2016, Vol. 37
2. 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心, 南京 210023;
3. 环境保护部卫星环境应用中心, 北京 100029
2. Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application, Nanjing 210023, China;
3. Satellite Environment Application Center, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100029, China
黑水团(湖泛)是指在适当的气象条件下，由于藻类的高度聚积使得水体突然发黑发臭的水污染现象.黑水团现象的发生，可以看作是湖泊环境诸多要素对重度湖泊富营养化的一种剧烈响应.黑水团具有水体发黑发臭，水生生物大量死亡，水体含氧低、高营养盐负荷等一些显著的特征[1, 2].在不同的区域，黑水团发生的原因和条件有所不同，例如，美国Big Pit湖和Lower Mystic 湖发生的黑水团主要是受污染水体在缺氧厌氧的环境生成黑色金属硫化物而发黑所导致[3]； 在巴西亚马逊区域 Lago Tupé湖[4]和印度尼西亚苏门答腊的Siak河[5]发生的黑水团则是由土壤中腐殖质等深色或者黑色有机颗粒物质经过长期淋溶作用迁移进入水体而形成的； 意大利的 Garda湖则是由某种原生生物或者微型生物突然暴发而造成水体视觉上的黑色效应[6].
已经有许多学者开展了有关黑水团的特征[7, 8]、发生过程[9]、可能的成因[1, 2, 10]、环境影响因素[11~13]和防控措施[14, 15]等方面的研究.但是，由于黑水团具有发生地点不确定、持续时间短等原因，使得难以对黑水团的发生发展过程进行全程监测，此外，常规的地面采样监测难以划定黑水团发生范围，也给黑水团监测带来了困难.遥感技术以其宏观、大面积同步观测以及持续重复观测的特点，为黑水团监测提供了一种新的技术手段.
目前对黑水团的遥感监测研究才刚刚起步，Duan等[16]对太湖黑水团的光学特性进行分析，认为溶解性有机物和浮游植物的高吸收，以及水体低的后向散射，导致黑水团区域的水体呈现黑色.Zhou等[17]通过室内模拟实验和野外实验探讨黑水团中的可溶性有机物质，认为黑水团中CDOM浓度要比正常水体高，CDOM大部分来源于蓝藻的降解.Berthon等[18]对波罗的海最北部黑水的生物光学特性分析，研究表明黑水中有色可溶性有机物质吸收系数高，后向散射与吸收系数的比值在可见光蓝光波段呈现出低值，这导致在可见光波段水体呈现黑色.Battin[19]认为委内瑞拉的奥里诺科河的黑水中主要物质是CDOM，认为CDOM在可见光短波段吸收增加，由此导致上行辐照度的减少和总体衰减的增加，这些光学特性导致水体呈现黑色.这些研究为黑水团的光学特性以及黑水团遥感监测研究积累了经验.由于黑水团具有突然暴发、持续时间短的特点，造成实验观测的困难，影响了该领域研究的发展.
本研究捕捉到2015年7月在太湖发生的黑水团现象，通过现场采样，观测黑水团中色素颗粒物、非色素颗粒物、可溶性有机物等的吸收系数，并对比分析黑水团水体与非黑水团水体的遥感反射率，以期为遥感监测黑水团发生事件提供经验和方法支持.
1 材料与方法 1.1 研究区及样点分布太湖位于长江三角洲的南部(东经119°52′32″~120°36′10″，北纬30°55′40″~31°32′58″)，流域面积36 900 km2.太湖是中国第三大淡水湖，不仅具有灌溉、蓄水的功能，而且也是周边居民的重要饮用水源地，其水质状况一直备受关注.随着工业发展和城市化加剧，太湖富营养化已经十分严重，近年来，太湖年年有水华发生，严重时甚至出现黑水团现象.2007 年无锡太湖南泉水厂和 2008 年太湖竺山湖发生了大面积的“藻源性”黑水团现象[20]，导致无锡市超过一百万居民没有饮用水可以利用.
2015年7月太湖靠西部湖岸发生了黑水团现象，项目组于7月28日和7月29日对太湖进行了地面实验，在全湖和河道共采集样点36个，其中有12个样点分布于黑水团水域.采集的样点代表了3种水体类型，其中区域一为黑水团水域，主要集中在太湖西部的大浦口附近和大港口的入口处，共有12个样点； 区域二主要分布在太湖北部的梅梁湾和竺山湾北部漕桥河河道内部，该区域主要为蓝藻水华水体，叶绿素a浓度偏高，共有15个样点； 区域三的水体主要分布在东太湖，为清水区，叶绿素a浓度偏低，共有9个样点.野外实验的样点分布见图 1.
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图 1 采样点分布示意 Fig. 1 Distribution of sampling points |
实验观测包括室外实验和室内实验两个部分，室外实验包括对样点的遥感反射率测量和水样采集，并同时记录GPS点位、风速、气压及天气状况等情况.室内实验包括水质参数与水体组分吸收系数的测量.
1.2.1 水面遥感反射率观测水面光谱数据测量使用的仪器是美国ASD公司生产的ASD FieldSpec Pro便携式光谱辐射计，其波段范围是350~1 050 nm.首先仪器探头垂直对准灰板中心，避免阴影、杂散光，测量标准灰板的辐亮度(Lp)； 其次对准水体测量辐亮度(Lsw)，尽量要避开太阳直射反射和船舶阴影对光场的破坏，然后将仪器向上旋转90°对准天空测量辐亮度(Lsky)； 最后再垂直对准灰板测量标准灰板的辐亮度.水面光谱数据按照唐军武等[21]介绍的方法换算成水面遥感反射率.
1.2.2 水质参数测量实测的水质参数包括总悬浮物浓度(TSM)、无机悬浮物浓度(ISM)、有机悬浮物浓度(OSM)、叶绿素a浓度(Chla)、溶解性有机碳(DOC)、总磷(TP)总氮(TN)浓度.
总悬浮物浓度测定使用直径为47 mm的玻璃纤维滤膜(Whatman GF/F)，先进行煅烧处理(去除膜上原附有的有机质以及水分).将冷却后的膜进行称量，用来过滤一定体积的水样，残留在膜上的物质就是总悬浮物，烘干称重后，用含有总悬浮物的膜的质量减去膜的质量得到总悬浮物的质量.然后，550℃高温烘烤载有总悬浮物的膜，去除有机悬浮物，称量得到无机悬浮物的质量.再分别计算得到总悬浮物(TSM)、无机悬浮(ISM)和有机悬浮物浓度(OSM)[22].
叶绿素浓度测量采用陈宇炜等[23]提出的“热乙醇法”，叶绿素a测量采用紫外分光光度计测量，用直径为47 mm的玻璃纤维滤膜(Whatman GF/F)过滤水样，将滤膜放入冰箱冷冻48 h以上，取出用90%的乙醇萃取，然后用岛津UV2250分光光度计测量665 nm、750 nm处的吸光度，并加入1滴1mol ·L-1稀盐酸进行酸化，1 min后计算665 nm、750 nm的消光度，计算叶绿素a的浓度.
用直径为47 mm的玻璃纤维滤膜(Whatman GF/F)过滤水样，利用岛津总有机碳分析仪(Shimadzu TOC-V CPN)测量溶解性有机碳(DOC)浓度[24].
取适量的水样，加入过硫酸钾(K2S2O8)溶液，在120℃下加热氧化分解30 min，水样中的含磷化合物被氧化分解成正磷酸盐.将被消解的水样冷却至一定温度后，分别取部分试样，加入1mL的抗坏血酸溶液，30 s后加入2 mL的钼酸铵溶液，充分混匀，生成磷钼蓝，然后在700 nm波长处测量吸光度值，进而计算水中的总磷(TP)浓度值[25, 26].
取适量的水样，加入过硫酸钾溶液和NaOH溶液，在120℃下加热氧化分解30 min，水样中含氮化合物被分解成硝酸根； 被消解的水样冷却至一定温度后分取一部分试样，加盐酸调节pH值至2~3，用紫外分光光度计分别测量波长220 nm和275 nm处的吸光度(A)，按A=A220-2A275计算硝酸盐氮的吸光度值，从而计算总氮(TN)的含量[25, 26].
1.2.3 水体组分吸收系数测量实测的水体组分吸收系数包括有色可溶性有机物质(CDOM)的吸收系数[ag(λ)]与总悬浮颗粒物[ap(λ)]、色素颗粒物[aph(λ)]与非色素颗粒物吸收系数[ad(λ)].
CDOM吸收系数的测定，首先采用孔径为0.22 μm的Millipore滤膜过滤水样，然后利用紫外分光光度计测量其吸光度，采样间隔为1 nm，最后根据Bricaud 等[27]的方法进行散射效应的校正，计算得到CDOM的吸收系数[ag(λ)].
总颗粒物吸收系数采用定量滤膜技术(QFT)测定[28]，首先用直径25 mm的GF/F滤膜(Whatnan 公司)过滤200~400 mL水样，其次用分光光度计测定滤膜上总颗粒物的吸光度，用同样湿润程度的空白滤膜做参比，并且以750 nm处吸光度为零点进行校正，测量总颗粒物的吸收系数[ap(λ)].用次氯酸钠滴入样品滤膜周围去除样品色素，然后用分光光度计测得非色素颗粒物的吸收系数[ad(λ)]，将计算得到的总颗粒物吸收系数减去非色素颗粒物吸收系数得到色素颗粒物吸收系数[aph(λ)][29～31].
2 结果与分析此次黑水团事件发生在2015年的7月28日与7月29日，在大浦口和大港口附近发现两处黑水团现象.7月上半旬，受梅雨及第9号“灿鸿”台风影响，在7月27日之前太湖宜兴附近一直持续阴雨天气，7月24日之后温度持续上升，在7月27日和7月28日这两天温度达到了最高峰.这样持续的高温天气有利于蓝藻的大量暴发，加上太湖7月正盛行东南风，使蓝藻在太湖西部大量聚集，有利于黑水团的形成.此次实验，观测到黑水团面积不少于1 km2.黑水团发生区域的水体呈现黑色，与邻近水体有清晰的界限，水表面有恶臭味，湖面时有气泡冒出，湖面可见死亡的生物残体，如死鱼、湖鳅等.
2.1 黑水团水体与其它水体水质参数对比分析表 1所示是2015年7月不同区域水体的实测水质参数数据，从中看出，黑水团区(区域一)、蓝藻水华区(区域二)、清水区(区域三)的水质参数含量有着显著的区别.
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表 1 2015年7月太湖3个不同水体区域水质参数 1)/mg ·L-1 Table 1 Water quality parameters of three different regions in Taihu Lake in July 2015/mg ·L-1 |
藻类细胞在高温下大量聚集后，在细胞的代谢和降解的过程中，会消耗掉大部分水体中的氧气，使水体表层沉积物处于缺氧、甚至厌氧的状态，同时也会释放出大量的溶解性有机碳(DOC).因此，黑水团区域的DOC高于正常水体，黑水团区域DOC的均值为(4.89±0.26) mg ·L-1，而在东太湖清水区域水体中的DOC均值为(3.21±0.25)mg ·L-1.
蓝藻的降解过程也是导致氮和磷集聚的重要阶段[32]，因此，黑水团区域的总磷总氮浓度高于正常水体.本次样本数据显示，黑水团水体中总氮的均值为(2.965±0.589)mg ·L-1，与区域三的东太湖水体相比高出2倍左右.黑水团水体中总磷的均值为(0.240±0.047)mg ·L-1，与具有蓝藻水华特征的区域二相比，高出近3倍左右，也比区域三的东太湖水体高出近8倍左右.
黑水团区域水体与另外两个特征区域水体相比，此次黑水团具有叶绿素a和OSM值高的特征.3个不同区域叶绿素浓度范围分别为108.81~172.98、30.69~80.91、2.79~11.16 μg ·L-1.叶绿素a的浓度在区域一最高，均值为(141.05±24.45)μg ·L-1，是区域二的3倍，其中区域三中叶绿素a的浓度最低.
总悬浮物浓度(TSM)在3个不同区域范围值分别为15.90~28.46、9.60~30.30、2.60~16.20 mg ·L-1，平均值分别为(21.54±3.92)、(19.37±6.63)、(9.19±5.43)mg ·L-1，区域一黑水团中总悬浮物浓度高于另外两个区域，其中有机悬浮物(OSM)占总悬浮物的质量分数约为85%，高于区域二和区域三.
2.2 黑水团水体与其它水体遥感反射对比分析图 2分别为黑水团区域与不同区域水体的遥感反射率光谱，可以看出黑水团的遥感反射率在数值和光谱斜率上与其他不同区域的水体都有明显的区别.
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图 2 水体表面的遥感反射率光谱在区域一、区域二、区域三及3个区域的平均遥感反射率光谱 Fig. 2 Reflectance spectra for surface waters from stations in zone 1,zone 2,and zone 3,and average reflectance spectra of zone 1-3 |
在400~800 nm范围内，黑水团区域水体的遥感反射率整体低于0.01 sr-1，其平均遥感反射率远远低于其它区域水体.在400~570 nm波段范围内，遥感反射率随着波长的增长呈现逐渐上升的趋势，这主要是由于叶绿素、胡萝卜素等光合色素的弱吸收和无机悬浮物、浮游植物细胞壁的散射作用形成的.与其他区域水体相似，区域一黑水团水体的遥感反射率在555 nm出现一个小的峰值(小于0.008 sr-1)，但是其波峰宽度大于另外两种不同类型的水体.区域二和区域三的遥感反射率在555 nm处出现最高峰，其峰值约是黑水团区域的5～4倍.通过Rrs(555 nm)/Rrs(412 nm)比值在一定程度上可以看出遥感反射率在555 nm处的峰值大小，Rrs(555 nm)/Rrs(412 nm)的比值在区域二最高(约4.43)，其次是区域三(约2.70)，黑水团的区域一最低(约1.80).
与区域二相似，黑水团区域遥感反射率在625 nm附近出现一个低的反射谷值，这主要是由于藻蓝蛋白的吸收作用导致，而这一谷值在藻蓝蛋白浓度低的清水区域则没有出现； 在650~700 nm之间有个很低的吸收谷，这主要是由于这两类水体含有较高的叶绿素a浓度，其浮游藻类细胞中含有的光合作用色素强吸收导致的.由于黑水团水体的叶绿素浓度远远高于其他水体，使得其在710 nm附近的遥感反射率峰值高度比区域二水体明显.
黑水团发生区域，水体中叶绿素a浓度相比区域二和区域三要高很多.在440 nm 附近由于叶绿素 a 的吸收，会出现一个吸收谷，680 nm处由于藻蓝蛋白的吸收，反射率会有一个吸收谷，叶绿素a浓度与440 nm、680 nm处的吸收系数呈现正相关关系，黑水团在440 nm、680 nm反射率减小，吸收峰增加.黑水团中叶绿素a浓度与位于700 nm附近的反射峰高度呈正相关关系，也与690~740 nm区间的荧光峰位置红移呈正相关关系.同时，黑水团区域水体在近红外波段具有明显的植被“陡坡效应”特征，反射率升高.
2.3 黑水团水体与其它水体颗粒物吸收特性对比分析 2.3.1 总颗粒物吸收特性总颗粒物的吸收系数近似于非色素颗粒物吸收系数与色素颗粒物吸收系数之和.图 3为区域一、二、三的总颗粒物平均吸收系数光谱曲线.从中可以看出，总颗粒物吸收系数在具有黑水团特性的区域一明显高于区域三所在的东太湖水体，也比蓝藻水华区的区域二高，在443 nm和675 nm附近存在反射的峰值.
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图 3 2015年7月太湖3个不同区域总颗粒物平均吸收系数光谱曲线 Fig. 3 Average absorption spectra of the total particulate matter |
在3个不同的区域，443 nm处总颗粒物吸收系数ap(443 nm)的范围分别为3.90~9.47、2.03~6.73、1.34~2.50 m-1，平均值分别为(6.51±1.40)、(3.92±1.34)、(1.92±0.50)m-1； 675 nm处总颗粒物吸收系数ap(675 nm)的范围分别为1.87~5.42、0.89~3.37、0.51~1.38 m-1，平均值分别为(3.54±1.53)、(1.89±0.68)、(0.93±0.34)m-1.
2.3.2 色素颗粒物吸收特性图 4为3个不同区域水体色素颗粒物平均吸收系数光谱曲线，3个区域水体色素颗粒物平均吸收系数都具有双峰特征：在443 nm附近由于叶绿素a的吸收出现了吸收峰，450~550 nm处吸收系数大致随着波长的增加而下降，在490 nm附近β胡萝卜素的吸收峰并不明显，在624 nm处由于藻蓝蛋白的吸收出现一个小峰值，在670 nm附近由于叶绿素a的吸收出现了一个明显的峰值，在近红外波段近似于0.从区域一到区域三，色素颗粒物平均吸收系数在整个谱段都呈现下降的趋势，色素颗粒物吸收系数由于在443 nm存在叶绿素a的吸收峰，443 nm处的色素颗粒物吸收系数在3个不同区域的平均值分别为(4.85±2.23)、(3.04±1.22)和(1.29±0.41)m-1.色素颗粒物吸收系数在具有黑水团特性的区域一明显高于区域三所在的东太湖水体，也比蓝藻水华区的区域二高.
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图 4 2015年7月太湖3个不同区域色素颗粒物平均吸收系数光谱曲线 Fig. 4 Average absorption spectra of pigment particles of Taihu Lake in the three different regions in July 2015 |
图 5为非色素颗粒物在太湖3个不同区域的平均吸收系数光谱曲线，从中可以看出，非色素颗粒物吸收系数随着波长的增加而逐渐减小，其光谱特征遵循指数衰减的规律.在短波波段3个不同区域的非色素颗粒物吸收系数差别较大，当波长大于700 nm后，吸收系数趋于零.在443 nm，非色素颗粒物吸收系数在3个不同的区域平均值分别为(1.66±0.28)、(0.88±0.19)、(0.63±0.17)m-1，分布范围分别为1.22~2.01、0.64~1.33、0.28~0.90 m-1.其中区域一黑水团中的非色素颗粒物吸收系数是区域二的2倍、约是区域三的3倍.
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图 5 2015年7月太湖3个不同区域非色素颗粒物平均吸收系数光谱曲线 Fig. 5 Average absorption spectra of non-pigment particles of Taihu Lake in the three different regions in July 2015 |
CDOM作为水体中一个重要的光吸收物质，其浓度和组成对水下光场有较大的影响[33]，不同水体的CDOM吸收系数在短波处差异较大，通常用443 nm波长处的吸收系数ag(443 nm)来表征CDOM浓度[34].CDOM的吸收主要集中在蓝光和紫外光波段，图 6为CDOM在300～800 nm之间3个不同区域的平均吸收光谱曲线，可以看出CDOM的吸收光谱随着波长的增加呈现指数衰减的规律.区域一、二和三在443 nm处的CDOM吸收系数ag(443 nm)范围分别在 0.35~1.55、0.23~1.09和0.12~0.58 m-1，均值分别为(1.21±0.31)、(0.65±0.23)、(0.36±0.19)m-1.比较3个不同区域在443 nm处CDOM吸收系数的平均值可以看出，发生黑水团的区域一比太湖蓝藻水华的区域二高出2倍左右，比东太湖水体的区域三高出4倍左右.
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图 6 2015年7月太湖3个不同区域CDOM平均吸收系数光谱曲线 Fig. 6 Average absorption spectra of CDOM of Taihu Lake in the three different regions in July 2015 |
颗粒物吸收系数受水体组分及其浓度影响，本研究从总颗粒物、非色素颗粒物、色素颗粒物吸收与叶绿素、悬浮物的相关性分析其影响因素.
通过黑水团的遥感反射率中可以看出在443 nm 附近由于叶绿素 a 的吸收，会出现一个吸收谷，675 nm处由于藻蓝蛋白的吸收，反射率会有一个吸收谷，对叶绿素a、悬浮物浓度与443 nm、675 nm处的颗粒物吸收系数之间的相关性进行分析.
表 2分别为443 nm、675 nm处总颗粒物吸收系数、色素颗粒物吸收系数和非色素颗粒物吸收系数与悬浮物、叶绿素a之间的相关性.从中可以看出黑水团水体在443 nm、675 nm处总颗粒物吸收[ap(443 nm)、ap(675 nm)]与叶绿素a浓度(Chla)、有机悬浮物(OSM)之间都存在着很好的相关性，R2值高于0.85，但是[ap(443 nm)、ap(675 nm)]与总悬浮物(TSM)相关性弱，R2值为0.60左右，ap(675)与无机悬浮物浓度之间几乎不存在相关性.在总颗粒物吸收系数中主要以叶绿素a的贡献占主导地位.
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表 2 颗粒物吸收系数与悬浮物、叶绿素 a 浓度之间的相关关系 Table 2 Relationship between absorption of particulate,concentrations of suspended matter and chlorophyll-a |
443 nm处色素颗粒物吸收系数aph(443 nm)与叶绿素a浓度(Chla)和有机悬浮物浓度(OSM)相关性较好，R2分别为0.76和0.73，而675 nm处色素颗粒物吸收系数aph(675 nm) 与叶绿素a浓度具有显著的线性相关性(R2=0.93)，与有机悬浮物浓度(OSM)也存在着很强的相关性(R2=0.85).说明色素颗粒物吸收系数的变化主要由叶绿素a浓度和有机悬浮物浓度(OSM)变化引起，受总悬浮物浓度(TSM)和无机悬浮物浓度(ISM)的影响较小.此外，675 nm 处色素颗粒物吸收系数与叶绿素a浓度的相关关系优于443 nm，说明 443 nm色素颗粒物的吸收系数作用受非色素颗粒物掩盖，而到了675nm 附近，非色素颗粒物的吸收系数很小，色素颗粒物吸收峰非常明显，色素颗粒物吸收作用占主导地位.
色素颗粒物中的色素组成决定其吸收系数，一般采用比值aph(440)/aph(675)来反映色素的组成情况，其值越大说明辅助色素的比例越高[35～37].本研究中，黑水团水体aph(440)/aph(675)的值在1.510 8~1.700 7之间，平均值为1.593 3±0.058，该值低于王桂芬等[37]研究的南海北部水体的值(1.69~5.19)，也低于Sosik等[38]、Millán-Núez 等[39]在加利福尼亚湾流海区(1.75~3.66)的研究结果，说明黑水团中辅助色素的比例较低，叶绿素a占主导地位.
2.5.2 CDOM吸收系数影响因子分析CDOM作为黑水团中一个重要的物质，可以来源于陆地有机物质的输入[32]，也可以来源于当地水生植物的降解包括蓝藻的降解[40～42].如图 7所示，CDOM在350 nm处吸收系数与叶绿素a之间的相关性达到0.74，但是CDOM 与悬浮物等其它水质参数之间的相关性并不明显，说明太湖黑水团中CDOM可能很大部分来源于蓝藻的降解.内源型的CDOM由腐殖酸和富里酸等物质组成.根据De Haan等[43]、Peuravuori等[44]的研究，CDOM的相对分子质量可以通过250 nm和365 nm处吸收系数的比值M值进行跟踪，M值越大，对应的相对分子质量越小，而相对分子质量可以反映腐殖酸和富里酸在CDOM中的比例[45]，腐殖质的相对分子质量一般较大，而富里酸则较小.因此M值越小，则CDOM腐殖酸的相对含量越高，富里酸的相对含量就越低.表 3显示了4个不同区域水体M值统计结果，相比较之下[46, 47]，本研究具有黑水团特征的区域一的M值低于滇池、巢湖和太湖的M值变化范围，说明具有黑水团特征的水体中的CDOM中腐殖酸含量较高，其中太湖水体中的腐殖酸很大一部分来源于植物的遗骸，是经过微生物的分解和转化形成的有机物质，这也进一步证明了太湖黑水团中CDOM可能很大部分是来源于当地大量的蓝藻降解.
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图 7 CDOM吸收系数与叶绿素a之间相关性 Fig. 7 Relationship between CDOM absorption at 350 nm and chlorophyll-a |
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表 3 不同水体M值 Table 3 M values in different water |
2.5.3 不同水体组分对黑水团吸收系数的贡献分析
水体的遥感反射率主要是受后向散射与水体总吸收系数之间的比值控制[48]:
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(1) |
式中，f为水体属性和受光照条件影响的参数，Dekker[49]通过对19个不同内陆水体的吸收和后向散射以及表观光学属性进行测量后，计算得到的f值的范围是0.12~0.56，平均值为0.29，是一个定值.水体的总吸收(at)包括纯水吸收、色素颗粒物吸收、非色素颗粒物吸收和CDOM吸收，由于纯水吸收是固定的，因此讨论黑水团区域水体吸收贡献率时不考虑纯水吸收.
为了区分每个光学活性物质的贡献率要对遥感反射率传输模型进行转换：
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(2) |
其中γ(λ)为一个湖泊特定的光谱校正因子，取决于每个光学活性物质和遥感反射率的测量，可以看做是一个定值.如果bb(λ)看做一个定值，那么水体中各种活性物质的总吸收系数与遥感反射率之间存在负相关的关系，当水体的总吸收系数增加，遥感反射率会下降，如图 8所示.从中可以看出总吸收系数在一定程度影响着黑水团的遥感反射率，探究每个光学活性物质的吸收系数对总吸收系数的贡献率，在一定程度也反映了黑水团中色素颗粒物、非色素颗粒物和 CDOM 吸收系数对水体遥感反射率的影响.
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图 8 2015年7月黑水团区域水体的遥感反射率与总吸收系数 Fig. 8 Remote sensing reflectance and total absorption coefficient the black water blooms area water in July 2015 |
以色素颗粒物、非色素颗粒物和 CDOM 吸收系数的平均值与总吸收系数的比值作为色素颗粒物、非色素颗粒物和 CDOM 对总吸收作用的贡献率.
图 9为黑水团区域的色素颗粒物、非色素颗粒物、CDOM平均吸收系数在350~700 nm范围内对总吸收的贡献率.从中可以看出，在380~700 nm范围内色素颗粒物吸收系数在总吸收中占主导作用，色素颗粒物吸收对总吸收的贡献率都在60%以上.非色素颗粒物吸收对总吸收的贡献率远小于色素颗粒物.CDOM吸收系数对总吸收的贡献率在此波段范围内低，贡献率都在30%以下.380~700 nm范围内不同组分对总吸收的贡献大小为：色素颗粒物＞非色素颗粒物＞CDOM.
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图 9 2015年7月黑水团区域水体非色素颗粒物、色素颗粒物和CDOM对总吸收的贡献率 Fig. 9 Contributions of individual optical components total in absorption coefficient in black water blooms in July 2015 |
在短波350~380 nm波段范围，CDOM对总吸收的贡献率高于非色素颗粒物吸收的贡献率，非色素颗粒物吸收对总吸收的贡献率高于色素颗粒物，即CDOM＞非色素颗粒物＞色素颗粒物.
CDOM中成分组成在一定程度上也会影响CDOM对总吸收系数的贡献率，图 10为M值与CDOM吸收系数贡献率之间的关系，由此可以看出，M值越小，即CDOM中腐殖酸含量较高时，CDOM对水体总吸收的贡献大.M值的大小与CDOM对水体总吸收的贡献率之间存在着一定的负相关关系.太湖黑水团的M值低于滇池、巢湖和太湖的M值变化范围，黑水团CDOM中腐殖酸含量较高，黑水团中CDOM对总吸收系数的贡献率也高于其他水体.
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图 10 黑水团区域水样M值与CDOM吸收贡献率之间的关系 Fig. 10 Correlation between M values and contribution of CDOM total absorption in black water blooms |
(1) 与另外两个特征区域的水质参数相比，此次黑水团具有叶绿素浓度和有机悬浮物浓度高的特征.其中有机悬浮物占总悬浮物浓度分数为85%，高于区域二和区域三.黑水团中总氮、总磷、可溶性有机碳的浓度异常偏高.
(2) 太湖黑水团与周围的湖水相比，有着较低的遥感反射率，在400~800 nm范围内遥感反射率整体低于0.01 sr-1，是蓝藻水华水体和清水区水体的1/5~1/4.此外，黑水团区域在500~550 nm的峰值宽于其他不同类型的水体
(3) 总颗粒物吸收系数、色素颗粒物吸收系数和非色素颗粒物吸收系数在具有黑水团特性的区域一明显高于区域三所在的东太湖水体，也比蓝藻水华区的区域二高.在区域一黑水团中CDOM值在400~500 nm范围内比太湖蓝藻水华的区域二高2倍左右，比东太湖水体的区域三要高4倍左右.
(4) 黑水团水体中aph(443 nm)与叶绿素 a 浓度、有机悬浮物浓度之间存在很好的相关性，aph(440 nm)/aph(675 nm)值较小，说明水体中辅助色素的比例较低，主要是叶绿素a占主导地位.
(5) M值为250 nm和365 nm处CDOM吸收系数的比值，黑水团中M值低，说明CDOM中腐殖酸含量较高，富里酸的相对含量低.此外，CDOM在350 nm处吸收系数与叶绿素a之间的相关性达到0.74，表明太湖黑水团中CDOM很大部分来源于蓝藻的降解.
(6) 在短波350~380 nm波段范围，黑水团水体不同组分对总吸收的贡献大小为：CDOM＞非色素颗粒物＞色素颗粒物.在380~700 nm范围内，不同组分对总吸收的贡献大小为：色素颗粒物＞非色素颗粒物＞CDOM.在380~700 nm范围内，色素颗粒物吸收系数在总吸收中占主导作用，色素颗粒物吸收对总吸收的贡献率都在60%以上.
致谢: 感谢太湖野外实验的参与者刘阁、郑著彬、杜成功、王帅、雷少华，室内实验数据分析参与者王艳楠、金琦、时蕾、冯池、赵丽娜.非常感谢南京地理与湖泊研究所对部分实验数据的测量| [1] | 陆桂华, 马倩. 太湖水域"湖泛"及其成因研究[J]. 水科学进展 , 2009, 20 (3) : 438–442. |
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