近日，南方科技大學環境科學與工程學院副教授馮煉課題組在Nature Geoscience發表題為“Global mapping reveals increase in lacustrinealgal blooms over the past decade”的論文。

該研究基于1982-2019年間約291萬張Landsat影像，追溯了近40年全球248,243個湖泊（占全球湖泊面積的57.1%）的藻華爆發情況。研究表明，在過去40年，全球有21,878個湖泊遭受湖泊藻華問題的困擾。分析顯示，全球各大洲（大洋洲除外）湖泊藻華爆發頻率自2010年后明顯增加，其中亞洲和非洲國家增加最明顯，主要為一些發展中國家。論文相關的Landsat湖泊藻華結果數據及代碼都已經公開（//doi.org/10.1038/s41561-021-00887-x  ）。

隨著人類活動加劇，大量營養鹽輸入湖泊，導致湖泊水體富營養化日趨嚴重，加之氣候變暖，全球湖泊藻華日益頻發，湖泊面臨的嚴峻水環境問題不容忽視。然而，目前尚且缺乏對全球湖泊藻華整體時空格局的系統性評估。湖泊藻華爆發時，一些藻類（例如藍藻）可通過氣囊調整浮力來調節其在水中的位置，導致藻華分布在空間上呈現高度動態變化。風平浪靜的條件下，藻類在水表面聚集，能夠被衛星遙感影像準確捕捉。因此通過衛星遙感獲取的藻華范圍通常被認為比實地調查更可靠，目前衛星遙感已經成功應用于單個湖泊到國家尺度的湖泊群藻華監測研究中。

現有研究中，針對個別湖泊構建的藻華遙感監測算法（例如植被指數法）主要基于藻華在近紅外波段處類似于植被的抬升信號。然而，由于湖泊水體存在非常大的時空異質性，此類算法無法滿足全球尺度湖泊藻華研究的需求。針對該問題，研究團隊首先從淡水湖泊藻華最基本的顏色（綠色）出發，基于CIE（Commission Internationale de L'Eclairage，國際照明委員會）顏色空間構建了適用于全球不同湖泊水體藻華的遙感自動判別算法。研究從全球已報道有藻華爆發的湖泊選取藻華樣本數據，獲取藻華樣本的衛星數據的紅綠藍三波段反射率值。進而通過CIE xy顏色系統將紅綠藍三波段反射率值轉換為CIE顏色空間中的綠色值，并構建綠色值的下邊界作為藻華識別模型（圖1）。當像元綠色值大于下邊界值時（即水體更綠），即判定該像元為藻華像元。

圖1 基于CIE顏色系統的藻華識別算法。（a）CIE顏色空間。（b）選取的藻華像元綠色值在CIE xy色度坐標中的密度分布圖。（c）算法提取案例。

其次，考慮到陸地鄰近效應會引起水體呈“綠色”、一些鹽湖因礦物質濃度過高會呈“綠色”、以及湖中的“綠色”水生植被，均會影響該藻華識別模型的精度，研究團隊采用了一系列掩膜處理以排除這些問題的干擾。

最后，研究團隊將該藻華識別模型應用到1982-2019年約291萬張Landsat影像，獲取了全球248,243個面積大于0.1 km²的淡水湖泊的藻華爆發情況。研究湖泊總面積達1,671,592.8 km²，占全球湖泊總面積的57.1%。該研究統計了各個湖泊的藻華爆發頻率（Bloomoccurrence，BO）及最大藻華爆發面積（Maximum bloom extent, MBE），追溯了過去近40年全球湖泊藻華爆發頻率及最大藻華爆發面積的時空分布格局，將所有Landsat數據分三個時間段探討過去近40年全球湖泊藻華爆發的長時序時空動態變化。

圖2 全球65個國家的最大藻華面積（MBE，單位：km²）及藻華頻率（BO, 單位：%）。其中黑色（灰色）箭頭指向的10個國家分別對應最大藻華面積（藻華頻率）排名前十的國家。

研究結果表明，過去近40年全球湖泊藻華爆發頻率明顯增加，尤其是在2010年，許多地區都出現了藻華頻繁爆發（頻率>10%）的情況。然而，藻華爆發范圍與頻率的變化分布并不均勻，許多亞洲和非洲國家的增幅最大（圖2），而且這些國家多是發展中國家。因此，這些地區是未來開展管理和緩解藻華工作的重點關注區。此外，氣候變化的影響也可能會抵消發達國家目前政策對水質惡化的緩解，表明未來需要更強的水質改善措施。

研究團隊構建了第一個全面的全球藻華數據庫，包括全球淡水湖泊藻華的時空分布，能為至少三個重要應用提供基準信息：（1）確定湖泊藻華的原因并預測其未來的發生趨勢；(2) 為當地政府和環境機構制定預防和緩解政策；(3) 評估歷史和未來藻類大量繁殖的生態、經濟和社會影響。

南科大是論文第一單位，馮煉為唯一通訊作者，課題組高級研究學者侯雪姣為唯一第一作者，合作作者包括環境科學與工程學院講席教授鄭春苗、講席教授劉俊國、教授鄭一、副教授Luke Gibson等。本研究項目得到了國家自然科學基金、南方科技大學亮點項目等大力支持。

論文鏈接（復制鏈接至瀏覽器可訪問）：//www.nature.com/articles/s41561-021-00887-x 

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