中高纬度湖泊复杂来源颗粒有机碳遥感反演机理研究

Inland lakes are important part of natural ecosystems. Although they occupy a relatively small fraction of the earth’s surface, inland waters play a critical role in the global carbon cycle, due to their high productivity and their major role in processing allochthonous carbon from terrestrial ecosystems and human activities. Lake organic carbon pools include particulate organic carbon (POC) whose dynamics are intimately linked to dissolved organic carbon (DOC) and the dissolved inorganic carbon (DIC) present in the ecosystem. Together, these three carbon pools constitute key elements in the biological, chemical and energetic processes of the entire aquatic ecosystem. However, lake carbon pools are difficult to estimate. Their linked and dynamic contribution to the global carbon cycle remains unclear. The present project will address these knowledge areas in two large lakes (Hulun Lake and Taihu Lake) which have significantly different optical properties and watershed characteristics. By analysing the dynamics of water optical properties and key carbon pools in these different lakes, the project will provide needed and novel information about the relationship between POC and different lake and watershed properties. Expected results include a bio-optical model for POC, which is appropriate for different types of lakes, and water bodies, satellite data retrieval algorithms to determine POC dynamics in large lakes and estimates for lakes carbon fluxes at a national scale. The research project will contribute to major national and international objectives regarding the role of lakes as carbon sources and carbon sinks. The project will address the key factors that influence carbon cycle processes in lakes and their role in the global carbon cycle.

内陆湖泊，由于其高生产力以及与陆地生态系统和人类活动关系密切，是重要的有机碳库，在流域和全球碳循环中发挥着不可替代的作用。其中，颗粒态有机碳（POC）的角色尤为重要，因为它影响着溶解有机碳和溶解无机碳的循环，并且贯穿于整个水生生态系统的生物传递-动力-物理化学作用过程中。然而，由于湖泊水体中碳源和汇复杂多变，存在高度时空不均匀性，很难准确估算，导致其在全球碳循环中的具体贡献和角色仍不清晰。本项目选择中高纬度地区水体富营养化程度、流域特征和POC来源都有显著差异的两个代表性湖泊（呼伦湖和太湖），通过比较分析不同类型湖泊水体光学特性和时空差异，探析POC与不同水体光学参数间的关系，构建适用于不同类型湖泊水体的POC生物光学模型，研究制定区域尺度复杂来源湖泊群水体POC卫星反演策略，为未来全国尺度湖泊碳通量估算服务，具有较大的科学意义和研究价值。

内陆淡水生态系统，尤其是湖泊、河流和水库，由于覆盖面积占地球表面比例较小，在全球碳循环中一直被忽略。但实际上，由陆地进入内陆水域的碳约达进入海洋的碳的两倍，水生系统单位面积长时间净碳通量常常高于周围许多土地，且全球温室气体释放率升高至2.1 Pg C yr-1，更有研究表明全球近一半之多的有机碳埋在湖泊下（42/100 Tg C yr-1）。因此，内陆淡水生态系统影响着区域的碳收支平衡，进一步影响全球碳的沉积、氧化和运输，成为全球碳循环和环境变化研究中的热点。..虽然颗粒有机碳（Particulate organic carbon，POC）并不是湖泊等水生系统中主要的碳组分，但它显著影响溶解有机碳（Dissolved Organic Carbon, DOC）和溶解无机碳（Dissolved Inorganic Carbon，DIC）的循环，并且贯穿于整个生态系统的生物传递-动力-物理化学作用过程中，在湖泊碳循环与碳通量中起着关键作用。另外，内陆水体表层POC源和汇复杂多变，其通过生物光合作用生产、DOC的转化和有机沉积物的上涌而增加，通过表层水体释放CO2、转换为DOC和生物去除机理而减少，导致了POC浓度的高度时空不均匀性。因此，使用传统方法监测POC浓度变化有很大的局限性，而卫星遥感技术具有快速、同步和大尺度监测的特点，为连续监测复杂多变的湖泊碳循环提供了重要手段，成为研究POC动力学强有力的工具。..本项目开展了以下主要内容，并取得了相应的成果：（1）开展了广泛的野外数据采样和收集，获得一套涵盖POC等相关参数的星地同步数据集；（2）分析了不同类型湖泊POC与水体主要水色参数的关系，发现富营养化湖泊POC主要受浮游藻类影响；（3）分别构建了富营养化湖泊POC的实测光谱和卫星遥感模型，并实现了巢湖、太湖以及长江中下游湖泊的长时间序列数据重构；（4）揭示了长江中下游干流沿线的湖泊中溶解有机物DOM的光学性质、营养状态以及不同变量之间的相关性，探讨了DOM的影响因素、组成和遥感监测方法流程。（5）基于环太湖60条河流DIC、DOC和POC的采样调查，评估了外源碳输入对湖体CO2排放的影响。发表标注基金的SCI论文20篇，中文高水平论文5篇，获得吉林省科学基金一等奖1项，超出原计划5~7篇，CSCD论文2~3篇的要求。