衛星遙感發現：我國湖泊懸浮物近20年顯著下降

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近日，中國科學院南京地理與湖泊研究所馬榮華研究員課題組成員曹志剛博士聯合南佛羅里達大學、錫耶納大學、中國科學院東北地理與農業生態研究所等科研人員，基于長期以來的實測調查數據，發展了基于MODIS衛星數據的中國湖泊懸浮物反演算法，揭示了2002年以來中國30k㎡以上中大型湖泊的懸浮物時空變化和影響因素。研究成果以“MODIS observations reveal decrease in lake suspended particulate matter across China over the past two decades”為題，近期發表在遙感頂級期刊《Remote Sensing of Environment》上。

“懸浮物是評價水體水質的一個重要指標，同時也是水體營養鹽及污染物的重要載體，其濃度直接影響到水體的水色、渾濁度、透明度等水體光學特性，進而還會影響到水體中生物的生長以及初級生產力。”曹志剛介紹，懸浮物（SPM）是湖泊光學活性物質之一，包含了水體內懸浮顆粒的總量（浮游藻類、泥沙等），影響了水體透明度和初級生產力，反映了湖泊-流域物質循環過程，是水文、水質及水環境關注的重要參數之一。受自然（地形地貌、湖泊形態）、氣候（降雨、風速）和人類活動（建壩、挖沙、養殖、流域土地管理）的影響，湖泊懸浮物變化較快。

記者了解到，傳統的懸浮泥沙濃度的測量方法是利用調查船走船的方式逐個采集離散采樣點的水樣并在實驗室中進行成分分析來完成懸浮泥沙濃度的測量，該方法雖然獲取的數據較為準確，但是存在速度慢、周期長，只能獲得少量的離散點數據的缺點，同時這種方法還會耗費大量的人力、財力，受天氣、水面狀況等條件制約影響較大，不能滿足長期監測的需求。同時，雖然野外調查和衛星遙感技術已用于湖泊懸浮物監測，但目前，我國湖泊懸浮物的濃度是多少、空間分布如何、年月變化怎樣等問題仍不清晰。

對此，研究主要關注我國五大湖區的269個30k㎡中大型湖泊（排除了淺水鹽湖扥等光學淺水湖泊），對2002-2021年間50000多景MODIS Aqua數據進行處理，基于2007-2021年133個湖泊的實測數據，構建了基于支持向量回歸的SPM遙感反演模型，驗證精度達到74%，適用于我國0.1-1000mg/L的湖泊懸浮物衛星遙感估算。

圖1 MODIS獲取的2002-2021年中國湖泊平均SPM濃度空間格局與統計

模型應用于MODIS數據獲取了懸浮物的長期時空變化。結果發現，中國湖泊2002-2021年平均懸浮物濃度是19.8±22.9mg/L (中值8.0mg/L)。懸浮物空間趨勢呈現西低東高趨勢（圖1），如青藏高原湖區平均為3.0mg/L，云貴高原湖區為9.9mg/L，蒙新湖區為17.5mg/L，東部平原湖區為25.8mg/L，東北平原與山地湖區為48.4mg/L。

懸浮物和湖泊面積有無關系？曹志剛解釋，懸浮物與湖泊面積沒有明顯關系，但和湖泊深度相關。懸浮物在淺水湖泊高（28.3mg/L），深水湖泊低（6.0mg/L），與底泥再懸浮作用有關。

圖2 2002--2021年中國湖泊SPM的年際變化趨勢分布與統計

“過去20年，雖然中國湖泊的懸浮物變化趨勢呈現時空差異，但62%的湖泊懸浮物顯著下降，這些湖泊平均每10年下降0.7mg/L。”他介紹，其中青藏高原湖區、蒙新湖區和東北平原與山地湖區大部分湖泊懸浮物下降，而東部平原湖區和云貴高原湖區中懸浮物下降的湖泊占比小于50%，與藍藻水華的暴發有關。同時，研究結果也分析了三峽大壩對長江通江湖泊懸浮物的顯著削減作用，以及采砂活動對鄱陽湖、洪澤湖、駱馬湖等湖泊懸浮物的增加效應。

“總體上，不同湖區懸浮物的年際變化特征的影響因素分為氣候和人類活動兩類；以青藏高原湖區為代表的西部湖泊的懸浮物下降主要是氣候暖濕化有關，而東部淺水湖泊則是風速下降及流域土地優化削減的土壤侵蝕所致。”曹志剛說。

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