一种基于水量的湖泊沉积物埋藏有机碳估算方法与流程

1.本发明涉及一种基于水量的湖泊沉积物埋藏有机碳估算方法，属于湖泊水文领域。
技术背景
2.湖泊是重要的碳汇。早期由于湖泊水体占地球陆地表面积较小(湖泊约占陆地面积的2.8％)，而忽视了湖泊在碳循环中的作用。尽管从湖泊水库等内陆水体排放到大气中的二氧化碳和甲烷会成为温室气体，是碳源，但是保存在沉积物中的碳会进入长期地质循环，也是永久的、重要的碳汇。局地和区域尺度的研究表明，即使湖泊和水库沉积物中的碳埋藏通量通常小于碳排放通量，但仍是一种重要的长期碳汇，在区域乃至全球碳循环中发挥着重要作用。
3.此外，与海洋相比，湖泊水库等内陆水体埋藏碳的效率更高，这是因为内陆水体的沉积速率高、供氧量低，陆源有机碳比例高，所以有更高比例的沉积埋藏有机碳未被矿化，而是保留在沉积物中。最近也有研究表明自人类世以来，由于水土流失、拦河筑坝和富营养化，内陆水体的有机碳埋藏速率正在增加。
4.湖泊面积及流域面积是影响湖泊碳埋藏的重要因素，湖泊面积与湖泊流域面积比越大，单位面积接收的陆源有机质越多，湖泊碳通量越高。湖泊水深也是湖泊埋藏碳的重要影响因素。但限于数据不足，目前研究大多还是直接将有机碳埋藏速率直接与湖泊面积相乘获得有机碳埋藏总量。而湖泊面积通常是某一年的瞬时结果，这增加了估算结果的不确定性。因此，有必要结合湖泊实际水量估算埋藏有机碳总量。


技术实现要素：

5.本发明要解决的问题是：克服现有技术的上述缺陷，提供一种基于水量的湖泊沉积物埋藏有机碳估算方法，该方法采集湖泊沉积物样本，获取湖泊有机碳埋藏速率；利用遥感手段获取湖泊水位和面积，并估算湖泊水量。从而获取基于湖泊水量的湖泊埋藏有机碳总量。
6.为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：基于水量的湖泊沉积物埋藏有机碳估算方法，包括以下步骤：
7.第一步、采集湖泊沉积物样本：每个湖泊采集3
‑
10个湖底柱状沉积物样品，并记录采样点经纬度坐标、海拔、湖泊深度和柱状沉积物长度；
8.第二步、测试分析得到沉积物年代t，沉积物干密度dbd，以及有机碳toc 含量；
9.第三步、根据柱状沉积物的长度l和沉积物年代t计算沉积速率sr，计算公式如下：
10.sr＝l/t
11.结合有机碳含量toc及沉积物干密度dbd计算每个湖泊岩芯近百年来有机碳埋藏速率ocbr，计算公式如下：
12.ocbr＝toc
×
sr
×
dbd
13.计算采样湖泊多个岩芯样品有机碳埋藏速率的均值，代表这个湖泊的年平均有机碳埋藏速率；
14.第四步、根据雷达高度计和激光高度计数据，计算湖泊正高水位，获得湖泊的年均水位最高值h
max
和年均水位最低值h
min
的及其对应年份，并据此计算多年平均水位h
ave
；
15.第五步、获取水位极高年份和水位极低年份的秋季无云landsat影像，根据改进的归一化水体指数mndw直方图设定阈值提取湖泊的水体面积，分别得到湖泊最大面积s
max
和湖泊最小面积s
min
；
16.第六步、假定湖泊为圆锥体，根据最高水位h
max
、最低水位h
min、
以及最高水位、最低水位对应的湖泊最大面积s
max
和湖泊最小面积s
min
，估算多年平均水位对应的湖泊水量，并根据水量换算等体积圆锥体表面积s，以此近似湖泊表面积，等体积圆锥体表面积s的计算公式如下：
[0017][0018]
第七步、结合沉积物年代t、有机碳埋藏速率ocbr和换算后的表面积s，获取基于水量的湖泊埋藏有机碳总量toc
lake
，公式如下：
[0019]
toc
lake
＝ocbr
×
s
×
t。
[0020]
综上，本发明基于水量估算湖泊沉积物埋藏有机碳的总量，流程清晰、结果可靠。目前湖泊沉积物埋藏有机碳的估算都采用埋藏速率乘以沉积年代和某一年的水体面积获得，但湖泊的深度、形状也会影响湖泊有机碳的埋藏，基于水量估算埋藏有机碳更严谨合理。且本方法中的水量估算完全依靠遥感数据，减少野外工作量，方便快捷。
附图说明
[0021]
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0022]
图1为湖泊埋藏有机碳估算方法的流程图。
[0023]
图2为利用卫星高度计提取的湖泊年均水位。
[0024]
图3为水位极高年份的landsat mndwi结果以及提取的水体范围。
[0025]
图4为水位极低年份的landsat mndwi结果以及提取的水体范围。
具体实施方式
[0026]
下面以太湖为例，根据附图详细阐述本发明，使本发明的技术路线和操作步骤更加清晰。
[0027]
如图1为估算湖泊埋藏有机碳的方法流程图，具体步骤如下：
[0028]
第一步、采集湖泊沉积物样本：每个湖泊采集3
‑
10个湖底柱状沉积物样品，并记录采样点经纬度坐标、海拔、湖泊深度和柱状沉积物长度等详细参数；同时采集湖泊所在流域内的典型植被、土壤及水的样品。根据需要，在室内实验室将所有沉积物样品按照0.5或1.0cm等间距分样，并放置于密封塑料袋内冷藏保存。
[0029]
第二步、测试分析沉积物年代t和理化指标。将沉积物样品低温烘干后称重，采用γ分析方法测试天然放射性核素
210
pb及人工放射性核素
137
cs。用于年代分析的过剩
210
pb
(210pb
ex
)为
210
pb
tot
与
226
ra比活度的差值。以662kev处的特征峰值作为
137
cs的比活度。利用
137
cs比活度随钻孔深度变化的峰值确定其特征年代，并与210pb比活度随钻孔深度变化进行对比验证，并最终确定沉积物样品的年代。理化指标测试分析包括沉积物含水量、干容重与烧失量测试分析，总碳tc和总氮tn以及有机碳toc、无机碳tic等元素测试分析等。得到沉积物干密度dbd，以及有机碳toc含量。
[0030]
第三步、湖泊沉积物有机碳埋藏速率估算：根据柱状沉积物的长度l和沉积物年代t计算沉积速率sr，计算公式如下：
[0031]
sr＝l/t
[0032]
结合toc含量及干密度dbd计算每个湖泊岩芯近百年来有机碳埋藏速率 ocbr，计算公式如下：
[0033]
ocbr＝toc
×
sr
×
dbd
[0034]
然后计算采样湖泊多个岩芯样品有机碳埋藏速率的均值，代表这个湖泊的年平均有机碳埋藏速率；数值为16.6g cm
‑2year
‑1。
[0035]
第四步：获取雷达高度计envisat/ra2 gdr、cryosat
‑
2 gdr和激光高度计 icesat
‑
1 glah14、icesat
‑
2 atl13等产品数据，计算湖泊正高水位。以envisat/ra2为例，分别获取卫星轨道高度h、卫星到水面的距离r、大地水准面高度geoid等数据集，以及湿对流层改正w
wet
、干对流层改正d
dry
、电离层改正i
ion
、逆气压改正i
inv
、固体潮改正s
sol
和极潮改正p
pol
，湖泊正高h的计算公式为：
[0036]
h＝h
‑
r
‑
geoid
‑
(w
wet
d
dry
i
ion
i
inv
s
sol
p
pol
)
[0037]
随后根据不同高度计的足迹点直径设置不同半径的缓冲区剔除受陆地地形影响较大的点。对于剩余的水位点，利用一倍标准差剔除异常值。对同一天的水位进行平均，即可获得单天水位。最后计算年均水位，获取湖泊年均水位的最高值h
max
和最低值h
min
的及其对应年份，并计算多年平均水位h
ave
，如图2 所示，太湖近年的极高水位为5.183m(2016年)，极低水位为4.904m(2006 年)，多年平均水位为5.066m；
[0038]
第五步：获取水位极值年份的秋季无云landsat
‑
5/7/8影像，如采用的遥感影像为landsat
‑
7数据，先对影像进行条带填充处理。根据landsat数据的绿光和中红外波段计算改进的归一化水体指数mndwi，利用mndwi直方图的双峰结构选择低谷值作为阈值，划分水体和其他部分。对于阈值分割后的影像，在arcgis中转化为面要素，并进行简化面操作，设置最大允许偏移量为1m，最小面积为1km2，即可获得湖泊水体范围矢量结果，最后利用计算几何功能获得湖泊面积，如图3所示，水位极高年份(2016年)，太湖的水体面积为2281.67 km2；如图4所示，水位极低年份(2006年)，太湖的水体面积为2248.30km2；
[0039]
第六步：假定湖泊为圆锥体，根据最高水位、最低水位和高低水位分别对应的湖泊面积s
max
和s
min
，确定湖泊的形状，在此基础上估算多年平均水位对应的湖泊水量，并根据水量换算等体积圆锥体面积，计算公式为：
[0040][0041]
计算所得的等体积圆柱体表面积为752.65km2；
[0042]
第七步：结合沉积物年代、有机碳埋藏速率和换算后的面积，获取基于水量的湖泊
埋藏有机碳总量toc
lake
，公式如下：
[0043]
toc
lake
＝ocbr
×
s
×
t
[0044]
本实施例计算所得的太湖近70年的埋藏有机碳总量为2.624
×
10
12
g c。
[0045]
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。