基于卫星的总悬浮物作为沿海表层蓝碳分布的指示因子：以日本两个海湾为例

《Environmental Advances》：Satellite-based total suspended matter as an indicator of coastal surface blue-carbon distribution: a case study of two bays in Japan

　　

沿海蓝碳生态系统，特别是海草草甸，在全球碳封存中发挥着不成比例的重要作用。然而，输出颗粒有机物（POM）的空间分布在大尺度上仍鲜为人知。卫星遥感为监测沿海碳动态提供了一种有前景的方法，但大多数研究聚焦于底栖海草分布，而非水体中的悬浮碳。本研究评估了基于全球变化观测任务-气候（GCOM-C）观测估算的总悬浮物（TSM）作为沿海蓝碳分布替代指标的可能性。研究人员利用日本相模湾和骏河湾的250米网格数据，通过检验TSM与河流河口距离及已绘制海草草甸之间的关系，考察TSM是否反映POM分布。在两个海湾中，TSM与河流河口距离均呈显著负相关，与河流POM输入一致。海草草甸内部的TSM值也显著高于周围水域，表明TSM同时反映了海草来源的有机颗粒以及滞留于海草草甸内可能被埋藏和封存的悬浮颗粒。尽管TSM整合了内源和外源物质，但研究结果表明，基于卫星的TSM为沿海蓝碳分布提供了可行且可扩展的替代指标，支持未来沿海蓝碳的大规模监测与评估。

**基于GCOM-C卫星遥感的沿海蓝碳分布指示研究——以日本两个海湾为例**

**一、研究背景与科学问题**

蓝碳作为一种自然气候减缓策略，在降低大气CO₂浓度方面受到广泛关注。海草床尽管仅占全球海洋面积的不到0.2%，却贡献了海洋埋藏总有机碳的10%，在全球碳封存中具有不成比例的重要作用。此外，全球大型藻类生物群系的净初级生产力（NPP）可达1.32 Pg C year^-1，与亚马逊森林相当。然而，海草床输出的颗粒有机物（POM）的空间分布在大尺度上仍缺乏充分认识。海草来源的POM约占总NPP的24%（0.49 Pg C year^-1），可被输运至近岸、陆架及深海沉积物中，实现长期碳埋藏与隔离。因此，准确监测海草来源POM的空间分布对于评估蓝碳的气候调节潜力至关重要。

目前，大多数遥感研究聚焦于底栖海草生物量的监测，而对与河流及沿海输出相关的表层悬浮碳分布的研究相对匮乏。日本于2017年12月发射的全球变化观测任务-气候（GCOM-C）卫星搭载第二代全球成像仪（SGLI）传感器，提供19个波段（380 nm-12 μm）的高时间分辨率光谱数据。Toratani（2020）提出了基于SGLI数据估算总悬浮物（TSM）浓度的方法。TSM浓度代表有机和无机物质的组合，在浑浊沿海水域中，TSM的相当一部分与河流输入和沿海植被来源的有机颗粒相关，使其可作为表层POM动态的替代指标。基于此，研究人员提出假设：TSM可作为蓝碳分布的替代指标，尤其能反映表层水体中海草来源的POM。本研究旨在评估基于GCOM-C观测估算的TSM作为海草来源POM指示因子的潜力，该研究发表于《Environmental Advances》。

**二、主要技术方法**

研究以日本相模湾和骏河湾为研究区域，利用GCOM-C/SGLI的250米分辨率影像数据，采用Toratani（2020）开发的Version 2算法估算TSM浓度。该算法采用双波段方法，利用443 nm和565 nm波段的遥感反射率（Rrs）比值及565 nm单波段反射率，通过多元回归模型计算TSM。研究基于日本国家土地数值信息的河线数据识别河流河口，并从日本环境省生物多样性中心获取1997-2002年和2018-2020年两次海草床调查的多边形数据。利用QGIS软件生成250米网格的欧氏距离数据和海草床点位数据，并采用广义线性模型（GLM）和t检验进行统计分析。

**三、研究结果**

**3.1 TSM与河流河口距离的关系**

GLM分析结果显示，在相模湾和骏河湾中，TSM值与距河流河口的欧氏距离均呈显著负相关（相模湾：-1.9×10^-6±2.8×10^-7，p<0.0001；骏河湾：-1.2×10^-5±4.3×10^-7，p<0.0001）。散点图清晰展示了两个海湾中TSM随距离增加而递减的格局，这与河流POM输入的空间分布特征一致，表明TSM可作为POM分布的有效指示因子。

**3.2 海草床区域与TSM的关系**

t检验结果显示，在两个海湾中，1997-2002年和2018-2020年调查记录的海草床点位的TSM值均显著高于距海岸线1500米范围内的所有点位。具体而言，相模湾1997-2002年调查（t=-7.7099，p<0.001）和2018-2020年调查（t=-5.4207，p<0.001）以及骏河湾两次调查（t=-10.032，p<0.001；t=-5.6083，p<0.001）均表现出显著差异。这表明TSM在一定程度上反映了海草床来源的POM及其滞留的悬浮有机颗粒。

**四、讨论与结论**

本研究表明，TSM在距海岸线1500米范围内与河流河口距离呈显著负相关，证实了河流输入对沿海POM分布的重要影响。同时，海草床区域的TSM值最高，反映出TSM不仅包含海草来源的内源POM，还可能反映海草床通过降低水动力能量和捕获悬浮颗粒而增强外源有机质沉积和长期储存的效应。然而，研究也指出，沿海水域的内源POM通常以浮游植物来源为主，且潮汐、波浪引起的沉积物再悬浮以及季节性浮游植物水华可能独立于河流或海草来源的POM而增加TSM，因此结果需谨慎解读。

研究还提出，在浑浊的河流影响沿海水域中，高TSM常伴随高浓度的溶解有机碳（DOC），因为POM和DOC从河流共同输入并在河口羽流中扩散，TSM可能作为POM和DOC的综合指示因子。但研究存在三个主要局限：一是使用年度平均TSM数据，无法反映POM的显著时间变异性；二是TSM无法定量区分内源和外源POM；三是仅评估了TSM与POM潜在源位置之间的相关性，缺乏直接证据表明TSM准确反映POM浓度，需要通过原位观测进行验证。

研究结论：本研究证明了基于GCOM-C的TSM作为沿海蓝碳分布替代指标的潜力。在两个海湾中，TSM与河流河口距离呈显著负相关，且海草床内部的TSM值显著高于周围水域。这些发现表明，卫星估算的TSM反映了沿海环境中潜在POM来源的空间格局。尽管TSM无法区分内源和外源有机质，且需要通过原位观测进行验证，但它为未来沿海蓝碳的大规模监测与评估提供了实用且可扩展的框架。将基于GCOM-C的TSM等广泛可用的卫星产品整合到指标系统中，可增强沿海蓝碳核算，并为气候变化下的管理策略提供信息。