研究表明[4],全球每年從湖泊和水庫(kù)向大氣釋放的CO2達(dá)到0.32PgC;另有研究表明[9],河流排放的CO2可能占凈生態(tài)系統(tǒng)交換量的 10%,這將會(huì)對(duì)陸地系統(tǒng)碳平衡造成改變.因此,河湖碳循環(huán)是全球碳循環(huán)的重要組成部分,也是碳循環(huán)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一.

已有研究對(duì)河流及湖泊碳循環(huán)研究的進(jìn)展進(jìn)行了綜述[10-13],但是他們僅對(duì)河流湖泊有機(jī)碳的來(lái)源、同位素示蹤技術(shù)以及影響河流碳侵蝕輸出的部分因素進(jìn)行了概要闡述和歸納,未關(guān)注大尺度河湖碳循環(huán)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和模擬.近年來(lái),隨著實(shí)驗(yàn)室測(cè)定技術(shù)、遙感技術(shù)和建模模擬技術(shù)等的快速發(fā)展,大尺度、多時(shí)相的河湖碳循環(huán)監(jiān)測(cè)與模擬成為可能,先后涌現(xiàn)了一批綜合運(yùn)用這些技術(shù)開(kāi)展的相關(guān)研究,為深入理解區(qū)域及全球尺度的河湖碳循環(huán)提供了重要的依據(jù).其中,實(shí)驗(yàn)室測(cè)定是精確測(cè)量水體樣本碳組分的核心手段,實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的結(jié)果可以為遙感反演提供基準(zhǔn)數(shù)據(jù)或作為驗(yàn)證,也可以作為河湖碳循環(huán)模擬模型的關(guān)鍵輸入.遙感技術(shù)是將點(diǎn)位的樣本觀測(cè)擴(kuò)展到大區(qū)域觀測(cè)的有效手段,基于遙感本身具有的全方位、多時(shí)相和高效率的對(duì)地觀測(cè)優(yōu)勢(shì),遙感技術(shù)可服務(wù)于河湖碳循環(huán)觀測(cè)和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),具有很高的應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益.模型模擬是理解河湖碳循環(huán)機(jī)理、預(yù)測(cè)變化環(huán)境下以及不同情景條件下河湖碳通量變化的有效手段.因此,本文在之前研究進(jìn)展的基礎(chǔ)之上,歸納了目前實(shí)驗(yàn)室測(cè)定技術(shù),同時(shí)重點(diǎn)關(guān)注遙感反演與模型監(jiān)測(cè)模擬技術(shù)在河湖碳循環(huán)研究中的應(yīng)用,以期為該領(lǐng)域相關(guān)的研究提供參考.

1 河流碳循環(huán)過(guò)程及其影響因素

1.1 河流碳循環(huán)過(guò)程

1.1.1 河流中碳的來(lái)源與組分 河流作為全球生物地球化學(xué)循環(huán)中的重要碳庫(kù),在全球碳循環(huán)中占有重要地位[14].根據(jù)溶解性與生物降解性的不同,可將河流碳素分為顆粒有機(jī)碳(POC)、顆粒無(wú)機(jī)碳(PIC)、溶解有機(jī)碳(DOC)和溶解無(wú)機(jī)碳(DIC)4種.如圖 1,河流中碳的來(lái)源分為外源和內(nèi)源.外源碳主要來(lái)源于:(1)碳酸鹽礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)化后隨地表徑流流入和大氣CO2溶解形成河流顆粒/溶解無(wú)機(jī)碳;(2)陸生植物殘?bào)w、人類(lèi)生產(chǎn)生活排放的廢水以及土壤有機(jī)質(zhì)經(jīng)物理/化學(xué)侵蝕作用形成河流顆粒/溶解有機(jī)碳.內(nèi)源碳主要來(lái)源于:(1)河道內(nèi)浮游植物、細(xì)菌和水生動(dòng)物等呼吸作用以及有機(jī)質(zhì)在微生物作用下礦化分解生成的PIC/DIC;(2)浮游植物光合作用、細(xì)菌光化學(xué)反應(yīng)、河床底泥在水流驅(qū)動(dòng)作用下釋放的POC/DOC[15].研究中常采用有機(jī)質(zhì)的碳氮比(C/N)或碳同位素來(lái)分析河流有機(jī)碳的來(lái)源.研究發(fā)現(xiàn)[16],近年來(lái)河流有機(jī) C/N正在下降,這種變化可能造成全球河口和沿海水域碳源匯發(fā)生轉(zhuǎn)換.

圖1 河流生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)示意Fig.1 Schematic diagram of carbon cycle in river ecosystem

1.1.2 河流碳?xì)w趨及不同河流碳通量差異 河流在將大量碳從陸地儲(chǔ)存輸送至下游的淡水和海洋生態(tài)系統(tǒng)的過(guò)程中,這些碳或經(jīng)浮游植物、細(xì)菌和水生動(dòng)物消化排泄形成內(nèi)陸水體中的碳沉積,或以氣態(tài)碳的形式進(jìn)入大氣,完成水-氣界面的碳交換,還有部分隨河水匯集到海洋.

過(guò)去的 40a以來(lái),人們多次探索了在全球變暖和人為擾動(dòng)的情況下河流碳的輸出通量及其空間分布特征[7-17].不同來(lái)源與組成的碳組分對(duì)全球氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的影響各不相同,流域類(lèi)型的差異也會(huì)造成有機(jī)碳含量的時(shí)空分布不同.表 1列出了世界大河的碳運(yùn)輸通量對(duì)比,可以看出黃河 POC侵蝕模數(shù)遠(yuǎn)高于其他類(lèi)型的河流,反映了黃河中POC以土壤侵蝕來(lái)源為主的特征;北江的DIC通量最高,可能是由于該流域受碳酸鹽風(fēng)化影響顯著;受熱帶氣候及植被覆蓋的影響,亞馬遜流域DOC通量?jī)H次于東江和北江;密西西比河的 DIC通量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 DOC/POC 通量,主要是化學(xué)風(fēng)化作用導(dǎo)致,受到氣候變化的影響,預(yù)計(jì)未來(lái)密西西比河 DIC通量將繼續(xù)增加[14].

表1 世界大河碳運(yùn)輸通量對(duì)比 [tgC/(km2·a)]Table 1 Comparison of carbon transport fluxes in world's big rivers [tgC/(km2·a)]

1.2 河流碳循環(huán)影響因素及碳通量空間格局

近年來(lái),學(xué)者在強(qiáng)調(diào)水化學(xué)特征與流域物理化學(xué)侵蝕研究的同時(shí),對(duì)流域生物地球化學(xué)循環(huán)方面的研究也越來(lái)越重視.流域中碳組分含量的變化與氣溫、降水量以及水文過(guò)程的變化有關(guān).凈初級(jí)生產(chǎn)(NPP)是判斷河流碳源匯的重要指標(biāo),也會(huì)對(duì)水體碳含量造成影響[27].許多學(xué)者研究了河流碳組分及其轉(zhuǎn)化過(guò)程,如張連凱等[19]估算了珠江流域的碳通量和侵蝕模數(shù),發(fā)現(xiàn)珠江流域 DOC、POC和 TOC的侵蝕模數(shù)較全球平均值要高,且豐水期DIC通量高于平水期,這可能是雨水沖刷作用導(dǎo)致.研究發(fā)現(xiàn)[28]POC出口主要受河流運(yùn)輸 POC的能力控制,Bouchez等[29]首次沿河流深度剖面收集亞馬遜河沉積物對(duì) POC來(lái)源及運(yùn)輸方式進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)POC通量似乎也受懸浮負(fù)荷(如表面積的量、類(lèi)型及離散有機(jī)顆粒的存在)的控制.Reiman等[14]對(duì)密西西比河DOC和DIC濃度、13C穩(wěn)定同位素和 CO2分壓監(jiān)測(cè)表明未來(lái)河流向沿海和大氣系統(tǒng)的碳出口將大幅度增加,這將改變河流與沿海地區(qū)的碳平衡.

估算河流碳通量及其空間格局變化對(duì)于了解全球碳收支具有重要意義.Li等[7]基于更新的全球數(shù)據(jù)庫(kù)中405條河流數(shù)據(jù)建立河流碳組分的線性回歸模型,模擬了河流DOC、POC和DIC通量的空間分布,估算了全球河流碳通量.他們認(rèn)為徑流量、土壤碳量、森林覆蓋、濕地面積、侵蝕量、巖石風(fēng)化、流域坡度及總懸浮泥沙(TSS)通量等因素均與河流碳通量顯著相關(guān).由圖 2可以看出全球河流的碳通量在空間格局上表現(xiàn)出很大的差異.亞洲的DOC和POC出口量高于其他大陸,而北美出口的DIC較多.圖3中河流DOC通量在0～30°S區(qū)域最高,但POC和DIC通量在30～60°N區(qū)域達(dá)到最高.

圖2 模擬全球河流DOC、POC和DIC通量的空間格局(TgC/a)[7]Fig.2 Spatial patterns of simulated global riverine DOC, POC,and DIC flux (Tg C/a)

圖3 沿緯度帶的河流DOC、POC和DIC通量[7]Fig.3 Riverine DOC, POC, and DIC fluxes along different latitudes

近年來(lái),由于生態(tài)氣候的變化,導(dǎo)致凍土消融、冰川融化和水循環(huán)加劇等問(wèn)題的出現(xiàn),河流的水文化學(xué)特征以及流域碳循環(huán)研究變得愈加重要.理解不同流域侵蝕特點(diǎn)及其對(duì)河流碳循環(huán)的影響機(jī)理、分析河流碳循環(huán)應(yīng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)等,是未來(lái)河流碳循環(huán)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn).考慮到相關(guān)要素的空間異質(zhì)性和時(shí)間波動(dòng)性,相關(guān)研究已經(jīng)無(wú)法單純依賴(lài)基于少數(shù)點(diǎn)位的觀測(cè),有必要引入遙感等新興技術(shù)以應(yīng)對(duì)該挑戰(zhàn).

2 湖泊碳循環(huán)過(guò)程及其影響因素

2.1 湖泊碳循環(huán)過(guò)程及其重要性

2.1.1 湖泊中碳的來(lái)源與輸送過(guò)程 湖泊作為內(nèi)陸水體的重要組成,匯集了大量陸地地表水的碳素,強(qiáng)烈影響著全球碳源和碳匯[30],在調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、維持區(qū)域碳收支和生態(tài)系統(tǒng)平衡中起著重要作用[13].湖泊中的碳組分也可分為DIC、DOC、PIC和POC4種.湖泊中碳的來(lái)源也分為外源和內(nèi)源.

如圖 4所示,湖泊的外源碳主要包括:(1)陸生植物碎屑礦化、巖石風(fēng)化和 CO2經(jīng)水-氣界面溶解形成的 PIC/DIC;(2)陸生植物凋落物在風(fēng)力作用下進(jìn)入、土壤侵蝕和有機(jī)污水的排放形成的POC/DOC.內(nèi)源碳主要包括:(1)湖泊和底泥中的有機(jī)質(zhì)在水生浮游動(dòng)物、魚(yú)類(lèi)、底棲動(dòng)物及微生物作用下的礦化分解以及底泥礦化分解形成的PIC/DIC;(2)藻類(lèi)、本地浮游植物、以及高等水生植物光合作用、細(xì)菌的光化學(xué)反應(yīng)形成的POC/DOC.碳進(jìn)入湖泊后大致有五部分輸出:①隨相應(yīng)出湖河道流入其他水域;②有機(jī)碎屑沉降/碳酸鹽沉淀后儲(chǔ)存在湖底;③經(jīng)水-氣界面以 CO2輸出;④向深層土壤的滲漏;⑤人類(lèi)活動(dòng)造成的輸出,如捕撈等.

圖4 湖泊碳循環(huán)模式Fig.4 Lake carbon cycle model

2.1.2 湖泊碳循環(huán)的重要性 一方面,湖泊水-氣界面的 CO2交換是全球碳循環(huán)的重要組成成分[31-32],另一方面,湖泊由于復(fù)雜的水生環(huán)境以及氮(N)、磷(P)等元素濃度變化導(dǎo)致的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化和水華等導(dǎo)致了多種形式的碳元素固定與轉(zhuǎn)化.全面了解湖泊碳循環(huán)不僅可以豐富對(duì)全球碳循環(huán)的認(rèn)識(shí),而且有助于闡明C-N-P生物地球化學(xué)循環(huán)及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的耦合機(jī)制,及時(shí)把握湖泊富營(yíng)養(yǎng)化狀況,為相關(guān)預(yù)警決策提供依據(jù).

2.2 湖泊碳循環(huán)影響因素

由于氣候類(lèi)型的差異,造成不同類(lèi)型湖泊的碳循環(huán)影響因素迥異[33].極地湖泊中碳的組成及通量主要受冰川融水、凍土的作用影響.如 Marsh等[34]使用同位素技術(shù)研究南極洲Untersee湖中的主要溶質(zhì)和碳的來(lái)源、碳循環(huán)以及微生物生態(tài)系統(tǒng)的功能,表明冰川融水在很大程度上導(dǎo)致總無(wú)機(jī)碳(TIC)濃度降低; Johnston等[35]研究了極地湖泊Canvasback湖中溶解有機(jī)物(DOM)的組成和來(lái)源,進(jìn)一步促進(jìn)了對(duì)北極湖碳循環(huán)模式和控制的理解.熱帶湖泊中大型植物、降水和人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致的氣候變化是造成碳時(shí)空變化的關(guān)鍵因素.Barbosa等[36]對(duì)亞馬遜洪泛區(qū)Janauacá湖中開(kāi)闊水域、漂浮的草本植物和被淹沒(méi)的森林3個(gè)生境中的葉綠素a、DOC、TSS(總懸浮固體)、TN和TP進(jìn)行分析采樣,估算多個(gè)時(shí)空尺度上溶解的 CH4濃度和通量,表明裸露沉積物上大型植物生長(zhǎng)和水位上升都會(huì)造成CH4濃度和通量的增加;Alcocer等[37]對(duì)熱帶高山湖泊研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)碳埋葬率顯著提高,這很可能是由于人類(lèi)活動(dòng)和大氣塵埃沉積所致.對(duì)于高原湖泊來(lái)說(shuō),海拔高度、水-氣界面是造成高原湖泊無(wú)機(jī)碳含量空間變化的重要因素[38].如類(lèi)延斌等[39]研究羌塘高原湖泊的無(wú)機(jī)碳同位素特征表明,湖泊水-氣界面 CO2交換影響δ13CDIC空間變化;趙登忠等[40]通過(guò)在青藏高原長(zhǎng)時(shí)間的野外觀測(cè)發(fā)現(xiàn),典型高原封閉性湖泊無(wú)機(jī)碳含量高于低海拔區(qū),而有機(jī)碳含量卻較低,間接證明了封閉型湖泊中的生命活動(dòng)較弱.

內(nèi)陸湖中流域的坡度和土壤有機(jī)質(zhì)密度是影響湖泊 DOC濃度的主要因素[41],同時(shí)溫度以及藻類(lèi)也會(huì)造成 CO2含量的變化.如最近齊天賜等[42]利用 MODIS(中分辨率成像光譜儀)影像和野外觀測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建了太湖 CO2遙感估算模型,指出太湖 CO2排放的時(shí)空分布表現(xiàn)出高度異質(zhì)性,如圖 5所示,CO2排放量在夏季和秋季(6～11月)較低,冬季和春季(12～5月)較高,這是由于夏季和秋季高 Chla引起光合速率和 CO2吸收增加,大量無(wú)機(jī)碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳,造成湖泊中溶解 CO2減少.研究表明溫度、藻類(lèi)生物量也會(huì)造成水中溶解 CO2濃度及含量變化,該研究為探索內(nèi)陸水域溶解CO2濃度的空間和時(shí)間變化及其影響因素提供了重要方法,在湖泊 CO2動(dòng)力學(xué)中起著重要作用.

圖5 1～12月太湖月平均MODIS估算的CO2空間分布[42]Fig.5 Spatial distributions of monthly mean MODIS-estimated carbon dioxide concentration of Lake Taihu from January to December

綜上,湖泊中碳組分的來(lái)源及其在不同時(shí)間尺度上的變化引起湖泊碳循環(huán)模式的改變.不同水域或同一水域的不同生境都會(huì)影響碳通量的時(shí)空變化.青藏高原等高海拔區(qū)域的水域碳循環(huán)過(guò)程受氣候變化較低海拔水域更為敏感,碳時(shí)空變化特征更為顯著.研究湖泊中碳組分的來(lái)源與循環(huán)過(guò)程有助于揭示湖泊水質(zhì)特征及其富營(yíng)養(yǎng)化程度,分析碳組分對(duì)食物網(wǎng)和湖泊生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的影響.光照、溫度、溶解氧、風(fēng)速、有機(jī)質(zhì)含量以及沉積物再懸浮等都會(huì)影響湖泊中碳的分布與轉(zhuǎn)移.相關(guān)研究加深了對(duì)湖泊碳動(dòng)力學(xué)研究的認(rèn)識(shí),對(duì)了解區(qū)域和全球碳循環(huán)有重要意義.但目前有測(cè)量數(shù)據(jù)的湖泊仍然較少,尤其是高緯度、高海拔地區(qū)的湖泊.未來(lái),一方面應(yīng)進(jìn)一步采集更多的水樣數(shù)據(jù),另一方面應(yīng)結(jié)合遙感等大區(qū)域監(jiān)測(cè)的先進(jìn)技術(shù)推進(jìn)多時(shí)空尺度上的湖泊碳組分的研究,實(shí)現(xiàn)對(duì)大區(qū)域乃至全球范圍湖泊碳循環(huán)過(guò)程的整體把控.

3 實(shí)驗(yàn)室測(cè)定技術(shù)

一般可通過(guò)總有機(jī)碳分析儀(TOC分析儀)和電感耦合等離子體-原子發(fā)射光譜儀直接或間接測(cè)量水樣中的TOC/DOC含量.利用同位素示蹤技術(shù)可以對(duì)水樣中的POC、DIC等組分進(jìn)行追蹤.除此之外,核磁共振技術(shù)與氣相色譜儀也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)碳分子結(jié)構(gòu)和通量的測(cè)定.

3.1 TOC分析儀

實(shí)驗(yàn)室常采用 TOC分析儀測(cè)量水體總有機(jī)碳(TOC)含量,通過(guò)檢測(cè)氧化生成的CO2含量實(shí)現(xiàn)對(duì)水體樣本中碳組分的測(cè)定.其原理詳見(jiàn)文獻(xiàn)[43-44].

3.2 電感耦合等離子體-原子發(fā)射光譜法(ICPAES)

電感耦合等離子體-原子發(fā)射光譜法(ICPAES)原理詳見(jiàn)文獻(xiàn)[45-46].目前該方法已成功應(yīng)用于監(jiān)測(cè)水處理廠的效率和測(cè)定同一樣品中溶解CO2的含量和碳酸鹽含量?jī)蓚€(gè)應(yīng)用領(lǐng)域. Maestre等[47]提出了基于ICP-AES中碳原子發(fā)射強(qiáng)度對(duì)水樣中的TOC(或DOC)、IC進(jìn)行測(cè)量,該方法在飲用水和廢水樣品測(cè)量中具有較好的性能;Stefansson等人[48]利用該方法分析了天然水樣品中的DIC和DOC濃度,相比于傳統(tǒng)測(cè)定方法,該方法分析速度快、精確度高、檢出限低、測(cè)定結(jié)果比較可靠,在測(cè)定水體碳組分方面還有很大應(yīng)用空間.另外,該方法也可用于地球化學(xué)分析測(cè)定沉積物,推斷潛在的沉積物來(lái)源[49].

3.3 碳同位素技術(shù)

碳同位素技術(shù)分為放射性碳同位素(Δ14C)技術(shù)和穩(wěn)定碳同位素(δ13C)技術(shù)[50].研究中常利用該技術(shù)分析河流湖泊中有機(jī)碳的陸源與自源相對(duì)貢獻(xiàn)率[51].許多學(xué)者利用碳同位素技術(shù)追蹤河流湖泊不同營(yíng)養(yǎng)水平之間的碳流.如 Zhao等[52]利用碳同位素示蹤技術(shù)對(duì)受降雨徑流、碳濕沉降嚴(yán)重影響的亞熱帶森林流域香溪河的碳濃度分布、碳通量特征和來(lái)源進(jìn)行分析,表明流域森林生態(tài)系統(tǒng)強(qiáng)烈影響全球碳收支平衡;楊海全等[53]利用 Δ14C和δ13C組成對(duì)中國(guó)富營(yíng)養(yǎng)湖泊滇池水體 DIC的含量、POC的來(lái)源和循環(huán)過(guò)程的研究表明滇池水體 DIC和POC含量和δ13C的時(shí)空分布主要受光合作用、陸源輸入和沉積物再懸浮的影響;Li等[54]基于δ13C和δ15N比值的蒙特卡羅模擬的三端元混合模型對(duì)太湖水體有機(jī)質(zhì)來(lái)源的研究表明,水生植物、水華、水動(dòng)力變化等會(huì)造成太湖有機(jī)質(zhì)來(lái)源和組成的空間異質(zhì)性.學(xué)者們利用碳同位素示蹤技術(shù)[55],同時(shí)結(jié)合δ15N和C/N以便準(zhǔn)確評(píng)估河流湖泊沉積物中有機(jī)質(zhì)來(lái)源,從而更好地推斷該水生生態(tài)系統(tǒng)及沉積物的環(huán)境演變過(guò)程.

3.4 13C核磁共振技術(shù)(NMR)

13C核磁共振技術(shù)是直接研究物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)特征的重要技術(shù)手段,其原理詳見(jiàn)文獻(xiàn)[56].目前該方法已廣泛應(yīng)用于有機(jī)碳結(jié)構(gòu)、反應(yīng)過(guò)程和穩(wěn)定性研究.如 Mao等[57]通過(guò)核磁共振進(jìn)行分級(jí)納米多孔碳吸附揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)和 CO2的分子研究,為有效的分層多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)打開(kāi)了新的思路;Fischer等[58]研究證明13C核磁共振是研究環(huán)氧樹(shù)脂(碳物質(zhì))反應(yīng)過(guò)程和結(jié)構(gòu)的有效方法;Watanabe等[59]利用該技術(shù)研究腐殖酸中碳官能團(tuán)組成.

3.5 氣相色譜儀

氣相色譜儀將氣體作為流動(dòng)相,利用物質(zhì)理化性質(zhì)的不同實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體組分的分離,以測(cè)定混合物中各組分的含量.該儀器已成功應(yīng)用于水溶液中碳元素的分析及碳通量測(cè)定(如CO2、CH4). 郭佳等[60],周文昌等[61]均利用氣相色譜儀測(cè)定濕地水體的溫室氣體(包括CO2和CH4)的排放通量,取得了較好的效果.

4 遙感技術(shù)

4.1 遙感反演河湖碳組分的原理與方法

遙感技術(shù)通過(guò)借助地球表面和電磁波之間的相互作用,從遠(yuǎn)距離感知目標(biāo)反射或自身輻射的電磁波來(lái)對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行探索和識(shí)別[62-63].目前,該技術(shù)在水環(huán)境領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用.例如,通過(guò)遙感監(jiān)測(cè)水體受污染程度、預(yù)測(cè)有害藻華發(fā)生頻率、對(duì)實(shí)際污染情況進(jìn)行跟蹤、大范圍監(jiān)測(cè)評(píng)估河流湖泊水質(zhì)健康等[64].懸浮物質(zhì)、葉綠素、CDOM 物質(zhì)等會(huì)影響水體的光譜特征,其濃度的變化會(huì)導(dǎo)致水體的遙感反射率呈現(xiàn)出一定的差異性.根據(jù)遙感反射率與碳組分濃度之間的關(guān)系,通過(guò)一系列不同的反演算法即可估算出碳組分的濃度.

遙感反演的方法大體可以分為模型分析法、經(jīng)驗(yàn)法和半經(jīng)驗(yàn)分析法三類(lèi).近年來(lái),一些新興的研究方法,例如多元線性回歸模型、遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法也被越來(lái)越多地應(yīng)用于河湖碳組分遙感反演研究.遙感技術(shù)具有全方位、大尺度、多時(shí)相的優(yōu)勢(shì),相較于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)定技術(shù),遙感技術(shù)應(yīng)用于河流湖泊的碳組分反演,能夠幫助實(shí)現(xiàn)由點(diǎn)到面的轉(zhuǎn)換,便于開(kāi)展大區(qū)域、多時(shí)相的河湖碳濃度變化監(jiān)測(cè),具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì),是研究河流湖泊碳循環(huán)的重要手段[65].

4.2 運(yùn)用遙感反演河湖碳組分

目前能夠利用遙感數(shù)據(jù)反演的河湖碳組分主要包括DOC、CDOM(有色溶解有機(jī)物)、POC以及浮游植物Chla.DOC是重要的水質(zhì)參數(shù),經(jīng)常被用來(lái)估算水體的有機(jī)物含量[66].CDOM是DOC的光吸收部分,研究發(fā)現(xiàn)CDOM的吸收系數(shù)與DOC濃度之間存在顯著的統(tǒng)計(jì)依賴(lài)性[67],它與Chla和TSS(總懸浮顆粒物)是確定水體光化學(xué)特性的重要參數(shù)[68].衛(wèi)星遙感技術(shù)通過(guò)對(duì)各類(lèi)碳組分的監(jiān)測(cè)來(lái)確定全球或區(qū)域范圍內(nèi)河流湖泊的碳時(shí)空變化[69].

4.2.1 遙感反演CDOM 評(píng)估水體中的CDOM對(duì)于實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)和全面了解區(qū)域/全球碳循環(huán)過(guò)程有重要意義.越來(lái)越多的學(xué)者致力于建立河流湖泊等Ⅱ類(lèi)水體CDOM遙感反演算法,研究在區(qū)域尺度上聯(lián)合使用衛(wèi)星圖像(如 Landsat和 Sentinel)對(duì)CDOM 進(jìn)行估算的方法[70].針對(duì)不同水質(zhì)特征的流域,選用的波段也不同,這與底泥反射率、葉綠素、濁度以及懸浮物等因素有關(guān)[71].

Li等[72]提出了一種基于Landsat-8的原位光譜輻射數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)的半解析算法來(lái)反演休倫湖 Saginaw灣的CDOM以觀測(cè)其時(shí)空動(dòng)態(tài),為進(jìn)一步研究淡水或沿海生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)提供技術(shù)支撐.由圖 6可以看出,春季(b)CDOM 在波長(zhǎng) 440nm 處吸收系數(shù)[aCDOM(440)]要高于其他季節(jié),這可能是由于降雨/融雪等自然條件將大量的土壤碳帶進(jìn)水生生態(tài)系統(tǒng),形成了春季較高的CDOM水平.對(duì)受不同土地覆蓋類(lèi)型影響的水域中CDOM水平比較分析(圖7)表明,土地覆蓋類(lèi)型和土地利用方式的不同造成 CDOM的空間分布不同,受濕地影響的湖區(qū)各季節(jié)的CDOM水平均高于農(nóng)業(yè)附近的水域.

圖6 Saginaw灣aCDOM(440)在不同季節(jié)的空間分布[72]Fig.6 The spatial distribution of aCDOM (440) in Saginaw Bay in different seasons

圖7 Saginaw灣北岸6個(gè)月的aCDOM(440)空間格局[72]Fig.7 aCDOM(440) spatial patterns in six different months in the north coast of Saginaw Bay

4.2.2 遙感反演DOC DOC濃度的變化會(huì)影響湖泊熱分層的時(shí)間和幅度,同時(shí)也會(huì)對(duì)其他污染物的運(yùn)輸和轉(zhuǎn)化產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響氣候變化,破壞生態(tài)系統(tǒng),并造成環(huán)境污染. MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)已經(jīng)被用于河湖的 DOC估算.利用遙感反射率來(lái)獲取DOC濃度是一種基于經(jīng)驗(yàn)關(guān)系來(lái)構(gòu)建波段比值的反演算法.如 Cherukuru 等[73]利用遙感反射率Rrs(412)/Rrs(488)估算澳大利亞莫頓灣(MB)DOC濃度.還有學(xué)者[74]利用CDOM或葉綠素a與DOC的相關(guān)性,來(lái)間接實(shí)現(xiàn)對(duì)DOC濃度的反演.

Chen等[75]聯(lián)合使用高空間分辨率的Landsat-8和Sentinel-2衛(wèi)星,基于休倫湖Saginaw河口2013～2018年38幅Landsat-8和36幅Sentinel-2無(wú)云圖像,根據(jù)DOC與CDOM之間的相關(guān)性估算DOC濃度.圖8展示了2018年DOC濃度的月時(shí)空變化,可以看到,在春季(4～5月)和秋季(9～11月) DOC濃度較高,而在夏季(6～8月)較低,季節(jié)性的DOC變化與融雪、降雨、溫度、太陽(yáng)輻射、作物收獲、落葉以及其他陸地和水文事件有關(guān).另有研究認(rèn)為,由于氣候、土地利用和酸沉降的改變,整個(gè)北半球的 DOC濃度正在變化[76].

圖8 2018年休倫湖Saginaw羽流區(qū)月平均DOC的空間分布[75]Fig.8 Spatial distributions of monthly mean DOC in Saginaw plume regions of Lake Huron in 2018 by combining Landsat-8 and Sentinel-2 images

4.2.3 遙感反演POC 估算POC對(duì)于全面了解碳循環(huán)、水生生態(tài)系統(tǒng)的功能以及富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中污染物的遷移至關(guān)重要.相關(guān)研究人員已經(jīng)先后利用Landsat、MODIS、MERIS、VIIRS、GOCI、SeaWiFS等衛(wèi)星數(shù)據(jù)建立了不同的河湖 POC估算方法,如Jiang等[77]利用可見(jiàn)光紅外成像輻射儀(VIIRS)所獲取的多光譜數(shù)據(jù)測(cè)定了內(nèi)陸和沿海水域的表面POC濃度;Xu等[78]基于OLCI/Sentinel-3A傳感器的560、674和709nm3個(gè)光譜帶跟蹤POC源;部分研究者[79-80]通過(guò)中分辨率成像光譜儀(MERIS)衛(wèi)星獲得的反射率來(lái)估算光學(xué)復(fù)雜內(nèi)陸水域的POC水平.

Liu等[81]基于靜止海洋彩色成像儀(GOCI)收集 了 2014～2016年長(zhǎng)江口徐六涇水文站的數(shù)據(jù),利用POC濃度與總懸浮物(TSM)的線性關(guān)系,開(kāi)發(fā)了一種河流 POC通量估算方法.圖 9看出冬季(11月～1月)POC濃度顯著高于夏季(5月～7月),這可能是由于沉積物再懸浮所致.他們認(rèn)為POC濃度的高時(shí)空變化主要受風(fēng)速、沉積物再懸浮和潮汐過(guò)程的影響.

圖9 GOCI獲得的長(zhǎng)江口徐六涇水文站2015年5月～2016年4月的月平均POC濃度[81]Fig.9 GOCI-derived monthly mean POC concentrations from May 2015 to April 2016 at the Xuliujing hydrological station in the Yangtze River Estuary

4.2.4 遙感反演 Chla Chla作為浮游植物生物量的指標(biāo),可用來(lái)反映水體富營(yíng)養(yǎng)化程度.目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多種遙感反演 Chla的方法對(duì)浮游植物時(shí)空變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)來(lái)分析發(fā)生水華的時(shí)間和大小.如彭保發(fā)等[82]基于高分辨率對(duì)地觀測(cè)光學(xué)衛(wèi)星高分一號(hào) (GF-1)影像對(duì)洞庭湖區(qū)Chla濃度、懸浮物濃度和透明度進(jìn)行了監(jiān)測(cè),取得了較好的效果.

Jiang等[83]基于VIIRS觀測(cè)開(kāi)發(fā)了一種與吸收相關(guān)的光學(xué)分類(lèi)方法來(lái)估算 Chla濃度,將研究水域分為碎屑主導(dǎo)水域(Wd)、色素主導(dǎo)水域(Wp)和中間水域(Wm),針對(duì) 3種不同的水域環(huán)境采用了波段比值法和三波段算法,估算了太湖、鄱陽(yáng)湖、巢湖、石頭口門(mén)水庫(kù)、珠江口和大亞灣的 Chla,結(jié)果如圖 10所示,可以看出Chla的分布具有顯著的空間異質(zhì)性,富營(yíng)養(yǎng)化程度高的水域,其Chla濃度較高.

圖10 基于2014年10月6日的VIIRS數(shù)據(jù)反演的不同水域環(huán)境Chla[83]Fig.10 Chla of different water environment based on VIIRS data inversion on October 6, 2014

衛(wèi)星傳感器的不斷發(fā)展極大地推動(dòng)了河流湖泊水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)的進(jìn)步,為研究碳的遷移與轉(zhuǎn)化提供了技術(shù)支撐.目前研究者已經(jīng)利用 Landsat、MODIS、Sentinel系列、GOCI、MERIS以及高分系列等衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)河流湖泊中CDOM、DOC、POC、Chla等組分進(jìn)行了反演[84].波段比值法、三波段算法等回歸模型被廣泛使用.水中組分的固有光學(xué)特性(IOPs)是建立水色遙感與懸浮物、CDOM、Chla等光學(xué)活性組分關(guān)系的重要參數(shù)[68].如最近研究收集了中國(guó)三大淡水湖(巢湖、太湖和洪澤湖)實(shí)地測(cè)量的IOPs數(shù)據(jù),利用Sentinel-3A/OLCI開(kāi)發(fā)了一種專(zhuān)門(mén)適用于光學(xué)復(fù)雜湖泊的 IOPs反演算法(QAA-750E)分析該水域光學(xué)活性組分的空間和季節(jié)分布[85]. GOCI和Sentinel-3等遙感數(shù)據(jù)因較高空間分辨率、適宜的水色波段設(shè)置及輻射靈敏度好等優(yōu)勢(shì)在未來(lái)河流湖泊水色遙感應(yīng)用中更具優(yōu)勢(shì).機(jī)器學(xué)習(xí)算法、深度學(xué)習(xí)等新興方法也有助于未來(lái)反演模型的更新建立.這些方法在一定條件下可擴(kuò)展到其他流域,將為了解人類(lèi)活動(dòng)和氣候變化下河流碳輸運(yùn)及其機(jī)制提供更加豐富的時(shí)間序列數(shù)據(jù).

5 監(jiān)測(cè)模擬技術(shù)

5.1 河流水體碳循環(huán)模型

20世紀(jì)80年代初期開(kāi)始了對(duì)河流碳通量的大規(guī)模研究, Ludwig[18]最先研究河流碳循環(huán)模型,在他之后研究人員基于該經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭鸩浇⒘瞬煌叨?、不同區(qū)域的河流碳通量模型,如NEWS-DOC模型、MORE-DOC模型、NICE-BGC模型、THINCARB 模型以及SWAT模型等,這些模型用于解釋河流碳的來(lái)源與特征,并可以幫助揭示河流碳的時(shí)空變化.

5.1.1 NEWS-DOC模型與 MORE-DOC模型Ludwig等[18]在1996年利用觀測(cè)到的河流DOC和POC數(shù)據(jù),建立有機(jī)碳通量與流域氣候、生態(tài)和地貌模式之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,Harrison等[86]在該模型的基礎(chǔ)上運(yùn)用空間顯示模型開(kāi)發(fā)了以年徑流量、濕地面積和消耗性用水量為函數(shù)的NEWS-DOC模型來(lái)預(yù)測(cè) DOC的通量.此后,Lv等[24]將螺旋理論與Strahler河階耦合,結(jié)合DOC在河流中的吸收速度與水文參數(shù),建立一個(gè)長(zhǎng)江水系DOC運(yùn)移的綜合模型—MORE-DOC模型,以量化河流中的DOC.這3種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀兄谌媪私獯笮秃泳W(wǎng)中 DOC從陸地到河口的輸運(yùn)和碳通量,估算區(qū)域碳收支.如 Li等[7]利用 Ludwig建立的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸浪闳蚝恿鞯奶纪?Lacroix等[87]應(yīng)用NEWS-DOC模型量化了DOC集水區(qū)產(chǎn)量,確定了 tDOM(陸地溶解有機(jī)物)和POM(顆粒有機(jī)質(zhì))的河流有機(jī)負(fù)荷.但MORE-DOC模型目前尚未見(jiàn)應(yīng)用,且該模型的建模中未考慮DOC的原位生產(chǎn)、氣候變化對(duì)DOC降解的影響以及土壤有機(jī)質(zhì)長(zhǎng)期變化等因素,仍有待進(jìn)一步發(fā)展完善.

5.1.2 NICE-BGC模型 Nakayama等[88-89]開(kāi)發(fā)了一種基于過(guò)程的生態(tài)水文與生物地球化學(xué)循環(huán)的耦合模型(NICE-BGC),該模型利用土壤、水、溫度、植物、無(wú)機(jī)碳和有機(jī)碳之間的復(fù)雜關(guān)系,結(jié)合碳、氮和磷循環(huán)的連通性,以及地表水和地下水、山坡和河網(wǎng)以及其他中間區(qū)域之間的水文循環(huán),模擬了河流向海洋的水平輸送和垂直通量.他們于2018年[90]利用該模型估計(jì)全球82個(gè)水庫(kù)的CO2排放量和碳埋藏量分別為(66.5±35.9)和(54.7±29.1)TgC/a.該模型能夠合理地模擬區(qū)域和全球尺度上的水文循環(huán),對(duì)改善時(shí)空熱點(diǎn)地區(qū)的生物地球化學(xué)循環(huán)起到重要作用[91],但在模擬精度和準(zhǔn)確性方面還有所欠缺,很難將該模型系統(tǒng)直接擴(kuò)展到全球范圍內(nèi)的不同水文氣候條件.

5.1.3 THINCARB 模型 Helen基于Neal等人[92]開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)熱力學(xué)模型提出了THINCARB模型(無(wú)機(jī)碳的熱力學(xué)模型)[93],使用pH值、堿度和溫度來(lái)估算DIC濃度、形態(tài)(碳酸氫鹽、HCO3-、CO32-、H2CO3)和CO2分壓,之后采用DOC數(shù)據(jù)集以及空間土地利用、地質(zhì)、數(shù)字高程和水文數(shù)據(jù)集進(jìn)行模型輸出.該模型對(duì)于了解流域中碳的源、匯以及與其他宏觀養(yǎng)分(氮和磷)循環(huán)之間的耦合至關(guān)重要.如 Smith等

[94]使用THINCARB模型量化英國(guó)泰晤士河支流的 DIC,研究其富營(yíng)養(yǎng)化程度對(duì)內(nèi)陸水域總初級(jí)生產(chǎn)力的影響.因此,THINCARB 模型提供了內(nèi)陸水域與陸-水生物地球化學(xué)循環(huán)研究的新視角.

5.1.4 SWAT模型 SWAT模型(土壤-水評(píng)估工具)是一種基于流域尺度的分布式水文模型,將流域劃分為大小不同的子流域,然后進(jìn)一步細(xì)分為具有土地利用、土壤類(lèi)型和坡度的水文響應(yīng)單元,該模型采用日連續(xù)空間分布模擬氣候、土壤和大型復(fù)雜流域中的溶解和顆粒元素.Fabre等[26]基于該模型量化和模擬葉尼塞河中的有機(jī)碳和懸浮沉積物轉(zhuǎn)移,試圖解釋沉積物、POC和DOC運(yùn)輸中涉及的復(fù)雜過(guò)程,并量化其在河口的通量;Oeurng等[95]用SWAT模型評(píng)估發(fā)源于比利牛斯山脈流域的沉積物和 POC通量與遷移,分析流域內(nèi)的土壤侵蝕;Latifah等[96]使用SWAT模型對(duì)南蘇拉威西島上游Jeneberang流域的水文和沉積物以及相關(guān)的有機(jī)碳產(chǎn)量進(jìn)行評(píng)估;Daramola等[97]使用SWAT模型估算尼日利亞卡杜納流域的沉積物產(chǎn)量.這些研究表明 SWAT模型不受流域類(lèi)型的影響,可應(yīng)用于全球范圍內(nèi)不同的內(nèi)陸水域,有助于大尺度甚至全球范圍的河湖及其流域碳循環(huán)研究.

5.2 湖泊水體碳循環(huán)模型

隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)復(fù)雜內(nèi)陸水域研究的深入,湖泊碳循環(huán)模型已經(jīng)經(jīng)歷了由靜態(tài)模型到動(dòng)態(tài)模型,由單一模型到耦合生物群落組成、湖泊水動(dòng)力過(guò)程、碳氮磷多元素循環(huán)等過(guò)程的復(fù)雜模型的轉(zhuǎn)變.目前常用的湖泊碳循環(huán)模型包括太湖模型、動(dòng)態(tài)質(zhì)量平衡模型、INCA-C模型、水體碳形態(tài)轉(zhuǎn)化模型等.

5.2.1 太湖碳循環(huán)模型(CCM) 胡維平等在已有的生態(tài)太湖模型(EcoTaihu)[98]基礎(chǔ)上,新添了浮游植物動(dòng)物、魚(yú)類(lèi)、大型植物中的碳、水中非生物有機(jī)碳、沉積物中有機(jī)碳/無(wú)機(jī)碳、間隙水中可溶性有機(jī)碳/無(wú)機(jī)碳以及pH值等變量.將流體動(dòng)力學(xué)過(guò)程、養(yǎng)分循環(huán)、化學(xué)和多種生物過(guò)程等相耦合建立了太湖碳循環(huán)模型(CCM)[99],可用于模擬有機(jī)碳降解、CO2的生物固定以及碳在不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)的流動(dòng)過(guò)程.該模型考慮了水生食物網(wǎng)所有部分的碳流路徑信息,有助于揭示太湖生態(tài)系統(tǒng)特征.Li等[100]利用該模型對(duì)太湖藻華水平做出預(yù)測(cè).

5.2.2 動(dòng)態(tài)質(zhì)量平衡模型 McCullough等[101]開(kāi)發(fā)了一個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)質(zhì)量平衡模型,通過(guò)對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)各組成部分之間、系統(tǒng)與外界物質(zhì)能量交換以及這些關(guān)系的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析來(lái)研究湖泊OC的動(dòng)態(tài)行為.他們運(yùn)用該動(dòng)態(tài)模型對(duì)4個(gè)北溫帶湖泊和1個(gè)北極湖泊的OC通量研究觀測(cè)到顯著的季節(jié)性和年際變化.該模型具有較高的可靠性,可快速評(píng)估湖泊的主要碳通量,能更有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)系統(tǒng)的模擬.但由于缺乏觀測(cè)數(shù)據(jù),依賴(lài)于經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)的方程,會(huì)導(dǎo)致對(duì)碳埋藏的低估.

5.2.3 INCA-C模型 Futter等[102]于2007年提出了一個(gè)基于過(guò)程、半分布式集水規(guī)模過(guò)程的地表水DOC濃度和通量模型—碳匯流綜合模型(INCA-C),它由GIS界面、外部降雨徑流模型、陸相水化學(xué)模型以及河流模型 4部分組成,將陸地系統(tǒng)中的碳生物地球化學(xué)過(guò)程與水文路徑結(jié)合起來(lái),模擬整個(gè)流域的土壤和地表水中的DOC和DIC碳動(dòng)力學(xué).之后利用該模型測(cè)試了Langtjern流域[103]和瑞典4個(gè)綜合監(jiān)測(cè)站點(diǎn)[104]DOC濃度的季節(jié)性和年際變化.Oni等[105]于2012年用該模型成功地模擬了Simcoe湖流域的DOC動(dòng)態(tài).與經(jīng)驗(yàn)建模相比,INCA-C基于過(guò)程的模型可以為理解生物地球化學(xué)機(jī)制提供工具,適合于預(yù)測(cè)森林、溫帶和北方環(huán)境中地表水 DOC濃度的長(zhǎng)期變化,有利于質(zhì)量平衡和碳收支的分析.但其比經(jīng)驗(yàn)建模方法更復(fù)雜、應(yīng)用難度更高.

5.2.4 水體碳形態(tài)轉(zhuǎn)化模型 Gioffi等[106]為研究Piediluco湖中的富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程和水動(dòng)力條件變化開(kāi)發(fā)了一個(gè)非均勻混合的三維模型—水體碳形態(tài)轉(zhuǎn)化模型,包括兩個(gè)耦合模塊(非定常二維水動(dòng)力模型和三維水質(zhì)模型),該模型由于流體動(dòng)力學(xué)方程的簡(jiǎn)化將使用限制在類(lèi)似于 Piediluco湖的情況,而在其他湖則不適用.

6 結(jié)論

6.1 高強(qiáng)度降雨、融雪以及土壤侵蝕都會(huì)造成河流湖泊體系碳含量升高,由于碳通量與流域氣候、生物和地貌模式的強(qiáng)烈相關(guān)性,導(dǎo)致大氣 CO2增加,全球變暖加劇.同時(shí)碳運(yùn)輸強(qiáng)烈影響著陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)的功能,但其本身卻受到土地覆蓋和土地利用變化的影響.因此需要在關(guān)鍵帶流域更系統(tǒng)深入地研究氣候因子、生態(tài)因子、地貌因子、土地利用和降雨事件的相互耦合對(duì)關(guān)鍵帶有機(jī)碳動(dòng)態(tài)過(guò)程的影響機(jī)制,隨著人類(lèi)活動(dòng)對(duì)內(nèi)陸水域的干擾日益加劇,人類(lèi)活動(dòng)對(duì)河流湖泊碳循環(huán)的影響將成為全球碳循環(huán)研究的重點(diǎn).

6.2 實(shí)驗(yàn)室基于TOC分析儀、ICP-AES、同位素技術(shù)、13C核磁共振與氣相色譜儀等測(cè)定方法精確描述基流和降雨徑流條件下的碳濃度和分布特征,有助于定量評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)的碳收支.

6.3 GOCI、MERIS以及 Sentinel-3/OLCI數(shù)據(jù)的水色波段設(shè)置更符合復(fù)雜內(nèi)陸水域,適用于Ⅱ類(lèi)水體的水色遙感.大多經(jīng)驗(yàn)或半解析算法針對(duì)特定區(qū)域或單一類(lèi)型水體,精度有限且適用性較低.深度學(xué)習(xí)算法能夠顯著提高碳組分的估算精度,在以后的研究應(yīng)用中具有較大潛力.同時(shí),整合不同遙感數(shù)據(jù)和方法,量化不同的碳通量,以評(píng)估區(qū)域到全球范圍內(nèi)的河湖碳循環(huán)是未來(lái)重點(diǎn)的研究方向.

6.4 大多河湖碳循環(huán)模型受到區(qū)域限制,很難擴(kuò)展到全球,且模型參數(shù)的不確定性可能導(dǎo)致區(qū)域尺度碳通量估計(jì)的不確定性.未來(lái)研究重點(diǎn)應(yīng)放在拓展模型適用性及穩(wěn)健性,考慮不同氣候區(qū)和生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型的其他流域參數(shù)的適應(yīng)性,建立更具普適性的河流湖泊碳循環(huán)模型,以便更好地預(yù)測(cè)全球生物地球化學(xué)變化,約束碳循環(huán)-氣候反饋.