張運(yùn)林，張毅博，李 娜,2，孫 曉,2，王瑋佳,2，秦伯強(qiáng),3，朱廣偉,3

(1:中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008)(2:中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)(3:南京中科深瞳科技研究院有限公司，南京 210031)

過(guò)去40年，我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展的同時(shí)也遭遇持續(xù)不斷的污染困擾，人類活動(dòng)導(dǎo)致的大量氮磷污染物排放進(jìn)入河流和湖庫(kù)，引發(fā)長(zhǎng)江中下游及東部沿海地區(qū)許多湖庫(kù)都面臨富營(yíng)養(yǎng)化與藍(lán)藻水華問(wèn)題，嚴(yán)重威脅湖庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)健康和飲用水安全[1-3]. 而全球氣候變化與營(yíng)養(yǎng)鹽富集的協(xié)同放大效應(yīng)進(jìn)一步加劇了湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化及藍(lán)藻水華暴發(fā)程度，導(dǎo)致近年來(lái)通過(guò)大規(guī)模流域控源截污以防止湖庫(kù)藻類水華也難奏效[4-5]，使得湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化治理與藻類水華控制成為一項(xiàng)長(zhǎng)期而又艱巨的任務(wù). 2007年太湖藍(lán)藻水華事件曾造成無(wú)錫自來(lái)水被污染，數(shù)百萬(wàn)居民自來(lái)水供應(yīng)中斷一周[2]. 之后的十多年高強(qiáng)度治理顯示，太湖總氮濃度持續(xù)下降，但作為浮游植物生長(zhǎng)和藍(lán)藻水華發(fā)生關(guān)鍵限制因子的總磷濃度則先降后升，并且在2017-2019年居高不下、高位波動(dòng)，藍(lán)藻水華頻繁暴發(fā)甚至發(fā)生小規(guī)?！昂骸笔录耐{依然存在[6-8]. 據(jù)中國(guó)科學(xué)院太湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究站(簡(jiǎn)稱太湖站)全湖32個(gè)站點(diǎn)季度長(zhǎng)期定位觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，2019年太湖水體總氮濃度已由2007年的3.37 mg/L降到2.03 mg/L，但總磷濃度只由0.122 mg/L變?yōu)?.118 mg/L. 相伴隨的是2017年發(fā)生了有記錄以來(lái)最嚴(yán)重的藍(lán)藻水華，最大水華面積達(dá)1582 km2[4]，2018年雖略有減輕，但2019年的藍(lán)藻水華強(qiáng)度依然較高，強(qiáng)度僅次于2017年. 因此，太湖生態(tài)環(huán)境保護(hù)與治理仍面臨較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)的控源截污、藍(lán)藻水華防控和“兩個(gè)確保”壓力(確保飲用水安全、確保不發(fā)生大面積湖泛).

太湖藍(lán)藻水華在風(fēng)場(chǎng)和水動(dòng)力作用下呈現(xiàn)高度的時(shí)空異質(zhì)性和快速動(dòng)態(tài)變化，在小時(shí)尺度上會(huì)發(fā)生明顯水平遷移和垂直混合[9-12]，傳統(tǒng)的湖面定位和斷面監(jiān)測(cè)總感覺(jué)藍(lán)藻水華有時(shí)“來(lái)無(wú)影、去無(wú)蹤”[13]. 藍(lán)藻水華在湖面上的漂浮不定給藻華和湖泛等異味水體的防控和治理帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)，也威脅到飲用水源地安全. 多源衛(wèi)星遙感可以實(shí)現(xiàn)藍(lán)藻水華空間分布同步觀測(cè)，但受制于衛(wèi)星傳感器時(shí)間、空間和光譜分辨率，加之云雨天氣的影響，很難捕捉藍(lán)藻水華快速動(dòng)態(tài)變化過(guò)程. 水下探頭高頻監(jiān)測(cè)為水質(zhì)快速動(dòng)態(tài)變化過(guò)程觀測(cè)提供了新的途徑[14-16]，但太湖湖面開(kāi)闊、風(fēng)浪擾動(dòng)強(qiáng)烈、水體渾濁，水下探頭很容易被附著和污染，也容易被風(fēng)浪損壞，受水況環(huán)境干擾造成監(jiān)測(cè)精度不穩(wěn)定，可監(jiān)測(cè)指標(biāo)有限，使用受到極大限制，并且儀器價(jià)格高昂、后期管理和維護(hù)成本非常高[17-19]. 與此同時(shí)，2015年國(guó)務(wù)院發(fā)布的《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案》提出：“強(qiáng)化高新技術(shù)、先進(jìn)裝備與系統(tǒng)的應(yīng)用，提高生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)立體化、自動(dòng)化、智能化水平”. 因此，迫切需要發(fā)展新的自動(dòng)化和智能化的水環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備和技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)藍(lán)藻水華及關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)快速動(dòng)態(tài)變化連續(xù)高頻監(jiān)測(cè)，應(yīng)對(duì)水環(huán)境突然變化，補(bǔ)充和完善現(xiàn)有監(jiān)測(cè)體系不足，服務(wù)藍(lán)藻水華防控和水環(huán)境監(jiān)管.

本文利用前期自主研發(fā)的陸基高光譜多參數(shù)水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)儀，通過(guò)秒-分鐘頻次浮游植物葉綠素a、透明度、總氮、總磷和高錳酸鹽指數(shù)的連續(xù)觀測(cè)，試圖精細(xì)刻畫藍(lán)藻水華及其關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)快速變化過(guò)程，結(jié)合逐時(shí)風(fēng)速風(fēng)向等氣象數(shù)據(jù)分析其快速變化原因，明晰藍(lán)藻水華漂浮的臨界風(fēng)速，量化外部漂浮輸入和本地生長(zhǎng)對(duì)藻類生物量的貢獻(xiàn)，有助于深入理解太湖藍(lán)藻水華形成過(guò)程與驅(qū)動(dòng)機(jī)制，破解藍(lán)藻水華“來(lái)無(wú)影、去無(wú)蹤”奧秘，支撐藍(lán)藻水華精準(zhǔn)打撈和快速清除等主動(dòng)防控策略，實(shí)現(xiàn)更高水平“兩個(gè)確保”.

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

2018年我們率先提出近地面離水高光譜多參數(shù)水質(zhì)陸基(地基、岸基)遙感監(jiān)測(cè)理念和實(shí)施路徑，南京中科深瞳科技研究院有限公司聯(lián)合杭州?？低晹?shù)字技術(shù)股份有限公司首創(chuàng)近水面非接觸式陸基(地基、岸基或者平臺(tái)、船舶、樁基等能固定安裝的均可)高光譜多參數(shù)水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)儀(ZKDI-R2021型)，儀器集成高光譜采集、視頻監(jiān)控、毫米波雷達(dá)水位測(cè)定、水質(zhì)參數(shù)反演和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜天況下總氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)、懸浮物、透明度、濁度、消光吸收、有色可溶性有機(jī)物吸收、葉綠素、藻藍(lán)素、藻密度共11個(gè)關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)實(shí)時(shí)高頻監(jiān)測(cè). 陸基高光譜多參數(shù)水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)儀既克服了以往水下探頭的易污染、難維護(hù)、參數(shù)少和精度低的問(wèn)題，又解決了衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)中時(shí)間和光譜分辨率低以及受天氣和大氣塵埃干擾的影響，實(shí)現(xiàn)遙感和斷面監(jiān)測(cè)的深度融合.陸基高光譜多參數(shù)水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)儀架設(shè)在中國(guó)科學(xué)院太湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究站(簡(jiǎn)稱太湖站)水上觀測(cè)場(chǎng)棧橋頂端，離岸邊約400 m，觀測(cè)站點(diǎn)東面緊靠岸邊，北、西、南三面為開(kāi)敞水域，特別是西面沒(méi)有任何岸邊阻斷(圖1). 儀器距水面約4.0 m(架設(shè)高度3～10 m均可)(圖1)，光譜波段為400～1000 nm，光譜分辨率為1 nm，觀測(cè)頻次為20 s/次. 儀器通過(guò)上光譜相機(jī)和下光譜相機(jī)同步測(cè)量入射光和水面反射光進(jìn)而計(jì)算得到輻照度比. 儀器內(nèi)已植入前期開(kāi)發(fā)的11個(gè)關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)深度學(xué)習(xí)反演算法，算法基于太湖、富春江水庫(kù)、千島湖、梁溪河和南京城市河流等近700個(gè)樣品構(gòu)建，可同步輸出水體高光譜輻照度比和水質(zhì)參數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)[20]①. 對(duì)于400～1000 nm可見(jiàn)光和近紅外光學(xué)遙感來(lái)說(shuō)，懸浮物、透明度、葉綠素和有色可溶性有機(jī)物等光學(xué)物質(zhì)有明顯的光學(xué)信號(hào)，高光譜遙感反演起來(lái)比較容易，而總氮、總磷的吸收光譜在紫外波段，其在可見(jiàn)光和近紅外確實(shí)沒(méi)有光學(xué)信號(hào)，但總氮、總磷等非光學(xué)物質(zhì)與懸浮物、透明度、葉綠素和有色可溶性有機(jī)物等光學(xué)物質(zhì)具有復(fù)雜的耦合關(guān)系，因此在反射光譜上也會(huì)有響應(yīng)，只是這種響應(yīng)不是線性或者一對(duì)一的. 目前儀器植入的是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、高斯回歸過(guò)程等機(jī)器學(xué)習(xí)算法，從400～900 nm以每5 nm或者10 nm光譜輻照度比作為輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練和檢驗(yàn)，由于算法包含的光譜通道比較多，可以很好反映總氮、總磷等非光學(xué)物質(zhì)與光譜反射率之間的復(fù)雜耦合關(guān)系，同時(shí)算法訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和檢驗(yàn)數(shù)據(jù)集覆蓋不同類型水體，樣本量也比較大，相關(guān)參數(shù)精度都在80%以上[20-22](1)陸基高光譜多參數(shù)水質(zhì)遙感算法2021.05版..

圖1 觀測(cè)點(diǎn)位置(a)、陸基高光譜多參數(shù)水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)儀現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)照片(b)和藻華現(xiàn)場(chǎng)圖片(c)Fig.1 Location of observation site (a), photo of in situ land-based hyperspectral water quality remote sensing monitor instrument (b), and algal bloom photo (c)

1.2 氣象水文數(shù)據(jù)

太湖站架設(shè)有氣象觀測(cè)站，實(shí)時(shí)記錄逐時(shí)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，主要包括氣溫(日最低、日最高、日平均)、風(fēng)速風(fēng)向(平均風(fēng)速、最大風(fēng)速)和降水等. 水溫?cái)?shù)據(jù)來(lái)自于太湖站棧橋頂端水下探頭連續(xù)高頻監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)頻率是0.5 h/次.

1.3 藍(lán)藻水華界定

水華界定和對(duì)應(yīng)的生物量閾值判定一直都是個(gè)難題[23]，有研究用葉綠素a濃度大于10 μg/L或藻細(xì)胞超過(guò)1.5×107cells/L，并在水面形成一層肉眼可見(jiàn)的漂浮藻類作為水華判別閾值[24-25]；美國(guó)佛羅里達(dá)州將湖泊水體葉綠素a濃度大于40 μg/L定義為藻類水華[26]. 根據(jù)我們?cè)谔_(kāi)展的藍(lán)藻水華衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)和同步葉綠素a濃度測(cè)定發(fā)現(xiàn)，當(dāng)葉綠素a濃度在30～40 μg/L之間時(shí)衛(wèi)星影像就能觀測(cè)到明顯表面水華，因此以葉綠素a濃度30～40 μg/L作為太湖藍(lán)藻水華判別閾值.

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 20軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，包括計(jì)算其平均值、線性擬合等，當(dāng)顯著性水平值P≤0.05時(shí)表明顯著相關(guān)，P≤0.01時(shí)表明極顯著相關(guān). 利用OriginPro 2018繪制文中數(shù)據(jù)圖.

2 結(jié)果與討論

2.1 氣象水文條件

從觀測(cè)期間氣象水文來(lái)看，8月7-9日沒(méi)有明顯降水過(guò)程，7號(hào)有零星小雨，當(dāng)天累積降水量3.6 mm，天氣整體晴朗少云，氣溫較高，經(jīng)歷高溫過(guò)程，逐時(shí)平均氣溫在24.4～36.6℃. 逐時(shí)平均水溫在29.6～31.3℃，變化幅度顯著小于氣溫日內(nèi)變化，受氣溫日變化影響較小，逐時(shí)氣溫與水溫不存在顯著性相關(guān)(R2=0.04，P=0.14)，這與以往逐日觀測(cè)結(jié)果明顯不一樣[27]. 整體而言，風(fēng)速不大，7日逐時(shí)平均風(fēng)速為2.66 m/s，8日更是降至1.60 m/s，屬于小風(fēng)和微風(fēng)環(huán)境；7日風(fēng)向以東風(fēng)偏北為主，由太湖站岸邊往湖面開(kāi)敞水域吹，8日風(fēng)向則以北風(fēng)和西北風(fēng)為主，由湖面開(kāi)敞水域往太湖站岸邊吹(圖1、圖2).

圖2 觀測(cè)站點(diǎn)2021年8月7-9日氣溫、水溫(a)以及風(fēng)速、風(fēng)向(b)逐時(shí)變化Fig.2 Hourly variations of air temperature and water temperature (a), wind speed and wind direction (b) of observation site from August 7-9, 2021

2.2 葉綠素a快速變化過(guò)程

8月8日8:30-18:30期間總共觀測(cè)了1800組葉綠素a數(shù)據(jù)，變化范圍在8.0～115.0 μg/L，平均值為(59.5±22.63) μg/L. 以葉綠素a濃度30～40 μg/L作為太湖藍(lán)藻水華判別閾值，從圖3a葉綠素a高頻動(dòng)態(tài)變化過(guò)程來(lái)看，全天經(jīng)歷了明顯的水華快速變化過(guò)程. 早上8:30-9:00期間葉綠素a濃度非常低，在10 μg/L波動(dòng)，沒(méi)有觀測(cè)到明顯水華；在9:20左右出現(xiàn)一個(gè)短暫峰值，葉綠素a濃度在30～35 μg/L之間，出現(xiàn)零星水華；9:30-10:30維持在低值，葉綠素a濃度略高于10 μg/L. 從10:30之后葉綠素a濃度快速拉升，在短短半小時(shí)內(nèi)迅速增加到100 μg/L以上，增加了10倍左右，水面漂浮大量藻顆粒，形成明顯的藍(lán)藻水華(圖1)，清晰彰顯了短期內(nèi)藍(lán)藻水華“來(lái)無(wú)影”快速變化過(guò)程. 之后盡管葉綠素a濃度有所降低，但到18:30時(shí)一直都維持在高值，整體在60～80 μg/L波動(dòng)，期間13:30也有一個(gè)葉綠素a濃度在100 μg/L左右的明顯峰值. 此外，在15:40、16:20和17:50還存在多個(gè)葉綠素a濃度低峰，大約在80 μg/L左右.

從葉綠素a的高頻變化過(guò)程來(lái)看，在短短的10小時(shí)之內(nèi)，觀測(cè)站點(diǎn)經(jīng)歷一次從無(wú)到有的水華快速變化過(guò)程，特別是10:30-11:00期間葉綠素a濃度迅速?gòu)?0 μg/L左右上升到100 μg/L以上. 在這么短的時(shí)間內(nèi)藻類自身的生長(zhǎng)繁殖不可能支撐葉綠素a濃度如此快速的變化過(guò)程，只有可能是周邊水域藻類水華漂浮集聚到觀測(cè)站點(diǎn). 綜合分析觀測(cè)站點(diǎn)位置和觀測(cè)期間風(fēng)速風(fēng)向變化，很容易解釋葉綠素a濃度短時(shí)間內(nèi)的快速變化過(guò)程. 觀測(cè)站點(diǎn)東面緊靠岸邊，北、西、南三面為開(kāi)敞水域，特別是西面沒(méi)有任何岸邊阻斷(圖1). 8月8日8:00-19:00期間觀測(cè)站點(diǎn)經(jīng)歷微風(fēng)和小風(fēng)環(huán)境，風(fēng)速非常低，在0.3～2.3 m/s之間，平均風(fēng)速為1.70 m/s，這個(gè)風(fēng)速非常有利于藍(lán)藻水華在水面的漂浮集聚，以往研究表明當(dāng)風(fēng)速低于3～4 m/s時(shí)藍(lán)藻很容易在水面漂浮集聚[9,28]，8:00-16:00盛行西北風(fēng)，平均風(fēng)向?yàn)?25°，恰好將梅梁灣湖面開(kāi)敞水域表面藍(lán)藻水華吹向觀測(cè)站點(diǎn)，從而形成明顯的水面藻華過(guò)程(圖1、圖3a).

過(guò)去關(guān)于太湖藍(lán)藻水華形成和快速變化究竟是本區(qū)域藻類迅速生長(zhǎng)累積形成還是由于風(fēng)速水動(dòng)力擾動(dòng)堆積而成存在很多的爭(zhēng)議，本文從秒-分鐘高頻觀測(cè)很好地證明了小時(shí)尺度上表面藍(lán)藻水華快速形成主要受制于風(fēng)力形成的水動(dòng)力作用，水動(dòng)力引起的藍(lán)藻水華短期遷移堆積可能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于生物的生長(zhǎng)累積，半小時(shí)內(nèi)葉綠素a濃度由10 μg/L左右上升到100 μg/L以上，說(shuō)明90%以上藻類生物量累積是由于風(fēng)浪對(duì)藍(lán)藻水華的遷移堆積所致. 這些研究結(jié)果進(jìn)一步深化了以往基于MODIS逐日和GOCI逐時(shí)遙感監(jiān)測(cè)得到的藍(lán)藻水華動(dòng)態(tài)變化過(guò)程認(rèn)識(shí)[9-11,29]，量化外部漂浮輸入和本地生長(zhǎng)對(duì)藻類生物量的貢獻(xiàn). 除了遙感監(jiān)測(cè)外，自2007年太湖飲用水危機(jī)事件后，為快速捕捉藍(lán)藻水華動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，國(guó)家和地方監(jiān)測(cè)部門以及高?？蒲性核褂妹绹?guó)YSI多參數(shù)水質(zhì)儀在太湖布設(shè)了許多高頻自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但由于太湖水體渾濁、水下探頭很容易被附著和污染，造成YSI多參數(shù)水質(zhì)儀監(jiān)測(cè)的葉綠素a濃度存在很大出入和不確定性，因此鮮少見(jiàn)到基于水下探頭分析太湖藍(lán)藻水華和水質(zhì)動(dòng)態(tài)變化的研究結(jié)果[10]. 而基于陸基遙感高頻監(jiān)測(cè)能非常真實(shí)、客觀和準(zhǔn)確地反映葉綠素a、藻類水華和關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)的快速動(dòng)態(tài)變化，精細(xì)刻畫傳統(tǒng)的季度、逐月和逐周觀測(cè)無(wú)法捕捉的水環(huán)境快速高頻變化過(guò)程.

2.3 其他水質(zhì)參數(shù)變化過(guò)程

由于藻類顆粒物對(duì)光的吸收、散射和衰減，隨著藻類生物量增加透明度呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì). 整體來(lái)看，從8:30-10:30當(dāng)葉綠素a濃度較低時(shí)，水體透明度較高，在0.4 m左右，當(dāng)葉綠素a濃度增加到60 μg/L左右時(shí)，透明度大致維持在0.3 m左右(圖3b). 由于太湖水體渾濁、除藻類顆粒物外還有大量的非色素?zé)o機(jī)顆粒物，因此水體透明度都不高. 受藻類生物量影響，總氮、總磷濃度等呈現(xiàn)出與葉綠素a濃度較為一致的變化趨勢(shì)(圖3c、3d、3e)，10:30-11:00期間也呈現(xiàn)快速增加趨勢(shì)，分別由1.75和0.05 mg/L增加到3.5和0.175 mg/L，增加了100%和250%，之后維持高值動(dòng)態(tài)波動(dòng). 相比于葉綠素a濃度短期內(nèi)增加了900%，總氮、總磷的峰值和增加沒(méi)有那么明顯，反映除了藻類生物量引起的氮磷變化外，總氮、總磷中還包含許多其他顆粒態(tài)和溶解態(tài)氮磷成分. 高錳酸鹽指數(shù)隨著葉綠素a濃度變化會(huì)發(fā)生一些變化，但不如氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽那么明顯，當(dāng)葉綠素a濃度較低時(shí)高錳酸鹽指數(shù)在4.5 mg/L左右，葉綠素a濃度明顯增加后其值維持在6.0 mg/L左右，增加30%左右，說(shuō)明高錳酸鹽指數(shù)受藻類生物量的影響相對(duì)較小.

圖3 2021年8月8日8:30—18:30葉綠素a濃度(a)、透明度(b)、總氮濃度(c)、總磷濃度(d)和高錳酸鹽指數(shù)(e)高頻變化Fig.3 High-frequency observations of chlorophyll-a concentration (a), secchi disc depth (b), total nitrogen concentration (c), total phosphorus concentration (d)and chemical oxygen demand (e) from 8:30 to 18:30 on August 8, 2021

2.4 葉綠素a與其它水質(zhì)參數(shù)間的關(guān)系

為定量分析透明度、總氮、總磷和高錳酸鹽指數(shù)隨葉綠素a濃度的變化情況，進(jìn)行簡(jiǎn)單線性相關(guān)分析. 從圖4結(jié)果可知，透明度與葉綠素a濃度存在極顯著負(fù)相關(guān)，總氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)則均與葉綠素a濃度存在顯著正相關(guān). 從線性相關(guān)的決定系數(shù)來(lái)看，葉綠素a濃度可以解釋總氮、總磷80%以上變化，而只能解釋透明度、高錳酸鹽指數(shù)35%左右的變化，說(shuō)明無(wú)機(jī)懸浮顆粒物、溶解性有機(jī)物和其他耗氧有機(jī)物控制了透明度和高錳酸鹽指數(shù)的動(dòng)態(tài)變化等. 盡管氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽是水體浮游植物生長(zhǎng)及湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的重要因素和關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子，但藻類的大量生長(zhǎng)反過(guò)來(lái)也會(huì)造成顆粒態(tài)有機(jī)氮磷和總氮、總磷的顯著增加. 太湖站2005-2020年長(zhǎng)期定位觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，太湖水體葉綠素a濃度與總磷濃度呈極顯著冪函數(shù)關(guān)系，水體葉綠素a濃度越高，水體總磷濃度則越高，表明水體浮游植物生物量高低是水體總磷濃度高低的重要影響因素[8,10,30]. 由于硝化和反硝化作用影響，野外全年逐月監(jiān)測(cè)往往很難觀測(cè)到葉綠素a與總氮存在顯著正相關(guān)，有時(shí)反而為負(fù)相關(guān)，但春夏季或者短期內(nèi)藻類的快速聚集無(wú)疑會(huì)顯著增加總氮濃度[10,30-31]. 而藻類生物量聚集也會(huì)明顯增加顆粒態(tài)有機(jī)物，其死亡降解會(huì)消耗大量氧氣，造成耗氧有機(jī)物指標(biāo)高錳酸鹽指數(shù)增加. 以往在太湖的研究也發(fā)現(xiàn)夏季藍(lán)藻水華死亡腐爛降解釋放造成高錳酸鹽指數(shù)與葉綠素a濃度存在一致的空間分布，在葉綠素a非常高的站點(diǎn)同樣會(huì)出現(xiàn)高錳酸鹽指數(shù)異常高值，葉綠素a與高錳酸鹽指數(shù)存在顯著正相關(guān)[32-33].

圖4 葉綠素a濃度與透明度(a)、總氮濃度(b)、總磷濃度(c)和高錳酸鹽指數(shù)(d)間的線性關(guān)系Fig.4 Linear relationships between chlorophyll-a concentration and secchi disc depth (a), total nitrogen concentration (b), total phosphorus concentration (c), and chemical oxygen demand (d)

3 結(jié)論與展望

本文基于自主研發(fā)的陸基高光譜多參數(shù)水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)儀，通過(guò)秒-分鐘頻次高頻監(jiān)測(cè)成功捕捉了藍(lán)藻水華及其關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)在一天內(nèi)的短期快速變化過(guò)程，并結(jié)合氣象水文數(shù)據(jù)分析其形成原因. 研究發(fā)現(xiàn)在微風(fēng)和小風(fēng)條件下藍(lán)藻容易在表層水體漂浮，盛行西北風(fēng)驅(qū)動(dòng)湖面開(kāi)敞水域藍(lán)藻水華在太湖站棧橋頂端觀測(cè)點(diǎn)集聚，造成葉綠素a濃度在短短半小時(shí)內(nèi)由10 μg/L快速攀升至100 μg/L左右，之后整體在60～80 μg/L波動(dòng)；相伴隨的是透明度明顯降低，總氮、總磷和高錳酸鹽指數(shù)顯著增加，說(shuō)明藻類水華可以引發(fā)關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)快速變化.

與此同時(shí)，我們研究結(jié)果也顯示陸基遙感高頻觀測(cè)可以揭示水環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)精細(xì)化過(guò)程和突變情況，深化湖泊生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)認(rèn)知，為藻類水華和水質(zhì)水環(huán)境監(jiān)測(cè)、診斷提供強(qiáng)大工具，也可以提升未來(lái)水環(huán)境演化預(yù)測(cè)預(yù)警能力[19]. 實(shí)際上除了藻類快速變化外[34]，受極端降水、洪水、臺(tái)風(fēng)等自然和人類活動(dòng)強(qiáng)烈作用，湖泊生態(tài)系統(tǒng)物理、化學(xué)和生物過(guò)程還遭受許多其他短期快速?zèng)_擊[16,35-37]，傳統(tǒng)的逐季、逐月和逐周等低頻觀測(cè)往往會(huì)錯(cuò)過(guò)許多快速變化的關(guān)鍵過(guò)程[23,36]，而陸基高光譜遙感觀測(cè)除了本文呈現(xiàn)的葉綠素a、透明度、總氮、總磷和高錳酸鹽指數(shù)外，還可以開(kāi)展水溫、濁度、有色可溶性有機(jī)物、懸浮物等連續(xù)高頻監(jiān)測(cè)，因此能很好捕捉其他快速變化過(guò)程，深入揭示極端氣象水文等快速事件對(duì)河流、湖庫(kù)和濕地水環(huán)境與水生態(tài)的影響過(guò)程與機(jī)制.

相比于航空/航天/近地?zé)o人機(jī)載的水環(huán)境遙感，陸基高光譜水環(huán)境遙感由于離水面比較近(5 m左右)，離水輻射信號(hào)強(qiáng)，大氣的影響基本上可以忽略，無(wú)需進(jìn)行大氣校正，因此可以實(shí)現(xiàn)陰天、多云和晴朗等復(fù)雜天況下更高精度的水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè). 同時(shí)，陸基高光譜遙感監(jiān)測(cè)儀覆蓋400～1000 nm可見(jiàn)光和近紅外波段，光譜分辨率為1 nm，可以應(yīng)用于包括水色參數(shù)在內(nèi)的更多水質(zhì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的遙感反演和監(jiān)測(cè). 當(dāng)前，儀器內(nèi)置了總氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)、葉綠素、透明度和有色可溶性有機(jī)物吸收系數(shù)等11個(gè)關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)算法. 未來(lái)還需繼續(xù)開(kāi)展大范圍陸基高光譜遙感同步實(shí)驗(yàn)，積累覆蓋范圍更寬的反射率和水質(zhì)數(shù)據(jù)集，優(yōu)化和提升現(xiàn)有算法精度和適用性；構(gòu)建更多水質(zhì)參數(shù)深度學(xué)習(xí)算法(如顆粒和溶解性有機(jī)碳等)，支撐河流湖庫(kù)碳輸移和遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程監(jiān)測(cè)，服務(wù)于國(guó)家“雙碳”計(jì)劃；對(duì)接生態(tài)環(huán)境管理部門，形成技術(shù)規(guī)程與標(biāo)準(zhǔn)，支撐斷面考核和環(huán)境管理. 此外，陸基高光譜遙感不單可應(yīng)用于河流、湖庫(kù)、濕地、池塘等近岸水體開(kāi)展監(jiān)測(cè)，事實(shí)上在開(kāi)敞水域的平臺(tái)、船舶、樁基等固定和移動(dòng)位置均可以安裝陸基高光譜多參數(shù)水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)儀，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵或敏感水域連續(xù)高頻監(jiān)測(cè). 集成的雷達(dá)水位測(cè)定和視頻監(jiān)控還可以對(duì)暴雨洪水過(guò)程以及人為干擾和破壞進(jìn)行監(jiān)控報(bào)警.

陸基高光譜多參數(shù)水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)儀適合生態(tài)環(huán)境、水利、市政、自然資源監(jiān)測(cè)等行業(yè)部門，廣泛應(yīng)用于全國(guó)地表水監(jiān)控?cái)嗝?、集中式飲用水源地及其他敏感水域開(kāi)展連續(xù)高頻水環(huán)境監(jiān)測(cè)，彌補(bǔ)現(xiàn)有的人工和自動(dòng)監(jiān)控?cái)嗝姹O(jiān)測(cè)在觀測(cè)頻次、觀測(cè)參數(shù)、觀測(cè)精度和觀測(cè)成本上的不足. 同時(shí)，也可以用于科研院所、高校等開(kāi)展監(jiān)測(cè)科研研究，安裝簡(jiǎn)單方便、可移動(dòng). 此外，目前的陸基高光譜多參數(shù)水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)儀還可以開(kāi)發(fā)手持式移動(dòng)觀測(cè)以及船載和無(wú)人機(jī)載觀測(cè)系列產(chǎn)品及成像系統(tǒng)，支撐全國(guó)地表水體水環(huán)境監(jiān)測(cè)與應(yīng)用研究，為水環(huán)境治理與修復(fù)提供監(jiān)測(cè)與診斷的系統(tǒng)化解決方案，服務(wù)水環(huán)境管理.

致謝：太湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究站提供相關(guān)氣象水文和長(zhǎng)期營(yíng)養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)，在此表示感謝. 感謝杭州?？低晹?shù)字技術(shù)股份有限公司高陽(yáng)輝、高晶、田野和許毅等在陸基高光譜多參數(shù)水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)儀安裝和調(diào)試等方面提供的幫助.