太湖梅梁灣總顆粒物和cdom的光譜吸收系數(shù)計算

太湖梅梁灣總顆粒物和cdom的光譜吸收系數(shù)計算

湖泊水體的光學性質直接影響湖泊水生生物群落的結構和功能，以及懸浮物、綠化物和其他水質參數(shù)的遙感反演。太陽輻射在水下的傳輸和分布受制于水及水中各組成物質對光的吸收和散射,包括純水、非藻類顆粒物、浮游藻類和有色可溶性有機物(Chromophoricdissolvedorganicmatter:CDOM)。其中純水對光的衰減是所有水體都共有的,因而不同類型、不同區(qū)域水體的光學特性主要取決于非藻類顆粒物、浮游藻類和CDOM的濃度及組成。非藻類顆粒物、浮游藻類和CDOM的光譜吸收是水體的固有光學特性,是水色遙感的生物-光學模式、光輻射傳輸、初級生產(chǎn)力估算和生態(tài)過程模擬的基本參數(shù)。海洋里以及國外內陸水體關于這3類物質的吸收光譜研究較多,但國內內陸水體尤其是湖泊這方面的研究相當欠缺。曹文熙等對珠江口懸浮顆粒物的吸收光譜進行了一些探討,但未涉及CDOM的吸收光譜;朱建華等只探討了黃東海非藻類顆粒物和CDOM吸收光譜斜率值;俞宏等在20世紀90年代中期測定了梅梁灣冬、夏季水體吸收和散射系數(shù),但未能很好的區(qū)分浮游藻類和非藻類顆粒物;對太湖CDOM的時空分布、變化特征進行過大量研究,但均未涉及到顆粒物固有光學特性,因而對于太湖生物-光學模式的建立和水質反演還遠遠不夠。梅梁灣系太湖北部一較大湖灣,地處無錫市郊,面積約132km2,平均水深2.0m,是無錫市主要旅游區(qū)及水源地。由于受入湖河道及沿岸污染源的影響,水質嚴重惡化,藍藻水華連年發(fā)生。每年5～10月間持續(xù)不斷,夏秋季節(jié)整個灣內滋生大量藍藻水華。有些年份甚至全年均有大量藍藻漂浮水中。本文以這富營養(yǎng)化、水華頻繁暴發(fā)的梅梁灣為研究區(qū)域,通過實驗測定的方法得到懸浮顆粒物和CDOM的吸收光譜,并與懸浮物、葉綠素a濃度進行相關分析,為該地區(qū)的二類水體水色遙感算法、生物-光學模式反演水質提供重要參數(shù)。1材料和方法1.1采樣點位置和樣品采集2004年7月17日在梅梁灣共布設16個采樣點,由于采樣期間風浪較大,灣中心點位較少,大多集中在灣的兩側,采樣點位置見圖1。樣品采集后放入冷藏箱內保存,當天帶回實驗室進行過濾預處理,然后放入冰箱內冷藏保存。顆粒物、CDOM吸收、溶解性有機碳(DOC)、懸浮物以及葉綠素a濃度在2～3d內測定完畢。采樣的同時測定透明度、水下光合有效輻射(PAR)強度等。1.2par強度測定PAR的測定選用美國LI-COR公司的Li-cor192SA水下光量子儀,測定的是向下輻照度。觀測期間天空晴朗無云,按水下0,0.2,0.5,1.0,1.5,2.0m共6層測定PAR強度,每層記錄3個數(shù)據(jù),取平均值。透明度用直徑為30cm的黑白賽氏盤測量。太陽光在光學性質均一的水體中的衰減遵從下列衰減規(guī)律:Κd(ΡAR)=-1zlnE(z)E(0)(1)Kd(PAR)=?1zlnE(z)E(0)(1)式中,Kd(PAR)為PAR漫射衰減系數(shù),z為從湖面到測量處的深度,E(z)為深度處的PAR強度,E(0)為水表面下(0-)PAR強度。Kd(PAR)值通過對不同深度水下輻照度按指數(shù)函數(shù)擬合得到,回歸效果只有當R2≥0.95,深度數(shù)N≥3時Kd(PAR)值才被接受,否則視為無效。1.3濾膜上懸浮顆粒物的吸收系數(shù)顆粒物的吸收采用定量濾膜技術(QuantitativeFilterTechnique:QFT)測定,用直徑47mm的GF/F濾膜過濾50～200ml水樣,用同樣濕潤程度的空白濾膜做參比,用UV-2401PC型分光光度計在350～800nm間每隔1nm測定一個吸光度,用各波段的吸光度減去750nm波長處的吸光度,采用Cleveland等提出的如下公式進行放大因子校正:ΟDs=0.378ΟDf+0.523ΟD2fΟDf≤0.4(2)ODs=0.378ODf+0.523OD2fODf≤0.4(2)式中,ODs為校正后濾膜上顆粒物吸光度;ODf為直接在儀器上測定的濾膜上顆粒物吸光度。濾膜上懸浮顆粒物的光譜吸收系數(shù)按(3)式進行計算得到:式中,V為被過濾水樣的體積,S為沉積在濾膜上的顆粒物的有效面積。用100%的甲醇浸泡濾膜4h左右,將濾膜上的色素萃取掉,使得濾膜上只留下不能被甲醇提取的碎屑顆粒物,按與總顆粒物吸收測定類似方法得到非藻類顆粒吸收系數(shù)ad(λ)。總顆粒物吸收系數(shù)減去非藻類顆粒物吸收系數(shù)即得到浮游藻類吸收系數(shù)。aph(λ)=ap(λ)-ad(λ)(4)aph(λ)=ap(λ)?ad(λ)(4)浮游藻類的比吸收系數(shù)可以表示為:a*ph(λ)=aph(λ)/Chla(5)a?ph(λ)=aph(λ)/Chla(5)CDOM的光譜吸收系數(shù)測定采用GF/F濾膜過濾的水樣在UV2401分光光度計下測定其吸光度,然后根據(jù)(6)式進行計算得到各波長的吸收系數(shù)。ag(λ′)=2.303D(λ)/r(6)ag(λ′)=2.303D(λ)/r(6)式中,ag(λ′)為波長λ未校正的吸收系數(shù),D(λ)為吸光度,r為光程路徑。由于過濾清液還有可能殘留細小顆粒,會引起散射,為此作如下散射效應訂正:式中,ag(λ)為波長λ的吸收系數(shù);ag(λ′)為波長λ的未校正吸收系數(shù);λ波長。由于CDOM的濃度無法測定,本文以440nm的吸收系數(shù)來表示CDOM濃度,吸收系數(shù)越大表示CDOM濃度越高。總吸收系數(shù)為懸浮顆粒物、CDOM和純水吸收系數(shù)的線性加和:a(λ)=ap(λ)+ag(λ)+aw(λ)(8)a(λ)=ap(λ)+ag(λ)+aw(λ)(8)1.4下標x的確定非藻類顆粒物和CDOM吸收光譜隨波長增加基本上呈現(xiàn)指數(shù)衰減的規(guī)律,可以表示為:ax(λ)=ax(λ0)exp[Sx(λ0-λ)](9)ax(λ)=ax(λ0)exp[Sx(λ0?λ)](9)式中,下標x分別用d和g代表時,即為非藻類顆粒物和CDOM,ax(λ)為λ波長下吸收系數(shù),λ是波長,λ0是參照波長,一般取440nm或400nm,ax(λ)為參照波長下吸收系數(shù),Sx是指數(shù)函數(shù)曲線斜率參數(shù)。本文選取440nm作為參照波長,利用最小二乘法擬合得到指數(shù)函數(shù)斜率Sx值,其中CDOM擬合的波段范圍為280～500nm,非藻類顆粒物的擬合波段范圍為400～700nm。1.5葉綠素a含量測定DOC的測定是采用GF/F濾膜過濾后的清液在1020型TOC儀上測定。葉綠素a的測定采用分光光度法,樣品過濾到GF/C濾膜上,放入冰箱內冷凍48h,用90%的熱酒精萃取,過濾或離心得到清液后在7230分光光度計上測量吸光度并計算得到葉綠素a濃度?？倯腋∥?、無機顆粒物和有機顆粒物濃度采用灼燒稱重法測定。各參數(shù)的均值、標準差、方差分析、線性及非線性擬合均采用SPSS11.0軟件進行統(tǒng)計分析。2結果與討論2.1浮消物群落的吸收光譜和光譜特征圖2給出了梅梁灣16個采樣點懸浮顆粒物和CDOM的光譜吸收系數(shù)。不同采樣點總顆粒物的光譜吸收系數(shù)差異很大,ap(440)的值在3.58～9.86m-1間變化(表1),均值為(7.56±1.74)m-1。從曲線的形狀來看大致隨波長的增加吸收系數(shù)逐漸降低,但在675nm附近葉綠素a的吸收峰卻很明顯,與浮游藻類在此波段的特征吸收有關,說明梅梁灣內各點葉綠素a濃度都不低。對16個采樣點顆粒物吸收系數(shù)光譜分布進行分析發(fā)現(xiàn),總體上可以分為2種類型。一種是總顆粒物吸收光譜與浮游藻類吸收光譜相似(圖3A),另一種則是總顆粒物吸收光譜與非藻類顆粒物吸收光譜相似(圖3B),但兩者總顆粒物在675nm附近的吸收曲線與浮游藻類在此波段的吸收曲線均非常相似。由圖3還可知,對于第1種類型,浮游藻類吸收系數(shù)一般都大于非藻類顆粒物,總顆粒物吸收系數(shù)在675、440nm有2個峰值,675nm峰值非常明顯,而440nm處峰值由于受非藻類顆粒物影響有時表現(xiàn)的不是特別明顯。分析表明,這種光譜類型主要分布在葉綠素a濃度較高,同時無機顆粒物濃度較低,有機顆粒物占總顆粒物比例接近或超過30%的采樣點,在夏季風平浪靜并且藻類大量生長時常出現(xiàn),在外海和一類水體顆粒物的吸收基本上以這種類型為主。對于第2種類型,總顆粒物吸收系數(shù)只在675nm有個峰值,浮游藻類吸收可能大于非藻類顆粒物吸收,其他波段浮游藻類吸收均淹沒在非藻類的吸收光譜中,這類采樣點主要分布在葉綠素a濃度低以及無機顆粒物濃度高的地方。由于太湖是個大型淺水湖泊,受風驅動的影響沉積物發(fā)生再懸浮,因而夏季當梅梁灣內出現(xiàn)中到大風浪,這種類型占主導地位。到冬季由于浮游藻類濃度較低,因而更是以第2種類型為主。在河流,河口、沿岸帶等二類水體也常常會出現(xiàn)這種顆粒物吸收類型。從2004年7月17日的觀測來看,2種類型出現(xiàn)的頻次分別為3、13,以第2種類型為主。這主要是由于觀測期間風浪較大,沉積物發(fā)生大規(guī)模再懸浮,水體中無機顆粒物濃度較高(表1),因而顆粒物的吸收主要以非藻類顆粒物為主。只有在懸浮物濃度比較低而浮游藻類濃度又非常高的采樣點才會出現(xiàn)浮游藻類吸收系數(shù)大于非藻類顆粒物吸收系數(shù)。對ap(440)、ap(675)與葉綠素a濃度做統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)ap(675)與葉綠素a存在很好的線性關系,而ap(440)與葉綠素a則基本上沒有相關性(表2),進一步表明顆粒物吸收主要以非藻類顆粒物為主,在440nm附近浮游藻類的吸收完全被非藻類顆粒物所掩蓋,而到675nm非藻類顆粒物的吸收很小,浮游藻類吸收峰非常明顯,因而存在非常好的線性關系。表2還給出了ap(440)、ap(675)與其它組份吸收系數(shù)以及物質濃度線性回歸的決定系數(shù)。ap(440)除了與aph(675)、Chla沒有顯著線性關系外與其他參數(shù)均存在顯著性相關,而ap(675)則只與aph(675)、OSS有顯著性相關,說明在675nm附近顆粒物的吸收主要受制于浮游藻類等有機顆粒物。2.2次氯酸鈉ad-pcrdmps法ad(λ)隨波長增加而減小(圖2),ad(440)的變化范圍為2.23～7.07m-1,均值為(5.01±1.49)m-1。許多研究均表明非藻類顆粒物有相對穩(wěn)定的吸收光譜特征,可用指數(shù)衰減率來定量表示。圖4給出代表采樣點非藻類顆粒物實測吸收光譜和指數(shù)擬合得到的吸收光譜,發(fā)現(xiàn)兩者結果非常接近。非藻類顆粒物吸收系數(shù)在400～700nm按指數(shù)衰減規(guī)律擬合得到指數(shù)斜率Sd值的變化范圍9.4～12.0μm-1,均值為(10.91±0.62)μm-1,非線性擬合的決定系數(shù)均大于0.97。與已有的報道相比,太湖非藻類顆粒物指數(shù)斜率Sd值低于曹文熙等報道的珠江口的值,也低于Roesler報道的美國東海岸島嶼地區(qū)以及Bricaud等報道的赤道太平洋及東地中海的Sd值,但高于Gallegos在LowerSt.Johns河口的研究結果。另外,朱建華等報道黃東海的非藻類顆粒物吸收光譜在380～620nm指數(shù)擬合得到Sd值的變化范圍在5～16μm-1之間,大部分集中在8～12μm-1范圍內,其中在10～11μm-1分布最多,小于8和大于12μm-1的樣品占總樣品的比例小于5%。盡管非藻類顆粒物吸收系數(shù)隨波長增加大致按指數(shù)規(guī)律衰減,但當水體中浮游藻類濃度非常高時,在675nm附近會存在一個肩峰或弱峰值,這在其他研究中也得到證實。主要由兩方面原因造成,一方面可能是甲醇對色素萃取不完全,V?h?talo等的定量研究表明,許多樣品的提取效果往往只有90%左右,有的甚至只有70%。另一方面則是一些水溶性的或者不能溶于甲醇的色素無法被提取,如藻膽色素和真核藻類色素等,這在內陸水體表現(xiàn)尤為明顯,因為大部分內陸水體都是以藍藻和綠藻為主,而藻膽色素廣泛存在于這兩類藻內。為此,Tassan&Ferrari提出利用次氯酸鈉漂白法更適合于二類水體非藻類顆粒物和浮游藻類吸收系數(shù)的分離,并得到許多人的認可。相對于甲醇浸泡法,次氯酸鈉漂白法擁有以下3個優(yōu)點:(1)除能漂白甲醇提取的色素外,還可以氧化提取那些不能被甲醇提取的色素和水溶性色素,如藻膽色素、藻藍素等;(2)其氧化漂白的速度也非?？?一般15min即可,這樣不會破壞濾膜的組織結構,而甲醇浸泡法一般需要1h以上;(3)一般不會造成非藻類顆粒物的損失。ad(440)、ad(675)與總懸浮物濃度相關性最好,這在其他人的研究中也得證實,其次是無機顆粒物;而與有機顆粒物、葉綠素a沒有相關性(表2)。說明非藻類顆粒物中生物降解的產(chǎn)物不多,基本上為無機物,這與遠海以及富營養(yǎng)而又沒有風浪擾動的湖泊和時段不一樣。如Bricaud等基于對世界各大海區(qū)1166個樣品研究發(fā)現(xiàn),ad(440)與葉綠素a也存在非常好的冪函數(shù)關系,決定系數(shù)高達0.73。2004年夏季水華暴發(fā)而又風平浪靜的情況下曾觀測到梅梁灣、五里湖非藻類顆粒物吸收系數(shù)與葉綠素a濃度存在顯著線性關系,并且ad(675)與葉綠素a濃度相關性明顯高于ad(440)1。對于這類區(qū)域和時段,認為水體的非藻類顆粒物很大一部分來源于浮游藻類的降解產(chǎn)物。同樣,在一些河口的研究則顯示非藻類顆粒物吸收系數(shù)與葉綠素a濃度之間沒有明顯相關性。2.3浮離子水體的穩(wěn)定性浮游藻類的吸收光譜表現(xiàn)為色素在440、675nm附近有2個特征吸收峰,但不同采樣點由于色素濃度差異很大,相應的浮游藻類的吸收系數(shù)變化也很大。aph(440)、aph(675)的變化范圍分別為0.68～4.76、0.58～2.84m-1,均值分別(2.55±1.14)、(1.34±0.69)m-1,對應的葉綠素a濃度的變化范圍為39.3～180.2μg/L。浮游藻類吸收系數(shù)主要受水體中浮游藻類的濃度及種群組成的影響,隨葉綠素a濃度的變化而變化。在遠海一類水體和河口區(qū)、沿岸帶等二類水體的一些研究結果均顯示浮游藻類吸收系數(shù)與葉綠素a濃度存在線性或非線性關系。如Gallegos在LowerSt.Johns河口研究顯示兩者有很好的線性關系;曹文熙等在珠江口得出冪函數(shù)關系;Bricaud等在馬尾藻海、河口與海灣、地中海、大西洋等海區(qū)的一類和二類水體得出指數(shù)函數(shù)關系;Cleveland對溫帶/熱帶海區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)兩者為非線性關系。此次在太湖梅梁灣的研究顯示兩者有很好的線性關系(圖5),說明其比吸收系數(shù)相對比較恒定,a*ph(440)、a*ph(675)的均值分別為(0.0345±0.0106)、(0.0176±0.0044)m2/mgChla。相比而言,675nm處的相關性要好于440nm,主要是由于440nm浮游藻類吸收系數(shù)會受非藻類顆粒物的影響,因為在太湖這種無機顆粒物濃度非常高的淺水湖泊,采用甲醇浸泡來分離浮游藻類和非藻類顆粒物吸收在浸泡前后往往兩次過濾中往往會造成非藻類顆粒物以及非光合作用色素的損失,從而導致在500nm以下波段浮游藻類吸收人為增加,降低了吸收系數(shù)與葉綠素a濃度的相關性。而在675nm非藻類顆粒物的吸收系數(shù)很小,其對浮游藻類吸收系數(shù)的干擾要小得多,因而相關性會提高,這在一些同類研究中也得到證實。2.4cdom吸收系數(shù)與可以提高溶解物質的相關性見表1CDOM的光譜吸收曲線變化與非藻類顆粒物相似,隨波長增加按指數(shù)規(guī)律遞減,在長波的700nm趨向于零,越到短波其差異越顯著。ag(440)的變化范圍為1.06～1.70m-1,均值為(1.37±0.23)m-1。從圖1和表1還可得知,CDOM的空間分布與冬、春季在梅梁灣觀測的結果不一樣,在冬、春季浮游藻類濃度較低,CDOM主要來自于入湖河流,一般河口CDOM吸收系數(shù)較高,從河口往灣內、灣口逐漸遞減。但在夏季由于水體中浮游藻類濃度較高,CDOM除了來自河流外,浮游藻類死亡降解的產(chǎn)物也是CDOM的重要來源。對CDOM吸收系數(shù)與葉綠素a濃度進行線性、指數(shù)、對數(shù)以及冪函數(shù)來擬合發(fā)現(xiàn)冪函數(shù)擬合的相關性最高,關系式如下:ag(440)=0.4432Chla0.2627(R2=0.55,Ν=16,p≤0.001)(10)CDOM代表了溶解性物質中有顏色的部分,因而許多研究均顯示CDOM吸收系數(shù)與DOC濃度存在非常顯著的正相關。先前冬、春季的觀測的結果也證實了這種相關性。但此次夏季的觀測卻顯示兩者沒有顯著性相關,主要原因是由于夏季浮游藻類大量生長,降解后產(chǎn)生大量無色的溶解性有機碳。在海洋里有時也發(fā)現(xiàn)CDOM吸收系數(shù)與DOC濃度沒有相關性。另外,Rochelle-Newall從1994～1997年在Chesapeake灣的7次測定也發(fā)現(xiàn),在CDOM吸收系數(shù)和葉綠素a濃度存在顯著正相關的3次樣品中,DOC濃度與CDOM吸收系數(shù)無顯著正相關或相關性很弱。夏、冬季CDOM吸收系數(shù)與DOC濃度相關性存在很大變化系與DOC的組成有關。從光吸收能力角度來講,DOC一般可以分為有色的和無色的,兩者占總DOC的比例隨不同地區(qū)和來源存在很大差異。當DOC中無色的部分為常數(shù)或變化不大時,CDOM吸收系數(shù)會與DOC濃度存在非常好的相關性。一般來講,來自河流攜帶的陸源DOC含有更多的有色DOC,而浮游藻類自身降解產(chǎn)生的DOC中含有更多的無色DOC。梅梁灣夏季由于浮游藻類大量生長、腐爛降解,產(chǎn)生更多無色DOC成分,從而使得CDOM吸收系數(shù)與DOC濃度相關性明顯下降。造成夏季無色的DOC成分增多還有可能與紫外輻射的光降解有關,夏季到達水面的紫外輻射較強,CDOM吸收紫外輻射后發(fā)生光降解喪失顏色而增加了無色的DOC成分,即通常講的光漂白作用。如Vodaeck等發(fā)現(xiàn)在高度分層的水體中CDOM的光吸收特性將喪失70%。最小二乘法擬合得到280～500nm波段指數(shù)函數(shù)斜率Sg的變化范圍為14.7～16.4μm-1,平均值為(15.52±0.49)μm-1,與先前的觀測結果極為接近。與已有的報道相比,盡管由于各自選取的波段存在一些差異,但其值總體上相差不大,如Yacobi曾報道美國Georgia河300～450nm波段Sg值為15.1μm-1,DelCastillo報道Orinoco入?？?00～500nm波段的Sg值為14.2μm-1。2.5浮物群落組成和影響因素表3給出各組分400～700nmPAR波段積分吸收系數(shù)、各自的貢獻份額以及吸收對衰減的比值。由表3可知,吸收系數(shù)主要來自于顆粒物,而顆粒物的吸收又以非藻類顆粒物吸收為主,僅M8、M9和M13點浮游藻類吸收大于非藻類顆粒物吸收。從各組份吸收對總吸收的貢獻份額來看,純水吸收的貢獻率在4%左右,所占份額最小,CDOM的貢獻率在10.06%～19.89%之間,貢獻率最大的是非藻類顆粒物,除M8、M9和M13點外,其他各點的貢獻率均在40%以上,最大的達67.19%,浮游藻類吸收的貢獻率為13.89%～52.20%,除M16最小值13.89%低于CDOM的貢獻率14.33%外,其他各點均位居第二位。顆粒物的吸收對總吸收的貢獻率均在70%以上,說明在梅梁灣顆粒物特別是非藻類的吸收和散射是引起水下光衰減的主導因素。從吸收對漫射衰減的比值來看,其值一般高于40%,并且在葉綠素a濃度較高而懸浮物濃度又較低的M8、M9和M13點貢獻率最高,能夠達到甚至超過60%。與海洋里相比,淺水湖泊等內陸水體各組份的貢獻率存在很大差異。如Sasaki等在北太平洋和南白令海的研究顯示,各組份PAR波段積分吸收系數(shù)對總吸收系數(shù)貢獻最大的來自純水本身,占到59.9%～84.6%,其次則是CDOM,非藻類顆粒物的貢獻最小,僅為1.3%～4.6%,而在太湖這種內陸淺水湖泊恰好相反,說明一類、二類水體光學成分濃度水體光學性質的巨大差別。在富營養(yǎng)化的梅梁灣,營養(yǎng)鹽基本上不會對浮游藻類的生長起到限制作用,非藻類顆粒物的吸收一般要遠遠大于浮游藻類,因而其濃度的變化影響到浮游藻類和沉水植物對光的利用和初級生產(chǎn)力。而高濃度的CDOM也往往使得浮游藻類吸收對總吸收的貢獻明顯下降。并且非藻類顆粒物和CDOM對光的吸收隨波長增加按指數(shù)規(guī)律下降,相比于海洋,在