光学水体类型（OWT）作为河口生态指示器的潜力：来自温带塔霍河口的启示

本研究针对河口生态系统监测中传统方法时空分辨率不足的难题，创新性地将Sentinel-2卫星衍生的光学水体类型（OWT）分类作为独立产品进行生态解析。通过将17种OWT类别与现场实测参数（Chl-a、盐度、溶解氧等）匹配，揭示了不同类型水体与海洋入侵、淡水输入及浮游植物富集等关键环境过程的对应关系，并证实潮汐动态对OWT分布的主导作用。时间序列分析进一步发现2017-2024年间河口内海水入侵增强的趋势。该研究为河口水质监测提供了可扩展的高分辨率遥感工具，对支持生态系统管理和欧盟水框架指令（WFD）实施具有重要实践价值。

　　

河口作为河流与海洋之间的关键过渡带，不仅是地球上生物多样性最丰富的生态系统之一，更是抵御营养物质和污染物向沿海地区扩散的重要屏障。然而，随着人类活动影响的加剧，这些区域正面临着前所未有的环境压力。传统的水质监测主要依赖离散的现场采样，虽然数据准确，但难以捕捉河口系统快速变化的时空动态。卫星遥感技术以其大范围同步观测的优势，为破解这一难题提供了新的可能。

以往研究多聚焦于通过光学水体类型（Optical Water Types, OWT）分类来优化水色参数反演算法，却忽略了其本身所承载的生态学意义。事实上，不同的OWT反映了水体中光学活性成分（如叶绿素a（Chl-a）、悬浮颗粒物（SPM）和有色溶解有机质（CDOM））的独特组合，本质上对应着不同的生态状态。能否直接将OWT分类作为一种独立的卫星产品，用于解读河口的环境过程和生态变化？这项发表于《International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation》的研究给出了肯定的答案。

研究人员以欧洲最大的湿地之一——葡萄牙的塔霍河口（Tagus Estuary）为研究对象，开展了一项历时八年的综合研究。他们利用Sentinel-2 MSI影像，基于一个包含17种OWT的泛区域分类库，对2017年至2024年的数据进行了系统分析。为了给每种OWT赋予生态内涵，研究团队将卫星观测与海岸监测网络（CoastNet）三个浮标连续测量的水质参数（包括Chl-a、温度、盐度、pH和溶解氧）进行了严格匹配。同时，结合潮汐、河流流量、风应力和气温等环境驱动因子数据，深入剖析了OWT时空动态背后的控制机制。

本研究的关键技术方法主要包括：1）利用Sentinel-2 MSI影像，通过Calimnos处理链进行大气校正（采用Polymer算法）和质量控制；2）应用模糊c均值聚类生成的17类泛区域OWT库进行分类；3）基于潮汐预测模型将图像按八个潮汐相位分组，以分析潮汐影响；4）采用主成分分析（PCA）解析在固定潮汐条件下其他环境驱动因子（如河流流量、风、气温）对OWT变化的影响；5）使用现场浮标（CoastNet网络）获取的连续水质数据进行OWT生态特征验证。

3.1. OWT数据集概述

研究首先对17种OWT的光谱特征和地理分布进行了分析，并初步将其归纳为三大类： Marine（海洋水体，OWTs 1-7,9）、Transitional（过渡水体，OWTs 8,10,12,14,16）和Riverine（河流水体，OWTs 11,13,15,17）。海洋OWT在蓝绿波段反射率较高，代表清澈的海水；过渡OWT在560 nm处有明显的反射峰，表明浮游植物和CDOM浓度升高；河流OWT在蓝光波段吸收强烈，在705 nm处反射峰显著，是高浓度CDOM、浮游植物和悬浮沉积物的典型特征。

3.2. 利用现场数据表征OWT

通过匹配现场数据，研究发现除温度外，所有水质参数在不同OWT间均存在显著差异。海洋OWT（6,7,9）表现出高盐度（平均27.6）、高pH（8.01）、氧过饱和（109%）和低Chl-a（1.34 mg/L）的特征，其中OWT 7因具有443 nm吸收峰和相对更高的Chl-a，被识别为浮游植物生物量较高的海水。过渡OWT（12,14,16）随着OWT指数增加，呈现出盐度、pH和氧饱和度下降，而Chl-a上升的梯度变化。河流OWT（11,13,15）则具有最低的盐度（平均14.08）、最高的pH（7.95）、最低的氧饱和度（96.7%）和最高的Chl-a（4.44 mg/L），反映了以呼吸作用（有机物分解）为主导的过程。

3.3. 影响OWT存在的环境因素

潮汐是控制OWT分布的首要驱动因子。高潮和大小潮期间更有利于清澈海水的出现，而低潮期则以过渡性和浑浊的OWT为主。值得注意的是，在退潮中期（E2），尽管潮差较小，但强烈的退潮流仍使上游河口呈现出与低潮时类似的浑浊河水（OWTs 13, 15）。OWT 7（富浮游植物的海水）表现出特定的潮汐模式，它仅在洪水末期（F3）和高潮时出现在河口内部，随着退潮被冲刷出河口。

通过针对固定潮况（小潮高潮）的PCA分析，研究进一步揭示了次级环境驱动力的作用。在河口所有区域，海洋类和过渡类OWT对主成分（PC1）贡献显著且方向相反，反映了二者相互排斥的条件。河流性OWT（11,13,15）的出现与河流流量呈强正相关。西风和南风有利于海洋水体（OWTs 3,7）进入河口，而气温升高也与这些清澈水体的出现有关。

3.4. 对环境变化监测的意义

时间序列分析揭示了一个重要趋势：2017-2024年间，在所有区域和潮汐条件下，代表最浑浊过渡水体的OWT 16和14的出现频率下降，而代表更清澈海水的OWT 1,3,7的频率增加。这表明河口内海水入侵在增强。2023和2024年出现了极端水文气候事件，表现为异常高且持续的河流流量和西南风，这在OWT记录中也得到了清晰的体现：河流性OWT在上游区域频率增加，而过渡性OWT几乎消失，同时海水OWT在所有区域均显着增加。罕见的极端OWT 17在8年时间序列中仅出现了两次，均对应着最强的河流排放事件，这凸显了泛区域OWT库在探测罕见光学状态方面的优势。

研究的讨论部分进一步阐释了这些发现的深层意义。OWT分类与生态信息的链接，使其成为追踪水团动态和理解环境过程的强大工具。OWT 3和7是海水入侵和富浮游植物水体的指标，其出现与夏季高温和西风相关。河流性OWT则是淡水输入的代理，其空间范围与流量正相关，并反映了以有机物分解为优势的过程。该研究方法不仅能够监测长期趋势，还能捕捉短期极端事件，对理解气候变化下的河口响应至关重要。

尽管存在太阳同步卫星观测潮汐条件不全、云覆盖导致采样偏差等局限性，但本研究通过使用泛区域OWT库和低隶属度值预警机制，有效缓解了这些问题。该框架具有高度的可扩展性和广阔的跨学科应用前景，包括监测长期趋势和生态系统用途变化、河流径流变异、海水入侵，以及检测污水排放等。特别值得一提的是，OWT与盐度的显著相关性（如OWT 15对应寡盐条件，OWTs 11,13,14对应中盐条件，OWTs 6-9对应多盐条件）使其能够辅助界定 salinity regimes，直接支持欧盟水框架指令（WFD）的实施。

综上所述，这项研究成功论证了卫星遥感衍生的光学水体类型分类作为一种独立的、具有生态指示意义的产品，在河口动态监测和环境管理中的巨大潜力。通过将OWT类别与具体的环境过程、驱动因子和生态状态相链接，研究不仅深化了对塔霍河口系统功能的理解，更重要的是提供了一套强大、可推广的技术框架。这套方法能够有效捕捉从潮汐周期到年际尺度乃至极端气候事件下的河口变化，为科学家、政策制定者和环境管理者提供了应对全球变化下河口生态系统可持续管理的有力工具。