藻源型湖泛發生過程水色變化規律

李佐琛，段洪濤，張玉超，邵世光，3，馬榮華

（1.西北大學城市與環境學院，陜西 西安 7101271；2.中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環境國家重點實驗室，江蘇 南京 210008；3.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210008）

藻源型湖泛發生過程水色變化規律

李佐琛1，2，段洪濤2*，張玉超2，邵世光2，3，馬榮華2

（1.西北大學城市與環境學院，陜西 西安 7101271；2.中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環境國家重點實驗室，江蘇 南京 210008；3.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210008）

利用Y-型沉積物再懸浮發生模擬裝置，模擬湖泛發生過程，分析水體吸收特性變化特征；同時，利用Hydrolight和CIE顏色匹配函數模擬水體顏色，分析湖泛水色變化規律.結果表明：在湖泛發生過程中，可溶性有色物質（CDOM）濃度（ag）不斷增大，無機顆粒物濃度及吸收（ad）總體呈減小的趨勢，而浮游植物色素濃度及吸收（aph）隨時間變化不規律；基于Hydrolight模擬湖泛水體，離水輻亮度（Lw）和遙感反射比（Rrs）均隨時間不斷變??；3）另外，隨SPIM或ag（443）的變大，水體顏色逐漸由綠色變為棕色.當SPIM增至40mg/L時，水體呈現棕色；當ag（443）達到10m-1時，水體呈現紅棕色.通過研究湖泛發生過程水體光學特性和水色變化規律，有助于構建高精度的湖泛遙感監測模型.

湖泛；吸收特性；離水輻亮度；遙感反射比；水色

藻源型湖泛是指湖泊富營養化水體在藻類大量暴發、積聚和死亡后，在適宜的氣象、水文條件下，與底泥中的有機物在缺氧和厭氧條件下產生生化反應，釋放硫化物、甲烷和二甲基三硫等硫醚類物質，形成褐黑色伴有惡臭的黑水團，從而導致水體水質迅速惡化、生態系統受到嚴重破壞的現象［1］.從20世紀90年代以來，太湖北部水域就時常出現湖泛［2］.而除太湖北部湖區外，滇池福保灣的大清河口和海河口、巢湖的十五里河口和塘西河口也多次發生湖泛現象.

目前，富營養化湖泊水色遙感的研究主要集中在浮游植物色素（葉綠素a和藻藍素）濃度、藍藻水華遙感監測等方面［3］.實際上，相對于藍藻水華本身的危害，湖泛對于水體水質和水源地飲用水安全影響更為直接，危害更大.湖泛發生具有隨機性、持續時間短、難以撲捉等特點.目前太湖湖泛的監測主要還是以人工巡查為主，耗費了大量的人力物力［4］.遙感具有監測范圍廣、速度快、成本低和便于進行長期動態監測的優勢，已經在湖泊藍藻水華的監測中發揮了巨大的作用.湖泛的發生最明顯的現象就是水體發黑［1］，與正常水體和藍藻水華發生區域具有較為明顯的光譜差異，因此，遙感可以用于湖泛的監測，發揮更大的優勢.利用遙感方法研究黑水團，最早開始于1993年，研究者利用Landsat TM影像成功的識別出了新加坡一個河口的黑水區域［5］.隨后，不同學者針對不同區域的黑水團，如佛羅里達礁群（Florida Keys）［6-7］、圣約翰河（the Lower St. Johns River）［8］和波羅的海［9］等進行了研究，發現該類水體中有色可溶性有機物（CDOM）含量普遍偏高.但我國學者何賢強等［10］在我國長江口東南海域黑水區域研究發現，黑水水域CDOM含量相對于其他水體并不顯著增高，黑水現象主要是由于顆粒后向散射系數值極小造成的.對于太湖黑水團的遙感研究，目前只有Duan等［11］通過在現場采集黑水團水體，揭示了湖泛發生時水體CDOM含量顯著高于普通水體，而無機顆粒物濃度普遍偏低（無機顆粒物控制著水體的后向散射）；因此，二者的共同貢獻造成了水體的低散射、高吸收，導致湖泛水體反射率顯著低于周邊正常水體而呈現黑色.

水色遙感研究只有以水體光學特性為基礎，才能保證水色參數濃度反演的精度.易梅森等［12］對浮游植物降解消亡過程中水體光學特性的變化進行了研究，但是，對于湖泛引起的黑水團現象，特別是從大量藻顆粒聚集的綠色水體，到湖泛形成后水體呈現黑色，這一生態過程中水體光學特性的變化，目前研究仍十分欠缺.本文通過Y-型沉積物再懸浮發生模擬裝置［13-14］，通過向其中添加藻顆粒和底泥沉積物，模擬湖泛發生過程，分析其中水色參數光學特性變化規律；同時，利用Hydrolight和CIE顏色匹配函數，模擬單個參數梯度變化時的離水輻亮度和遙感反射比，并對水體顏色進行模型推演，探討湖泛發生過程中的水色變化規律，從而為湖泛衛星遙感監測提供參考.

1 材料與方法

1.1 采樣地點與方法

實驗所需的底泥沉積物、湖水以及藍藻顆粒，2013年9月在太湖月亮灣水域同步采集.月亮灣位于太湖北部梅梁灣與竺山灣之間，北靠馬山，南面為太湖開闊區域，面積約10.51km2.此水域近幾年來多次發生湖泛現象［2］，以此做為采樣地點具有較大代表性.

實驗所用藍藻顆粒通過25號浮游生物網采集，湖水通過25L聚乙烯桶收集；沉積物則使用重力式沉積物采泥器（Φ110mm，L50cm），采集30cm左右沉積物柱狀樣，并帶原位上覆水約20cm，用橡膠塞將柱狀樣塞緊保存.在整個采集過程中要保證沉積物界面無擾動.

1.2 實驗方法及模擬條件控制

1.2.1 湖泛發生模擬裝置 利用位于中國科學院南京地理與湖泊研究所Y—型沉積物再懸浮發生模擬裝置［13］模擬.此裝置可以實現淺水湖泊實際水深及不同風浪作用下沉積物—水界面間一些物理、化學、生物過程的模擬，具有室內良好再現淺水湖泊水動力過程及沉積物再懸浮等過程的功能［14］，已證明可以成功模擬湖泛發生過程.

1.2.2 實驗方案 將采集的沉積物柱狀樣上半部分20cm分別裝入模擬裝置的模擬柱中（圖1），并以無擾動法加入采集的湖水，使水深達到與實際湖泊水深相似的180cm，最后在每柱中加入47.5g（約5000g/m2）采集的藍藻顆粒.在模擬過程中，環境溫度控制在（29±1）℃；風速則通過Y-型沉積物再懸浮發生裝置模擬，控制該裝置上部擾動電機7Hz、下部擾動電機6.4Hz的擾動頻率配合產生風浪，此過程相當與模擬太湖常見的3.2m/s的風速［14］，每日下午模擬風浪過程并持續4h；整個過程保持自然光照.為了更準確的描述黑水團形成過程，樣品靜置24h后，開始采集，每組每天1次，共計6d.采集后的水樣，過濾后冷凍保存，待試驗全部結束后統一進行了分析.

圖1 Y—型沉積物再懸浮發生模擬裝置Fig.1 Sketch of the Y-shape apparatus used for the black water simulation

1.3 樣品測定與分析

吸收系數的測定：總懸浮顆粒物吸收系數（ap）的測定，用直徑47mm 的GF/F膜（孔徑0.7μm）過濾水樣，使用島津UV-2600紫外可見分光光度計測量濾膜上顆粒物的吸光度，用同樣濕潤程度的空白膜做對比，再通過Cleveland等［15］提出的公式進行放大因子校正，計算得出ap（λ）.非色素顆粒物吸收系數（ad）的測定，用次氯酸鈉［16］將上述載有總懸浮顆粒物的濾膜漂白15min左右，去除膜上藻類的色素，然后按同樣的方法測量計算得出ad（λ）.浮游藻類色素的吸收系數（aph），只需將總懸浮顆粒物吸收系數與非色素顆粒物吸收系數線性相減，即aph（λ）=ap（λ）-ad（λ）.有色可溶性有機物（CDOM）吸收系數（ag）的測定，用孔徑22μm的minipore膜過濾水樣，在UV-2600上測量濾液的吸光度，用空白做對比，然后根據Bricaud等［17］提出的方法對散射效應進行校正，并計算得到ag（λ）.

水色參數濃度的測定：葉綠素a濃度（Chl-a）的測定，用GF/C膜（孔徑1.2μm）過濾水樣，將濾膜反復凍融進行細胞破碎，用90%丙酮溶液提取葉綠素，依次測定750，664，647，630nm波長處的吸光度，最后計算得出葉綠素a的濃度.無機顆粒物（SPIM）濃度的測定，采用GB 11901-89的烘干稱重法.溶解性有機碳（DOC）的測定，依據ISO 8245-1999，用燒過的GF/F膜對水樣進行過濾，在1020型TOC儀對濾清液進行測量.利用溶解氧儀和便攜式氧化還原電位儀分別測定水體溶解氧（DO）和氧化還原電位值（Eh）.

1.4 水色推演

1.4.1 Hydrolight模擬 Hydrolight是基于《Light and Water》編寫的輻射傳輸模型，采用不變嵌入法（Invariant Imbedding）來解譯輻射傳輸方程［18］. Hydrolight被用來估算由于CDOM、Chl-a、SPIM濃度等水色參數變化而各自改變的離水輻亮度（Lw）、遙感反射比（Rrs）等.本次模擬采用的ag（440）、Chl-a、SPIM濃度參數均來自湖泛模擬過程中實測所得，比吸收系數和比散射系數采取太湖夏季野外測量的平均數據，風速為3.2m/s，深度采取太湖均深1.9m［19］，太陽天頂角取30度，范圍為400～700nm，間隔5nm.

1.4.2 顏色模型 國際照明委員會（CIE）開發了一個普遍公認的比色法坐標系統，光的光譜強度分布可用于導出Y來表示亮度或照度，以及2個色度參數x、y表分別代表色調和飽和度［20］.該系統基于顏色匹配函數（三色函數），一般說來是由類主體衍生的并且被認為是合理和可重復的.CIE顏色分量被估計成輻射光譜和三色函數在可見光譜（400～700nm）綜合的產物.

以經驗系數0.4產生的色彩為RGB顏色系統亮度范圍的中點，并能充分模擬水體的顏色.將CIE坐標系中的X、Y和Z值，用基于色度坐標和標準電腦顯示器基準白的矩陣轉換為RGB基元［21］.可通過Dierssen等［22］提出的Matlab代碼來實現將Lw轉化為RGB基元，再量化為顏色.

2 結果與討論

2.1 水體化學物質變化

由表可見，水體中DO值雖然隨時間變化并不規律，但其值都小于0.7mg/L，說明湖泛發生過程中水體是處于厭氧狀態的.而Eh值在前期逐漸變小，后期基本趨于穩定，水體呈強還原性狀態.SPIM在整體上呈現減小的趨勢，而Chl-a的變化較為復雜.從數據上看，藻類在湖泛發生過程中，仍在生長，第4d達到最高值；隨后濃度開始減小，分解變為主導；SPIM在第5d后稍有增加，也佐證了藻類分解成為主流.DOC的變化不規律，其值出現反復，可能是由于碳的來源較多，在藻類厭氧分解過程中貢獻不同造成的.

湖泛發生過程中由于藻類的死亡分解，釋放出大量有機物，部分有機物以可溶態存在水體中，導致水中DOC和CDOM增大；同時，有機物進一步分解，消耗大量的溶解氧，使得水體呈現厭氧還原狀態.在厭氧（低DO、Eh）狀態下，加劇了物質的還原分解，使得SPIM發生變化.

表1 水體中各生物光學、水質等參數值Table 1 Bio-optical water quality parameters of black water

2.2 水體光學吸收特性變化

2.2.1 浮游植物色素吸收系數（aph） 浮游植物色素吸收，取決于藻類生長狀況；在黑水團形成的過程中，藻類生長狀況的復雜性決定了aph呈現不規律變化（圖2）.藻類的生長狀況主要取決于水體中的DO和營養鹽濃度高低.實驗開始時，水柱中DO均保持一個較高水平，為藻類生長提供良好的環境；隨著水中DO的降低，水體處于缺氧、厭氧階段，藻類出現死亡降解的現象.藻類的死亡分解又會產生大量營養鹽，未死亡藻類依靠這些養分而出現暴發生長，導致后期aph出現不規律性變化［23］.

圖2 浮游藻類的（a）吸收曲線及（b）aph（443）、aph（665）隨時間的變化Fig.2 Phytoplankton （a） absorption spectral； （b） variation of aph（443） and aph（665） with time

如圖3所示，相關系數aph（443）＜aph（665），說明黑水團發生過程水體的浮游藻類吸收系數并不僅由Chl-a決定的，應該還有其它色素的影響.從圖2可以得知，在藍光波段除第1d的吸收峰值出現在443nm處外，其他天數的吸收峰都出現偏移，這是由于在黑水團形成過程中，水質下降造成浮游植物細胞破碎死亡，其原本所含的葉綠素也跟著被破壞，而轉變成脫鎂葉綠素，隨脫鎂葉綠素占色素總濃度比例的增大，浮游植物吸收曲線上藍光吸收峰偏離443nm波段，逐漸向412nm波段靠近，藍光波段吸收峰的高度由脫鎂葉綠素濃度決定，而紅光波段吸收峰的高度由Chl-a濃度決定［24］.

圖3 浮游藻類吸收系數與Chl-a之間的關系Fig.3 Relationships between Chl-a andaph（443）， aph（665）（a） aph（443）； （b）aph（665）

2.2.2 非色素顆粒物吸收系數（ad） 非色素顆粒物吸收光譜曲線在400～700nm不斷減小，呈指數衰減形式，700nm后逐漸趨近于零；且波長越短，不同樣本間吸收系數變化趨勢越大（圖4a）.ad（443）隨黑水團的發生呈先減小后增大的趨勢（圖4b）.這是由于藻類的生長和死亡分解過程，消耗大量的氧氣，導致水體中DO含量持續降低，進而使水體呈強還原環境，使水中的無機礦物質和部分有機物被還原分解.在前期，分解速率遠遠大于生成速率，所以使得水體中的非色素顆粒物的含量減??；而到后期當其分解速率減小，生成速率變大，使得水體中顆粒物的含量出現增大的現象［25-26］.

ad（443）與無機懸浮顆粒物（SPIM）相關性分析發現，ad（443）與SPIM呈現弱相關性（R2=0.31，P＜0.01）（圖5），說明湖泛形成過程中藍藻降解除生成無機顆粒物外，還伴隨產生大量的非色素有機顆粒物.

2.2.3 CDOM吸收系數（ag） CDOM吸收光譜曲線，與非色素顆粒物光譜特征相似，呈指數衰減趨勢，700nm處趨近于零（圖6）.由于CDOM吸收系數在短波處差異較大，通常用443nm波長處的吸收系數ag（443）來表現CDOM的濃度［27］.水體中藍藻顆粒降解是CDOM的主要來源［28］，隨著黑水團發生過程中藻類的不斷死亡降解，ag（443）呈不斷增大的趨勢，其范圍為1.00～3.04m-1，均值為（2.22±0.78）m-1（圖6b），遠超一般正常水體.

圖4 非色素顆粒物的（a）吸收曲線及（b）ad（443）隨時間的變化Fig.4 De-pigmented particle： （a） absorption spectral； （b）variation of ad（443） with time

圖5 無機懸浮顆粒物濃度與非色素顆粒物吸收系數的關系Fig.5 Relationships between SPIM and ad（443）

圖6 CDOM的（a）吸收曲線及（b）ag（443）隨時間的變化Fig.6 CDOM： （a） absorption spectral； （b） variation of ag（443） with time

2.2.4 水體總吸收系數（at（λ））隨湖泛的發生，水體的光譜吸收曲線變化（圖7a），除在675nm處有明顯的吸收峰，其他波段呈指數衰減.隨著時間的變化，光譜吸收系數越來越大.第1d的吸收系數最小，其在400～700nm變化范圍為0.33～7.21m-1，平均值為2.36m-1；吸收系數的最大值出現在第6d，在400～700nm的變化范圍為0.31～10.12m-1，平均值為3.13m-1.總體上，無機顆粒物對總吸收的貢獻率要小于浮游植物和CDOM；而且隨著試驗的進行，CDOM對總吸收的貢獻率明顯增大，在水體發黑時占絕對主導地位（圖7b）.

2.3 湖泛發生過程水色推演

2.3.1 表觀光學量 遙感反射比（Rrs）和離水輻亮度（Lw）與水色物質濃度、吸收系數a和后向散射系數b等遵守嚴格的輻射傳輸方程：

其中：a（λ）是不同波長的吸收系數；bb（λ）是不同波長的后向散射系數；f/Q，是太陽天頂角函數，取值約為0.0945或0.0922；t/n2=0.54.

圖7 （a）水體光譜吸收系數（at（λ））與（b）不同顆粒物對總吸收的貢獻率Fig.7 （a） absorption spectral； （b） relative contributions of the three optically significant constituents to non-water total absorption coefficient

在湖泛發生過程中，水體的遙感反射比（Rrs）和離水輻亮度（Lw）變化趨勢相似，隨時間不斷變?。▓D8）.在湖泛形成過程中，水中的無機顆粒物含量在不斷減小，導致水體對光的散射作用減小，即bb較??；同時大量藻類的分解，使得水中CDOM的含量增多，水體對光的吸收作用加強，a明顯增加.兩者的共同作用導致發生湖泛的水體反射率逐漸降低，并最終顯著低于正常水體；在強背景的襯托下，低反射率湖泛水體相對呈現黑色，變成黑水團［11］.

2.3.2 梯度模擬中的表觀光學量.通過Hydrolight模擬不同梯度Chl-a、SPIM和ag（440）下的Lw和Rrs，當模擬某個參數變化時，其他參數取平均值.由于顆粒物的強散射作用，隨著Chl-a濃度的增加，Lw和Rrs相應變大（圖9）；隨著ag（440）的增加，Lw和Rrs相應不斷變小，這是由于CDOM的強吸收，低散射特性（圖11）.由于SPIM既主導后向散射，又有吸收作用，所以SPIM濃度的增加，對表觀光學量的變化影響較為復雜，在400～540nm， Lw和Rrs相應變小但變化趨勢不明顯，而在540～700nm， Lw和Rrs相應變大（圖10）.

圖8 湖泛發生過程中Rrs和Lw光譜曲線Fig.8 Changes of spectral during laboratory simulations： （a） reflectance and （b） water-leaving radiance

圖9 不同Chl-a濃度下的Rrs和Lw光譜曲線Fig.9 Rrsand Lwof Chl-a between 0and 60μg/L

圖10 不同SPIM濃度下的Rrs和Lw光譜曲線Fig.10 SPIM between 0and 60mg/L： Rrsand Lw

2.3.3 色彩推演 水色變化受多種因素條件的影響，但為了探究水色物質組成變化而引起的水色絕對變化，沒有考慮其他外界條件.在相同背景情況下，水體顏色的變化是由于離水輻亮度等直接變化引起的.本文根據Dierssen提出的Matlab代碼，將Lw轉化為RGB顏色，推演得出的是在不受太陽耀斑和明亮天空作對比的影響下，人眼正面朝下觀測到的水色.

圖11 不同濃度ag（443）下的Rrs和Lw光譜曲線Fig.11 ag（443） between 0and 12m-1： （a） Rrs； （b） Lw

圖12 Chl-a、SPIM濃度及CDOM變化Fig.12 Surface color based on water-leaving radiance using the CIE color matching functions： （a） Chl-a； （b） SPIM （c）CDOM

隨著Chl-a濃度由0μg/L增大到60μg/L，水體顏色逐漸由棕色變為綠色，由長波向短波方向移動.但隨著SPIM濃度增大，水體顏色由短波向長波方向移動；當SPIM濃度增至40mg/L時，水體顏色已呈現棕色；同樣，當ag（443）增至6m-1時，水體顏色逐漸變為棕色，達到10m-1之后呈現紅棕色，整體向長波方向移動.

需要注意的是，本文完全是基于室內湖泛模擬實驗進行研究，相對于湖泊自然水體湖泛發生過程，物質參數和水色變化規律是否完全一致，需要進一步的野外實驗進行驗證；這也是本研究下一步的工作重點.

3 結論

3.1 由于湖泛形成過程中藻類發生分解導致水體中CDOM的含量增多，ag（443）不斷增大.ad（443）總體呈減小的趨勢，而SPIM也是減小的，但ad（443）與SPIM僅呈弱相關（R2=0.31，P＜0.01）.

3.2 浮游色素吸收系數（aph）隨時間變化不規律，aph（665）與Chl-a顯著相關（R2=0.54，P＜0.01），aph（443）和Chl-a僅呈弱相關性（R2=0.32）.

3.3 基于Hydrolight模擬湖泛水體，離水輻亮度（Lw）和遙感反射比（Rrs）均隨時間不斷變小.

3.4 隨著Chl-a濃度的增加，Lw和Rrs相應變大；而隨著ag（440）的增加，Lw和Rrs相應不斷變小.隨SPIM濃度增加，對不同波段的表觀光學量的影響不同，在400～540nm之間Lw和Rrs相應變小但變化趨勢不明顯，而在540～700nm處Lw和Rrs相應變大.

3.5 隨SPIM或ag（443）的變大，水體顏色逐漸由綠色變為棕色.當SPIM增至40mg/L時，水體呈現棕色；當ag（443）達到10m-1時，水體呈現紅棕色.

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Variations in optical properties and water color during the formation of black bloom waters: a laboratory experiment.

LI Zuo-chen1，2， DUAN Hong-tao2*， ZHANG Yu-chao2， SHAO Shi-guang2，3， MA Rong-hua2
（1.College of Urban and Environmental Science， Northwest University， Xi'an 710127， China；2.State Key Laboratory of Lake Science and Environment， Nanjing Institute of Geography and Limnology， Chinese Academy of Sciences， Nanjing 210008，China；3.College of Hydrology and Water Resources， Hohai University， Nanjing 210098， China）.

China Environmental Science， 2015，35（2）：524～532

In the summer of 2007， a bloom of black water in Lake Taihu entered into the potable water supply of Wuxi city and left more than 1million people lack of drinking water. Recent evidence shows that these blooms involve massive production of dissolved organic carbon， most likely from inorganic carbon fixed in cyanobacterial blooms. Because blooms have limited spatial and temporal distributions， it is difficult to monitor them in situ. Remote sensing provides a new opportunity to monitor this complex carbon transformation. However， little is known about the temporal dynamics of optical properties of black bloom formation. In this study， we analyzed the daily transformation of particulate organic material to dissolved organic material， closely monitoring optical changes and water color during the simulation of a black water bloom in the laboratory. Results showed that during black water bloom formation： 1）CDOM absorption increased significantly， while absorption from suspended particulate inorganic matter decreased. 2）Phytoplankton pigments absorption （aph） varied over time. 3） Simulated water-leaving radiance and remote sensing reflectance decreased， allowingto examine spectral variations and water color in relation to bloom formation. These changes in optical properties of black bloom provided new opportunities to monitor these processes in lake conditions using remote sensing.

black bloom；absorption characteristics；water leaving radiance；remote sensing reflectance；water color

X524

A

1000-6923（2015）02-0524-09

李佐?。?988-），男，山東濰坊人，西北大學碩士研究生，研究方向為湖泊水色遙感.

2014-06-12

國家自然科學基金（41171271， 41431176）.

* 責任作者， 研究員， htduan@niglas.ac.cn