阿拉伯海红三角藻（Trichodesmium erythraeum）与 T. theibautii 水华的光学变异性：从色素到卫星信号

《Remote Sensing Applications: Society and Environment》：Optical Variability of Trichodesmium erythraeum and T. theibautii Blooms in the Arabian Sea: From Pigments to Satellite Signals

　　

摘要

本研究利用2016年至2018年间三次科考航次（包括33个采样站，其中4个为活跃水华站位）的数据，调查了阿拉伯海沿岸及开阔海域环境中束毛藻*erythraeum*和束毛藻*thiebautii*水华的时间空间动态、色素组成及光学特性。为将群落特异性光学信号与生物量整体标度效应分离，本研究对PANGAEA数据集的高性能液相色谱（HPLC）辅助色素——具体为岩藻黄质（zeaxanthin）和岩藻黄素（fucoxanthin）——按叶绿素a进行归一化处理，分别追踪蓝藻和硅藻群落的分布。利用第四阶导数吸收框架，针对藻胆蛋白的吸收特征（藻褐蛋白、藻红蛋白和藻蓝蛋白分别位于约494、546和627 nm），对超光谱辐射测量剖面数据进行了处理，并使用MODIS-Aqua光谱响应函数（SRFs）进行卷积。通过对对数变换后的波段比值F(λ1, λ2)进行基于排名的统计评估，构建了物理引导的束毛藻光谱指数（TSI = ?F(443, 488) ? F(488, 547) + F(547, 667)）。在Veraval海岸活跃水华事件期间，将TSI应用于MODIS-Aqua影像，显示出与整体生物量场之间存在显著关联（R2 = 0.65），同时能够解析精细的空间变异性。利用双变量局部空间自相关指标（LISA）框架进行空间验证，在四个生态象限中确认了该指数的组成特异性，成功将真实的蓝藻热点与非蓝藻高生物量水体及次表层聚集区区分开来。总体而言，本研究提供了一种物理引导、经空间验证的遥感框架，用于在光学复杂的海洋环境中监测固氮蓝藻。

引言

束毛藻属是一种丝状蓝藻，以其在海洋固氮和初级生产中的重要作用而著称。束毛藻主要分布在贫营养的远洋区域（Capone等，1997），对全球氮循环贡献显著，通过将大气氮转化为生物可利用形态来支撑海洋生态系统（Chen等，2011；Oyeku和Mandal，2020）。其存在影响海洋生物地球化学过程，对海洋生产力和碳循环具有深远影响（Carpenter等，1999；Sohm等，2011；Dugdale等，1961；Capone等，1997）。大规模的束毛藻水华可影响当地食物网和营养盐可利用性，使其成为海洋生态系统中的关键物种。

准确监测束毛藻的发生和丰度对于理解其生态功能及其对全球生物地球化学循环的贡献至关重要。遥感技术提供了一种高效的方式，能够在广阔的海洋区域检测和定量束毛藻水华，相比传统原位方法实现更全面的监测（McKinna，2015）。近期的蓝藻水华研究越来越多地将卫星观测与环境、多变量和多平台信息相结合，以改进跨空间和时间尺度的水华评估与监测（Wang等，2023；Qiu等，2025）。然而，检测工作面临挑战，因为标准算法经常将束毛藻与其他高生物量水华或碎屑物质混淆。此外，大多数生物光学模型依赖于培养基谱数据，未能考虑阿拉伯海自然混合群落中多变的色素包装和生理状态。虽然束毛藻含有标准叶绿素和类胡萝卜素，但其光学特征独特，主要由水溶性藻胆蛋白（藻红蛋白、藻蓝蛋白）定义，这些色素在叶绿素吸收较低的谱段窗口处吸收光线（Roy等，2011）。这些色素的吸收特性形成了独特的光谱特征（Subramaniam等，1999a），使其能够在不同波长下捕获和利用光线，在各种光照条件下优化光合作用性能。如果对这些光谱特征进行充分表征，可以用于提高遥感算法的准确性。

尽管束毛藻在海洋生态系统中具有重要意义，但在不同海洋环境中原位分析所得的详细光谱数据仍存在空白，印度洋区域尤为如此。虽然此前的生物光学研究使用实验室培养物或来自大西洋和太平洋的样本参数化了反射率模型，得出了比典型浮游植物高出近一个数量级的特定吸收和散射截面（Subramaniam等，1999b），但这些模型通常未能考虑束毛藻在自然栖息地中独特光谱行为（Dupouy等，2008；Dupouy等，2023）。阿拉伯海的观测长期记录了印度西海岸附近的高密度表层聚集现象，Devassy等（1979）注意到水华衰老期间颜色从红褐色到灰褐色的显著变化（Devassy等，1978）。

然而，遥感算法在这些区域面临显著局限。经验模型如协议像元值（PPV）和漂浮藻指数（FAI）依赖多波段高反射率或近红外红边特征来识别表层浮毯，但它们在区分束毛藻与其他漂浮植被或检测次表层及分散亚水华浓度（< 3200 trichomes L?1）时往往困难重重（McKinna，2015）。此外，半解析模型如改良的Garver-Siegel-Maritorena（GSM01）模型通常对浅水（<100 m）施加水深掩膜，实际上忽略了印度洋和阿拉伯海富有生产力的陆架区域，而沿岸径流和悬浮沉积物在这些区域创造了光学复杂的二类水条件，干扰了标准叶绿素提取（Westberry等，2005）。

在Vijaya Krishna等（2026）吸收引导光学框架的基础上，本研究将该方法专门应用于阿拉伯海自然束毛藻水华条件。首先，我们表征了三次科考航次中采样的活跃水华站位处束毛藻*erythraeum*和束毛藻*thiebautii*水华的时间空间动态、微观分类学、HPLC色素组成和光吸收特性。其次，我们利用两阶段吸收引导框架，对原位超光谱辐射测量数据和参考数据集（PANGAEA；Bracher等，2015a,b）中的色素比值（Zeaxanthin/叶绿素a和Fucoxanthin/叶绿素a）进行协调一致化处理。通过将超光谱数据与MODIS-Aqua光谱响应函数（SRFs）卷积，我们确定了三个诊断性对数变换波段比值——F(443, 488)、F(488, 547)和F(547, 667)，针对藻胆蛋白吸收特征，构建了束毛藻光谱指数（TSI）。第三，我们将TSI应用于Veraval沿岸水华事件和区域复合图的MODIS-Aqua卫星影像，利用双变量局部空间自相关指标（LISA）框架验证其空间特异性与整体叶绿素a的关系，以区分真实蓝藻热点与非蓝藻水华。最终，本研究提供了一个区域校准的框架，改进了卫星对束毛藻的探测能力，覆盖从光学复杂的沿岸水域到贫营养开阔海域的不同光学制度。

研究区域

本研究聚焦于阿拉伯海（采样位置见图1），即Veraval沿岸水域（B1和B2）、Kochi沿岸水域（B4）和东部阿拉伯海（B3）。选择这些区域是因为其生态重要性和独特的海洋水文条件，有助于全面理解束毛藻在不同海洋环境中的光谱特性。采样在春季-季风间期进行，因为已有大量文献记载了该时期开阔海域水华的发生。

在2017年5月，东部阿拉伯海（B3）观测到了大规模的束毛藻属混合水华，使表层水体呈现浅棕色至绿色。束毛藻占浮游植物总群体的75%（9.13 × 10? trichomes L?1），其中以束毛藻*erythraeum*为主（7.86 × 10? trichomes L?1；平行丛状群体，每个群体含12-55个丝胞体），同时包含束毛藻*thiebautii*（1.27 × 10? trichomes L?1；放射状蓬松群体，每个群体含27-168个丝胞体）。

结论

本研究成功弥合了原位生物光学观测与卫星遥感之间的鸿沟，为在高度动态的阿拉伯海中检测和监测束毛藻水华提供了稳健的框架。通过在沿岸和开阔海域环境中开展严格的野外观测，研究表征了束毛藻*erythraeum*和束毛藻*thiebautii*复杂的时间空间动态和独特的光学特征。虽然标准HPLC分析突出了……

生成式AI及AI辅助技术在稿件准备过程中的声明

在准备本工作期间，作者使用了Google Gemini来辅助语言编辑、重写和参考文献格式化。在使用该工具/服务后，作者对内容进行了审查和编辑，并承担所发表文章内容的全部责任。

CRediT作者贡献声明

Aswathy Vijaya Krishna：撰写——初稿，可视化，资源，方法学，调查，形式分析，数据管理，概念设计。Srijith B：撰写——审阅与编辑，可视化，资源，方法学，调查，形式分析，数据管理。Anima Tirkey：可视化，资源，方法学，调查，形式分析，数据管理。Mini Raman：监督，资源，项目管理。Sanjib Kumar Deb：撰写——审阅与编辑。

未引用参考文献

Bidigare等，1990；Bracher，2015a；Bracher，2015b；d'Ovidio等，2010；Devassy，1987；Houliez等，2017；IOCCG协议系列等，2018；Qiu等，2025；Rodier和Le Borgne，2010；Vijaya Krishna等，。

利益冲突声明

作者声明不存在任何利益冲突。

数据可用性声明

支持本研究处理的卫星数据可在https://oceancolor.gsfc.nasa.gov/获取。在研究区域采集的相关原位数据完全包含在本稿件中，而用于模型开发的原位数据可在PANGAEA数据仓库获取——https://doi.org/10.1594/PANGAEA.848584及https://doi.org/10.1594/PANGAEA.848585。

伦理声明

作者确认本项研究为原创，此前未发表，且未在其他地方接受审稿。所有作者均对本工作做出了实质性贡献，已批准最终稿件，并对其内容承担责任。作者声明无利益冲突。本研究不涉及人类参与者或动物受试者。所使用的数据均可公开获取或已正确引用，所有研究程序均符合适用的相关规定。

资金

本研究未获得来自公共、商业或非营利部门资助机构的任何特定资助。

利益冲突声明

? 作者声明不存在已知的可能影响本论文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者谨向印度空间应用中心（SAC，ISRO）主任和EPSA副主任致以诚挚的感谢，感谢他们提供的设施和鼓励。作者感谢MOES提供的科考航次SS-359（ORV Sagar Sampada号）以及AVIRIS-NG团队，感谢SAC-ISRO（MOP-3项目）对原位数据采集野外工作的支持。特别感谢MED同事们的鼎力支持。

作者单位

Aswathy Vijaya Krishna | B. Srijith | Anima Tirkey | Mini Raman | Sanjib Kumar Deb

印度空间应用中心（ISRO），印度艾哈迈达巴德