黃東海浮游植物吸收光譜分類研究

葉虎平，朱建華，李銅基，周虹麗，楊安安

(國家海洋技術(shù)中心，天津 300112)

黃東海浮游植物吸收光譜分類研究

葉虎平，朱建華*，李銅基，周虹麗，楊安安

(國家海洋技術(shù)中心，天津 300112)

浮游植物吸收光譜在不同區(qū)域和季節(jié)具有明顯的類別特征。利用黃東海春、秋季兩航次吸收光譜數(shù)據(jù)，根據(jù)成因不同，譜形分為5類（A～E類），其中B類有3種表現(xiàn)特點(diǎn)：B1類光譜在460～470 nm間存在一個吸收肩，B2類在600～660 nm有小吸收峰，B3類在約550 nm附近有吸收肩；E類光譜多分布于高度渾濁水域。該研究的分類結(jié)果有助于浮游植物吸收特征波段分析和應(yīng)用。

黃東海；浮游植物色素；吸收光譜分類；光譜重建

浮游植物是海洋表層普遍存在、自由浮動的生物，種類多樣，大小和形狀各異。主要色素葉綠素和其他相關(guān)色素強(qiáng)烈吸收水體中的藍(lán)光和紅光，并進(jìn)行光合作用，當(dāng)浮游植物豐度很高時，成為海水吸收光譜曲線的主導(dǎo)者。研究發(fā)現(xiàn)，影響浮游植物吸收光譜變化的主要因素是濃度、色素組成、包囊效應(yīng)等，這些因素又隨物種和細(xì)胞粒徑而有所不同[1]。浮游植物吸收系數(shù)，因其主導(dǎo)下行光衰減和在能量傳遞中扮演重要角色，改變海洋表層海水光學(xué)，對光衰減、初級生產(chǎn)力、色素生物量遙感和混合層加熱意義重大[2]。

對于一類水體中浮游植物顆粒，吸收系數(shù)變化的原因、色素組成和包囊效應(yīng)已有較好的闡述[4,7,10]，吸收系數(shù)變化程度以及在水體中的光譜多樣性也在國內(nèi)外實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)和現(xiàn)場水樣分析研究中得到重視[6-9]。浮游植物吸收除具有雙吸收峰等一般特征外，隨著葉綠素濃度、色素組成等條件的不同[4-5,10,12]，吸收特性呈較大差別。浮游植物吸收光譜aph隨區(qū)域、季節(jié)、包囊、光照、種群、營養(yǎng)成分等因素廣泛變化[3,7,11]，無法用一個簡單的aph譜形代表任何區(qū)域任何時間的水體。

黃東海水體光學(xué)特性以懸沙為主導(dǎo)[14]，浮游植物顆粒吸收系數(shù)隨區(qū)域和季節(jié)變化較大。本文通過對浮游植物吸收光譜進(jìn)行分類，從成因、色素組成等方面進(jìn)行分析研究。分類結(jié)果可作為標(biāo)準(zhǔn)波譜提取、不同時空浮游植物吸收波譜識別的參考，有利于我國近海水色模型開發(fā)，從而提高色素濃度反演精度。

1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與方法

利用2003年黃東海海區(qū)春季航次(HD200304)和秋季航次(HD200309)測量的浮游植物色素吸收系數(shù)數(shù)據(jù)，吸收系數(shù)數(shù)據(jù)利用分光光度計的透射測量方法（T方法）獲得。由于總顆粒物和碎屑在750 nm總有小部分吸收[3]，這里分光光度計測量得到的每個總顆粒物和非色素顆粒的光學(xué)密度光譜都減去790～800 nm波段11 nm的光學(xué)密度平均值，作為近紅外波段零值吸收的校正[12]，獲取的數(shù)據(jù)用于吸收系數(shù)計算分別得到總顆粒物吸收系數(shù)ap(λ)和非色素顆粒吸收系數(shù)ad(λ)。其中色素萃取采用Kishino的甲醇提取法[15]。

浮游植物色素的吸收系數(shù)是總顆粒物吸收系數(shù)與非色素顆粒物吸收系數(shù)的差值，可利用下式計算得到：

結(jié)合近年的研究和分析，有必要說明的是：

（1）甲醇不是最理想的色素分辨溶劑

此法獲得的色素吸收與真實(shí)aph(λ)值略有不同，碎屑色素(如褐色素)由于在甲醇萃取中可溶而計入浮游植物吸收部分，而在藍(lán)細(xì)菌里常見的光捕獲成分藻膽蛋白，由于不能被有機(jī)溶劑萃取而納入到碎屑吸收[2]。這些潛在的問題，有利于對色素吸收光譜形狀成因分析。

（2）光程放大因子β是應(yīng)用T方法測量浮游色素顆粒物吸收系數(shù)的關(guān)鍵

QFT(Quantitative Filter Technique)技術(shù)透射方法（T方法）分別測量同一懸浮顆粒物在懸浮狀態(tài)下的吸收(ODsus(λ))與在玻璃纖維濾紙(GF/F)富集狀態(tài)下吸收(ODf(λ))，獲取GF/F富集顆粒物引起的光程放大效應(yīng)的校正因子 β(β=ODf(λ)/ODsus(λ))，這樣就可以方便地通過光透射測量GF/F富集懸浮顆粒物的吸收來得到自然水體懸浮顆粒物的吸收系數(shù)。

透射反射法（T-R法）和T方法的差異可歸結(jié)為后向散射的損失，T法更大。理論和實(shí)驗(yàn)表明，總顆粒物散射是光后向散射的結(jié)果（如顆粒物后向散射比)，對小顆粒更高，不同種間小藍(lán)細(xì)菌相對更高。T-R法傳統(tǒng)濾膜技術(shù)[16]光程放大值分散的更小。朱建華[17]研究認(rèn)為T-R方法和T方法測量結(jié)果的顯著差異在于T方法某種程度上掩蓋了無機(jī)懸浮顆粒物的吸收貢獻(xiàn)，T方法的零值校正存在局限性。高濃度無機(jī)顆粒物為主要懸浮顆粒物的近海海域，T方法的校正誤差很大，T-R方法的測量結(jié)果更為準(zhǔn)確。對于大部分近岸水體和以浮游植物為主要懸浮顆粒物的海域，T方法的散射校正誤差并不十分顯著，T方法和T-R方法都適用。

2 結(jié)果與分析

2.1 浮游植物吸收光譜分析

研究表明，樣品萃取、色素成分的變化對浮游植物吸收系數(shù)變化有重要影響。樣品色素萃取的不完全，或者把有機(jī)碎屑萃取，都會導(dǎo)致吸收光譜異常；而各種色素具有不同的吸收光譜，從吸收光譜形狀的改變能直觀反映色素成分變化。結(jié)合國內(nèi)外測量的吸收光譜，對我國懸沙主導(dǎo)水體光學(xué)特性的黃東海浮游植物吸收光譜進(jìn)行分析，得出吸收光譜主要為5類（A～E類，其中B類有3種表現(xiàn)特點(diǎn)），圖1～圖7為平均吸收系數(shù))構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化吸收光譜(λ)①平均吸收系數(shù)：；標(biāo)準(zhǔn)化吸收光譜，總結(jié)分析如下：

A類：典型的浮游植物吸收光譜，在440 nm和675 nm附近有兩個吸收峰，與一類水體中測量的浮游植物吸收光譜類似。但由于浮游植物藻種間、不同營養(yǎng)、光照、生長期等因素引起色素成分不同，而使吸收光譜有些變化。其中675 nm的吸收峰主要由葉綠素a（Chl a）強(qiáng)吸收引起，葉綠素b（Chl b）和褐色素也有很小部分貢獻(xiàn)，而440 nm吸收峰由多種輔助色素和成分共同作用形成。一般藍(lán)光吸收峰aph(440)約是紅光吸收峰aph(675)的3倍左右，在550～650 nm間吸收系數(shù)值相對較小，其中最小值一般在600 nm附近，約是吸收峰440 nm的10%～30%[13]，自然界和實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)浮游植物吸收光譜變化很大，研究表明[3]，藻青菌和海洋原核生物等小型藻：類在440 nm處具有較強(qiáng)的吸收，相應(yīng)的藍(lán)紅比一般大于2.5，在光照較強(qiáng)時甚至?xí)笥?，高藍(lán)紅比甚至可作為浮游植物群落中指示微微型原核生物存在的證據(jù)[19]。

圖1 春秋航次所有A類標(biāo)準(zhǔn)化光譜

圖2 春秋航次所有B1類標(biāo)準(zhǔn)化光譜

圖3 春秋航次所有B2類標(biāo)準(zhǔn)化光譜

圖4 春秋航次所有B3類標(biāo)準(zhǔn)化光譜

B1類：在440 nm和675 nm附近具有浮游植物吸收的吸收峰，且光譜在460～470 nm間存在一個肩。在吸收肩460～465 nm區(qū)域，Chl b、Chl c和非光合類（光保護(hù)）胡蘿卜素疊加在大部分吸收特征里[7,18]。基于光譜高斯分解可知，類胡蘿卜素和Chl b,Chl c相對Chl a在460～490 nm更高吸收。在粒度級別＜3 μm中類胡蘿卜素尤其非光合類胡蘿卜素(如玉米黃質(zhì)、雙四氧嘧啶、胡蘿卜素、硅甲藻黃素和硅藻黃質(zhì)等)和輔助葉綠素主要色素與Chla有更高比值。Lohrenz[1]研究得出：所有光譜在藍(lán)光吸收波段460～490 nm存在一個肩，存在較高aph(440)∶aph(676)比值，非光合類胡蘿卜素與Chl a的比值與aph(440)∶aph(675)比值明顯相關(guān)，所有站位和粒度級別都適用。這類aph(λ)光譜是典型的硅藻屬和溝鞭藻類光譜，Chl c和類胡蘿卜素在450～550 nm有重要貢獻(xiàn)。(文獻(xiàn)[18]中圖4的25站位)。實(shí)驗(yàn)室純藻種培養(yǎng)中同屬于綠藻門的小球藻和扁藻吸收光譜也有類似吸收肩，在485 nm附近有一肩峰[9]。

B2類：在440 nm和675 nm附近有雙峰，且在600～660 nm有小吸收峰，在650～660 nm相對有明顯吸收谷。Sathyendranath[6]提出除Chl a外的輔助色素吸收波段Chl b在650 nm，Chl c在 620 nm和 630 nm。Hoepffner[11]研究認(rèn)為，650 nm附近的凸起與葉綠素b的存在有關(guān)，表明葉綠素b與葉綠素a濃度的比值增大。除了葉綠素b外，葉綠素c相對于葉綠素a的含量也可能有所變化，對應(yīng)了部分吸收光譜在長波波段590 nm附近的凸起。

B3類：除在440 nm和675 nm附近出現(xiàn)吸收峰外，在可見光約550 nm附近的吸收肩，有些在500 nm附近也有吸收肩。Bricaud[4]研究得出在550 nm的吸收肩主要由于藻紅蛋白作用引起。這類光譜主要出現(xiàn)在秋季航次，多個站位表層和水下5 m水樣都有發(fā)現(xiàn)，約占總采樣站位的10%，而春季航次幾乎沒有出現(xiàn)，此現(xiàn)象的一種原因是黃東海浮游植物色素相對含量具有一定時空特性，與優(yōu)勢藻種及生理特性的關(guān)系，有待進(jìn)一步研究。

圖5 春秋航次所有C類標(biāo)準(zhǔn)化光譜

圖6 春秋航次所有D類標(biāo)準(zhǔn)化光譜

有些研究利用Kishino方法[15]獲取的aph光譜中基本上沒有觀測到上述現(xiàn)象。通常，藻膽素不能被甲醇萃取移除，結(jié)果就錯誤地包括在碎屑成分里，這是光譜形狀的另一種可能原因。Bricaud[4]提供了消除方法：在特別方法漂白后濾膜在碎屑吸收測量前再用海水濕潤，因此，水溶性色素就能（至少部分）被萃取。

C類：葉綠素吸收系數(shù)在440 nm和675 nm兩個吸收峰明顯，aph(440)/aph(675)比值相對其他光譜很小，有個別站位接近1。由于675 nm波段主要是葉綠素a吸收引起，比較其他站位光譜，這類光譜葉綠素a濃度相對含量最高。由于還受其他輔助色素的影響，少部分吸收光譜也出現(xiàn)500 nm附近的特征吸收肩和645 nm附近的吸收峰。

D類：相對于Chla的吸收峰，最大吸收出現(xiàn)在更短波（多出現(xiàn)在420 nm之前），且400～443 nm區(qū)間整體吸收值較大。峰值向短波移動可能由相對高濃度的褐色素引起，因其藍(lán)光峰值相對Chla波長更短，Suzuki[20]在Oyashio站位有類似發(fā)現(xiàn)，這在二類水體中較為常見[4,6,8]。除了深水和一些富營養(yǎng)水體，褐色素相對濃度在總濃度中占很小百分比。一些受褐色素影響的光譜明顯在420 nm附近強(qiáng)吸收，Bricaud[4]建議使用簡單的方法a*ph(420)＞a*ph(440)從數(shù)據(jù)集中剔去異常，此方法顯然不能完全剔除D類光譜。

圖7 春秋航次所有E類標(biāo)準(zhǔn)化光譜

E類：在400～700 nm間，峰值出現(xiàn)在400 nm和675 nm附近（部分光譜675 nm波峰不明顯），紅光600 nm前呈e指數(shù)衰減，譜形與黃色物質(zhì)和碎屑吸收光譜相近，這在其他研究中也有出現(xiàn)[8,18,20]，這類光譜出現(xiàn)的站位懸浮顆粒物含量基本都較高。這些光譜曲線在440 nm波段處沒有吸收峰的原因，可能是甲醇萃取技術(shù)造成T方法測算葉綠素吸收系數(shù)將殘余碎屑顆粒物質(zhì)的吸收引入葉綠素吸收光譜，因?yàn)橹T如浮游植物細(xì)胞死亡降解、細(xì)胞分裂、食草動物排泄物[2,8]產(chǎn)生的細(xì)胞碎屑都含有色素，雖然死亡后迅速氧化，但在藍(lán)光波段還存在強(qiáng)吸收。結(jié)合站位的高顆粒物濃度分析，應(yīng)該是非色素顆粒碎屑的影響。

2.2 分類吸收光譜分布特征

結(jié)合前期表觀光譜分類結(jié)果[14]作為背景，黃東海各類色素吸收光譜站位分布圖（圖8）：

圖8 2003年黃東海浮游植物吸收光譜分類圖

從圖上看出A～E類分布趨勢是從河口到外海呈C→E→D→A(B)的趨勢，C類多位于河口，部分出現(xiàn)在E類外圍，這與陸源輸入營養(yǎng)成分和懸沙濃度引起的透明度有關(guān)，E類主要在江蘇淺灘高度渾濁區(qū)域，無機(jī)和有機(jī)顆粒物濃度較高，受陸源影響較大。而外圍則逐漸轉(zhuǎn)化為A,B類，浙江東南海域主要受臺灣暖流影響，不同季節(jié)表現(xiàn)出B1，B3類。這里有一個區(qū)域比較特別，那就是長江口外在花鳥山、馬鞍列島一帶海域多C類特征光譜(紅線框)，這里是赤潮高發(fā)區(qū)，其中春季航次HD21站位附近就發(fā)現(xiàn)赤潮。

3 結(jié)論與討論

黃東海呈現(xiàn)典型的以懸沙為主導(dǎo)二類水體光學(xué)特性，根據(jù)測量的吸收光譜成因，譜形主要呈現(xiàn)A～E類。A類為典型的葉綠素吸收光譜，在440 nm和675 nm附近有兩個吸收峰，而B類是在A類基礎(chǔ)上由于輔助色素的相對含量變化呈現(xiàn)3種不同譜形特點(diǎn)：B1類光譜在460～470 nm間存在一個吸收肩，B2類在600～660 nm有小吸收峰，B3類在約550 nm附近有吸收肩；C類為紅藍(lán)兩個吸收峰比值相對較低，葉綠素a含量較高；D類光譜則很可能褐色素吸收作用致使400～440 nm吸收值整體較大；而E類紅光600 nm前呈e指數(shù)衰減，主要由于萃取碎屑引入誤差造成，多出現(xiàn)在高渾濁區(qū)域，吸收系數(shù)需要用T-R法測量或改進(jìn)測量。

這里值得注意的幾個問題：（1）B1～B3三種譜形不一定同時出現(xiàn)，隨著吸收光譜的積累和研究的深入，得出更多的B類特性，甚至增加新的類型；（2）甲醇提取吸收和活體吸收之間確切關(guān)系很難預(yù)計，溶解作用不僅從薄膜類囊體內(nèi)分離狀態(tài)釋放色素，也打亂了色素蛋白質(zhì)絡(luò)合，這會改變色素的葉綠素比吸收特性；（3）提取的吸收系數(shù)更高的原因是其它色素的存在，尤其Chl b，而更低的原因可能是萃取不完全，溶劑或其它物質(zhì)吸收的干擾和提取過程中降解[1]。在我國懸沙主導(dǎo)的二類水體浮游植物吸收光譜有待進(jìn)一步深入研究，下一步對影響浮游植物吸收光譜變化的濃度、色素組成、包囊效應(yīng)等主要因素進(jìn)行分析。

[1]Lohrenz S E,A D Weidemann，M Tuel.Phytoplankton spectral absorption as influenced by community size structure and pigment composition[J].Journal of Plankton Research,2003,25(1)∶35-61.

[2]Sosik H M，Mitchell B G.Light absorption by phytoplankton,photosynthetic pigments and detritus in the California Current System[J].Deep Sea Research,1995,42∶1717-1748．

[3]Bricaud A,Stramski D.Spectral absorption coefficients of living phytoplankton and nonalgal biogenous matter∶a comparison between the Peru upwelling area and the Sargasso Sea[J].Limnology and Oceanography,1990,35(3)∶562-582.

[4]Bricaud A,M Babin,A Morel,et al.Variability of chlorophyll specific absorption coefficient of natural phytoplankton analysis and parameterize[J].Journal of Geophysical Research,1995,100(C7)∶13321-13332.

[5]Bricaud A,H Claustre,J Ras,et al.Natural variability of phytoplanktonic absorption in oceanic waters∶influence of the size structure of algal population[J].Journal of Geophysical Research,2004,109∶C11010

[6]Sathyendranath S,Lazzara L,Prieur L.Variations in the spectral values of specific absorption of phytoplankton[J].Limnology and Oceanography,1987,32∶403-415

[7]Bidigare R,Ondrusek M E,Morrow J H,et al.In vivo absorption properties of algal pigments[J].SPIE,Ocean Optical,1990,1032∶290-302.

[8]Cao W X,Y Z Yang,S Liu,et al.Spectral absorption coefficient of phytoplankton and its relation to chlorophyll a and remote sensing reflectance in coastal waters of southern China[J].Progress in Natural Science,2005,15(4)∶342-350.

[9] 周虹麗,朱建華，韓冰,等.幾種典型藻種吸收光譜特的比較[J].海洋技術(shù)，2010，29(3)∶78-92.

[10]Carder K L,Hawes S K,Baker K A,et al.Reflectance model for quantifying chlorophyll a in the presence of productivity degradation products[J].Journal of Geophysical Research,1991,96∶20599-20611.

[11]Hoepffner N,Sathyendranath S.Effect of pigment composition on absorption properties of phytoplankton[J].Marine Ecology Progress,1991,73∶11-23.

[12]朱建華，李銅基.黃東海海區(qū)浮游植物色素吸收系數(shù)與葉綠素a濃度關(guān)系[J]．海洋技術(shù)，2004，23(1)：117-122.

[13]Mobley C D.Light and Water,Radiative Transfer in Natural Water[M].San Diego∶Academic Press,1994.

[14]葉虎平，李銅基．水體光譜特性監(jiān)督分類方法研究[J]．海洋技術(shù),2009,28(03)∶96-100．

[15]Kishino M,Takahashi M,Okami N,et al.Estimation of the spectral absorption coefficients of phytoplankton in the sea[J].Bulletin of Marine Science,1985,37(2)∶634-642.

[16]Tassan S,G M Ferari.An alternative approach to absorption measurements of aquatic particles retained on filters[J].Limnology and Oceanography,1995,40(8)∶1358-1368.

[17]朱建華，周虹麗，李銅基，等.基于小球藻的T-R方法光程放大校正因子的適用性研究[J]．海洋技術(shù)，2010,291(1)：40-45．

[18]Babin M,Stramski D,Ferrari G M,et al.Variations in the light absorption coefficients of phytoplankton,nonalgal particles and dissolved organic matter in coastal waters around Europe[J].Journal of Geophysical Research,2003,108∶3211-3231.

[19]吳璟瑜.中國東南近海光吸收特性研究[D].廈門：廈門大學(xué),2006.

[20]Suzuki K,M Kishino,K Sasaoka,et al.Chlorophyll-specific absorption coefficients and pigments of phytoplankton off Sanriku,northwestern North Pacific[J].Journal of Oceanography,1998,54∶517-526.

Classification on the Absorption Spectrum of Phytoplankton in Yellow Sea and East China Sea

YE Hu-ping,ZHU Jian-hua,LI Tong-ji,ZHOU Hong-li,YANG An-an
(National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)

The absorption spectrum of phytoplankton displays distinct characteristics in different regions and seasons.Using the data from two cruises(spring and autumn cruises in the Yellow Sea and East China Sea),the classification characteristics of the absorption spectrum of phytoplankton were systematically analyzed from the aspects of curve cause.The spectra of light absorption by phytoplankton were categorized into five classes(Class A～E)based on the specific spectral absorption curves.Class B has three types:the spectrum of B1 characterized by a feature shoulder between 460～470 nm,B2 with an absorption peak between 600～660 nm,and B3 with a feature shoulder near 550 nm.Class E always distributes in highly turbid waters.The classification of absorption spectra can conduce to analysis the feature of phytoplankton absorption spectrum and its application.

Yellow Sea and East China Sea;phytoplankton pigments;absorption spectral classification;spectrum rebuilding

TP79

A

1003-2029（2012）04-0050-05

2012-01-16

海洋局公益性專項(xiàng)資助項(xiàng)目（2010418030-05）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）資助項(xiàng)目（2008AA09A403）

葉虎平（1983-），工程師，從事波譜分析與應(yīng)用、水色定標(biāo)檢驗(yàn)研究。

朱建華，Email:besmile@263.net