文献总结 | WR:气候对湖泊中叶绿素a和浮游植物生物量的相对贡献分析

文摘   2024-03-14 09:10   北京  

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研究背景
RESEARCH BACKGROUND
全球变化剧烈,气候驱动因素对富营养化湖泊管理至关重要。然而,二者之间的复杂相互作用难以准确把握浮游植物的变化。因此这项研究使用从ERA5陆地再分析数据集,获得与气候和湖泊的相关变量,结合水体叶绿素a浮游植物生物量的实测数据,开发以气候再分析数据为基础目标为浮游植物的相关响应模型。
研究数据与方法

1. 数据集合

研究中选用了2013年至2016年的3月至10月希腊境内50个水体的640个叶绿素a浓度和452个浮游植物生物量的数据。所研究的水体包含各种大小和不同营养状态的湖泊和水库。同时筛选出2013年1月到2019年9月ERA5气候和湖泊相关变量的长时序数据,具体变量如下:风速的纵、横分量、总径流(地表和地下)、降水量、空气温度、湖底温度、湖泊混合层温度、湖泊组合层深度、湖泊总温度和湖泊形状因子。

基于采样日期的将实测结果与再分析数据进行匹配,生成了两个数据集,一个包含640组叶绿素a与气候相关变量的月均值匹配数据,另一个包含452组浮游植物生物量与气候相关变量的匹配数据。

2. 模型构建

研究中使用了两种离散建模方法,增强回归树(Boosted Regression Trees, BRT)和基于位置、尺度和形状的广义模型(Generalized Additive Models for Location, Scale, and Shape, GAMLSS)。模型构建采用的是80%数据用于训练,20%数据用于验证。
研究结果

1. 模型差异

基于BRT的叶绿素a浓度反演模型良好(R² = 0.735)。结果表明:湖泊类型、总温度和混合层深度对模型反演结果具有较高的影响(分别为24.6%、16.5%和15.8%)。总径流量和降水量的相对影响较低(分别为12%和9.2%),而风速的相对影响率最低,为9.1%。针对浮游植物生物量,BST同样具有较高的拟合精度R²=0.698。结果表明湖泊类型和总温是相对影响最大的前两个预测因子(分别为23.2%和18.6%)。降水量、总径流量和混合层深度的相对影响值接近(分别为12.2%、12.1%和11.6%)。风速的相对影响比例最低,为6.7%,结果如图一所示。

图1 BRT模型预测结果:每个因子对叶绿素a和浮游植物生物量的相对影响

分析各个因子与叶绿素a和浮游植物生物量的具体驱动可得:降水、水体类型和总温度对二者起显著正相关(如图二所示)。总径流量对叶绿素a浓度和浮游植物生物量具有抑制作用。二者随总径流量的增加而减少。混合层温度和混合层深度对浮游植物生长的影响较小。风速对叶绿素a和浮游植物生物量变化影响不明确。

图2 各预测因子对叶绿素a浓度变化的拟合函数

基于GAMLSS的叶绿素a浓度预测模型精度表现同样出色,R²=0.83。结果表明总温度、混合层温度和深度、总径流量、湖泊类型和降水量均对叶绿素a浓度变化有显著影响(p<0.001)。其中总温度和降水量对叶绿素a促进作用,而混合层深度、混合层温度和总径流量对其有抑制作用。相比较而言,基于GAMLSS构建出来的浮游植物生物量的预测模型R²较低,仅为0.74。并且只有总径流量和水体类型通过了显著性检验(p<0.001),可信度较差。

2. 模型交叉验证

基于验证数据集评估不同模型的性能并分别计算了BRT和GAMLSS模型验证精度R²、平均绝对误差(MAE)和均方根误差(RMSE),如表一所示。结果表明:针对叶绿素a构建出来的模型预测结果更加精确,均优于针对浮游植物生物量构建出来的模型。基于BRT构建的叶绿素a浓度预测模型其交叉验证(CV)R²为0.52,而针对浮游植物生物量构建的模型的CV R²为0.37。同时针对浮游植物生物量构建出来的GAMLSS模型表现最优。

表1 型交叉验证精度评价结果

3. ERA5陆地气候变量与湖泊藻类生长的关系

水体类型、总温度、混合层深度、降水量和总径流量对湖泊藻类生长具有显著的影响,这一特征表现在对叶绿素a具有显著的影响。与浮游植物生物量相比,叶绿素a对湖泊藻类生长更具有响应力。研究结果表明叶绿素a和浮游植物生物量之间的关系可能是高度可变的,而当湖泊藻类剧烈生长时,其与叶绿素a和浮游生物生物量的变化可能不会同时发生。

4. 水温和湖泊水体内部混合机制

温度会促进湖泊藻类增殖,是湖泊藻类日变化的最重要预测因子。相比较于营养物质的输送,温度的突变更经常发生,其会影响藻类的代谢。温度还会调节湖泊内部剖面水体混合过程。随着气候变暖,表层和下层的温差会增加使得湖泊分层将持续更长时间。已有研究表明水体富营养化使得浅水湖泊藻类生产力的提高。而在深水湖泊中,分层可能会控制营养输入在湖泊中传输。结论同时也表明混合深度对藻类生产力有明显的抑制作用。

5. 风力和降水量对藻类的影响

从动力学角度出发,风对湖泊藻类生长的影响是复杂的,这很大程度上取决于风速测量的时间分辨率和其季节变化。除此之外,湖泊的形状,形态和体积大小对风速的具体驱动均有影响。湖泊表面积和流量相对较小其更能抵抗风带来的混合效应。降水同样是影响藻类繁殖的一个重要因子。在农业区的湖泊,降水量越大带入到湖泊的营养物质越多,藻类生长会相对旺盛。
总结讨论

结合ERA5陆地气候再分析数据,以精细的空间分辨率和相对较高的时间分辨率可精确分析叶绿素a和浮游植物生物量随气候的变化过程。在气候预测因子中,总水温和混合深度对叶绿素a的浓度变化有重要影响,其次是总径流量、降水量和风速。而风速对藻类生物表现出更复杂的驱动机制。

✎ 编者注

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原文链接 ↓
https://doi.org/10.1016/j.watres.2021.117053

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团队介绍

湖泊遥感与智慧流域创新团队,主要围绕湖泊开展历史重构、现状观测和未来变化模拟等模型研制和应用实践工作,并在流域尺度开展大数据智慧管理平台研究,保障湖泊水质安全。团队拥有博士和硕士导师4人(段洪涛,罗菊花,刘东,谭振宇),可分别在中国科学院南京地理与湖泊研究所、西北大学以及南京信息工程大学(国科大南京学院联合培养)等招收博、硕士研究生,欢迎报考!同时,长期招收联合培养研究生,欢迎咨询!

联系人:段洪涛研究员,htduan@niglas.ac.cn

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