內(nèi)陸水體藻藍(lán)蛋白遙感反演研究進(jìn)展

一、引言

相比海洋生態(tài)系統(tǒng)，內(nèi)陸水體（湖泊、水庫(kù)、河流）生態(tài)系統(tǒng)與人類生產(chǎn)生活的關(guān)系更加密切。內(nèi)陸水體中各浮游動(dòng)植物、顆粒和溶解性有機(jī)物、無機(jī)物、微生物、碳源和氮源等物質(zhì)相互作用，共同維持著水體生物化學(xué)生態(tài)系統(tǒng)的平衡。在內(nèi)陸水體中浮游藻類，因其含有的色素可以捕獲太陽(yáng)光并將其轉(zhuǎn)化成能量，充當(dāng)著一切能量的提供者。有研究表明，色素組成及其比例的不同是引起藻類間吸收光譜變化的主要原因。藻藍(lán)蛋白PC（Phyco cyanin），是藍(lán)藻的標(biāo)志性色素，僅存在于藍(lán)藻中，可以指示藍(lán)藻生物量，具有吸收和傳遞光能的性質(zhì)，分子量約為232KDa，具有熒光性，呈亮藍(lán)色，屬于胞內(nèi)蛋白，易溶于水、乙醇等極性溶劑。PC是天然光學(xué)活性物質(zhì)，在620nm附近處有明顯的特征吸收峰，這正給遙感監(jiān)測(cè)其濃度提供了理論依據(jù)。近年來，內(nèi)陸水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象加劇，藍(lán)藻水華現(xiàn)象頻發(fā)，導(dǎo)致水生生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重失衡，有些藍(lán)藻產(chǎn)生藻毒素，嚴(yán)重威脅著人類和動(dòng)物健康安全。利用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)PC濃度，進(jìn)而來監(jiān)測(cè)水體中的藍(lán)藻生物量，是一種有效地、大尺度、快速精確地監(jiān)測(cè)藍(lán)藻水華的策略。

PC第一次出現(xiàn)在遙感學(xué)科領(lǐng)域，應(yīng)歸功于美國(guó)的Gordon學(xué)者，Gordon等首次闡述了PC的光譜特征，標(biāo)志著PC遙感應(yīng)用的開端。20世紀(jì)90年代航空遙感傳感器CAMS、CASI被應(yīng)用于監(jiān)測(cè)PC濃度；2000年以后隨著各大衛(wèi)星遙感平臺(tái)數(shù)據(jù)的相繼開放，MERIS以及歐空局的Sentinal-3OLCI等數(shù)據(jù)增設(shè)了620nm波段，加之3大分辨率的提升，算法的不斷優(yōu)化，大大提升了PC遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)在各個(gè)尺度和準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的能力；在隨后的十幾年內(nèi)PC遙感研究處于爆發(fā)期，無論是基礎(chǔ)原理，算法開發(fā)，還是遙感平臺(tái)的應(yīng)用都得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，遙感技術(shù)已成為藍(lán)藻監(jiān)測(cè)及水質(zhì)管理領(lǐng)域中不可或缺的有效工具。然而，與3大經(jīng)典光學(xué)活性物質(zhì)相比，PC的遙感研究相對(duì)較少，因?yàn)槠?20nm的吸收峰光學(xué)信號(hào)較弱、且易受到水體類型和葉綠素a、懸浮物等的影響。另外，PC實(shí)際濃度的測(cè)定尚沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方法可循。

PC定量遙感反演研究的意義在于，可利用PC與藍(lán)藻生物量，與藻毒素之間強(qiáng)烈的正相關(guān)關(guān)系，定量監(jiān)測(cè)水體中藍(lán)藻生物量或藻毒素含量，這對(duì)理解藍(lán)藻暴發(fā)機(jī)制及其早期預(yù)警具有重要意義?；谶@點(diǎn)，關(guān)于PC光學(xué)性質(zhì)（反射、吸收、熒光）、反演模型及應(yīng)用拓展的研究，都成為近年來水環(huán)境遙感研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

二、藻藍(lán)蛋白的光學(xué)性質(zhì)

2.1 藻藍(lán)蛋白的吸收特性

PC的吸收系數(shù)一般表示為aPC(620)，以aPC(620)除以PC濃度來表示PC單位吸收系數(shù)，即a*PC(620)。這兩個(gè)參數(shù)對(duì)定量遙感反演PC濃度都是至關(guān)重要的。從中國(guó)幾個(gè)典型水體的藻類吸收光譜曲線（圖3），可以看到3個(gè)明顯的吸收峰，綠色線指示Chla的吸收峰（443nm、675nm），藍(lán)色線指示了PC的吸收峰（620nm）。相比于Chla的吸收峰，PC吸收信號(hào)較弱，大概只有Chla吸收峰強(qiáng)度的20%。所以要想在遙感上得到與Chla等效的光譜信號(hào)，需要較高的PC濃度。不同類型內(nèi)陸水體的aPC(620)值差異較大，aPC(620)在中國(guó)東部湖泊數(shù)值范圍為0.05-1.56m-1，在荷蘭北部湖泊為0.002-1.2m-1，在美國(guó)印第安納州水庫(kù)為0.008-1.25m-1，這表明內(nèi)陸水體aPC(620)有強(qiáng)烈的變異性。有研究表明，aPC(620)會(huì)隨著水體營(yíng)養(yǎng)化等級(jí)的增加而增大。另外，aPC(620)也呈現(xiàn)季節(jié)性變化，一般是夏秋季較高，春冬季較低。這些研究結(jié)果表明aPC(620)不僅具有時(shí)空變異性，同時(shí)也受水質(zhì)類型的影響。

圖3 幾個(gè)內(nèi)陸水體反射光譜和吸收光譜

（藍(lán)色：PC吸收峰，綠色：葉綠素a吸收峰，紅色：散射峰，黃色PC熒光峰）

根據(jù)定義，PC單位吸收a*PC(620)可以反映aPC(620)與PC濃度的關(guān)系，一般的a*PC(620)與PC濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。不同地區(qū)不同類型水體，a*PC(620)差別較大，中國(guó)東部湖泊a*PC(620)的范圍為0.001-1.2m2·mg-1，荷蘭北部湖泊為0.0088-0.1868m2·mg-1。a*PC(620)受多種因素影響，包括細(xì)胞形態(tài)、光利用率、其他色素物質(zhì)的干擾。同時(shí)，PC濃度測(cè)定的不確定性也是a*PC(620)強(qiáng)變異性的重要因素。利用生物光學(xué)模型精確反演PC的關(guān)鍵是選擇一個(gè)合適的a*PC(620)值，因此a*PC(620)的變異是不可忽略的。

Simis算法中將a*PC(620)值固定為0.0095m2·mg-1，但后來他們又調(diào)整到0.007m2·mg-1，因?yàn)樾碌腜C提取方法使PC的萃取效率提高了28%。但是，Le等和Mishra等等人認(rèn)為0.007m2·mg-1仍然偏高，在研究中則使用了較低的a*PC(620)，如0.0043m2·mg-1和0.0048m2·mg-1，甚至在有的研究中，沒有測(cè)定a*PC(620)的值，而是直接使用已報(bào)道的平均值0.0046m2·mg-1?；赼*PC(620)易變的性質(zhì)，Mishra等利用同一組數(shù)據(jù)集，考察了3種a*PC(620)（報(bào)道過的0.0048m2·mg-1、平均值、模擬值）對(duì)PC濃度反演精度的影響，3種情況下得到的PC估算平均相對(duì)誤差在10%-22%變異。

結(jié)果還表明，a*PC(620)隨著Rrs(620)/Rrs(665)的比值呈線性增加?？偠灾?，a*PC(620)值不是一個(gè)固定值，受季節(jié)、細(xì)胞形態(tài)、藍(lán)藻種類、色素濃度等多種因素影響。

2.2 藻藍(lán)蛋白的反射光譜特性

在富含藍(lán)藻的水體中，反射光譜曲線具有3個(gè)明顯的反射峰（圖3），第1個(gè)反射峰位于500-600nm，是由藻類散射吸收引起的最大最寬的綠峰，第2個(gè)峰位于640-660nm，是由位于兩邊的620nm、670nm波段處的PC吸收，Chla吸收，共同作用形成的，第3個(gè)峰位于700-710nm，是由Chla強(qiáng)吸收和散射引起的。然而，這些峰并不是孤立的，固定不變的。有研究表明，PC光譜特征的位置是隨著PC濃度在Chla濃度比例中改變而變化的，可能小于620nm也可能大于620nm。在貧營(yíng)養(yǎng)水體中，PC濃度很低，光譜曲線620nm處沒有明顯的吸收谷，導(dǎo)致低濃度時(shí)，PC反演精度較低，而在中營(yíng)養(yǎng)、富營(yíng)養(yǎng)水體中620nm處有明顯的吸收谷，且PC濃度越高，620nm的吸收谷越深。而在浮渣出現(xiàn)以后，即水面被藍(lán)藻覆蓋，光譜呈現(xiàn)典型植被特征（光譜上753nm反射峰高于709nm）時(shí)，PC反演算法已經(jīng)沒有意義，此時(shí)應(yīng)該考慮更換算法去檢測(cè)浮渣藍(lán)藻生物量。

與其他兩個(gè)散射峰相比，反映PC吸收的反射峰信號(hào)是最弱的，這給遙感反演PC濃度帶來了一定難度，多數(shù)研究使用實(shí)測(cè)高光譜數(shù)據(jù)或高光譜航空遙感影像（AISA、CASI、CHRIS），以獲得滿意的離水輻亮度信號(hào)。對(duì)于多光譜衛(wèi)星傳感器，含有620nm波段設(shè)置的，也多被用于PC遙感反演研究?？傊?，結(jié)合PC光譜特征和其他峰、谷的分析，包括其量級(jí)的大小、位置、峰高、峰面積、求導(dǎo)等方法、開發(fā)各種PC反演算法。

三、藻藍(lán)蛋白與葉綠素a、藍(lán)藻生物量的關(guān)系

葉綠素a存在于所有藻類中，研究多以Chla為代理指示總藻的含量，PC只存在于藍(lán)藻中，可以指示藍(lán)藻生物量。藻毒素大多存在與藻藍(lán)細(xì)胞中，隨藻藍(lán)生物量增加而增多。他們之間的關(guān)系不僅可以用于妥善處理PC反演精度的問題，還可以用于間接估算藍(lán)藻生物量，藻毒素濃度等，拓展PC遙感反演的意義及實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。一般的，內(nèi)陸水體中，PC與Chla的關(guān)系有兩種情況：第一，只有在藍(lán)藻主導(dǎo)的水體中，他們之間才存在顯著正相關(guān)性，例如南非的Hartbee spoort水庫(kù)、韓國(guó)Baekje水庫(kù)，PC與Chla均具有很好的正相關(guān)關(guān)系；而對(duì)于非藍(lán)藻主導(dǎo)的水體，南非的Theewater skloof水庫(kù)，兩者相關(guān)性較弱。第二，只有在適宜的PC：Chla比值范圍內(nèi)，兩者關(guān)系才成立，當(dāng)PC：Chla<0.5時(shí)，兩者關(guān)系較弱，當(dāng)PC：Chla≥0.5時(shí)，兩者關(guān)系增強(qiáng)。太湖PC濃度為7-50μg·L-1范圍內(nèi)時(shí)，PC與Chla高度相關(guān)利用兩者的緊密關(guān)系，以PC代替Chla，提出了基于PC濃度的藍(lán)藻預(yù)警系統(tǒng)，得出PC濃度為0.1μg·L-1、30μg·L-1和700μg·L-1時(shí)分別指示安全水平、警惕水平、警告水平。相比于Chla，PC與藍(lán)藻生物量間的關(guān)系更加穩(wěn)定，據(jù)報(bào)道兩者相關(guān)關(guān)系高達(dá)0.7-0.8（表1）。但也有研究表明，不同種類藍(lán)藻含有PC濃度是不同。例如PC在Planktothrix agardhi藻中比在Lemmemanniella sp藻中的含量低4倍多。

另外，PC也可以作為橋梁連接Chla和藍(lán)藻生物量，從而實(shí)現(xiàn)大量的Chla反演算法被應(yīng)用于藍(lán)藻生物量監(jiān)測(cè)的目的。值得一提的是，PC：Chla比值賦有特別的意義，即可以指示總藻中藍(lán)藻的比列，這對(duì)早期藍(lán)藻水華預(yù)警以及理解內(nèi)陸水體中浮游生物群落結(jié)構(gòu)具有重要意義。PC與藻毒素關(guān)系研究不多。Shi等通過兩步估算法，利用藻毒素與Chla、Chla與MODIS指數(shù)這兩個(gè)緊密的關(guān)系，反演得到2003到2013年的藻毒素濃度年際變化規(guī)律。其他研究也發(fā)現(xiàn)藻毒素濃度與PC濃度強(qiáng)烈正相關(guān)。由于藻毒素不是光學(xué)活性物質(zhì)，理論上不能直接與遙感反射率（Rrs）數(shù)據(jù)建立關(guān)系，所以，這些關(guān)系為二步法反演藻毒素提供了理論基礎(chǔ)。

表1藻藍(lán)蛋白與葉綠素a、藍(lán)藻生物量、藻毒素的關(guān)系

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審核編輯 黃宇