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为解决中国缺乏大规模区域 CDOM 通用算法，以及 CDOM 与土壤侵蚀关系研究不足的问题，研究人员开展利用机器学习估算湖泊 CDOM 浓度的研究。结果显示不同土壤侵蚀区域的 CDOM 空间模式不同，该研究为评估全球碳循环提供重要见解。
在全球气候变化与经济社会发展的大背景下，水生生态系统的碳平衡正经历着深刻变化。溶解有机物（DOM）作为水生环境中的重要组成部分，不仅为水生生物提供能量，还在吸收紫外线辐射等方面发挥着关键作用。其中，有色溶解有机物（CDOM）因其独特的光学特性，成为评估水生 DOM 含量的重要指标。土壤侵蚀作为 CDOM 的重要来源之一，源源不断地将陆地有机物输送到水体中，对 CDOM 的来源、生物可利用性和分子复杂性产生显著影响。
然而，当前关于不同土壤侵蚀区域湖泊中 CDOM 的空间分布模式，人们仍知之甚少。而且，中国地域辽阔，气候条件差异大，土壤侵蚀类型多样，但却缺乏适用于大规模区域的 CDOM 通用算法，这使得研究 CDOM 与土壤侵蚀之间的关系变得更加困难。为了填补这些研究空白，更深入地理解全球碳循环过程，研究人员开展了相关研究。
由 Zhidan Wen、Kaishan Song 等研究人员组成的团队，针对上述问题展开了深入研究。他们利用机器学习技术，结合大量实地水样数据和 Landsat 8 OLI 表面反射率数据，构建模型来估算湖泊中 CDOM 的浓度。该研究成果发表在《Environmental Science and Ecotechnology》上，为全球碳循环研究提供了新的视角和重要依据。
研究人员采用了多种关键技术方法。首先，在 2015 - 2021 年间，从中国不同土壤侵蚀区域的 255 个湖泊采集了 1337 份水样，通过全球定位系统（GPS）记录采样位置，并在实验室对水样进行过滤和 CDOM 参数分析，测量 200 - 800nm 的 CDOM 吸收系数，以 355nm 处的吸收系数（aCDOM(355)）代表 CDOM 浓度 ，计算 SUVA254评估 CDOM 芳香性。其次，从 GEE 平台获取无云的 Landsat 8 OLI 影像，进行大气校正等处理，计算遥感反射率（Rrs (λ)）。利用 4 种机器学习算法（SVM、GBDT、XGBoost、RF）校准 CDOM 吸收模型，最终选择性能最佳的 XGBoost 模型。此外，通过傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）分析 DOM 的分子组成，并进行主成分分析（PCA）探究 CDOM 变化的影响因素。
模型校准与验证
研究人员通过对 1349 个实地样本的分析，发现 aCDOM(355) 在中国不同地区差异较大（0.038 - 15.991 m-1）。通过初步相关性分析，确定了对 aCDOM(355) 敏感的光谱变量（绿色、红色、蓝色、近红外（NIR）、短波红外 1（SWIR1）和短波红外 2（SWIR2））。对比 4 种机器学习算法，结果显示 XGBoost 模型表现最佳（R2 = 0.87，RMSEXGB,cal = 0.87 m-1，RMSEXGB,val = 0.94 m-1），表明该模型能可靠地估算湖泊中 CDOM 含量。
CDOM 的空间分布
利用校准后的 XGBoost 模型和 Landsat 8 影像，研究人员绘制了 2020 年非冰冻期中国 20000 多个湖泊的 CDOM 空间分布图。结果显示，中国湖泊的平均 aCDOM(355) 为 3.68 m-1 ，不同土壤侵蚀区域差异显著。冻融侵蚀区域、风蚀区域和水力侵蚀区域的平均 aCDOM(355) 分别为 3.73 m-1、6.31 m-1和 3.72 m-1。并且，不同侵蚀强度下，CDOM 吸收也呈现出不同变化趋势。
CDOM 变化的影响因素
自然和人为因素共同影响 CDOM 浓度变化。湖泊面积增加时，aCDOM(355) 显著降低。研究发现，风蚀区域湖泊的 aCDOM(355) 与风速正相关；冻融侵蚀区域主要受土地利用影响；水力侵蚀区域则受自然降水 / 温度、人类活动（人口）和土地利用类型等多种因素综合影响。
CDOM 的分子分析
FT-ICR MS 分析结果表明，不同侵蚀区域湖泊 CDOM 的分子组成存在差异。风蚀和水力侵蚀区域的多环芳烃和芳香化合物含量较高，而冻融侵蚀区域的肽和不饱和脂肪族化合物比例相对较高。冻融侵蚀区域 DOM 的 MLB 丰富度显著高于其他区域，AI 则呈现相反趋势。
研究结论与讨论部分表明，该研究利用 Landsat 8 产品和机器学习模型，有效评估了不同侵蚀区域湖泊中 CDOM 的分布和来源。不同土壤侵蚀区域 CDOM 的显著差异，为精确评估区域碳循环提供了重要依据。然而，研究也存在一定局限性，如模型存在不确定性，对高浓度 CDOM 可能低估，SWIR 波段受气溶胶影响会带来不确定性等。尽管如此，该研究仍为全球碳循环研究做出了重要贡献，不仅揭示了陆地土壤侵蚀过程与水生 DOM 组成的紧密联系，还为评估内陆生态系统的碳储存提供了关键见解。未来研究可进一步优化模型，深入探究土壤微生物在碳循环中的作用以及 DOM 从陆地到水体的详细转移机制，从而更全面地理解全球碳循环过程。
