《Journal of Hydrology》：Geostaionary satellite observations reveal diurnal dynamics of particulate organic carbon in optically complex lakes
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湖泊颗粒有机碳（POC）日变化特征及驱动机制研究基于高分辨率GOCI卫星数据，揭示长江及淮河流域52个湖泊POC日均值、变异系数、午前午后差异及峰值时间的空间异质性和年际变化规律，发现三类日变化模式：递减型、递增型、午间峰值型，并证实温度、太阳辐射及风力对POC日变动的综合调控作用。
薛坤|马荣华|胡敏奇|王梦华|程洋|姜丽德|黄泽辉
中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与流域科学国家重点实验室，中国南京211135
摘要
颗粒有机碳（POC）的日变化在湖泊碳循环中起着关键作用，但在区域尺度上的量化仍然不足。利用地球同步轨道海洋颜色成像仪（GOCI）的每小时观测数据（08:16–15:16，UTC+8；空间分辨率为500米），我们研究了2011–2021年间中国长江和淮河流域中下游（MLYHR）52个湖泊中POC的变化情况。四种日变化POC指标，包括POC的日均值（POCmean）、POC的变异系数（POCcv）、下午与早晨POC的相对差异（dPOC）以及每小时POC的质心（cPOC），显示出显著的空间和时间变化。POCmean和POCcv在夏季和秋季达到峰值，最大值分别为5.60 mg/L，并在冬季和春季下降。73.96%的像素中dPOC值为负（–6.48 ± 15.39%），表明下午POC占主导地位，而cPOC在11:49 ± 0.17小时（UTC+8）时聚集在一起。模糊C均值聚类方法识别出三种不同的日变化POC模式：类型1（减少）、类型2（增加）和类型3（中午峰值）。年际分析表明，2014年后日变化POC指标的趋势发生了变化，且这种变化具有指标依赖性。驱动因素分析显示，温度和太阳辐射主要控制着POC的日变化，而风通过调节POC的垂直运动和混合影响POCcv。结构方程建模突出了每种日变化模式背后的不同机制，特别是对于dPOC和cPOC。这些发现可以为通过纳入白天的日变化POC动态来优化湖泊碳通量模型提供基础，并强调了将日变化过程纳入环境监测和政策框架的必要性。
引言
湖泊在全球碳循环中起着重要作用，因为它促进了陆地和水生生态系统之间的碳交换（Drake等人，2017年；Tranvik等人，2009年）。颗粒有机碳（POC）与溶解有机碳和无机碳（DOC/DIC）的转化密切相关，是沉积物中碳的重要来源，最终影响湖泊生产力和碳-气候反馈（Allison等人，2010年；Gardner等人，2006年）。POC动态的复杂性源于内源性生产（主要由浮游植物驱动，例如生物量、碎屑和排泄物）和外来输入（来自陆地径流、废水排放或沉积物再悬浮）（Begum等人，2023年；Kumari和Mohan，2018年）。浮游植物产生的POC通常表现出由垂直迁移、光合作用和群落组成变化驱动的日变化，从而引入碳循环的动态反馈（Baetge等人，2024年；Frempong，2006年）。这种日变化异质性在光学复杂的内陆水域中可能进一步放大，这些水域对陆地影响和沉积物再悬浮非常敏感，尤其是在浅湖中（Brewin等人，2023年）。
卫星遥感已被广泛用于估计全球海洋水体中的POC，其中浮游植物是POC的主要来源（Bonelli等人，2022年；Joshi等人，2023年；Stramska，2009年；Stramski等人，2022年）。对于沿海和内陆水域，经验性和半解析算法也使得长期POC动态的检索成为可能（Duan等人，2014年；Huang等人，2017年；Jiang等人，2019年；Li等人，2024b年；Liu等人，2024b年；Yu等人，2023年）。结合非藻类颗粒（NAP）主导的水体和浮游植物主导的水体的混合框架改进了光学复杂湖泊中POC的估计（Lyu等人，2017年；Xue等人，2025年）。此外，已经建立了POC与悬浮颗粒物（SPM）或叶绿素-a（Chl-a）之间的关系，用于沿海水域（Wang等人，2020年；Wei等人，2019年）和长江流域湖泊（Liu等人，2019年；Liu等人，2023年）的POC反演模型，而浮游植物吸收系数（例如a_ph）也被用作富营养化湖泊的代理指标（Jiang等人，2015年；Lyu等人，2017年）。
湖泊中的POC动态主要受生物过程（浮游植物光合作用和微生物降解）、物理过程（沉积物再悬浮和垂直混合）以及人为干扰（土地利用变化、挖沙和建坝）的调节（Cuassolo等人，2015年；D’Sa等人，2023年；Ren等人，2021年）。这些因素共同改变了自生（藻类）与异生（陆地）有机碳的相对贡献（Chen等人，2018年；Meng等人，2021年）。当POC主要由浮游植物产生的物质主导时，其动态主要受光照可用性、水温和营养水平的影响（Liu等人，2023年；Wang等人，2021年）。相反，在受沉积物再悬浮、土壤侵蚀和水文地形因素影响的水域中，POC的组成倾向于从自生来源转变为异生来源（例如流速和流域形态）。
以往的研究主要集中在季节性或年际POC变化上（Liu等人，2024a年；Liu等人，2023年；Xu等人，2020年），而通过卫星评估日变化POC动态的研究仍然有限。实验室研究证实了浮游植物光学特性的日变化（Eckert等人，2019年；Gernez等人，2010年；Stramski和Reynolds，1993年），地球同步卫星观测揭示了净叶绿素生长和浮游植物垂直迁移的日变化（Li等人，2024a年；Salisbury等人，2021年；Xue等人，2023年）。忽略日变化POC可能会在估算每日碳预算时引入较大偏差。例如，如果由于光合作用增强，POC浓度在下午达到峰值，仅依赖单次过境卫星观测（例如极轨传感器的早晨观测）可能会低估日均POC。同样，未能准确确定下午光合作用峰值的时间和幅度可能会导致估算白天碳吸收或汇的不确定性增大（Brewin等人，2023年）。这一担忧得到了二氧化碳（CO2）通量测量的支持，这些测量表明亚日变化可以显著改变每日净通量估计（de Eyto等人，2025年）。因此，日变化POC动态对于改进碳通量模型和减少区域碳评估的不确定性至关重要。
地球同步卫星通过每小时观测提供了追踪日变化生物光学特性的独特优势（Choi等人，2019年；Wang等人，2023年；Woo等人，2025年；Wu等人，2022年；Zheng等人，2017年），克服了极轨卫星的时间限制（例如Terra和Aqua卫星上的中分辨率成像光谱辐射计（MODIS），后者每天仅观测1-2次）。地球同步轨道海洋颜色成像仪（GOCI）提供从08:16到15:16（UTC+8）的每小时观测数据，这对于捕捉由浮游植物光合作用和垂直混合快速变化驱动的亚日变化POC至关重要。尽管以往基于GOCI的研究已经证明了地球同步观测在解析叶绿素及相关生物光学特性的日变化方面的优势，但在区域尺度上对湖泊中日变化POC动态的遥感仍然较少。
因此，本研究利用高频GOCI观测数据评估了长江和淮河流域中下游（MLYHR）湖泊中的日变化POC动态。本研究的目标是：（1）使用GOCI提供的每小时POC数据来描述52个湖泊中POC的日变化；（2）通过模糊C均值（FCM）聚类识别不同的日变化POC模式；（3）评估POC日变化的驱动因素，包括太阳辐射、温度和风速。本研究首次提供了基于地球同步观测的区域尺度日变化湖泊POC动态评估，并为将白天日变化POC信息纳入湖泊碳评估和模型开发提供了过程基础。
研究区域和现场测量
研究区域和现场测量
我们关注中国东部的MLYHR流域中的52个湖泊，该地区对国家水资源和湖泊碳循环具有重大意义（图1）。该地区包含中国四个最大的淡水湖泊，即鄱阳湖、太湖、洪泽湖和巢湖，它们在洪水调节、饮用水供应和区域生物地球化学过程中发挥着关键作用。人类活动，包括集约化农业、城市化和挖沙，对陆地有机物
日变化POC动态的特征
52个湖泊中的日变化POC指标表现出较大的范围和空间异质性（图2和图S1）。总体POCmean为4.39 ± 2.65 mg/L（N = 103,435），在富营养化水域（如太湖西部和巢湖）中值较高（> 6 mg/L，见图2a和e）。此外，POCcv与POCmean呈正相关，在POCmean空间较高的水域中值也较高（图2b和f）。从时间上看，dPOC主要为负值
日变化POC变异的驱动机制
湖泊中POC的日变化主要由生物过程、物理因素和外来输入驱动（Du等人，2022年；Lau，2021年；Matsuoka等人，2022年）。POC浓度遵循明显的季节性模式，POCmean和POCcv在夏季和秋季较高，在冬季和春季较低。特别是在富营养化湖泊中，早期夏季的POC峰值主要受温度和光照的影响，这与之前关于浮游植物物候的研究一致
结论
基于地球同步卫星GOCI的高频观测数据，揭示了湖泊在区域尺度上的日变化POC动态存在显著的时空异质性，并识别出三种不同的日变化POC模式（减少、增加和中午峰值）。年际分析进一步表明，2014年后日变化POC指标的趋势发生了变化，且这种变化具有指标依赖性
CRediT作者贡献声明
薛坤：撰写——初稿、方法论、资金获取、正式分析、概念化。马荣华：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念化。胡敏奇：撰写——审稿与编辑、软件、方法论、正式分析。王梦华：撰写——审稿与编辑、验证、资源管理、数据管理。程洋：验证、软件、正式分析、数据管理。姜丽德：资源管理、方法论、数据管理。黄泽辉：撰写——审稿与
利益冲突声明
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