潮滩上的“秘密花园”——底栖微藻

原创 张婷 潮新社 8月1日

　　潮滩上的底栖微藻主要由蓝藻、硅藻等类群组成，它们个体微小，从几微米到几十微米不等。潮滩上不均匀的黄绿色斑块，往往是底栖微藻形成的藻垫，不易察觉（图1），因此，被誉为潮滩上的“秘密花园”（Secret Garden）。这种隐秘性不仅体现在感官上的忽视，也体现在对它们生态功能的忽视。底栖微藻是潮滩上的重要初级生产者，有机碳的产量通常可以达到100 g cm-2 y-1，有时甚至可以超过300 gcm-2y-1，有研究表明其对全球有机碳的贡献约为5亿吨(Cahoon et al., 1999; Underwood and Kromkamp, 1999)。此外，底栖微藻处于潮滩食物链营养层最底端，是潮滩上鸟类、底栖鱼类、小型底栖生物（如线虫类、桡足类、涡虫类等）和大型底栖动物（如多毛类、片脚类、双壳类、甲壳类等）等多种生物的食物来源(刘东艳和袁子能, 2019)。因此，研究潮滩上底栖微藻的时空分布特征及其动态变化有助于更深入地理解潮滩生态系统的能量流动和物质循环。

图1. 长江口淤泥质潮滩上的黄绿色藻垫及显微镜下的底栖硅藻（图片来源：张婷、孙赛赛）

　　潮滩底栖微藻的生长易受温度、光照、营养盐、风、浪、流等要素的影响，其水平和垂直方向上的迁移进一步加剧了它时空分布不确定性。相比于传统的现场取样方法，遥感具有全天候、大范围以及连续性的优势，主动遥感和被动遥感（见图2）的综合运用能够实现对潮滩生态系统的不同特征全面宏观监测，有助于底栖微藻的精准定量反演。目前，表层沉积物中的叶绿素a浓度常作为指示底栖微藻生物量的有效参数，遥感影像可以高效捕获这些信息，从而获取宏观尺度上底栖微藻生物量的时空变化。然而，潮滩的高度动态特性对底栖微藻定量遥感反演形成挑战。首先，潮滩上生长的盐沼植被具有一些与底栖微藻相似的光谱特征，形成干扰。此外，频繁起落的潮水中往往含有浮游植物和大量悬沙，而水体中高浓度的悬沙或叶绿素含量会导致底栖微藻生物量的高估。同时，如何将局地小尺度区域底栖微藻生物量高光谱遥感反演科学研究推广转化为大尺度大范围潮滩精确反演并实施管理应用也是重大难题。因此，如何减少潮滩上盐沼植被和积水带来的不确定性，进一步提升栖微藻生物量反演精度，以及研究构建有效科学的底栖微藻生物量定量遥感反演算法并能够在全球或国家尺度潮滩上进行定量精准估算是关键。

图2. 遥感卫星上的主要传感器类型，图片改自Pettorelli et al. (2014)

　　为了减少潮滩上积水和盐沼植被带来的不确定性，我们以长江口崇明东滩为研究区域，通过结合哨兵1号雷达和哨兵2号光学影像数据，构建了基于MNDWI的动态阈值算法，对潮滩表层水体像元进行去除；通过对比分析底栖微藻和盐沼植被地面光谱数据（见图3），研制了基于红边波段的盐沼植被识别算法，对植被像元进行去除；同时通过分析不同底栖微藻生物量的光谱曲线，研建了基于红波段的回归模型用以估算底栖微藻生物量。结果表明，研究区域内底栖微藻高生物量的分布不限于一个季节和一个地点，年平均生物量为14.39 mg Chl-a·m-2，且夏季长江口潮上带生物量最高（19.51mg Chl-a·m-2）（图4）。与目前广泛使用的归一化植被指数（NDVI）相比，在高度变化的潮滩环境中，基于红波段吸收深度特征回归的底栖微藻生物量估算模型更为稳健（r2>0.7），是一种高效的可替代高光谱窄带的多光谱卫星遥感定量反演方法，能够较好应用于大范围潮滩底栖微藻生物量的快速精准估算，未来在全球海岸带蓝碳估算和潮间带生态环境监测评价及保护管理中具有重要的应用价值和潜力。

图3. 长江口潮滩典型地物的光谱特征。a为不同底栖微藻生物量的光谱曲线；b和c分别为基于哨兵2号影像数据光谱分辨率重采样后的光谱曲线及其连续介质去除后的光谱曲线；d和e分别展示了底栖微藻和长江口常见盐沼植被的光谱曲线，以及重采样和去除连续介质后的光谱曲线，灰色阴影区是底栖微藻和盐沼植被分异性最强的波段
图4. 长江口崇明东滩底栖微藻的季节性变化：a-d分别为春季（2019年3月至5月），夏季（2019年6月至8月），秋季（2019年9月至11月），冬季（2019年12月至2020年2月）底栖微藻的空间分布图，e为潮上带（n=61,839）、潮间带上部（n=87,323），潮间带中部（n=195,237）和所有区域（n=344,399）不同季节的生物量统计图

本文涉及的研究进展由博士生张婷、硕士生孙赛赛，田波副研究员（通讯作者）、王玉珏副研究员、刘东艳研究员，周云轩教授等共同完成，成果发表在Science of the Total Environment期刊上；研究由国家重点研究计划（No. 2018YFE0101000）、国家自然科学基金项目（No. 42030402, 51739005）、国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项（No. 2016YFE0133700）共同资助。

参考文献：
- Cahoon, L.B., Nearhoof, J.E., Tilton, C.L., 1999. Sediment grain size effect on benthic microalgal biomass in shallow aquatic ecosystems. Estuaries 22, 735–741. https://doi.org/10.2307/1353106
- Pettorelli, N., Laurance, W.F., O’Brien, T.G., Wegmann, M., Nagendra, H., Turner, W., 2014. Satellite remote sensing for applied ecologists: Opportunities and challenges. J. Appl. Ecol. 51, 839–848. https://doi.org/10.1111/1365-2664.12261
- Underwood, G.J.C., Kromkamp, J., 1999. Primary Production by Phytoplankton and Microphytobenthos in Estuaries. pp. 93–153. https://doi.org/10.1016/S0065-2504(08)60192-0
- 刘东艳，袁子能, 2019. 可知泥滩是金滩. 环境文苑 25–27.

　　论文信息：Zhang, T., Tian, B.*, Wang, Y., Liu, D., Sun, S., Duan, Y., Zhou, Y., 2021. Quantifying seasonal variations in microphytobenthos biomass on estuarine tidal flats using Sentinel-1/2 data. Sci. Total Environ. 777, 146051. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.146051

　　通讯作者简介：

　　田波博士，华东师范大学河口海岸国家重点实验室副研究员，2008年获华东师范大学自然地理学博士学位，复旦大学环境科学系博士后，美国西北太平洋国家实验室访问学者。主要从事海岸带湿地遥感，全球变化遥感与海岸带可持续管理、遥感云计算与科学分析研究。主持过三十多项国家级和地方项目，在SD，ISPRS，STE，JH，生态学报，遥感学报等国内外学术期刊发表研究论文50多篇。全国湿地保护标准化技术委员会委员, 中国海洋学会海洋信息专业委员会委员。

公众号文章作者：张婷；审阅：田波、刘东艳

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