東中國海水體懸浮顆粒物的光譜吸收特征研究

魏蘭蘇 孫德勇 李楠

【摘 要】深入了解水體光譜吸收特征，對于建立水色遙感光學模型，提高水色遙感的定量反演精度具有重要作用。本文結合2016年9月以及12月兩班航次的實測數據，計算并比較東中國海三個海域的懸浮顆粒物的吸收系數、比吸收系數，再結合葉綠素a濃度及總懸浮顆粒物濃度對吸收特征進行分析。分析結果表明，總懸浮顆粒物的光譜吸收特性、比吸收特性均與浮游藻類顆粒物的類似，其在波段440nm和675nm有明顯的吸收峰，非藻類顆粒物吸收系數隨波長增加而不斷減小；從整體上來看，渤海的吸收系數最大，黃海次之，東海最小。

【關鍵字】東中國海；懸浮顆粒物；吸收特征；比吸收特征

中圖分類號： P733.3 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）21-0058-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.21.027

【Abstract】Spectral absorption characteristics of water plays an important role in establishing an optical remote sensing of ocean color model and improving the accuracy of water color remote sensing quantitative inversion. Based on the measured data of two voyages in September 2016 and December， the absorption coefficient and specific absorption coefficient of suspended particles in the three sea areas of the East China Sea were calculated and compared， and the absorption characteristics were analyzed with the concentration of chlorophyll a and the concentration of total suspended particles. The results show that the spectral absorption and specific absorption properties of the total suspended particles are similar to those of the planktonic algae particles. The absorption peaks of the particles in the band 440nm and 675nm are obvious， and the absorption coefficient of nonalgal particles decreases with the increase of the wavelength. On the whole， the absorption coefficient of Bohai Sea is the largest， followed by the Yellow Sea， and the East China Sea is the smallest.

【Key words】East China Sea； Particulates； Absorption characteristics； Specific absorption characteristics

0 引言

東海、渤海和黃海的光學性質不僅受到浮游植物及其降解物的影響，還與溶解物質與陸源性懸浮顆粒物有關[1]，因此這三個海域均為典型的Ⅱ類水體，總懸浮顆粒物的濃度較高[8]。懸浮顆粒物影響著海水固有光學特性的變化，同時也在沿岸水域中起到重要作用[2-3]。除此之外，懸浮顆粒物中的浮游藻類物質通過光合作用固定光能，從而影響水體的初級生產力[4]。懸浮顆粒物的光譜吸收特性通常由吸收系數表征，是水色遙感中的一個關鍵參數。因此，準確測量水體中懸浮顆粒物光譜吸收系數，并研究懸浮顆粒物的光譜吸收特性，對于建立水色遙感光學模型、初級生產力估算和模擬生態過程具有重要意義[5]。

吸收系數是固有光學量之一，國內外已有較多針對水體懸浮顆粒物吸收特征的研究。朱建華等學者[25]在對黃東海海區的研究中發現總懸浮顆粒物與浮游植物色素吸收系數光譜曲線相似，并得到浮游植物是懸浮顆粒物的主要組成部分，非色素吸收系數光譜呈e指數衰減趨勢的結論；王桂芬等學者[26]在對南海北區的研究中，發現表層水體的非藻類顆粒物吸收系數與總懸浮顆粒物濃度有線性關系；Wang Yuan-Dong等學者[1]在對查干湖的研究中發現總懸浮顆粒物與非色素顆粒物光譜吸收水平較高，浮游藻類吸收系數與葉綠素a濃度存在冪函數關系，浮游藻類比吸收系數與葉綠素a存在非線性關系；孫德勇等學者[5]在對太湖梅梁灣的研究中發現，非藻類顆粒物的光譜吸收系數隨波長的變化遵循指數衰減規律，浮游藻類顆粒物吸收與葉綠素a濃度有關。

結合前人的研究，本文通過研究總懸浮顆粒物、浮游藻類顆粒物、非藻類顆粒物的光譜吸收特性與比吸收特性，同時結合葉綠素a濃度和總懸浮顆粒物濃度，進一步分析其與浮游藻類顆粒物和總懸浮顆粒物光譜吸收特征的關系，得到東中國海的光譜吸收特征。

1 數據與方法

1.1 數據獲取方法

1.1.1 測量站位

本文的研究數據來源于2016年9月以及12月的國家自然科學基金委員會的公開航次。每個站位主要針對水體的吸收系數、懸浮顆粒物濃度、懸浮顆粒物粒徑、散射系數、后向散射系數等參量展開測量。航次站位分布分別如圖1所示。

1.1.2 吸收系數的測量

目前我國測定水體懸浮顆粒物吸收系數大多采用 T方法[6]。T方法無法解決水樣的濾膜后向散射問題，同時東中國海近岸水體渾濁度高，測量結果會產生較大誤差。因此，為了解決散射等參數造成的問題，本文采用T-R方法，測量水樣中濾膜的透射率和反射率，可以明顯降低散射等參數造成的問題。

將含有樣品的濾膜浸入甲醇溶液中[27]，對其進行處理直至將膜上的色素都萃取出來并去除。此時，只剩下非藻類顆粒物留在膜上，用同樣的方式得到非藻類顆粒物的吸收系數ad（λ）。而浮游藻類顆粒物的吸收系數aph（λ）則憑據線性疊加原理，可以通過總懸浮物顆粒物的吸收系數ap（λ），減去非藻類顆粒物的吸收系數ad（λ）的光譜吸收系數計算得到[17]。

1.1.3 懸浮顆粒物濃度的測量

懸浮顆粒物的濃度（TSM）根據“海洋監測規范”稱量得到[20]。將總懸浮顆粒物的質量與水樣的體積相除，即可得到總懸浮物濃度[19]，總懸浮顆粒物的濃度的計算公式如下：

1.1.4 葉綠素a濃度的測量

本文中采用萃取的方法測定海水中葉綠素a（chl-a）的濃度，首先在抽濾裝置的濾器中放入濾膜（玻璃纖維濾膜或混合纖維酯微孔濾膜）。抽濾后，用鑷子小心拿出濾膜，將其對折（向里的一面有藻類樣品），接著使用濾紙對其吸壓，除去濾紙上的水分。然后將濾膜靜置在100%的二甲基甲酰胺（DMF）溶液中，在0℃的條件下萃取24h后，將膜取出，放入Trilogy熒光儀中測出熒光值，利用標定的曲線，即可得到葉綠素a的濃度[21]。

1.1.5 比吸收系數的測量

目前已有的對海洋水體中非藻類顆粒物的比吸收特征的研究中，發現總懸浮顆粒物的比吸收系數a*p（λ）與總懸浮顆粒物的濃度（TSM）有關，它的比吸收系數a*p（λ）可由計算得到，滿足以下公式：

2 結果與分析

2.1 懸浮顆粒物的吸收特征

2.1.1 總懸浮顆粒物的吸收光譜特征

水體中，懸浮顆粒物的光譜吸收由兩部分組成：浮游藻類顆粒物吸收和非藻類顆粒物吸收。受這兩部分影響大小和方面不同，懸浮顆粒物會呈現出不同的特性。東海、渤海、黃海的總懸浮顆粒物的吸收光譜曲線如圖2所示，三個海域的曲線都在440nm和675nm左右出現吸收峰，在600nm附近吸收系數達到最低值[24]，675nm波段附近比440nm波段附近的吸收峰更加明顯，可能是因為非藻類顆粒物對吸收系數的影響在440nm處不明顯。同時，吸收系數的大小也受到不同海域的影響，東海、渤海和黃海的ap（440）分別為0-0.25m-1、0-0.4m-1、0-0.375m-1，ap（675）分別為0-0.15m-1、0-0.175m-1、0-0.15m-1，由此可以看出：總體上渤海的總懸浮顆粒物吸收系數最大，黃海次之，東海最小，可能是由于渤海的浮游藻類顆粒物的含量較高且無機顆粒物含量較低。

對三個海域的ap（440）與總懸浮顆粒物濃度做統計分析，發現海域之間存在差異，結果表明渤海和黃海的總懸浮顆粒物吸收系數與其濃度存在正相關，而東海則存在負相關，但三個海域二者的相關性均不大，可以說明渤海和黃海海域的總懸浮顆粒物吸收系數均隨其濃度的增加而增大，而東海海域則存在減小的趨勢。

2.1.2 浮游藻類顆粒物的吸收光譜特征

浮游植物通過光合作用固定光能，從而影響水體的初級生產力。東海、渤海、黃海的浮游藻類顆粒物的吸收光譜曲線與總懸浮顆粒物趨勢和形狀大致類似，但比總懸浮顆粒物的變化更加明顯，且在675nm處浮游藻類顆粒物與總懸浮顆粒物吸收系數較為接近。再看不同海域對吸收系數的影響，東海、渤海和黃海的aph（440）分別為0.025-0.15m-1、0.025-0.325m-1、0.025-0.225m-1，aph（675）分別為0.01-0.075m-1、0-0.2m-1、0-0.15m-1，從結果可以分析出：渤海的浮游藻類顆粒物吸收系數最大，黃海次之，東海最小[23]，且渤海的浮游藻類顆粒物吸收系數變化范圍在三個海域中最大，可能是由于渤海為瓶頸式的半封閉內海，又與多條河流相連，自然資源豐富，浮游藻類顆粒物濃度較高[28]。

浮游藻類吸收系數會受到葉綠素a濃度的影響并隨其變化，因此對三個海域的aph（440）與葉綠素a濃度做統計分析（圖3），結果得到東海、渤海和黃海的浮游藻類顆粒物吸收系數與葉綠素a濃度均有較好的正相關性，即三個海域的浮游藻類吸收系數均隨著葉綠素a濃度增加有增大的趨勢。其中，葉綠素a的濃度變化與水體營養狀態變化有關。

2.1.2 非藻類顆粒物的吸收光譜特征

非藻類顆粒物包括水體礦物沉積、藻類細胞降解物、排泄物、非色素有機物等。三個海域的非藻類顆粒物吸收系數ad隨波長的增加而不斷減小。東海、渤海和黃海的ad（440）分別為0-0.15m-1、0-0.3m-1、0-0.14m-1，渤海的非藻類顆粒物吸收系數為三個海域中最高，黃海次之，東海最小，可能是因為渤海含有較多來自內陸的無機顆粒物，導致非藻類顆粒物濃度較高，微生物分解活動加強[24]。

2.2 懸浮顆粒物的比吸收光譜特征

2.2.1 總懸浮顆粒物的比吸收光譜特征

總體上三個海域的總懸浮顆粒物的比吸收系數a*p與吸收系數ap曲線特征相似。不同海域對比吸收系數的影響不同，東海、渤海和黃海的a*p（440）分別為0.01-0.13m2·mg-1、0-0.08m2·mg-1、0-0.0065m2·mg-1，a*p（675）分別為0-0.06m2·mg-1、0-0.03m2·mg-1、0-0.03m2·mg-1，總體上三個海域的總懸浮顆粒物比吸收系數相差不大。

對三個海域440nm處的總懸浮顆粒物比吸收系數a*p（440）與總懸浮顆粒物濃度做統計分析，從結果可以看出：在渤海和黃海海域，a*p（440）與總懸浮顆粒物的濃度間沒有明顯的相關性，而東海海域則存在正相關，說明渤海和黃海的總懸浮顆粒物的比吸收系數相對較為恒定，東海海域的總懸浮顆粒物吸收系數隨其濃度的增加而增加。

2.2.2 浮游藻類顆粒物的比吸收光譜特征

地區、季節、環境的差異會造成葉綠素a濃度和浮游植物吸收光的能力變化，從而影響浮游藻類顆粒物的比吸收系數a*ph[23]。東海、渤海和黃海的浮游藻類顆粒物與總懸浮顆粒物的光譜比吸收系數曲線相似，東海、渤海和黃海的a*ph（440）分別為0.03-0.09m2·mg-1、0.035-0.09m2·mg-1、0.025-0.075m2·mg-1，a*ph（675）分別為0.015-0.04m2·mg-1、0.02-0.04m2·mg-1、0.015-0.035m2·mg-1，總體上東海、渤海、黃海的浮游藻類比吸收系數無明顯差異，表明這三個海域的營養水平相近。

當葉綠素a濃度增加時，有時會產生色素包裹效應。對三個海域的浮游藻類顆粒物比吸收系數a*ph與葉綠素a濃度做統計分析（圖4），a*ph（440）與葉綠素a的濃度間存在微弱的相關性，雖然三個海域浮游藻類比吸收系數隨葉綠素a濃度增加均有減小的趨勢，但浮游藻類顆粒物比吸收系數相對較為恒定。這是由于海水營養程度的增加，使得浮游植物色素濃度的增加更加明顯，促進了色素的包裹效應，使得浮游植物比吸收系數下降[23]。

3 討論

東海、渤海和黃海的總懸浮顆粒物與浮游藻類顆粒物的光譜吸收特性類似：整體上，渤海的吸收系數最大，黃海次之，東海最小。可能由于渤海為瓶頸式的半封閉內海，又與多條河流相連，自然資源豐富，浮游藻類顆粒物濃度較高。另外，非藻類顆粒物吸收系數隨著波長增加而不斷減小。其中，渤海的非藻類顆粒物的吸收系數較高，黃海次之，東海最小。可能是因為渤海中有較多來自內陸的無機顆粒物，使得非藻類顆粒物濃度較高，微生物分解活動較強。東海、渤海與黃海的浮游藻類顆粒物吸收系數與葉綠素a的濃度有良好的正相關性，朱建華[25]等學者對黃海和東海懸浮顆粒物吸收特性的研究結果與本文相同，說明本文關于這兩個海域的研究結果基本正確。王曉梅[8]等學者關于東海和黃海的研究中的總吸收系數光譜圖變化趨勢與本文并不相同，可能是因為本文在處理數據的過程中，忽略了空間和時間上水面粗糙度以及光照的影響。

東海、渤海和黃海的總懸浮顆粒物的光譜比吸收特性與浮游藻類顆粒物的相似，總體上各個海域的比吸收系數相差不大，說明三個海域的營養水平類似。受色素包裹效應的影響，三個海域的浮游藻類顆粒物比吸收系數與葉綠素a濃度的相關性較差。孫德勇[5]等學者關于太湖懸浮顆粒物的比吸收特性研究中浮游藻類顆粒物的比吸收光譜圖與本文大致相同，使本文結論得到驗證，然而孫德勇[5]等學者發現在太湖浮游藻類比吸收系數與葉綠素a的濃度有較好的的冪函數關系，這可能是因為內陸湖泊營養水平比海洋高，藻類粒級結構不同，由其導致的色素包裹效應使比吸收系數發生的變化不同。

4 結論與展望

本文主要研究了東海、渤海和黃海的懸浮顆粒物的光譜吸收特征，結合2016年9月以及12月兩班航次的實測數據，計算了東海、渤海和黃海的總懸浮顆粒物、浮游藻類顆粒物和非藻類顆粒物的吸收系數、比吸收系數，分析了不同波段不同海域的光譜吸收特征，并且結合葉綠素a濃度及總懸浮顆粒物濃度分析它們之間的關系。結果表明：整體來看，東海、渤海和黃海的總懸浮顆粒物與浮游藻類顆粒物具有類似光譜吸收特性和比吸收特性，在440nm和675nm附近出現吸收峰，且由于非藻類顆粒物的影響，675nm處較為明顯，在600nm附近吸收系數或比吸收系數達到最低值。渤海的吸收系數最大，黃海次之，東海最小；各個海域的比吸收系數相差不大，說明三個海域的營養水平類似；非藻類顆粒物吸收系數隨著波長的增加而不斷減小。其中，渤海的非藻類顆粒物的吸收系數較高，黃海次之，東海最小。

在對東海、渤海和黃海懸浮顆粒物光譜吸收特征的研究過程中，由于數據量等原因，本文只對各種吸收系數、比吸收系數進行了簡單計算，并沒有對數據出現異常值的原因進行更深入的剖析，下一步會采用更加細致的方法對數據進行深入處理。

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