基于VGPM模型和MODIS数据估算梅梁湾浮游植物初级生产力

基于MODIS影像数据反演的2009年2月份至12月份太湖梅梁湾水域表面叶绿素a、悬浮物浓度以及水温数据,结合初级生产力垂向归纳模型(Vertically Generalized Production Model:VGPM)估算获得梅梁湾2009年逐月平均日初级生产力时空分布。结果表明,梅梁湾2009年年平均日初级生产力及逐月平均日初级生产力空间分布差异显著,呈现从湾内向湾口逐渐递减的趋势。时间序列分析显示,梅梁湾初级生产力季节差异显著,夏季>秋季>春季>冬季,全年初级生产力主要集中在夏季,占47.4%。通过分析VGPM模型中几个输入参数对初级生产力的影响,发现悬浮物浓度与标准化初级生产力存在显著负冥函数关系,反映沉积物再悬浮引起的悬浮物浓度增加能降低水体初级生产力。温度对初级生产力也有一定的调控与制约,与初级生产力呈现正相关趋势,在低于21℃的温度范围内与最大光合作用速率呈现正相关。

基于VGPM模型的黄海海域生态系统服务价值评估

基于GIS和RS技术,对MODIS Level 3级遥感产品及相关统计资料进行处理,并采用VGPM模型对黄海海域的初级生产力进行了测算.通过将测算结果与市场价值法和条件价值法等计算法则相结合,对黄海海域的生态系统服务价值进行了评估.结果显示,2013年黄海海域生态系统服务总价值约为11467.16亿元,平均单位海域生态系统服务价值为301.77万元/km2.同时,评估过程表明:在海洋初级生产力反演和海洋生态系统服务价值评估中应用GIS和RS技术,可以提高评估中测量工作的效率.

基于VGPM模型的广西北部湾近岸海洋初级生产力估算

以北部湾近岸海域为研究对象,基于海洋水质监测数据与海洋初级生产力实测数据,对VGPM模型各参数分别进行校正,评估校正后的模型估算精度。结果表明:通过参数校正能够有效减小初级生产力计算误差。根据校正模型计算可得,2018年北部湾近岸海洋初级生产力变化范围为101.27~2161.75 mgC/(m^(2)·d),北部湾近岸海域浮游植物在夏季和秋季对营养盐需求较为明显,在春季和冬季则无明显需求。

江汉平原长湖浮游植物初级生产力的季节性变化及其驱动因子

为探究长江中下游富营养化浅水湖泊的浮游植物初级生产力季节性演替特征及其驱动因子,本研究于2020年4月(春)、8月(夏)、10月(秋)及2021年1月(冬)对湖北长湖浮游植物进行采样调查,同时运用黑白瓶测氧法及VGPM模型估算法分别估算了其浮游植物生产力水平,并探究驱动初级生产力季节性变化的主要环境因子。结果显示,4个季节共鉴定出浮游植物194种,其中绿藻门(95种,49%)和硅藻门(40种,21%)居绝对优势地位;黑白瓶法测得浮游植物水柱总生产力(P t)季节变化为:夏季((1841.24±345.93)mg C/(m^(2)·d))>秋季((1324.14±208.34)mg C/(m^(2)·d))>春季((847.50±247.72)mg C/(m^(2)·d))>冬季((711.43±133.52)mg C/(m^(2)·d)),其中M2站位在夏季采样时(2424.66 mg C/(m^(2)·d))水柱总生产力最高;在垂直空间上,浮游植物总生产力(GPP)及净生产力(NPP)随水深增加而逐渐变小。基于VGPM法估算的初级生产力(PP eu)季节性分布为夏季((3713.18±900.30)mg C/(m^(2)·d))>秋季((2643.62±1062.48)mg C/(m^(2)·d))>春季((2477.13±669.75)mg C/(m^(2)·d))>冬季((708.07±390.40)mg C/(m^(2)·d)),空间分布特征呈现海子湖区>马洪台湖区>圆心湖区的趋势。相关性分析结果显示:长湖浮游植物初级生产力(P t和PP eu)相关系数为88.2%,具有极显著相关性,它们与浮游植物密度以及叶绿素a(Chl.a)浓度均具有显著相关性。多元逐步回归分析显示,PP eu主要受Chl.a、水温、pH、总悬浮物和硝态氮的影响,而P t则可以通过电导率、水温和溶解氧来进行预测。该结果可为长江中下游湖泊水体富营养化以及渔业生产潜力评估奠定基础。

富营养湖泊冰封期物理因子对初级生产力的驱动作用:以辽宁含章湖为例

与非冰封期水体相比,冰封期湖泊初级生产力的研究较为薄弱,一方面在于完整冰封期的调查观测数据仍然较少,而完整的冰下初级生产力变化过程对于理解冰下生态系统对环境因子的响应至关重要,另一方面物理过程与冰下生态的联系仍然有待明确。本研究于20212022年冬季期间在大辽河口沿岸的含章湖开展野外调查,通过垂向归纳模型(vertically generalized production model,VGPM)计算了冰下初级生产力,分析了冰封期中初级生产力完整的变化过程,并探讨了冰封期初级生产力的关键物理驱动因素。结果表明:冰封期初级生产力呈现波动爬升的趋势,平均值为0.20 g C/(m 2·d);整个冰封期可以划分为3个时期,即结冰期、缓慢融冰期和快速融冰期,不同时期初级生产力的关键驱动因子不同,在结冰期水温是控制初级生产力的关键因素,在缓慢融冰期冰水界面光合有效辐射强度(photosynthetically active radiation,PAR)是控制初级生产力的关键因素,在快速融冰期水温和冰水界面PAR同时控制初级生产力。在结冰期冰下水体富营养化程度逐渐增加,在融冰期初级生产力随着升温和光照增强而迅速增加,因此需要对冰下水体中的生物活动及水质变化加强关注。

两种海洋初级生产力模型在长江口毗邻海区的应用比较

河口毗邻海域是海洋浮游植物相对活跃的区域,对初级生产力和全球碳循环有重要意义。本文结合现场实测数据和卫星数据,利用针对近岸优化的切萨皮克湾生产力模型(CBPM)和初级生产力垂向归纳模型(VGPM),分别计算了2018年3、7和10月长江口毗邻海域浮游植物的净初级生产力(NPP)和总初级生产力(GPP)。结果表明,两个模型在研究区域的初级生产力空间分布基本一致:在3月,从高纬度近岸到低纬度远岸递增;7月,初级生产力高值区以长江口和杭州湾为中心呈弧形分布;10月,初级生产力形成两个封闭的高值区。3个月份全部78个站位中有超过98%的站位VGPM的计算结果大于CBPM的结果,且3个月份VGPM的生产力结果比CBPM的计算结果分别高133%、73%和118%。通过与历史实测数据对比可知,CBPM计算所得长江口毗邻海域NPP更加接近历史实测数据。CBPM相比于VGPM更加适合长江口毗邻海域NPP计算的模型。另外,水底溶解氧与GPP、海表叶绿素浓度在各个月份都有显著的负相关关系。

太湖秋季真光层深度空间分布及浮游植物初级生产力的估算

基于2004年10月对全湖67个采样点水下光合有效辐射(photosynthetically active radiation:PAR)和各光学活性物质浓度的测定,分析了真光层深度的空间分布及其影响因素.利用实测的叶绿素a浓度,真光层深度,PAR强度,由水温计算得到的最佳固碳速率以及由经纬度计算的日照周期等,在垂向归纳模型(vertically generalized production model:VGPM)的支持下估算了全湖秋季浮游植物初级生产力.真光层深度的变化范围为0.37-5.27m(均值为1.52±1.06m),高值出现在东太湖、胥口湾、东西山之间等水生植物分布茂盛的草型湖区,而在梅梁湾、湖心区以及西南面的开阔湖区真光层深度均较小.回归分析显示,真光层深度主要受制于非色素颗粒物浓度,浮游植物和溶解性有机物的贡献相对要小得多.叶绿素a浓度和VGPM模型估算的浮游植物初级生产力变化范围分别1.21-53.59μg/L、77.4-2484.9mg/(m2·d),其时空分布基本一致,高值出现在富营养化的藻型湖区梅梁湾,低值出现在胥口湾和西南开阔湖区.VGPM模型和经验模式对比结果显示两者值比较接近并存在显著相关(r2=0.79,p<0.0001),两类模型全湖的均值分别为694.5±492.0、719.8±315.4mg/(m2·d),但由于VGPM模型考虑到真光层深度、温度、PAR强度以及日照周期对初级生产力的影响,其变化范围明显大于经验模型,也更能反映初级生产力的空间变化.

南海1998—2002年初级生产力的遥感估算及其时空演化机制

基于SeaWiFS资料得到1998—2002年海洋叶绿素浓度值以及海表温度(SST)数据和其它海洋数据,通过VGPM模型最终反演得到南海1998—2002年逐月初级生产力分布图以及季节分布图,发现在这5年内南海海域初级生产力年平均值变化不大,仅略有差异,1998年的年平均初级生产力要比其它几年的年平均初级生产力小一些;而南海海域初级生产力的季节变化则很明显,冬季要比其它几个季节高得多,而夏季最低。不同季节控制南海海域初级生产力的主导因素各不相同,主要是叶绿素浓度的分布、营养盐的分布、温度条件等,不同海区又略有不同。

海洋初级生产力的卫星遥感估算模型

海洋初级生产力估算在渔业资源管理、碳循环和全球变化研究中具有重要意义,准确的海洋初级生产力估算模型可直接为渔业生产和海洋管理提供决策支持,卫星遥感技术能够及时提供地表大尺度、动态的生态环境参数,因而在海洋初级生产力估算方面得到了广泛的应用。首先介绍了遥感估算海洋初级生产力的原理,对不同遥感模型包括经验模型和基于生物机理的BPM模型、LPCM模型和VGPM模型等生理过程模型进行了比较分析。以渤黄海海域为研究区,利用MODIS/AQUA卫星数据产品中的海表温度SST、离水辐射率Lw、海水漫射衰减系数Kd490和海洋光合有效辐射PAR,计算出水柱的最大碳固定速率、真光层深度、遥感叶绿素浓度,选择全遥感数据驱动的生理过程模型VGPM,对渤黄海的初级生产力进行了估算和分析。结果表明:通过MODIS卫星数据基于VGPM模型估算的渤黄海海域的海洋初级生产力很好地揭示了海洋初级生产力在不同海区的分布和变化。整个渤黄海海区初级生产力的总体分布为从近海向外逐渐降低,其中渤海要较高一些,和前人调查比较一致。

安徽武昌湖丰、枯水期浮游植物初级生产力特征及其与环境因子的关系

浮游植物初级生产力是水域生态系统的主要能量来源,是湖泊合理开展增殖渔业的重要依据。本研究于2019年8月(丰水期)和12月(枯水期)对安徽武昌湖不同样点进行水样采集,测定叶绿素a浓度(Chl-a)、水质理化参数。通过垂向归纳模型(VGPM)估算浮游植物初级生产力,分析其时空分布特征及主要的影响因子。结果显示:武昌湖浮游植物初级生产力出现了明显的季节性差异,丰水期初级生产力均值为(523.56±388.48)mg C/(m2·d),显著高于枯水期均值(53.37±28.05)mg C/(m2·d)。在空间分布上,丰水期大部分湖区生产力水平处于平均值附近,而枯水期生产力分布出现了明显的高值区,为离乡镇较近的湖泊边缘区。Pearson相关性分析显示,丰水期初级生产力与温度(T)和Chl-a浓度呈显著正相关,与固体悬浮物(TSS)和化学需氧量(CODMn)浓度呈显著负相关,而枯水期则与Chl-a浓度和TSS呈显著正相关。进一步采用多元逐步回归分析构建了丰水期和枯水期武昌湖初级生产力与环境因子的回归方程式,分别为Zscore(PPeu)=0.917 Zscore(Chl-a)+0.302 Zscore(SD)-0.175 Zscore(T)和Zscore(PPeu)=0.598 Zscore(T)+0.373 Zscore(Chl-a)-0.039 Zscore(DO)。结果表明武昌湖初级生产力变化主要受到水体T、Chl-a、DO浓度等因子影响。

基于RS和GIS的黄海海区海洋初级生产力估算

海洋初级生产力估算在渔业资源管理、碳循环和全球变化研究中具有重要意义。准确的海洋初级生产力估算模型可直接为渔业生产和海洋管理提供决策支持。在RS和GIS技术支持下,采用VGPM(vertically generalized production model)模型对黄海海区海洋初级生产力进行遥感估算和分析。研究发现,2007年黄海中部初级生产力在260 mg/(m2.d)以上,最大海洋初级生产力出现在6月,达到530 mg/(m2.d),且海洋初级生产力存在明显的空间分布特征及季节变化。本研究可为深入了解与评估黄海海区生物资源状况及可利用程度提供数据支持,也可为区域水环境质量评估及海洋经济发展规划提供决策支持。

深圳沿岸海域净初级生产力的遥感反演及其时空变化分析

以深圳沿岸海域为研究区,以MODIS/AQUA卫星遥感产品为数据源,结合实测浮标数据修正了VGPM中叶绿素a含量的估算进而分析深圳沿岸海域净初级生产力的时空分布规律.研究表明:(1)深圳沿岸海域2014年2、5、8、10月的净初级生产力在空间分布上从近海向外逐渐降低,初级生产力整体呈现出"西高东低"的局面,且未有明显的季节性波动.(2)4个海区的叶绿素a含量均表现为夏季最高秋冬季次之,但各海区主要影响因素不同,珠江口主要受季风造成的浮游植物种类与细胞密度的季节变化影响,大亚湾主要受营养盐限制,大鹏湾的主导因素为湾内余流的季节变化,深圳湾的叶绿素a含量主要与浮游植物细胞密度的季节变化有关.(3)珠江口的初级生产力春夏季高于秋冬季;大鹏湾的初级生产力夏季最高,且季节变化趋势与叶绿素a表现一致;深圳湾的初级生产力夏季最高,且季节变化趋势与海表温度表现一致;大亚湾的初级生产力波动明显,夏冬季海洋初级生产力数值总体高于春秋季.

浮游植物初级生产力的遥感研究综述

针对当前浮游植物初级生产力遥感研究存在的系统化、层次化总结不够的问题,综述了浮游植物初级生产力的遥感研究进展,并对其发展进行了展望。详细论述了浮游植物初级生产力的研究从基于现场观测的单点计算到逐步引入遥感手段的大尺度长时间序列估算的发展历程,并指出了生物-光学模式及新一代水色遥感传感器对浮游植物初级生产力估算的革命性意义。通过结合初级生产力遥感估算模型及相关文献计量的方法,重点探讨了垂向归纳模型(vertically generalized productivity model,VGPM)在进行浮游植物初级生产力估算领域的成就及其挑战。综述发现,利用黑白瓶等传统的手段已逐渐不适应初级生产力大尺度长时间序列估算的需要,未来通过提高遥感输入数据精度、修正和优化初级生产力遥感估算模型,有望实现浮游植物初级生产力大尺度和长时间序列的精确估算。

利用HY-1B卫星数据的黄海初级生产力时空变化研究

对海洋初级生产力的研究近年来成为科学界的热点问题之一。VGPM是1997年被提出的用于估算海洋初级生产力的模型,形式简单,精度高,适用性强。而ArcGIS有有好的图形化栅格计算器。据此,利用2014年黄海区域的HY-1B卫星L2数据,采用VGPM模型与GIS技术估算四期海洋初级生产力,并分析其时空变化特征。研究结果表明:2014年黄海海域海洋初级生产力均值都在285mg/(m2獉d)以上,在时间上表现为双峰分布,在空间上呈现由北向南、由近及远逐渐降低的分布特征。

海洋水色遥感产品在青海湖鱼产潜力估算中的应用

鱼产潜力可为渔业资源保护和管理提供科技支撑,传统的鱼产潜力估算方法在大型湖泊中往往成本高、采样率低、时效差.本研究基于20182020年非冰封期(510月)在青海湖的实测数据,通过提取和校对海洋水色遥感MODIS卫星数据反演产品(1 km分辨率)并结合垂向归纳模型(VGPM)构建了青海湖浮游植物初级生产力及鱼产潜力估算模型,估算的浮游植物初级生产力与实测值对比的平均相对误差小于25%.利用该模型估算20182020年非冰封期青海湖基于浮游植物初级生产力的鱼产潜力并分析其时空分布规律,结果显示青海湖鱼产潜力在510月呈现先增加后减少的季节波动规律,最大值出现在夏季(78月);空间分布上呈现湖心小,岸边及靠近入湖支流河口区域大的分布状态,全湖总鱼产潜力月均变化范围为2.5万~17.6万t.鱼产潜力的时空分布规律主要受气温、外源营养物质、裸鲤摄食等影响.研究表明青海湖非冰封期的鱼类资源承载力年累计值可达45.8万t,明显高于现有裸鲤资源的现存量和历史产量高峰值,表明青海湖仍然具备很大的鱼类资源承载力与增殖空间.本研究为同类型的大型高原湖泊基于卫星遥感的高效长期鱼产潜力监测估算提供了范例,为青海湖“封湖育鱼”政策制定和增殖放流保护决策提供参考.

基于遥感的南海北部夏季上升流对渔业资源的影响

根据2007-2009年夏季(6-8月)卫星遥感数据(海表温度、叶绿素a浓度、Kd_490、PAR、海面风场等),通过VGPM模型和营养动态模型对2007-2009年夏季南海北部初级生产力和渔业资源量进行研究.结果表明,2008年夏季初级生产力及渔业资源量最高,分别为440.817 mg/(C·m^2·d)、412.634 kg/(C·km^2),2009年渔业资源量次之,2007年渔业资源量最低分别为364.898 kg/(C·km^2)、310.831 kg/(C·km^2).基于风速数据反演得到2007-2009年夏季南海北部风场,结果表明2008年夏季闽粤沿岸及台湾海峡西侧上升流强度最强、2009年夏季次之、2007夏季年最弱,这种变化和渔业资源量的变化趋势具有一致性.通过各季节环境因素的相关性分析发现渔业资源量与风速呈显著正相关关系,和温度呈显著负相关关系.

湛江湾真光层深度与初级生产力的时空变化及其影响因素

基于2016-2017年4个季节航次数据,分析了湛江湾真光层深度与初级生产力的时空变化特征及其影响因素。结果表明,湛江湾真光层深度平均值为(6.95±3.17)m,空间变化比季节变化明显,K_(d)(PAR)与浊度存在显著的正相关关系,建立的线性回归模型R为0.73(p<0.01),表明悬浮颗粒物对湛江湾真光层深度的影响占主导地位。利用VGPM模型得到初级生产力(以碳计)的平均值为(639.53±427.95)mg/(m^(2)·d),其时空特征与真光层深度基本保持一致,真光层深度比叶绿素a浓度更能解释初级生产力的时空分布模式。

云南程海浮游植物初级生产力的时空变化及其影响因子

2016年4月-2017年2月,采用黑白瓶法研究了云南程海单点(码头点位)浮游植物初级生产力的垂直分布及其季节变化,同时基于全湖9个点位的现场调查和生产力垂向归纳模型(VGPM)估算并探讨了程海浮游植物初级生产力的时空变化及其主要影响因子.结果显示,码头点位的年均(均值±标准误)水柱(0~3m)总初级生产力(GPPC)、净初级生产力(NPPC)和呼吸消耗量(RC)分别为5.40×10^3±0.64×10^3、2.36×10^3±0.63×10^3和3.06×10^3±0.82×10^3mgO2/(m^2·d);不论春夏季(4-8月)、秋冬季(9月-次年2月)还是全年,码头点位的单位生物量GPP(GPP/Chl.a)和单位生物量NPP(NPP/Chl.a)的最大值和最小值均分别出现在水下0.5m和3.0m处.经VPGM估算,程海全湖的初级生产力(PPeu)年均值为6.54×10^3±0.30×10^3mgC/(m^2·d)(2.74×10^3~18.62×10^3mgC/(m^2·d)).PPeu的时空变化方面,春夏季是PPeu快速上升的时节,秋冬季PPeu的月变化则呈波动状态,春夏季与秋冬季PPeu无显著性差异;PPeu整体空间异质性较弱,仅在降水最为充沛的7、8月表现出南北向的异质性,这与降水条件和流域营养盐输入的空间异质性有关.回归分析发现,虽然程海PPeu的主要影响因子具有季节异质性,但不论春夏季、秋冬季还是全年,浮游植物生物量均是重要的影响因子,水温亦是春夏季的重要影响因子.

长江中下游湖区浮游植物初级生产力估算

长江中下游是我国淡水湖泊最集中的区域,也是富营养化较为严重的地区。作为湖泊系统初级生产力的主要影响因子氮、磷等营养元素增加,会显著影响湖泊系统的初级生产力。近几十年来越来越多的学者运用模型来模拟湖泊等水体的初级生产力。而VGPM模型和Talling模型综合考虑了水温、光合有效辐射、湖泊叶绿素浓度和真光层深度等因素,能较准确地模拟水柱初级生产力。1987～1991年、2001～2005年长江中下游湖区湖水中TP浓度分别为0.059～0.105和0.070～0.167mg/L,湖泊TP浓度升高,导致湖泊藻类初级生产力增大。15a间湖区的初级生产力由0.139～0.381gC/(m2.d)上升到0.128～0.504gC/(m2.d)。在VGPM模型1987～1991年、2001～2005年湖区固碳量由3 321.25tC/d上升到3 765.02tC/d,增加13.36%;在Talling模型中湖区固碳量由2 399.64tC/d上升到3 272.42tC/d,增加36.37%。

广西北部湾海域初级生产力与环境因子相关关系研究

海洋初级生产力(ocean primary productivity,OPP)是评估海洋生态的重要依据,对海洋资源的开发与管理具有重要意义。本研究基于2017年北部湾近岸海域水质监测数据与MODIS海洋水色数据,构建VGPM模型估算广西北部湾海域海洋初级生产力。根据模型估算结果,分析了该海域2017年OPP的时空变化特征与影响OPP的环境因子相关性。结果表明,北部湾海域OPP呈现出冬、春季高和夏、秋季低的时间特征,近岸高、远岸低的空间特征;月平均OPP最高值出现在12月,为2196.23 mg C/(m^(2)/d);最低值出现在8月,为693.73 mg C/(m^(2)/d);OPP与光合有效辐射、海表温度呈负相关关系,与盐度呈正相关关系;营养盐相关性分析表明北部湾海域浮游植物生长对亚硝酸盐的需求不高,对正磷酸盐的需求较为明显。