湖泊颗粒有机碳（Particulate Organic Carbon, POC）是连接湖泊初级生产、碳埋藏以及溶解有机碳/无机碳转化的重要纽带，也是认识湖泊碳循环过程和评估碳汇功能的关键参数。然而，内陆湖泊水体光学性质复杂，颗粒有机碳来源多样，既受藻类生长影响，也与非藻颗粒物、陆源输入和沉积物再悬浮密切相关，这使得POC的卫星遥感反演长期面临精度不稳、时序不连续以及难以捕捉昼间变化等难题。

    近期，中国科学院南京地理与湖泊研究所薛坤等人围绕这一科学问题，连续取得两项研究进展：一方面构建了适用于复杂光学湖泊的多源卫星POC长时间序列反演方法，另一方面利用静止卫星实现了区域尺度湖泊POC昼间动态的高频监测，系统揭示了湖泊POC在季节、年际和日内尺度上的变化规律及驱动机制。相关成果分别发表于 Remote Sensing of Environment 和 Journal of Hydrology，该研究得到国家自然科学基金国际合作项目等联合资助。

    在长时间序列监测方面，针对复杂水体中颗粒有机碳来源复杂、不同卫星间光谱和大气校正结果不一致等问题，提出了一种基于MERIS、GOCI和OLCI多源卫星协同的POC反演新方法。研究以GOCI为桥梁，验证了MERIS和OLCI在大气校正后遥感反射率上的一致性，并结合水体光学分类，分别针对非藻颗粒物主导水体和浮游植物主导水体建立了融合型POC反演模型，成功构建了我国长江中下游—淮河流域110个湖泊2003—2023年的POC长时间序列数据集。结果表明，MERIS、GOCI和OLCI在绿光到近红外波段具有较好一致性，所构建模型在两类水体中均表现出较好的反演精度；区域湖泊POC呈现显著季节变化特征，总体表现为夏季高、冬季低。同时，小型湖泊的平均POC浓度明显高于大型湖泊，例如面积约10–50 km²湖泊的平均POC浓度为7.63 ± 0.69 mg/L，高于面积100–500 km²湖泊的5.91 ± 0.81 mg/L，表明小型湖泊在区域有机碳储量与输运中可能具有更加突出的作用。

图1. 江淮湖泊群POC时空分布

    在日内变化研究方面，进一步利用静止海洋水色卫星GOCI的逐小时观测优势，对长江中下游和淮河流域52个湖泊2011—2021年的POC昼间动态开展了系统分析。研究构建了四个关键指标，即日均POC（POCmean）、日内变异系数（POCcv）、上午与下午相对差异（dPOC）以及POC日内质心时刻（cPOC），从而实现了对湖泊POC昼间变化强度、波动性、偏向性和峰值时间的综合刻画。结果发现，湖泊POC昼间动态具有显著的时空异质性，其中POCmean和POCcv在夏秋季达到最高，9月峰值为5.60 mg/L；73.96% 的像元表现为下午占优型POC变化，表明区域湖泊POC峰值普遍出现在中午前后。

图2. POC日变化模式及驱动因素

    研究还利用模糊C均值聚类方法识别出三类典型昼间变化模式：上午到下午持续下降型、白天持续增加型以及中午峰值型。其中，中午峰值型多出现在高温、高辐射条件下，而白天增加型在秋冬季更为常见。驱动分析进一步表明，气温和太阳辐射是控制湖泊POC昼间变化的主导因子，风速则主要通过影响水体垂向混合和颗粒再悬浮来调节POCcv。结构方程模型结果显示，不同昼间变化模式下，温度、光照和风速对POC峰值时刻和上午—下午差异的控制机制存在明显差异，说明湖泊POC的昼间变化并非单一过程驱动，而是受生物生产、光照抑制和物理混合等多过程共同调节。年际分析还提示，区域湖泊POC昼间变化在2014年前后可能出现趋势转折，但这一变化仍存在一定统计不确定性。

    这两项研究从长时间序列连续监测和昼间高频动态解析两个层面，构建了复杂光学湖泊颗粒有机碳遥感研究的多时空尺度技术框架。前者解决了多源卫星条件下POC长期连续反演的关键技术问题，后者则进一步揭示了湖泊POC在日内尺度上的动态过程及其环境控制机制。相关成果不仅为区域湖泊碳循环、碳收支估算和富营养化评估提供了新的数据支撑，也为将昼间尺度过程纳入湖泊碳通量模型和生态环境管理提供了重要科学依据。

    文章信息：

    Xue, K., Ma, R.*, Wang, M., Wei, X., Liu, H., Hu, M., Jiang, L., Shen, M., Cao, Z. (2025). A state-of-art algorithm to retrieve particulate organic carbon concentration in optically complex waters via multiple satellite missions.Remote Sensing of Environment, 329, 114914.

    Xue, K., Ma, R.*, Hu, M., Wang, M., Cheng, Y., Jiang, L., Huang, Z. (2026). Geostationary satellite observations reveal diurnal dynamics of particulate organic carbon in optically complex lakes.Journal of Hydrology, 672, 135353.

    论文链接： 

    https://doi.org/10.1016/j.rse.2025.114914

    https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2026.135353