2018, Vol. 39
表 1
(Table 1)
伊洛河和浑太河春季水体光学吸收特征的对比
李柳阳,
邵田田,
张鑫,
宋炎炎,
苏东辉,
王涛
引用本文
李柳阳, 邵田田, 张鑫, 宋炎炎, 苏东辉, 王涛. 伊洛河和浑太河春季水体光学吸收特征的对比[J]. 环境科学, 2018, 39(9): 4122-4131.
LI Liu-yang, SHAO Tian-tian, ZHANG Xin, SONG Yan-yan, SU Dong-hui, WANG Tao. Comparative Characteristics of Optical Absorption in Waters from Yiluo River and Huntai River in Spring[J]. Environmental Science, 2018, 39(9): 4122-4131.
伊洛河和浑太河春季水体光学吸收特征的对比
1. 河南大学黄河文明与可持续发展研究中心暨黄河文明传承与现代文明建设河南省协同创新中心, 开封 475001;
2. 河南大学环境与规划学院, 开封 475001;
3. 中国矿业大学(北京)地球科学与测绘学院, 北京 100086
2. 河南大学环境与规划学院, 开封 475001;
3. 中国矿业大学(北京)地球科学与测绘学院, 北京 100086
摘要: 为分析伊洛河和浑太河两流域水体光学活性物质的来源、吸收特征、空间差异以及在光合有效辐射（PAR）范围内对总吸收的贡献，于2017年和2013年5月分别在两流域进行河流样品采集，对两流域水体中悬浮颗粒物和有色溶解性有机质（CDOM）的吸收特性和水质参数进行测定.结果表明，两流域总悬浮颗粒物的吸收光谱[ap（λ）]与非藻类颗粒物的吸收光谱[ad（λ）]相似，与ad（λ）和浮游植物的吸收[aph（λ）]均显著相关.两流域ad（λ）均是总吸收的主要成分，伊洛河流域aph（λ）的贡献率大于CDOM，而浑太河则相反.通过对比蓝红比[aph（440）/aph（675）]发现，伊洛河流域样品蓝红比的变化幅度高于浑太河流域，说明同一季节浮游植物中辅助色素与叶绿素a浓度[Chla]的组成存在显著的空间差异.通过对比CDOM的吸收斜率（SCDOM），发现伊洛河CDOM的组成物质分子量较浑太河大，主要为外源性物质.另外，通过CDOM的相对分子质量Mr[aCDOM（250）/aCDOM（365）]的对比，发现伊洛河水体的变化幅度高于浑太河，而均值小于浑太河，表明伊洛河水体的颗粒物大小不一，浑太河水体更趋近于小分子颗粒物，与基于SCDOM得到的结果一致.
关键词:
伊洛河
浑太河
光学吸收特性
颗粒物
有色溶解性有机质(CDOM)
空间差异性
Comparative Characteristics of Optical Absorption in Waters from Yiluo River and Huntai River in Spring
1. Key Research Institute of Yellow River Civilization and Sustainable Development and Collaborative Innovation Center on Yellow River Civilization of Henan Province, Henan University, Kaifeng 475001, China;
2. College of Environment and Planning, Henan University, Kaifeng 475001, China;
3. College of Geoscience and surveying Engineering, China University of Mining & Technology, Beijing 100086, China
2. College of Environment and Planning, Henan University, Kaifeng 475001, China;
3. College of Geoscience and surveying Engineering, China University of Mining & Technology, Beijing 100086, China
Abstract: The absorption characteristics, composition, spatial variability, and relative contribution of optically active constituents over the range of photosynthetically active radiation (PAR, 400-700 nm) were analyzed from samples collected in the Yiluo and Huntai Rivers in May 2017 and 2013, respectively. Results demonstrated that the absorption curves of total suspended particulates[ap(λ)] were similar to those of non-algae particles[ad(λ)]. Significant correlations between ap(λ) and ad(λ) were obtained, especially at 440 nm, with r=0.968 in the Yiluo River and r=0.899 in the Huntai River. Meanwhile, positive correlations between ap(λ) and the absorption of phytoplankton[aph(λ)] were observed at 675 nm. ap(λ) in the two basins was dominated by ad(λ). Moreover, the composition of auxiliary pigments and chloropyhll a concentration[Chla] showed more significant spatial variations based on aph(440)/aph(675) in the Yiluo River than in the Huntai River. In addition, CDOM absorption slopes (SCDOM) indicated that CDOM composition in the Yiluo River was dominated by exogenous substances; in comparison, the Huntai River had more endogenous substances. SCDOM in the Yiluo River was lower than in the Huntai River, indicating that the CDOM composition of the Yiluo River was inclined towards high molecular weights. Furthermore, Mr[aCDOM(250)/aCDOM(365)] showed greater ranges and lower mean values in the Yiluo River than in the Huntai River, confirming that CDOM molecular weight varied greatly in the former. CDOM molecular weight in the Huntai River was also lower than in the Yiluo River, in accordance with SCDOM results.
Key words:
Yiluo River
Huntai River
optical absorption characteristics
particulate matter
CDOM
spatial difference
水体中各组分的类型和浓度决定了水体的光学特性[1], 水体光学特性分为固有光学特性和表观光学特性.表观光学特性受光场角分布以及水体中物质的性质和数量的影响, 不同于表观光学特性, 固有光学特性具有不随入射光场分布与强度的变化而变化的特征, 因此是建立遥感反演的重要参数[2], 是水色遥感的生物-光学模型、光辐射传输、初级生产力估算和生态过程模拟的基本参数[3].
随着水色遥感的发展, 基于水体辐射传输机制的生物-光学模型可较好地解释表观光学特性和固有光学特性间的关系[4].水色遥感中, 相对于起步较早且研究相对较成熟的Ⅰ类水体[5, 6], Ⅱ类水体生物光学模型受陆源影响较大, 不同区域的水体的光学特性表现出较大的差异性, 国内外学者对不同水体的固有光学特性分别进行了广泛的研究, Spencer等[7]研究了美国大多数河流的DOC和CDOM的吸收特性.李思佳等[8]分析了兴凯湖水体光学活性物质的吸收特性和空间分布等.张红等[9]分析了滇池水体中光学活性物质的吸收特性及其空间分布等与其他Ⅱ类水体的异同性.由于Ⅱ类水体类型、季相和区域差异的存在, 导致模型系数不可统一参数化, 从而需要大量不同水体的研究数据加以支撑、验证和调整[10].因此, 研究不同流域水体的光学特性, 对于提高水质参数反演精度、实现区域水色遥感算法和生物光学模型参数化具有重要的理论意义和应用价值[11].
目前, 我国水体光学特性的研究主要集中于太湖、巢湖和滇池等富营养化水体, 还缺乏针对不同水体类型的水色物质在同一季相下的光学特性的研究.因此, 本研究利用2017年和2013年5月分别在伊洛河和浑太河流域野外采集的数据, 对比分析同一季相不同水体的光学活性物质的吸收特征及其影响因素, 加强对水色物质固有光学特性的认识, 建立不同区域的水体光学量数据库, 对于发展区域性的水色遥感反演算法具有重要意义.
1 研究区概况伊洛河是黄河重要的一级支流(33°33′~35°05′N, 109°45′~113°06′E), 由伊河与洛河汇流向东流至巩义市洛口以北入黄河, 流域面积为1.89×104 km2.伊洛河流域地势整体上呈西南高、东北低, 属于暖温带大陆性季风气候, 金属与非金属矿产资源丰富.伊河发源于秦岭东支熊耳山区栾川县, 全长268 km, 流域面积为0.6×104 km2, 多年平均流量为40.9 m3 ·s-1.洛河发源于秦岭的华山南麓洛南县, 全长410 km, 流域面积为1.2×104 km2, 多年平均流量为66.8 m3 ·s-1.
浑太河是辽河流域的独立水系之一, 位于我国辽宁省东南部(40°40′~42°10′N, 122°05′~125°17′E), 由浑河和太子河汇流经大辽河自营口入海, 其水系发源于长白山脉, 流域面积为2.54×104 km2.浑太河流域属于温带大陆性季风气候, 流域内资源丰富, 富含石油、天然气、煤炭和铁、铅、锌、镁等矿产资源.浑河发源于抚顺清原县滚马岭, 全长415 km, 流域面积为1.14×104 km2, 年径流量为30.5亿m3.太子河发源于抚顺市新宾县红石砬子山, 全长413 km, 流域面积为1.4×104 km, 年平均径流量为26.9亿m3.
伊洛河流域位于黄河流域, 受传统的粗放型经济增长方式的影响, 流域生态环境遭到严重破坏, 使其水体吸收特性呈现不同的特点.浑太河流域是东北地区重要的工业和商品粮生产基地, 资源高强度地开发使浑太河流域水生态系统严重退化, 从而影响水体的固有光学吸收特性.两流域地理位置虽有差异, 但经济发展模式相似, 目前都面临着亟待解决的水生态环境问题.
2 材料与方法 2.1 采样时间与站位于2017年5月上旬在伊洛河采集水样, 共布设样点19个; 于2013年5月中旬在浑太河采集水样, 由于天气状况等外界因素影响, 仅获得7个水样.水样采集的同时使用手持式GPS记录下每个样点的经纬度, 样点分布如图 1所示.采样前将采样器和样品瓶润洗, 采集水样后, 冷藏储存并带回实验室进行处理分析.
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图 1 采样点位置分布和示意 Fig. 1 Study area location and distribution of sampling sites |
2.2 参数测定与计算 2.2.1 吸收系数的测定和计算
采用定量滤膜技术(quantitative filter technique, QFT)测定总悬浮颗粒物的吸收系数[ap(λ)][12].用直径25 mm的GF/F玻璃纤维滤纸(Whatman)过滤50~200 mL的水样, 以Milli-Q水作空白对比, 在岛津-紫外分光光度计UV-3600(Shimadzu UV-3600PC, 日本岛津)下测380~800 nm间的吸光度, 每隔1 nm测定一个吸光度, 以750 nm波长处的吸光度为基准, 采用Cleveland等[13]提出的方法[式(1)]进行放大因子校正：
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(1) |
式中, Ds为校正后滤膜上总悬浮物的吸光度; Df为直接在仪器上测定的滤膜上总悬浮物的吸光度.滤膜上总悬浮物的光谱吸收系数按式(2)进行计算得到[12]：
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(2) |
式中, ap(λ)为λ(nm)处总悬浮物吸收系数(m-1); v为被过滤水样的体积(m3); s为过滤后留在滤膜上的有效面积(m2).
采用0.1%的次氯酸钠浸泡滤膜30 min, 萃取滤膜上的色素, 使用Milli-Q水作空白参比测定非藻类颗粒物的吸光度, 然后计算其吸收系数[ad(λ)].根据线性叠加原理得到浮游植物的吸收系数[aph(λ)], 如式(3).
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(3) |
CDOM的测定是通过0.2 μm微孔聚碳酸酯膜过滤水样后, 利用岛津-紫外分光光度计UV-3600(ShimadzuUV-3600PC, 日本岛津)测得200~800 nm波长处的吸光度, 然后根据式(4)计算得到各波长处的吸收系数：
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(4) |
式中, aCDOM(λ′)为未校正的CDOM吸收系数(m-1); D(λ)为吸光度; r为光路径(m).为消除由过滤液残留细小颗粒引起的散射影响, 基于式(5)进行散射效应校正：
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(5) |
aCDOM(λ)和ad(λ)曲线基本上呈现随波长增加指数递减的规律.表示为：
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(6) |
式中, 下标x用d和CDOM表示时, 分别为非藻类颗粒物和有色溶解有机物. λ是波长, λ0是参照波长, 本文选取440 nm作为参照波长. ax(λ)为λ(nm)波长处的吸收系数, ax(λ0)为参照波长下的吸收系数, Sx是指数函数的斜率.利用最小二乘法拟合得到指数函数斜率Sx值, 其中CDOM拟合的波段范围为280~400、280~320和350~400 nm, 非藻类颗粒物为400~700 nm.
2.2.2 水质参数的测定和计算叶绿素a(chloropyhlla, Chla)浓度的测定采用0.45 μm GF/F玻璃纤维滤纸(Whatman)过滤150~200 mL水样, 将滤膜剪碎放入15 mL离心管中, 加入10 mL 90%的丙酮溶液, 混合均匀后避光冷藏24~48 h, 取其离心后上清液倒入1 cm石英比色皿中, 用90%的丙酮溶液作空白参考, 置于UV-3600紫外分光光度计分别测得630、647、664和750 nm处的吸光度, 计算得出Chla的浓度[14].
浮游植物比吸收系数是单位色素浓度吸收能力的大小, 可以表示为浮游植物吸收系数aph(λ)与Chla的比值, 即：
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(7) |
采用孔径为0.45 μm GF/F玻璃纤维滤纸(Whatman)在马弗炉中450℃灼烧4 h后过滤水样, 将滤液转入棕色玻璃瓶中, 利用总有机碳分析仪(Shimadzu TOC-V CPN, 日本岛津)测定总溶解碳(total dissolved carbon, TDC)和溶解无机碳(dissolved inorganic carbon, DIC)的浓度, 二者相减, 得到溶解有机碳(dissolved organic carbon, DOC)浓度[15].
采用称量法测定总悬浮颗粒物浓度(total suspended matters, TSM).
2.2.3 数据统计分析运用Eviews7.0和SPSS18.0软件进行数据统计分析.利用Matlab7.0进行曲线拟合, 采用最小二乘法计算得到非藻类颗粒物和CDOM吸收系数S值.引入决定系数(R2)、Pearson相关系数检验变量之间的相关性和拟合关系, 采用Origin 8.5软件作图.
3 结果与讨论 3.1 总悬浮颗粒物吸收特征伊洛河和浑太河水样的ap(λ)、ad(λ)、aph(λ)的吸收光谱曲线如图 2所示, 统计数据如表 1所示.
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图例为采样点编号 图 2 伊洛河和浑太河水体的光谱吸收曲线 Fig. 2 Absorption spectra of total suspended particulates, non-algae particulates and phytoplankton in the Yiluo River and the Huntai River |
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表 1 ap(λ)、ad(λ)、aph(λ)以及CDOM的统计分析 Table 1 Statistical analysis of absorption of total suspended particulates, non-algae particulates, phytoplankton, and CDOM in the Yiluo River and the Huntai River |
结合表 1和图 2可知, 浑太河不同采样点ap(λ)差异较伊洛河大, 而且大辽河(1号)吸收曲线明显高于浑太河流域其他样点, 主要原因是1号位于浑河和太子河的交汇后的下游, 上游携带大量的悬浮颗粒物, 导致1号的ap(λ)远高于其他采样点.从曲线的形状来看, ap(λ)与ad(λ)的吸收光谱相似, 即吸收系数随波长的增加呈降低的趋势.在675 nm附近出现不太明显的叶绿素吸收峰, 这与浮游植物在此波段的特征吸收有关.除浮游植物在675 nm的强吸收以外, 浮游植物的吸收在总悬浮颗粒物的吸收中均不明显, 因此其颗粒物组成以非藻类颗粒物为主.
将ap(440)、ap(675)、ad(440)、ad(675)、aph(440)、aph(675)以及aCDOM(440)与水质参数TSM、Chla和DOC浓度进行相关分析(表 2)发现, 在440 nm处伊洛河和浑太河总悬浮颗粒物与非藻类颗粒物的吸收呈显著相关(r为0.968、0.899, P < 0.01);伊洛河和浑太河ap(675)与aph(675)呈显著相关(P < 0.01), 相关系数分别为0.922和0.930.两流域水体ap(440)与TSM都呈现显著相关, ap(675)与TSM均不相关.浑太河水体的ap(675)与Chla显著相关, 而ap(440)与Chla不具有相关性, 主要原因是在440 nm附近浮游植物的吸收被非藻类颗粒物所掩盖, 而在675 nm处非藻类颗粒物的吸收较弱, 浮游植物吸收显著, 因此存在很好的线性关系.结合两流域的土地利用类型(图 1)发现, 两流域植被覆盖度相差不大(浑太河流域, 49.49%;伊洛河流域, 50.40%), 而浑太河流域建设用地高于伊洛河流域(浑太河流域, 8.84%;伊洛河流域, 5.06%).伊洛河样点分布于全流域, 覆盖各种土地利用类型, 而浑太河的样点多分布于中下游农耕区.农区由于受到人类活动的影响较大, 土壤松散, 容易随着地表径流和地下径流进入河流, 导致河流悬浮物浓度较高.
3.2 非藻类颗粒物吸收特征水体中非藻类颗粒物主要包括矿物沉积物、非活性有机体(如排泄物、退化的藻类细胞等)以及非藻类活性有机体[16].本文中, 两流域非藻类颗粒物的吸收随波长的增加而减小, 浑太河ad(440)最大值出现在1号, 位于浑河与太子河交汇处(图 2). Ⅱ类水体ad(440)通常表现出与TSM相关性较高[5], 与Chla的相关性则随研究区不同呈现较大差异.伊洛河流域ad(440)与TSM相关性较好, ad(675)与TSM相关性较差; 浑太河流域的ad(675)与Chla浓度无显著相关性, 而与TSM浓度相关性较好(表 2), 与文献[2]对辽河的研究结果保持一致, 与文献[17]对昆承湖的相关研究结果类似.
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表 2 颗粒物吸收系数与各组分浓度之间的相关性分析1) Table 2 Correlations between absorption and component concentrations |
非藻类颗粒物吸收特征的空间差异不仅体现在吸收系数上, 也体现在Sd上.与国内已有研究相比, 伊洛河Sd与滇池(均值12.5 μm-1)[9]、珠江口(均值12.0 μm-1)[18]相近; 两流域样品Sd均高于辽河(均值11.14 μm-1)[2]、太湖(均值11.7 μm-1)[1]. Babin等认为[6], Sd的大小可能与非藻类颗粒物中所含的有机物与矿物颗粒的比例有关; 而Binding等[16]则进一步确定Sd的大小与矿物颗粒物浓度有关, 斜率越小, 其浓度越高.由此可见, 伊洛河和浑太河水体非藻类颗粒物中矿物颗粒物的含量较其他一般水体要低.
3.3 浮游植物吸收特征浮游植物的吸收本质是色素的吸收, Chla是浮游植物的主要色素, 其吸收决定了浮游植物吸收光谱的基本形状.从图 2(c)和2(f)可以看出, 伊洛河aph(λ)曲线呈现两种不同类型, 一部分曲线在440 nm处没有明显的吸收峰; 另一部分与浑太河浮游植物吸收曲线[图 2(f)]相似, 在440 nm附近出现吸收峰.其中675 nm附近明显的吸收峰是Chla作用的结果, 而440 nm由Chla与其他辅助色素共同作用.因此, 蓝红比[aph(440)/aph(675)]在一定程度上反映辅助色素与Chla的组成比例[19].伊洛河流域蓝红比的变化幅度高于浑太河流域, 说明同一季节浮游植物中辅助色素与Chla浓度的组成存在显著的空间差异性.已有研究表明, 色素蓝红比在外海的上层水体较大, 在近岸水体较小[19].伊洛河和浑太河aph(440)/aph(675)分别为1.735~10.095(3.207±2.088)、1.281~3.615(2.390±0.793), 均低于兴凯湖(均值3.4±3.3)[8], 而伊洛河蓝红比高于6月太湖水体(均值2.95)[19], 浑太河则稍低.结果表明两流域浮游植物色素较单一, 以Chla为主, 性质类似于近岸水体.
浮游植物比吸收系数是水体光学模型构建的重要参数[20], 色素打包效应和色素成分被认为是影响浮游植物比吸收系数的主要因素[21].本文中, 浑太河a*ph(440)为0.133~0.393 m2 ·mg-1[(0.233±0.090) m2 ·mg-1], 高于加利福尼亚南部海区(0.041 m2 ·mg-1)[21]、滇池[(0.041±0.012) m2 ·mg-1][9]、Erie湖(0.086 m2 ·mg-1)[16]、太湖[(0.068±0.057) m2 ·mg-1][22], 与兴凯湖[(0.23±0.20) m2 ·mg-1][8]较为接近.而a*ph(675)为0.053~1.427 m2 ·mg-1[(0.528±0.550) m2 ·mg-1], 高于太湖[(0.028±0.020) m2 ·mg-1][22]和珠江口及广东沿海(0.030 m2 ·mg-1)[19], 反映出不同水体浮游植物吸收差异.
3.4 有色溶解有机物的吸收特征CDOM的光谱吸收曲线变化趋势与ad(λ)曲线相似, 即随波长增加呈指数规律递减, 在波长700 nm趋向于零(图 3).伊洛河3个样点(1、2、3号)的CDOM吸收曲线在350 nm处出现吸收峰, 与其余样点有所不同[图 3(a)].出现这种现象可能是与微生物活动以及光化学降解有关系, 水溶性物质类菌胞素氨基酸(mycosporine-like amino acids, MAAs)能在310~360 nm处产生最大吸收峰[23], 对水生生物能起到紫外光防护的作用. Morrison等[24]和Steinberg等[25]认为浮游动物活动是联系大洋中紫外吸收物质及CDOM的纽带, 将表层的溶解有机物质带到底层, 这可能是导致在伊洛河样点(1、2、3号)出现CDOM特殊吸收峰的原因.结合表 1和图 3可知, 伊洛河流域aCDOM(440)的变化范围与均值高于浑太河水体, 这与两流域所处的地理位置有一定的关系. 5月份伊洛河流域水体升温高于浑太河, 加快上年冬季浮游植物碎屑的降解, 另外温度的升高也促进浮游植物的生长, 这些都会促进CDOM吸收系数的增大[26].
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图例为采样点编号 图 3 伊洛河和浑太河水体CDOM的光谱吸收曲线 Fig. 3 Absorption spectra of CDOM in the Yiluo River and the Huntai River |
CDOM吸收斜率[SCDOM]可以反映水体中CDOM的来源, 本文利用Matlab 7.0, 采用最小二乘法对280~400、280~320和350~400 nm的吸收曲线进行拟合(图 4).可以看出, SCDOM随采样位置的空间变化而发生变化, 但是每个流域的S280~400、S280~320以及S350~400值随采样点空间位置的变化较为一致, 这说明SCDOM跟采样点所处的地理位置与环境条件有关.
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图 4 伊洛河和浑太河水体CDOM吸收斜率S280~400、S280~320以及S350~400的空间变化 Fig. 4 Spatial variations in S280-400, S280-320 and S350-400 in the Yiluo River and the Huntai River |
与已有研究相比, 伊洛河和浑太河S280~400的值低于长江中下游浅型湖泊(均值为20.0 μm-1)[27], S280~320的值低于太湖春季水体(17.0~26.8 μm-1, 均值为20.3 μm-1)[28];浑太河S350~400与美国大多数河流(16.6~18.3 μm-1)[7]较为相似, 而伊洛河则稍低.尽管不同研究者选取的波段存在一些差异, 但其值总体能反映出两流域的结果与河流较为相近, 属典型的Ⅱ类水体.伊洛河SCDOM低于浑太河, 说明伊洛河CDOM主要来源于外源性物质, 相对分子质量较大, 浑太河CDOM主要以小分子物质为主.
根据De Haan等[29]和Peuravuori等[30]的研究, CDOM相对分子质量的大小可以通过Mr[aCDOM(250)/aCDOM(365)]进行示踪, 反映腐殖酸和富里酸在CDOM中的比例. Mr值越大, 腐殖酸所占的比例越低, 富里酸的相对含量就越高, 相对分子质量就越小[29].陆源性物质输入往往使腐殖酸的比例偏大[15, 18].伊洛河和浑太河的Mr变化范围分别为2.563~9.582(5.698±1.927)、6.167~7.169(6.734±0.360), 均低于太湖梅梁湾冬季水体(8.09±0.56)[1]和兴凯湖(7.38±0.99)[8].伊洛河水体Mr变化幅度高于浑太河, 但均值小于浑太河, 表明伊洛河水体的颗粒物大小不一, 而浑太河水体趋近于小分子颗粒物, 与基于SCDOM得到的结果一致.
CDOM代表了溶解性物质中有颜色的部分, 许多研究表明CDOM吸收系数与DOC浓度存在非常显著的正相关[1, 30, 31], 而有时在海洋里也会发现CDOM与DOC之间不具有相关性[32, 33].两流域CDOM与DOC之间并没有显著性相关, 主要是与DOC的组成有关. DOC由有色部分和无色部分组成, 两者占总DOC的比例随地区和来源不同而产生很大差异.一般来讲, 来自河流携带的陆源DOC含有更多的有色部分, 而浮游藻类自身降解产生的DOC中含有更多的无色部分[34]. DOC中的有色部分与CDOM相关.伊洛河CDOM与DOC的弱相关性主要是因为温度的回升使得上年的浮游碎屑大量降解, 产生更多的无色DOC.另一种可能是随着温度的升高紫外辐射增强, CDOM吸收紫外辐射后发生光降解丧失颜色而增加了无色DOC的成分, 从而使得CDOM吸收系数与DOC浓度相关性下降[35].浑太河流域CDOM与DOC的相关性较弱主要有两个原因, 一是浑太河位于东北地区, 5月温度刚刚回升, 浮游藻类开始生长、腐烂降解, 使得无色DOC含量相对较高, 陆源携带的有色DOC含量相对较低; 二是浑太河流域样点采集较少, 样品各参数之间的梯度较小, 从而导致浑太河流域的CDOM与DOC未表现出较强的相关性.
3.5 光学活性物质对总吸收的贡献水体各组分的吸收贡献率可衡量太阳辐射的有效利用率和水体组分对光的衰减程度[17].太阳辐射进入水体后其辐射光谱特征发生改变, 受到纯水、浮游植物、非藻类颗粒物和有色溶解有机物(chromophoric dissolved organic matter, CDOM)这4种物质组成和浓度的影响.由于纯水对光的衰减是所有水体共有的, 因此不同类型、不同区域水体的固有光学吸收特性主要由非藻类颗粒物、浮游植物和CDOM的浓度和组成所决定[2].根据线性叠加原理, 在指定波段, 水体总吸收系数等于各组分在该波段吸收系数之和：
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(8) |
式中, aW(λ)为纯水吸收系数, 其吸收系数为常数[1].因此, 本研究以非藻类颗粒物、浮游植物和CDOM的吸收系数为总吸收系数, 分别计算PAR范围各样点相对吸收贡献率.
由图 5可知, 伊洛河水体中非藻类颗粒物和CDOM共同主导了总吸收, 浑太河总吸收则是以非藻类颗粒物和浮游植物为主.从图 5(a)可知, 在蓝光和绿光波段, 伊洛河流域水体组分平均吸收贡献率为：非藻类颗粒物＞CDOM＞浮游植物, 非藻类颗粒物的相对贡献率在40%以上, 由于非藻类颗粒物和CDOM在短波段的强吸收, 使红光波段浮游植物的贡献率最大.因此, 非藻类颗粒物的吸收和散射是PAR波段光衰减的主要因子, 表明春季伊洛河水体色素含量单一, 以Chla为主, 可作为Chla浓度遥感反演的参考波段.从图 5(b)可知, 蓝光和绿光波段, 浑太河流域水体组分平均吸收贡献率为：非藻类颗粒物＞浮游植物＞CDOM; 红光波段, 浮游植物贡献率最大, 藻类颗粒物大大降低, CDOM保持平稳.两流域产生差异的主要原因之一是伊洛河和浑太河流域纬度的差异导致温度的不同, 从而影响浮游植物的生长状况; 原因之二是两流域周边土地利用类型不同, 导致外源物质输入有所差异.
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图 5 PAR范围各组分对总吸收系数的相对贡献率 Fig. 5 Relative contribution rate of the absorption coefficient of each component to total absorption coefficient |
4 结论
(1) 两流域总悬浮颗粒物的吸收光谱与非藻类颗粒物的吸收光谱相似, 但总悬浮颗粒物的组成和含量均存在很大的空间差异.
(2) 两流域非藻类颗粒物以外源输入为主, 通过Sd的对比分析发现伊洛河和浑太河水体非藻类颗粒物中矿物颗粒物的含量较其他一般水体要低.
(3) 伊洛河流域aph(440)/aph(675)的变化幅度高于浑太河流域, 说明同一季节浮游植物中辅助色素与Chla浓度的组成存在显著的空间差异性.通过与已有研究的蓝红比的对比分析, 发现两流域浮游植物色素较单一, 以Chla为主.
(4) 伊洛河水体的CDOM的相对分子质量Mr变化幅度较大, 但均值较小, 表明伊洛河水体的颗粒物差异较大, 浑太河水体趋近于小分子颗粒物.
(5) 两流域水体各组分在不同的波段范围内相对贡献率不同, 但均是非藻类颗粒物主导总吸收.
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