光学复杂水体初级生产力评估：面向通用生物光学建模方法

《PLOS Water》：Assessment of primary production in optically complex waters: Towards a generalized bio-optical modelling approach

　　

初级生产是地表水体最基础生态过程。生物光学模型可通过光学遥感数据估算水生生态系统初级生产，为传统培养测量提供一种成本效益较高的替代方案。现有生物光学模型在三个共同模块采用不同参数化方案：（1）叶绿素a（Chl-a）的垂直分辨率；（2）平面辐照度到标量辐照度的转换因子；（3）光合作用-光强（P-I）关系。研究人员基于统一建模框架，在内陆及过渡性光学复杂水体中评估这三个模块的影响，通过对16种模型配置进行测试，结合涵盖日内瓦湖、三个爱沙尼亚湖泊及波罗的海三个站点的原位数据集，覆盖从贫营养到富营养的广泛条件。结果表明，光合作用-光强函数选择是最关键模块，导致中位幅度误差范围为23.2%，中位垂直形状相关系数为0.26。相比之下，采用深度分辨的叶绿素a剖面仅对初级生产估算产生有限影响，而辐照度转换因子的选择影响可忽略。时间序列分析进一步显示，模型能较好再现季节动态，但对短期变化的解析能力有限。研究发现，模型精度受模块参数化方式、经验常数不确定性以及原位验证数据本身限制。这凸显了优先完善光合作用-光强关系的重要性，同时应推动标准化验证数据集建设，纳入碳同位素培养与固有光学特性（IOPs）的同步测量。

研究背景方面，湖泊与近岸水体对人类福祉至关重要，为人类提供饮用水、灌溉水源、渔业资源及休闲场所，但富营养化和全球变暖等人为压力正威胁这些系统，改变初级生产（PP）格局，可能引发有害藻华或深水缺氧，进而影响生态系统服务供给。因此，准确评估水生初级生产对管理生态系统响应及量化碳通量具有重要意义。现有的原位测量方法如碳同位素培养或昼夜氧曲线法在空间和时间上稀缺且操作困难，卫星遥感提供了大尺度连续估算的可能，但开放海洋的生物光学模型在光学复杂的内陆与近岸水体中表现下降，原因在于有色可溶性有机物（CDOM）与非藻类颗粒物的浓度变化独立且显著。为此，研究人员针对内陆水体开发了特定模型，但仍缺乏对各模块参数化的系统评估。

技术方法方面，研究构建了统一生物光学建模框架，涵盖三个核心模块：叶绿素a垂直分布、平面至标量辐照度转换、光合作用-光强（P-I）关系。原位数据来自瑞士日内瓦湖、爱沙尼亚三个浅水湖泊及波罗的海三个近岸站点，时间跨度为2000年至2023年，包含深度分辨的初级生产与透明度等测量，辅以ERA5再分析小时表面短波辐射数据。模型测试共包含16种配置组合，并通过线性插值统一垂直分辨率，剔除异常剖面，使用平均绝对百分比误差（MAPE）与皮尔逊相关系数（r）评价模型性能。

研究结果方面，第一部分为模型组件影响评估。结果显示，P-I函数的选择对模型表现影响最大，导致中位MAPE范围达23.2%，中位r范围0.26；叶绿素a垂直分辨率影响较小，仅在部分区域提升形状相关性；平面至标量辐照度转换因子影响最小。第二部分为P-I函数的主导作用。四种P-I函数中，函数A（含光抑制项的半饱和公式）在整体形状相关性上最优（中位r=0.92），函数C（双曲正切型）在幅度误差上最低（中位MAPE=37.5%），但形状相关性差；区域差异显著，如在爱沙尼亚湖泊，函数B幅度误差最低，函数A形状相关性最佳，而函数D幅度误差高达168%。第三部分为叶绿素a垂直分辨率的有限作用。总体而言，深度分辨剖面略微提高形状相关性（r从0.86升至0.89），但对幅度误差影响不一致；在日内瓦湖甚至导致误差轻微增加。第四部分为平面至标量辐照度转换的次要作用。变量型转换因子仅带来MAPE轻微下降（从46.3%降至45.3%）与形状相关性轻微上升（从0.87升至0.88），在各区域均表现为次要因素。第五部分为时间序列分析。在波罗的海Pricken站与日内瓦湖的多年度数据中，模型能匹配长期平均初级生产，但捕捉时间动态的能力差异明显。Pricken站在2013–2020年阶段与实测日PP高度相关（r=0.80），而2000–2012年相关性较低（r=0.57）。日内瓦湖整体相关性仅为0.46，且在小时尺度下降至0.28，表明模型对季节性日照变化的依赖高于瞬时生物光学参数。

讨论与结论方面，研究确认P-I函数是决定模型表现的首要因素，其中光抑制项的参数化尤为关键。垂直叶绿素a剖面的作用有限，平面至标量辐照度转换因子影响可忽略。参数化过程中的不确定性，如塞氏深度转换为漫衰减系数（K_d）的经验系数选择，虽会影响绝对误差，但不改变各模块相对重要性排序。此外，验证数据的稳定性、碳同位素培养与昼夜氧法测定的初级生产概念差异（总初级生产GPP与净初级生产NPP）、以及长期监测中的方法变更，均可能引入额外不确定性。最终，研究人员强调，未来应推动标准化综合数据集建设，同步包含初级生产、叶绿素a剖面及固有光学特性（IOPs）测量，以减少对代理变量的依赖，提高模型验证可靠性。此项研究发表于《PLOS Water》，为内陆及过渡水体的初级生产遥感估算提供了明确的优化方向。