全 文 ：第 26 卷第 12 期
2006 年 12 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 26 ,No. 12
Dec. ,2006
太湖梅梁湾水体悬浮颗粒物和 CDOM 的吸收特性
张运林 ,秦伯强 3 ,杨龙元
(中国科学院南京地理与湖泊研究所 ,江苏 南京 210008)
基金项目 :中国科学院知识创新工程资助项目 ( KZCX32SW2334 , KZCX32SW2350) ; 国家自然科学基金资助项目 (40601099 , 40501064)
收稿日期 :2005207226 ;修订日期 :2006201222
作者简介 :张运林 (1976～) ,男 ,湖南邵阳人 ,博士 ,主要从事水光学、水生态学和水质遥感研究. E2mail : ylzhang @niglas. ac. cn3 通讯作者 Corresponding author. E-mail :qinbq @niglas. ac. cn
Foundation item :This work was financially supported by the Key Knowledge2Initiated Project from Chinese Academy of Sciences (No. KZCX32SW2334 , KZCX32
SW2350) and National Natural Science Foundation of China (No. 40601099 , 40501064)
Received date :2005207226 ;Accepted date :2006201222
Biography :ZHANG Yun2Lin. Ph. D. , mainly engaged in water optics , water ecology and water quality remote sensing. E2mail : ylzhang @niglas. ac. cn
摘要 :通过测定滤膜上悬浮颗粒物和过滤液中 CDOM吸光度的方法计算得到太湖梅梁湾总颗粒物和 CDOM的光谱吸收系数 ,并
计算了各吸收组份的贡献份额以及吸收与 PAR 衰减的比值。总颗粒物的吸收系数从 400 nm 到 600 nm大致呈下降趋势 ,到 675
nm附近由于叶绿素 a 的特征吸收会出现明显峰值 ,峰值高低随叶绿素 a 浓度的变化而变化 , ap (440)在 3158～9186 m - 1间变化。
非藻类颗粒物和 CDOM的吸收随波长增加大致按指数规律下降 , ad (440)和 ag (440)的变化范围分别为 2123～7107m - 1和 1106～
1170 m - 1 。非藻类颗粒物在 400～700 nm波段的指数函数斜率 S d 的平均值为 (10191 ±0162)μm - 1 ; CDOM 在 280～500 nm 波段
指数函数斜率 S g 的平均值为 (15152 ±0149)μm - 1 。浮游藻类的光谱吸收表现为在 440、675 nm 附近存在两个明显的峰值 ,分别
为 (2155 ±1114) 、(1134 ±0169) m - 1 。ap (440)与 TSS、OSS、ISS均存在显著性正相关 ,而 ad (440)则只与 TSS、ISS有显著性相关 , aph
(440)只与 OSS、Chla 有显著性相关。CDOM吸收系数与 DOC浓度没有显著正相关 ,但与 Chla 存在显著幂函数关系 ,浮游藻类降
解产物是水体中 CDOM的重要来源之一。水体中物质吸收主要以颗粒物为主 ,对总吸收的贡献率在 70 %以上 ,而颗粒物中又
以非藻类颗粒物占主导 ,一般超过 40 % ,总吸收对漫射衰减的贡献也在 40 %以上。
关键词 :梅梁湾 ; 非藻类颗粒物 ; 浮游藻类 ; 有色可溶性有机物 ; 叶绿素 a ; 吸收光谱
文章编号 :100020933(2006) 1223969211 中图分类号 :P343. 3 文献标识码 :A
Spectral absorption coeff icients of particulate matter and chromophoric dissolved
organic matter in Meiliang Bay of Lake Taihu
ZHANG Yun2Lin , QIN Bo2Qiang 3 , YANGLong2Yuan ( Nanjing Institute of Geography &Limnology , Chinese Academy of Sciences , Nanjing
210008 , China) . Acta Ecologica Sinica ,2006 ,26( 12) :3969～3979.
Abstract :Light absorption is an inherent optical property , which determines the transmission and distribution of underwater
light1Knowledge about the inherent and apparent optical properties of water is very important for the development of bio2optical
algorithms for remote sensing , and of bio2optical models for estimation of primary production as well as ecological restoration of
eutrophic water bodies. In shallow eutrophic lakes , phytoplankton blooms and continuous sediment resuspension by benthivorous
fish and wind lower the underwater light , which results in loss of submerged vegetation. The light absorption properties of an
aquatic medium are characterized by the medium’s absorption coefficient . The total absorption coefficient a (λ) includes the
coefficients for total particulate matter (phytoplankton and nonalgal particulates) ap (λ) , chromophoric dissolved organic matter
(CDOM) ag (λ) and pure water aw (λ) . Phytoplankton absorption influences the maximum photosynthetic rate as well as the rate
of photosynthesis integrated over depth. CDOM limits the penetration of biologically damaging UV2B radiation (280 320 nm) in
the water column , thus shielding aquatic organisms by its strong absorption in the UV spectral range. Absorption of nonalgal
particles and CDOM often disturb the remote sensing of the biomass and primary production of phytoplankton. The present study
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documents spectral absorption variations and relative contributions of the optically active constituents in water , and presents
correlations between absorption coefficients and concentrations of these components.
Spectral absorption coefficients of the total particles ap (λ) , nonalgal particles ad (λ) , phytoplankton aph (λ) , and CDOM
ag (λ) as well as the relative contribution of each component’s absorption to the total absorption coefficient integrated over the
range of PAR (400 700 nm) in Meiliang Bay of Lake Taihu were determined in summer 2004. CDOM absorption coefficients ag
(λ) were obtained by measuring the optical density of filtered water. Particulate matter absorption coefficients ap (λ) were
measured by applying the quantitative filter technique (QFT) . Downward photosynthetically available irradiance ( PAR , 400
700 nm) at the water surface and at different depths was measured using an irradiance meter from Li2Cor (Lincoln , Nebraska ,
USA) equipped with a Li2192SA underwater cosine corrected sensor connected to a Li21400 datalogger. Diffuse attenuation
coefficients for downward irradiance were obtained from non2linear regression of the underwater irradiance profile.
The particulate matter absorption at 440 nm ap (440) ranged from 3158 to 9186 m - 1 with an average of (7156 ±1174)
m
- 1
. The absorption coefficients of nonalgal particles ad (440) , phytoplankton aph (440) and CDOM ag (440) were in the range
2123 7107 m - 1 , 0168 4176 m - 1 and 1106 1170 m - 1 ,respectively. The red absorption peak of phytoplankton aph (675)
ranged from 0158 to 2184 m - 1 . Absorption coefficients of nonalgal particles and CDOM decreased exponentially from short to long
wavelength. The exponential spectral slope coefficients of nonalgal particles Sd over the 400～700 nm interval and of CDOM Sg
over 280～500 nm were (10191 ±0162) , (15152 ±0149) μm - 1 , respectively. In most cases , the absorption spectra of nonalgal
particles were similar to those of the total particles , which demonstrated that the absorption of the total particulate matter was
primarily due to the absorption of nonalgal particles.
Significant linear relationships were found between ap (440) and total suspended solids ( TSS) , organic suspended solids
(OSS) and inorganic suspended solids ( ISS) . Significant linear relationships were also found between ad (440) and the suspended
solid fractions , as was true as well for aph (440) with respect to OSS and chlorophyll a (Chla) . Significant positive relationship
was found between ag (440) and Chla , but not with dissolved organic carbon (DOC) , which indicated that decomposition of
phytoplankton was an important source of CDOM. Total particulate matter absorption dominated the total absorption. The relative
contribution of ap to a integrated over the range of PAR (400 700 nm) exceeded 70 % and the relative contribution of ad to a
generally exceeded 40 % except for station M8 , M9 and M13. Finally , the ratio of a to PAR diffuse attenuation Kd ( PAR) also
generally exceeded 40 %.
Key words :Meiliang Bay ; nonalgal particles ; phytoplankton ; chromophoric dissolved organic matter ; chlorophyll a ; absorption
spectra
湖泊水体光学性质直接影响湖泊水生生物群落的结构和功能 ,悬浮物、叶绿素 a 等水质参数的遥感反演。
太阳辐射在水下的传输和分布受制于水及水中各组成物质对光的吸收和散射 ,包括纯水、非藻类颗粒物、浮游
藻类和有色可溶性有机物 (Chromophoric dissolved organic matter : CDOM) 。其中纯水对光的衰减是所有水体都
共有的 ,因而不同类型、不同区域水体的光学特性主要取决于非藻类颗粒物、浮游藻类和 CDOM 的浓度及组
成[1 ] 。非藻类颗粒物、浮游藻类和 CDOM的光谱吸收是水体的固有光学特性 ,是水色遥感的生物2光学模式、
光辐射传输、初级生产力估算和生态过程模拟的基本参数[1 ] 。海洋里以及国外内陆水体关于这 3 类物质的吸
收光谱研究较多[2～9 ] ,但国内内陆水体尤其是湖泊这方面的研究相当欠缺。曹文熙等[10 ]对珠江口悬浮颗粒物
的吸收光谱进行了一些探讨 ,但未涉及 CDOM 的吸收光谱 ;朱建华等[11 ] 只探讨了黄东海非藻类颗粒物和
CDOM吸收光谱斜率值 ;俞宏等[12 ]在 20 世纪 90 年代中期测定了梅梁湾冬、夏季水体吸收和散射系数 ,但未能
很好的区分浮游藻类和非藻类颗粒物 ;对太湖 CDOM 的时空分布、变化特征进行过大量研究[13～15 ] ,但均未涉
及到颗粒物固有光学特性 ,因而对于太湖生物2光学模式的建立和水质反演还远远不够。
梅梁湾系太湖北部一较大湖湾 ,地处无锡市郊 ,面积约 132 km2 ,平均水深 210 m ,是无锡市主要旅游区及
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水源地。由于受入湖河道及沿岸污染源的影响 ,水质严重恶化 ,蓝藻水华连年发生。每年 5～10 月间持续不
断 ,夏秋季节整个湾内滋生大量蓝藻水华。有些年份甚至全年均有大量蓝藻漂浮水中。本文以这富营养化、
水华频繁暴发的梅梁湾为研究区域 ,通过实验测定的方法得到悬浮颗粒物和 CDOM的吸收光谱 ,并与悬浮物、
叶绿素 a 浓度进行相关分析 ,为该地区的二类水体水色遥感算法、生物2光学模式反演水质提供重要参数。
图 1 梅梁湾采样点位置图
Fig. 1 Location of sampling stations in Meiliang Bay
1 材料与方法
1. 1 采样时间与站位
2004 年 7 月 17 日在梅梁湾共布设 16 个采样点 ,由
于采样期间风浪较大 ,湾中心点位较少 ,大多集中在湾
的两侧 ,采样点位置见图 1。样品采集后放入冷藏箱内
保存 ,当天带回实验室进行过滤预处理 ,然后放入冰箱
内冷藏保存。颗粒物、CDOM 吸收、溶解性有机碳
(DOC) 、悬浮物以及叶绿素 a 浓度在 2～3 d 内测定完
毕。采样的同时测定透明度、水下光合有效辐射 ( PAR)
强度等。
1. 2 光强和透明度测定
PAR 的测定选用美国 LI2COR 公司的 Li2cor 192SA
水下光量子仪 ,测定的是向下辐照度。观测期间天空晴朗无云 ,按水下 0 ,012 ,015 ,110 ,115 ,210 m 共 6 层测定
PAR 强度 ,每层记录 3 个数据 ,取平均值。透明度用直径为 30 cm 的黑白赛氏盘测量。
太阳光在光学性质均一的水体中的衰减遵从下列衰减规律[1 ] :
Kd ( PAR) = - 1
z
ln E ( z)E (0) (1)
式中 , Kd ( PAR) 为 PAR 漫射衰减系数 , z 为从湖面到测量处的深度 , E ( z) 为深度处的 PAR 强度 , E (0) 为
水表面下 (0 - ) PAR 强度。Kd ( PAR) 值通过对不同深度水下辐照度按指数函数拟合得到 ,回归效果只有当 R2
≥0195 ,深度数 N ≥3 时 Kd ( PAR) 值才被接受 ,否则视为无效。
1. 3 颗粒物和 CDOM吸收系数测定
颗粒物的吸收采用定量滤膜技术 (Quantitative Filter Technique :QFT)测定 ,用直径 47 mm 的 GFΠF 滤膜过滤
50～200 ml 水样 ,用同样湿润程度的空白滤膜做参比 ,用UV22401PC型分光光度计在 350～800 nm 间每隔 1 nm
测定一个吸光度 ,用各波段的吸光度减去 750 nm 波长处的吸光度 ,采用 Cleveland 等[16 ] 提出的如下公式进行
放大因子校正 :
ODs = 0. 378 ODf + 0. 523 OD2f ODf ≤0. 4 (2)
式中 , ODs 为校正后滤膜上颗粒物吸光度 ; ODf 为直接在仪器上测定的滤膜上颗粒物吸光度。
滤膜上悬浮颗粒物的光谱吸收系数按 (3)式进行计算得到[16 ] :
ap (λ) = 2. 303 ·SV ODs (λ) (3)
式中 , V 为被过滤水样的体积 , S 为沉积在滤膜上的颗粒物的有效面积。
用 100 %的甲醇浸泡滤膜 4 h 左右 ,将滤膜上的色素萃取掉 ,使得滤膜上只留下不能被甲醇提取的碎屑颗
粒物 ,按与总颗粒物吸收测定类似方法得到非藻类颗粒吸收系数 ad (λ) 。总颗粒物吸收系数减去非藻类颗粒
物吸收系数即得到浮游藻类吸收系数。
aph (λ) = ap (λ) - ad (λ) (4)
浮游藻类的比吸收系数可以表示为 :
a
3
ph (λ) = aph (λ)ΠChla (5)
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CDOM的光谱吸收系数测定采用 GFΠF 滤膜过滤的水样在 UV2401 分光光度计下测定其吸光度 ,然后根据
(6)式进行计算得到各波长的吸收系数[17 ] 。
ag (λ′) = 2. 303 D (λ)Πr (6)
式中 , ag (λ′)为波长λ未校正的吸收系数 , D (λ)为吸光度 , r 为光程路径。
由于过滤清液还有可能残留细小颗粒 ,会引起散射 ,为此作如下散射效应订正[17 ] :
ag (λ) = ag (λ′) - ag (700′) ·λΠ700 (7)
式中 , ag (λ) 为波长λ的吸收系数 ; ag (λ′) 为波长λ的未校正吸收系数 ;λ波长。由于 CDOM的浓度无法
测定 ,本文以 440 nm 的吸收系数来表示 CDOM浓度 ,吸收系数越大表示 CDOM浓度越高。
总吸收系数为悬浮颗粒物、CDOM和纯水吸收系数的线性加和[1 ] :
a (λ) = ap (λ) + ag (λ) + aw (λ) (8)
1. 4 指数函数斜率的计算
非藻类颗粒物和 CDOM吸收光谱随波长增加基本上呈现指数衰减的规律 ,可以表示为 :
ax (λ) = ax (λ0 ) exp [ S x (λ0 - λ) ] (9)
式中 ,下标 x 分别用 d 和 g 代表时 ,即为非藻类颗粒物和 CDOM , ax (λ) 为λ波长下吸收系数 ,λ是波长 ,
λ0 是参照波长 ,一般取 440nm 或 400 nm , ax (λ) 为参照波长下吸收系数 , S x 是指数函数曲线斜率参数。本文
选取 440 nm 作为参照波长 ,利用最小二乘法拟合得到指数函数斜率 S x 值 ,其中 CDOM拟合的波段范围为 280
～500 nm ,非藻类颗粒物的拟合波段范围为 400～700 nm。
1. 5 其他参数的测定
DOC的测定是采用 GFΠF 滤膜过滤后的清液在 1020 型 TOC 仪上测定。叶绿素 a 的测定采用分光光度法 ,
样品过滤到 GFΠC滤膜上 ,放入冰箱内冷冻 48h ,用 90 %的热酒精萃取 ,过滤或离心得到清液后在 7230 分光光
度计上测量吸光度并计算得到叶绿素 a 浓度。总悬浮物、无机颗粒物和有机颗粒物浓度采用灼烧称重法测
定。各参数的均值、标准差、方差分析、线性及非线性拟合均采用 SPSS1110 软件进行统计分析。
2 结果与讨论
2. 1 总颗粒物吸收光谱
图 2 给出了梅梁湾 16 个采样点悬浮颗粒物和 CDOM的光谱吸收系数。不同采样点总颗粒物的光谱吸收
系数差异很大 , ap (440)的值在 3158～9186 m - 1间变化 (表 1) ,均值为 (7156 ±1174) m - 1 。从曲线的形状来看大
致随波长的增加吸收系数逐渐降低 ,但在 675 nm 附近叶绿素 a 的吸收峰却很明显 ,与浮游藻类在此波段的特
征吸收有关 ,说明梅梁湾内各点叶绿素 a 浓度都不低。对 16 个采样点颗粒物吸收系数光谱分布进行分析发
现 ,总体上可以分为 2 种类型。一种是总颗粒物吸收光谱与浮游藻类吸收光谱相似 (图 3A) ,另一种则是总颗
粒物吸收光谱与非藻类颗粒物吸收光谱相似 (图 3B) ,但两者总颗粒物在 675 nm 附近的吸收曲线与浮游藻类
在此波段的吸收曲线均非常相似。
由图 3 还可知 ,对于第 1 种类型 ,浮游藻类吸收系数一般都大于非藻类颗粒物 ,总颗粒物吸收系数在 675、
440 nm 有 2 个峰值 ,675 nm峰值非常明显 ,而 440 nm 处峰值由于受非藻类颗粒物影响有时表现的不是特别明
显。分析表明 ,这种光谱类型主要分布在叶绿素 a 浓度较高 ,同时无机颗粒物浓度较低 ,有机颗粒物占总颗粒
物比例接近或超过 30 %的采样点 ,在夏季风平浪静并且藻类大量生长时常出现 ,在外海和一类水体颗粒物的
吸收基本上以这种类型为主[7 , 18～20 ] 。对于第 2 种类型 ,总颗粒物吸收系数只在 675 nm 有个峰值 ,浮游藻类吸
收可能大于非藻类颗粒物吸收 ,其他波段浮游藻类吸收均淹没在非藻类的吸收光谱中 ,这类采样点主要分布
在叶绿素 a 浓度低以及无机颗粒物浓度高的地方。由于太湖是个大型浅水湖泊 ,受风驱动的影响沉积物发生
再悬浮 ,因而夏季当梅梁湾内出现中到大风浪 ,这种类型占主导地位。到冬季由于浮游藻类浓度较低 ,因而更
是以第 2 种类型为主。在河流 ,河口、沿岸带等二类水体也常常会出现这种颗粒物吸收类型[9 ,10 ] 。从 2004 年
7 月 17 日的观测来看 ,2 种类型出现的频次分别为 3、13 ,以第 2 种类型为主。这主要是由于观测期间风浪较
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图 2 梅梁湾总颗粒物、非藻类颗粒物、浮游藻类和 CDOM的光谱吸收系数
Fig. 2 Absorption spectra of total particles , nonalgal particles , phytoplankton and CDOM
大 ,沉积物发生大规模再悬浮 ,水体中无机颗粒物浓度较高 (表 1) ,因而颗粒物的吸收主要以非藻类颗粒物为
主。只有在悬浮物浓度比较低而浮游藻类浓度又非常高的采样点才会出现浮游藻类吸收系数大于非藻类颗
粒物吸收系数。
表 1 特征波长处吸收系数及主要水色因子浓度
Table 1 Absorption coefficients at 440、665 nm and main water color factor concentration
No.
ap (440)
(m - 1)
ad (440)
(m - 1)
aph (440)
(m - 1)
ag (440)
(m - 1)
Kd (PAR)
(m - 1)
SD
(m)
TSS
(mgΠL) OSS(mgΠL) ISS(mgΠL) DOC(mgΠL) Chla(μgΠL) OSSΠTSS( %) Sd(μm - 1) Sg(μm - 1)
M1 # 7114 5157 1158 1114 9194 0121 14415 1613 12811 7175 4115 11128 1019 1513
M2 # 7182 6121 1161 1106 9186 0124 14516 1510 13016 7155 3913 10130 1114 1518
M3 # 7182 6106 1175 1126 9137 0118 16414 1517 14817 7141 4019 9155 1116 1417
M4 # 8194 7107 1187 1111 10111 0122 15619 1714 13915 7121 4517 11109 1210 1515
M5 # 9186 6171 3115 1131 10110 0124 15913 1810 14113 8115 6411 11130 1110 1515
M6 # 9146 6138 3108 1170 10112 0122 14614 2010 12614 7173 11815 13166 1112 1510
M7 # 9162 6127 3135 1169 9154 0122 13617 2016 11611 7153 6513 15107 1113 1418
M8 # 6107 2181 3126 1159 5131 0133 5813 1919 3813 8169 12816 34113 919 1513
M9 # 7169 3104 4165 1148 6185 0126 6611 2717 3814 7171 18012 41191 914 1611
M10 # 8102 5160 2142 1142 9161 0122 11414 1719 9615 7135 9412 15165 1017 1518
M11 # 7149 5138 2111 1135 8186 0122 11717 1612 10115 6192 7317 13176 1110 1519
M12 # 6190 3189 3101 1151 8150 0124 9916 1412 8514 6178 6519 14126 1018 1514
M13 # 9127 4150 4176 1164 9122 0119 9314 2617 6617 7156 12313 28159 1019 1511
M14 # 6125 4117 2109 1146 7179 0123 10019 1517 8512 6138 5618 15156 1017 1515
M15 # 3158 2123 1135 1113 5119 0138 4911 919 3911 7169 6513 20116 1112 1614
M16 # 4198 4129 0168 1106 6176 0125 8117 1019 7018 7150 4211 13134 1016 1612
SD : 透明度 ; TSS: 总悬浮颗粒物 ; OSS: 有机悬浮颗粒物 ; ISS : 无机悬浮颗粒物 ; DOC: 溶解性有机碳 ; Chla : 叶绿素 a
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图 3 2 种典型的总颗粒物吸收光谱
Fig. 3 Absorption spectra of total particles of two typical types in summer
A :第 1 种类型 The first type ;B :第 2 种类型 The second type
表 2 颗粒物吸收系数、PAR衰减系数及衰减因子之间线性关系 ( R2)
Table 2 Determination coefficients of absorption , PAR attenuation coefficients and light attenuators
ap (440) ad (440) aph (440) ap (675) ad (675) aph (675) Kd (PAR) TSS OSS ISS Chla
ap (440) 1100
ad (440) 01583) 1100
aph (440) 01291) 0102 1100
ap (675) 01301) 0101 01933) 1100
ad (675) 01643) 01793) 0100 0101 1100
aph (675) 0117 0107 01923) 0197 0100 1100
Kd (PAR) 01673) 01853) 0100 0100 0167 0101 1100
TSS 01492) 01923) 0103 0104 0165 0111 01833) 1100
OSS 01391) 0100 01823) 0188 0106 01803) 0103 0100 1100
ISS 01381) 01893) 01008 0109 0159 0119 01773) 01993) 0102 1100
Chla 0103 0119 01663) 0171 0101 01753) 0110 01251) 01623) 01353) 1100
1) p ≤0105 ; 2) p ≤01005 ; 3) p ≤01001
对 ap (440) 、ap (675)与叶绿素 a 浓度做统计分析 ,发现 ap (675) 与叶绿素 a 存在很好的线性关系 ,而 ap
(440)与叶绿素 a 则基本上没有相关性 (表 2) ,进一步表明颗粒物吸收主要以非藻类颗粒物为主 ,在 440nm 附
近浮游藻类的吸收完全被非藻类颗粒物所掩盖 ,而到 675 nm 非藻类颗粒物的吸收很小 ,浮游藻类吸收峰非常
明显 ,因而存在非常好的线性关系。表 2 还给出了 ap (440) 、ap (675) 与其它组份吸收系数以及物质浓度线性
回归的决定系数。ap (440)除了与 aph (675) 、Chla 没有显著线性关系外与其他参数均存在显著性相关 ,而 ap
(675)则只与 aph (675) 、OSS有显著性相关 ,说明在 675nm 附近颗粒物的吸收主要受制于浮游藻类等有机颗
粒物。
2. 2 非藻类颗粒物吸收光谱
ad (λ)随波长增加而减小 (图 2) , ad (440)的变化范围为 2123～7107 m - 1 ,均值为 (5101 ±1149) m - 1 。许多
研究均表明非藻类颗粒物有相对稳定的吸收光谱特征 ,可用指数衰减率来定量表示[21 , 22 ] 。图 4 给出代表采
样点非藻类颗粒物实测吸收光谱和指数拟合得到的吸收光谱 ,发现两者结果非常接近。非藻类颗粒物吸收系
数在 400～700 nm 按指数衰减规律拟合得到指数斜率 S d 值的变化范围 914～1210μm - 1 ,均值为 (10191 ±
0162) μm - 1 ,非线性拟合的决定系数均大于 0197。与已有的报道相比 ,太湖非藻类颗粒物指数斜率 S d 值低于
曹文熙等[10 ]报道的珠江口的值 ,也低于 Roesler[21 ]报道的美国东海岸岛屿地区以及 Bricaud 等[22 ]报道的赤道太
平洋及东地中海的 S d 值 ,但高于 Gallegos[23 ]在Lower St1Johns 河口的研究结果。另外 ,朱建华等[11 ]报道黄东海
的非藻类颗粒物吸收光谱在 380～620 nm 指数拟合得到 S d 值的变化范围在 5～16μm - 1之间 , 大部分集中在
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8～12μm - 1范围内 , 其中在 10～11μm - 1分布最多 ,小于 8 和大于 12μm - 1的样品占总样品的比例小于 5 %。
尽管非藻类颗粒物吸收系数随波长增加大致按指数规律衰减 ,但当水体中浮游藻类浓度非常高时 ,在 675 nm
附近会存在一个肩峰或弱峰值 ,这在其他研究中也得到证实[6 , 9 , 22 ] 。主要由两方面原因造成 ,一方面可能是
甲醇对色素萃取不完全 ,V¾h¾talo 等[9 ]的定量研究表明 ,许多样品的提取效果往往只有 90 %左右 ,有的甚至只
有 70 %。另一方面则是一些水溶性的或者不能溶于甲醇的色素无法被提取 ,如藻胆色素和真核藻类色素等 ,
这在内陆水体表现尤为明显 ,因为大部分内陆水体都是以蓝藻和绿藻为主 ,而藻胆色素广泛存在于这两类藻
内。为此 ,Tassan & Ferrari 提出利用次氯酸钠漂白法更适合于二类水体非藻类颗粒物和浮游藻类吸收系数的
分离[24 ] ,并得到许多人的认可[6 , 25 , 26 ] 。相对于甲醇浸泡法 ,次氯酸钠漂白法拥有以下 3 个优点 : (1) 除能漂白
甲醇提取的色素外 ,还可以氧化提取那些不能被甲醇提取的色素和水溶性色素 ,如藻胆色素、藻蓝素等 ; (2) 其
氧化漂白的速度也非常快 ,一般 15 min 即可 ,这样不会破坏滤膜的组织结构 ,而甲醇浸泡法一般需要 1 h 以
上 ; (3)一般不会造成非藻类颗粒物的损失。
图 4 典型采样点非藻类光谱吸收系数实测值与模拟值对比
Fig. 4 Comparison of ad (λ) of measured and simulated
ad (440) 、ad (675)与总悬浮物浓度相关性最好 ,这在其他人的研究中也得证实[6 ] ,其次是无机颗粒物 ;而
与有机颗粒物、叶绿素 a 没有相关性 (表 2) 。说明非藻类颗粒物中生物降解的产物不多 ,基本上为无机物 ,这
与远海以及富营养而又没有风浪扰动的湖泊和时段不一样。如 Bricaud 等[22 ] 基于对世界各大海区 1166 个样
品研究发现 , ad (440)与叶绿素 a 也存在非常好的幂函数关系 ,决定系数高达 0173。2004 年夏季水华暴发而又
风平浪静的情况下曾观测到梅梁湾、五里湖非藻类颗粒物吸收系数与叶绿素 a 浓度存在显著线性关系 ,并且
ad (675) 与叶绿素 a 浓度相关性明显高于 ad (440) ①。对于这类区域和时段 ,认为水体的非藻类颗粒物很大一
部分来源于浮游藻类的降解产物。同样 ,在一些河口的研究则显示非藻类颗粒物吸收系数与叶绿素 a 浓度之
间没有明显相关性[10 ] 。
2. 3 浮游藻类吸收光谱
浮游藻类的吸收光谱表现为色素在 440、675 nm 附近有 2 个特征吸收峰 ,但不同采样点由于色素浓度差
异很大 ,相应的浮游藻类的吸收系数变化也很大。aph (440) 、aph (675) 的变化范围分别为 0168～4176、0158～
2184 m - 1 ,均值分别 (2155 ±1114) 、(1134 ±0169) m- 1 ,对应的叶绿素 a 浓度的变化范围为 3913～18012μgΠL。
浮游藻类吸收系数主要受水体中浮游藻类的浓度及种群组成的影响 ,随叶绿素 a 浓度的变化而变化。
在远海一类水体和河口区、沿岸带等二类水体的一些研究结果均显示浮游藻类吸收系数与叶绿素 a 浓
度存在线性或非线性关系。如 Gallegos[23 ]在Lower St1Johns 河口研究显示两者有很好的线性关系 ;曹文熙等[10 ]
579312 期 张运林 等 :太湖梅梁湾水体悬浮颗粒物和 CDOM的吸收特性
① 张运林. 太湖水体生物2光学特性及其生态学意义. 中国科学院研究生院博士论文.
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图 5 游植物吸收系数 aph (440) 、aph (675)叶绿素 a 的关系
Fig. 5 Correlations between aph (440) , aph (675) and chlorophyll a concentration
在珠江口得出幂函数关系 ;Bricaud 等[27 ]在马尾藻海、河口与海湾、地中海、大西洋等海区的一类和二类水体得
出指数函数关系 ;Cleveland[28 ]对温带Π热带海区的研究发现两者为非线性关系。此次在太湖梅梁湾的研究显
示两者有很好的线性关系 (图 5) ,说明其比吸收系数相对比较恒定 , a 3ph (440) 、a 3ph (675) 的均值分别为 (010345
±010106) 、(010176 ±010044) m2ΠmgChla。相比而言 ,675 nm处的相关性要好于 440 nm ,主要是由于 440 nm 浮
游藻类吸收系数会受非藻类颗粒物的影响 ,因为在太湖这种无机颗粒物浓度非常高的浅水湖泊 ,采用甲醇浸
泡来分离浮游藻类和非藻类颗粒物吸收在浸泡前后往往两次过滤中往往会造成非藻类颗粒物以及非光合作
用色素的损失 ,从而导致在 500 nm 以下波段浮游藻类吸收人为增加 ,降低了吸收系数与叶绿素 a 浓度的相关
性。而在 675 nm 非藻类颗粒物的吸收系数很小 ,其对浮游藻类吸收系数的干扰要小得多 ,因而相关性会提
高 ,这在一些同类研究中也得到证实[10 ] 。
2. 4 CDOM吸收光谱
CDOM的光谱吸收曲线变化与非藻类颗粒物相似 ,随波长增加按指数规律递减 ,在长波的 700 nm 趋向于
零 ,越到短波其差异越显著。ag (440)的变化范围为 1106～1170 m - 1 ,均值为 (1137 ±0123) m - 1 。从图 1 和表 1
还可得知 ,CDOM的空间分布与冬、春季在梅梁湾观测的结果不一样 ,在冬、春季浮游藻类浓度较低 ,CDOM 主
要来自于入湖河流 ,一般河口 CDOM 吸收系数较高 ,从河口往湾内、湾口逐渐递减[14 , 15 ] 。但在夏季由于水体
中浮游藻类浓度较高 ,CDOM除了来自河流外 ,浮游藻类死亡降解的产物也是 CDOM 的重要来源。对 CDOM
吸收系数与叶绿素 a 浓度进行线性、指数、对数以及幂函数来拟合发现幂函数拟合的相关性最高 ,关系式如
下 :
ag (440) = 014432Chla012627 ( R2 = 0155 , N = 16 , p ≤01001) (10)
CDOM代表了溶解性物质中有颜色的部分 ,因而许多研究均显示 CDOM 吸收系数与 DOC 浓度存在非常
显著的正相关[29～31 ] 。先前冬、春季的观测的结果也证实了这种相关性[14 , 15 ] 。但此次夏季的观测却显示两者
没有显著性相关 ,主要原因是由于夏季浮游藻类大量生长 ,降解后产生大量无色的溶解性有机碳。在海洋里
有时也发现 CDOM 吸收系数与 DOC 浓度没有相关性[32 , 33 ] 。另外 , Rochelle2Newall [2 ] 从 1994～1997 年在
Chesapeake 湾的 7 次测定也发现 ,在 CDOM吸收系数和叶绿素 a 浓度存在显著正相关的 3 次样品中 ,DOC 浓度
与 CDOM吸收系数无显著正相关或相关性很弱。夏、冬季 CDOM 吸收系数与 DOC 浓度相关性存在很大变化
系与 DOC的组成有关。从光吸收能力角度来讲 ,DOC 一般可以分为有色的和无色的 ,两者占总 DOC 的比例
随不同地区和来源存在很大差异。当 DOC中无色的部分为常数或变化不大时 ,CDOM 吸收系数会与 DOC 浓
度存在非常好的相关性。一般来讲 ,来自河流携带的陆源 DOC含有更多的有色 DOC ,而浮游藻类自身降解产
生的 DOC中含有更多的无色 DOC[2 ] 。梅梁湾夏季由于浮游藻类大量生长、腐烂降解 ,产生更多无色 DOC 成
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分 ,从而使得 CDOM吸收系数与 DOC浓度相关性明显下降。造成夏季无色的 DOC 成分增多还有可能与紫外
辐射的光降解有关 ,夏季到达水面的紫外辐射较强 ,CDOM 吸收紫外辐射后发生光降解丧失颜色而增加了无
色的 DOC成分 ,即通常讲的光漂白作用。如 Vodaeck 等[34 ] 发现在高度分层的水体中 CDOM 的光吸收特性将
丧失 70 %。
最小二乘法拟合得到 280～500 nm 波段指数函数斜率 S g 的变化范围为 1417～1614μm - 1 ,平均值为
(15152 ±0149) μm - 1 ,与先前的观测结果极为接近[14 , 15 ] 。与已有的报道相比 ,尽管由于各自选取的波段存在
一些差异 ,但其值总体上相差不大 ,如 Yacobi [35 ] 曾报道美国 Georgia 河 300～450 nm 波段 S g 值为 1511μm - 1 ,
Del Castillo[36 ]报道 Orinoco 入海口 400～500 nm 波段的 S g 值为 1412μm - 1 。
2. 5 各组分吸收份额及吸收对衰减的贡献
表 3 给出各组分 400～700 nm PAR 波段积分吸收系数、各自的贡献份额以及吸收对衰减的比值。由表 3
可知 ,吸收系数主要来自于颗粒物 ,而颗粒物的吸收又以非藻类颗粒物吸收为主 ,仅 M8、M9 和 M13 点浮游藻
类吸收大于非藻类颗粒物吸收。从各组份吸收对总吸收的贡献份额来看 ,纯水吸收的贡献率在 4 %左右 ,所
占份额最小 ,CDOM的贡献率在 10106 %～19189 %之间 ,贡献率最大的是非藻类颗粒物 ,除 M8、M9 和 M13 点
外 ,其他各点的贡献率均在 40 %以上 ,最大的达 67119 % ,浮游藻类吸收的贡献率为 13189 %～52120 % ,除 M16
最小值 13189 %低于 CDOM的贡献率 14133 %外 ,其他各点均位居第二位。颗粒物的吸收对总吸收的贡献率均
在 70 %以上 ,说明在梅梁湾颗粒物特别是非藻类的吸收和散射是引起水下光衰减的主导因素。从吸收对漫
射衰减的比值来看 ,其值一般高于 40 % ,并且在叶绿素 a 浓度较高而悬浮物浓度又较低的M8、M9 和M13 点贡
献率最高 ,能够达到甚至超过 60 %。与海洋里相比 ,浅水湖泊等内陆水体各组份的贡献率存在很大差异。如
Sasaki 等[20 ]在北太平洋和南白令海的研究显示 ,各组份 PAR 波段积分吸收系数对总吸收系数贡献最大的来
自纯水本身 ,占到 5919 %～8416 % ,其次则是 CDOM ,非藻类颗粒物的贡献最小 ,仅为 113 %～416 % ,而在太湖
这种内陆浅水湖泊恰好相反 ,说明一类、二类水体光学成分浓度水体光学性质的巨大差别。
表 3 各组分 PAR 波段积分吸收系数、贡献率及吸收对衰减的比值
Table 3 Absorption coefficients of pure water ( aw ) , CDOM ( ag ) , nonalgal particles ( ad ) , phytoplankton ( aph ) , total ( a ) , their relative
contributions integrated over the range of PAR (400～700 nm) and the ratios of total absorption coefficient ( a) to PAR diffuse attenuation coefficients
( Kd ( PAR) )
No.
aw
(m - 1)
ag
(m - 1)
ad
(m - 1)
aph
(m - 1)
ap
(m - 1)
a
(m - 1)
awΠa
( %)
agΠa
( %)
adΠa
( %)
aphΠa
( %)
apΠa
( %)
adΠap
( %)
aphΠap
( %)
aΠKd ( PAR)
( %)
M1 # 0117 0148 2150 0177 3128 3193 4133 12123 63171 19173 83144 76136 23164 39149
M2 # 0117 0144 2179 0175 3154 4115 4110 10160 67119 18111 85130 78177 21123 42109
M3 # 0117 0155 2180 0172 3153 4125 4100 12195 66102 17103 83104 79150 20150 45132
M4 # 0117 0148 3116 0196 4113 4178 3156 10105 66124 20116 86140 76167 23133 47126
M5 # 0117 0155 3101 1163 4164 5136 3117 10126 56108 30149 86156 64178 35122 53106
M6 # 0117 0173 2185 1155 4140 5130 3121 13177 53174 29129 83103 64172 35128 52140
M7 # 0117 0175 2178 1174 4152 5144 3112 13179 51119 31190 83109 61160 38140 57103
M8 # 0117 0168 1128 1168 2195 3180 4147 17188 33155 44110 77165 43120 56180 71161
M9 # 0117 0159 1139 2135 3174 4150 3178 13110 30193 52120 83112 37121 62179 65173
M10 # 0117 0158 2151 1119 3170 4145 3182 13104 56138 26175 83113 67182 32118 46127
M11 # 0117 0157 2137 1119 3156 4130 3195 13126 55115 27163 82179 66162 33138 48152
M12 # 0117 0163 1175 1157 3132 4112 4113 15130 42155 38101 80157 52182 47118 48144
M13 # 0117 0169 2100 2158 4158 5144 3113 12170 36180 47138 84118 43171 56129 58195
M14 # 0117 0162 1181 1107 2188 3167 4163 16188 49138 29111 78149 62191 37109 47116
M15 # 0117 0146 0198 0170 1168 2131 7135 19189 42149 30127 72176 58140 41160 44156
M16 # 0117 0142 1193 0141 2134 2193 5180 14133 65197 13189 79187 82160 17140 43135
在富营养化的梅梁湾 ,营养盐基本上不会对浮游藻类的生长起到限制作用 ,非藻类颗粒物的吸收一般要
远远大于浮游藻类 ,因而其浓度的变化影响到浮游藻类和沉水植物对光的利用和初级生产力。而高浓度的
CDOM也往往使得浮游藻类吸收对总吸收的贡献明显下降。并且非藻类颗粒物和 CDOM 对光的吸收随波长
779312 期 张运林 等 :太湖梅梁湾水体悬浮颗粒物和 CDOM的吸收特性
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增加按指数规律下降 ,相比于海洋 ,在太湖这种浅水湖泊 PAR 中的长波部分的光对浮游藻类的生长就起到至
关重要的作用。在太湖 ,与其它光吸收组份的竞争使得浮游藻类不利于获得绿蓝光 ,这也可能成为其种群结
构演替的重要驱动因素。蓝藻体内含有独特的藻胆色素 ,在 630 nm 附近存在最大吸收峰 ,能有效地利用桔红
光 ,因而在浅水湖泊中常常成为优势种。由此可见 ,高浓度非藻类颗粒物和 CDOM 的吸收影响到浮游藻类光
谱利用 ,也对浮游藻类种群组成起到一个选择性影响。另外 ,就水质遥感而言 ,对于太湖这种大型浅水湖泊 ,
建立浮游藻类浓度和生产力的遥感反演模型的关键和难点是如何消除 CDOM、非藻类颗粒物的干扰。
3 结论
(1)在梅梁湾大多数情况下总颗粒物的吸收光谱与非藻类颗粒物吸收光谱比较相似 , ad (λ) 大于 aph (λ) ,
反映非藻类颗粒物是主导该地区光衰减的首要因子。颗粒物吸收对总吸收的贡献率在 70 %以上 ,而颗粒物
中又以非藻类颗粒物占主导 ,一般超过 40 %。总吸收与漫射衰减的比值也在 40 %以上。
(2)总颗粒物的吸收系数从 400 nm 到 600 nm 大致呈下降趋势 ,到 675 nm 附近由于叶绿素 a 的特征吸收
会出现明显峰值 ,之后又随波长增加而降低 , ap (440)在 3158～9186 m - 1间变化。浮游藻类的光谱吸收表现为
在 440、675 nm 附近存在两个明显的峰值 ,均值分别为 (2155 ±1114) 、(1134 ±0169) m- 1 。
(3)非藻类颗粒物和 CDOM的吸收随波长增加大致按指数规律下降 , ad (440) 和 ag (440) 的变化范围分别
为 2123～7107、1106～1170 m- 1 ;非藻类颗粒物在 400～700 nm 波段的指数函数斜率 S d 的平均值为 (10191 ±
0162) μm - 1 、CDOM在 280～500 nm 波段指数函数斜率 S g 的平均值为 (15152 ±0149) μm - 1 。
(4) ap (440) 与 TSS、OSS、ISS 均存在显著性正相关 ,而 ad (440) 则只与 TSS、ISS 有显著性相关 , aph (440) 只
与 OSS、Chla 有显著性相关。CDOM吸收系数与 DOC浓度没有显著正相关 ,但与 Chla 则存在显著的幂函数关
系。浮游藻类的降解产物是水体中 CDOM的重要来源之一。
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