在光学复杂水体中识别不同浮游植物功能群和大小类群的可能性

《Remote Sensing of Environment》：On the possibility of recognising different phytoplankton functional groups and size classes in optically complex waters

　　

在光学复杂水体中，利用遥感绘制浮游植物功能群（PFTs）和大小类群（PSCs）是不可行的，因为在这些水体中，反射率并非由浮游植物决定。

**论文解读：在光学复杂水体中遥感识别浮游植物功能群与大小类群的可行性评估**

**研究背景与问题**

传统水生遥感通过反演叶绿素a（Chl-a）浓度作为浮游植物生物量的替代指标，在开阔大洋水体中表现良好，因为那里浮游植物是主要的光学活性物质，而悬浮颗粒物（SPM）和有色溶解有机物（CDOM）主要源于浮游植物降解。然而，对于光学复杂的沿海和内陆水体，CDOM与SPM常独立于浮游植物变化，导致反射率信号主要由非浮游植物组分决定。同时，识别浮游植物功能群（PFTs）和大小类群（PSCs）对于监测有害藻华、理解海洋碳泵及生态系统对气候变化的响应至关重要。尽管已有多种方法（如利用色素吸收特征、查找表或基于生物量的经验关系）被提出，但这些方法大多在光学简单水体或实验室条件下验证，其在光学复杂水体中的实际可行性存疑。本研究旨在系统评估在光学复杂水体中利用遥感识别PFTs和PSCs的可行性。

**研究内容与结论**

研究人员在波罗的海（爱沙尼亚沿岸水域）于2016–2021年间采集了149个站点的现场数据，包括辐射测量、生物光学参数（吸收系数、后向散射系数等）、浮游植物物种组成（显微镜分析）及色素浓度。通过分析纯色素吸收光谱、现场反射光谱、后向散射与浮游植物大小类群的关系，并测试了查找表（LUT）方法和基于生物量的CMEMS产品，得出以下核心结论：在光学复杂水体中，由于CDOM和SPM的主导作用，浮游植物标志色素（如岩藻黄质、多甲藻素、别藻黄素等）的蓝光吸收特征被完全掩盖，无法从反射光谱中识别；后向散射系数与PSC无相关性，因为SPM（尤其是无机颗粒）主导了散射信号；查找表方法因缺乏纯PFT/PSC端元光谱（自然条件下每个PFT包含多种光学性质各异的物种）而不可行；基于生物量的CMEMS产品与现场数据的相关性极低（r2<0.2），即使使用现场Chl-a数据，算法本身的相关性也很弱。这些结果表明，在浮游植物不是主要光学活性物质的水体中（如大多数沿海和内陆水体），遥感识别PFTs和PSCs是不可行的。该研究发表在《Remote Sensing of Environment》。

**主要关键技术方法**

研究人员主要采用了以下关键技术方法：（1）现场辐射测量：使用Trios Ramses光谱仪测量水面下辐射（L_w）和下行辐照度（E_d），计算无耀斑反射率R_w = L_w/E_d；（2）生物光学测量：利用WetLabs仪器包（包括吸收衰减计ac-s、后向散射计eco-bb3、体积散射计eco-vsf3）获取吸收系数与后向散射系数（六个波长：412, 470, 532, 595, 660, 715 nm）；（3）实验室分析：测定Chl-a、SPM（有机/无机组分）、CDOM吸收系数（a_CDOM(λ)），并通过显微镜（Uterm?hl法）鉴定浮游植物物种、计算生物量（湿重）并划分PFTs（按HELCOM标准：蓝藻、隐藻、甲藻、硅藻、绿藻等）和PSCs（微、纳、微微型）；（4）纯色素吸收光谱：利用Clementson and Wojtasiewicz（2019）的公开数据库，将1 nm分辨率的色素吸收系数重采样至Sentinel-3 OLCI和Sentinel-2 MSI的波段；（5）查找表（LUT）方法：评估以纯PFT/PSC吸收或反射光谱作为端元的可行性；（6）CMEMS产品验证：将现场数据与CMEMS基于Chl-a的PFT/PSC算法（表3）输出进行对比。样本来源为波罗的海爱沙尼亚沿岸水域，2016–2021年共149个站点。

**研究结果**

**3.1 使用OLCI和MSI光谱分辨率对纯浮游植物色素的光学识别**
通过将纯色素吸收光谱重采样至OLCI和MSI波段，发现各标志色素（如岩藻黄质、多甲藻素、别藻黄素、叶绿素b、玉米黄质）在400–500 nm范围内的吸收峰高度相似，无法区分。这说明即使在实验室理想条件下，这些色素也无法通过多光谱传感器的波段配置分离；自然水体中CDOM和SPM的叠加将进一步掩盖这些信号。

**3.2 自然水体中PFT标志色素的识别**
现场测量的无耀斑反射率（R_w）显示，不同PFT（蓝藻、隐藻、甲藻、硅藻、绿藻等）的反射光谱在短波（400–500 nm）区域均呈现低且无特征的值，无法检测到任何标志色素的吸收特征。CDOM吸收（a_CDOM(400)范围0.63–9.8 m^-1）主导了蓝光区吸收，浮游植物贡献仅约34%。即使在高生物量情况下，藻蓝素（620 nm吸收特征）也常因垂直分布或生活史阶段而缺失，且硅藻的叶绿素c1/c2在相同波长也有吸收，造成混淆。因此，在光学复杂水体中，无法通过反射光谱识别PFT标志色素。

**3.3 将粒子后向散射与粒子大小类群关联**
现场后向散射系数（b_b）在六个波长上与浮游植物PSC无相关性。无机悬浮颗粒（SPIM）浓度与b_b相关性较高（r2>0.5），而有机悬浮颗粒（SPOM）几乎无相关性。不同PSC（纳米浮游生物、微型浮游生物）的后向散射无显著差异，表明在波罗的海这样的水体中，后向散射主要由非浮游植物颗粒（如矿物）主导，无法用于遥感反演PSC。

**3.4 在PFT和PSC反演中使用查找表**
现场测量的浮游植物吸收系数（a_ph）光谱显示，不同PFT和PSC的a_ph既无绝对数值上的聚类，也无光谱形状上的差异（图7）。同一PFT内不同物种的a_ph变异性极大，且实验室培养的藻类光学性质与自然种群不同。因此，无法获得“纯”PFT或PSC的端元吸收光谱。反射率端元同样难以获得，因为自然水体中CDOM和SPM主导了反射率，单物种培养的反射率不能代表自然情况。LUT方法在此类水体中不可行。

**3.5 基于生物量的PFT和PSC反演方法**
CMEMS产品（基于Chl-a的经验算法）与现场显微镜数据的88个匹配点显示，所有PFT和PSC的相关系数r2均低于0.2（图8、图9）。即使使用现场Chl-a数据代入CMEMS算法，除微型浮游生物外，其他类群的相关性也无改善。长时间序列（2016–2023年，888个匹配点）的验证进一步证实r2<0.01。这表明基于生物量的方法在波罗的海完全失效，其根源在于Chl-a反演本身的低精度（r2=0.31）以及Chl-a与PFT/PSC之间的弱经验关系。

**总结讨论与结论翻译**

**讨论总结**：研究指出，波罗的海的CDOM和SPM浓度中位数接近全球沿海和内陆水体的中位数，因此结论具有广泛代表性。只有当浮游植物是主要光学活性物质时（如寡营养海洋或高生物量水华），遥感反演PFT/PSC才可能成功。在大多数光学复杂水体中，CDOM和SPM掩盖了色素信号，后向散射由无机颗粒主导，LUT方法因端元变异性而不具备可行性，基于生物量的方法则受限于Chl-a反演精度和弱经验关系。此外，定义“优势PFT/PSC”本身存在方法学问题（基于湿重或细胞计数结果不同），且优势种可能仅占总生物量的20–30%，其光学信号被其他组分掩盖。

**结论翻译**：研究人员在波罗的海观测到的Chl-a、CDOM和TSM的平均值接近全球沿海和内陆水体的平均值（例如世界最大的沿海和内陆水体生物光学数据库GLORIA）。因此，本研究的结果适用于全球许多沿海和内陆水体。在波罗的海测量的反射光谱在较短波长范围（400–500 nm）内呈现低且无特征的值，这是由于CDOM和浮游植物叶绿素浓度相对较高所致。全球大多数自然水体的反射光谱也是如此。因此，在光学复杂的沿海和内陆水体中，无法检测到特定PFT和PSC所特有的、在蓝光部分吸收光的辅助色素（岩藻黄质、玉米黄质、别藻黄素、多甲藻素、β-胡萝卜素等）。即使在Chl-a吸收最大值的443 nm处，浮游植物对波罗的海吸收系数的平均贡献也仅为34%。显然，在这种条件下，从水反射率的蓝光部分估算Chl-a几乎是不可能的，更不用说辅助色素了。只有在浮游植物是水体中主要光学活性物质时，遥感绘制PFT/PSC才可能实现。这发生在寡营养水体（海洋、寡营养湖泊）和具有巨大生物量的富营养水体（水华、富营养湖泊）中。因此，遥感成功绘制PFT/PSC仅在非常狭窄（相对于自然变异性）的自然水体范围内得到证实，主要是在海洋中。基于粒子后向散射检测PSC在波罗的海是不可行的。首先，在所分析的水样中，矿物颗粒占主导地位。其次，并非水体中的所有有机颗粒都是浮游植物。由河流输送或风从海底再悬浮的有机颗粒通常是主导的。同样，只有在浮游植物是水体中主要光学活性物质时，遥感绘制PSC才可行。这发生在相对较大的空间区域（例如海洋），但仅限于非常有限的光学水体类型。查找表（光谱库）方法需要纯PFT或PSC的端元光谱。然而，获得这样的光谱实际上是不可能的。单种浮游植物的吸收和反射光谱已在实验室中测量。但实验室培养的浮游植物细胞的光学性质通常与自然浮游植物群落中生长的同种细胞不同。此外，光学性质取决于浮游植物生长期间的光照、营养和温度历史。每个PFT和PSC包含许多光学性质各异的物种。因此，不可能获得纯PFT或PSC的典型吸收光谱，因为这些“纯”光谱包含了不同物种的混合物。此外，从水反射光谱中反演浮游植物吸收系数光谱容易产生较大误差。因此，利用从遥感反射率中反演的浮游植物吸收光谱和“纯”PFT吸收光谱的LUT不是一种可行的方法。已经测量了波罗的海一些浮游植物物种的“纯”PFT反射光谱。但这些测量是在不含任何CDOM或SPM的浮游植物培养物中进行的。波罗的海水体的光学性质通常由CDOM、SPIM和SPOM主导，而非浮游植物。因此，认为PFT/PSC检测可行的实验室估计是在与自然条件相去甚远的情况下获得的。大多数PFT/PSC反演方法产生分类图，即识别调查水体中哪种PFT或PSC占主导。然而，验证这些产品并非易事，因为从实验室结果中定义哪种PFT或PSC在水样中占主导地位取决于所用方法。确定可能基于湿重或细胞计数，且单个样品的结果可能因所用方法而异。研究人员观察到多个案例，其中基于湿重确定的优势PFT与基于细胞数确定的完全不同。此外，常见的“优势”PFT/PSC仅占总生物量的20–30%。在这种情况下，其余生物量决定了水反射率，而非优势PFT/PSC，因此从反射光谱中估算优势PFT/PSC本质上毫无意义。基于生物量的方法同时反演所有组的生物量，不存在定义优势PFT/PSC的问题。然而，研究人员已证明该方法在波罗的海不起作用。首先，Chl-a与不同PFT/PSC生物量之间的实验室关系很弱。另一方面，在波罗的海，从Sentinel-3 OLCI或Sentinel-2 MSI得出的Chl-a与现场数据相关性较低。因此，非常弱的关系被应用于与水体中真实生物量联系较弱的Chl-a产品。因此，基于生物量的方法在波罗的海不可能产生合理的结果。波罗的海的例子证实，在浮游植物对水体颜色（即任何遥感仪器测量的水反射率）的决定中起次要或可忽略作用的水体中，估算PFT和PSC是没有意义的。当CDOM和/或SPM掩盖了水体中浮游植物的存在时，所用传感器的技术特性（例如光谱分辨率、信噪比）和分析水反射率的方法仅起次要作用。