遼河水體光學(xué)吸收特性的季節(jié)變化

邵田田，宋開山，丁　智，趙　瑩，王　銘，杜　嘉，張　柏

1 中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所， 長春　130102 2 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京　100049 3 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所， 北京　100101

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遼河水體光學(xué)吸收特性的季節(jié)變化

邵田田1,2，宋開山1,*，丁智3，趙瑩1，王銘1，杜嘉1，張柏1

1 中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所， 長春130102 2 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京100049 3 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所， 北京100101

摘要:吸收特性是水體重要的光學(xué)特性，也是建立生物光學(xué)模型的基本參數(shù)。利用2013年5月和9月遼河流域水體實(shí)測數(shù)據(jù)對總懸浮顆粒物、浮游植物、非藻類顆粒物以及有色溶解有機(jī)物(CDOM)的吸收特性、季節(jié)變化進(jìn)行了研究。研究表明，總顆粒物的吸收光譜曲線與非藻類顆粒物的吸收光譜基本保持一致并且與非藻類顆粒物的吸收[ad(λ)]以及浮游植物的吸收[aph(λ)]都呈現(xiàn)顯著相關(guān)。兩個(gè)季節(jié)，ad(440)均是總吸收的主要組成部分，CDOM的吸收[aCDOM(440)]則大于aph(440)的貢獻(xiàn)率，但9月ad(440)的吸收所占比例較5月高。遼河水體非藻類顆粒物中礦物顆粒物的含量較其他一般水體要高。通過分析5月及9月的aph(440)/aph(675)發(fā)現(xiàn)浮游植物中輔助色素與葉綠素a濃度(Chla)的組成季節(jié)性變化不大，但其空間特征表現(xiàn)較為明顯。另外，CDOM的吸收特性與非藻類顆粒物的吸收相似，呈現(xiàn)出較大的空間差異性；遼河SCDOM基本小于其它河流、湖泊、河口等水體，其CDOM主要由大分子物質(zhì)組成。

關(guān)鍵詞：遼河；吸收特性；顆粒物；CDOM；季節(jié)變化

水體光學(xué)活性物質(zhì)(OpticallyActiveConstituents,OACs)的固有光學(xué)特性(InherentOpticalProperties,IOPs)具有不受光照條件影響的優(yōu)點(diǎn)，是基于水體輻射傳輸理論的生物光學(xué)模型反演各種水質(zhì)參數(shù)的基礎(chǔ)，具有嚴(yán)格的物理意義，在水色遙感中有著重要作用[1-2]。

內(nèi)陸水體的吸收系數(shù)和后向散射系數(shù)是水體的兩個(gè)主要固有光學(xué)參量[3]，其中固有光學(xué)吸收特性受4種物質(zhì)影響：純水、浮游植物、非藻類顆粒物和有色溶解有機(jī)物(ChromophoricDissolvedOrganicMatter,CDOM)。在指定波段，水體的總吸收系數(shù)等于各組分在該波段的吸收系數(shù)之和[4]，即a=aw+aph+ad+aCDOM，其中aw、aph、ad和aCDOM分別代表4種相應(yīng)物質(zhì)的吸收系數(shù)。純水對光的衰減是所有水體都共有的[5]，因此水體固有光學(xué)吸收特性主要受制于非藻類顆粒物、浮游植物和CDOM的光譜吸收，而作為水體的固有光學(xué)特性，三者是水色遙感的生物-光學(xué)模式、光輻射傳輸、初級生產(chǎn)力估算和生態(tài)過程模擬的基本參數(shù)[5]。不同于Ⅰ類大洋水體，在近岸的Ⅱ類水體和內(nèi)陸的湖泊水體中，由于陸源的非藻類顆粒物和CDOM的大量輸入，導(dǎo)致水體的固有光學(xué)特性不再僅由浮游植物所決定[6-7]。大量研究都比較集中于海洋Ⅰ類水體、國外內(nèi)陸水體以及國內(nèi)富營養(yǎng)化較為嚴(yán)重的長江中下游的內(nèi)陸湖泊[5, 8-9]，少量研究集中于石頭口門水庫[10]、官廳水庫[7]、千島湖[11]等污染較輕或者很純凈的水體，而對于河流水體固有光學(xué)吸收特性的研究相對較少[12]。河流作為連接大洋水體和內(nèi)陸水體的紐帶，其固有光學(xué)特性不同于內(nèi)陸湖泊，也不同于近岸II類水體。

遼河水系流經(jīng)沈陽、撫順、鞍山、本溪等大中型工業(yè)城市，隨著工農(nóng)業(yè)和大城市的迅速發(fā)展，人為因素對遼河流域水環(huán)境的影響越來越大，所產(chǎn)生的危害也逐年增加，使遼河處于較為嚴(yán)重的污染狀態(tài)[13- 14]，從而影響水體的固有光學(xué)吸收特性。因此作為東北地區(qū)南部向海輸入的主要途徑，河流中的總懸浮顆粒物吸收(非藻類顆粒物和浮游植物)、CDOM的吸收將會(huì)影響遼河口以及渤海灣水體的固有特性，為更好的全面理解內(nèi)陸水體提供支持?jǐn)?shù)據(jù)，也為生物光學(xué)模型的發(fā)展和完善提供重要借鑒。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

遼河流域位于中國東北地區(qū)南部(116° 30′—125° 47′E, 38° 43′—45°N)，流域面積為22.9×104km2。流域由2個(gè)獨(dú)立水系所組成：一為東、西遼河，于福德店匯流為遼河干流，經(jīng)雙臺子河由盤山入海，全長1.39×103km；另一水系為渾河、太子河于三岔河匯合后經(jīng)大遼河由營口入海，全長415.4km。該區(qū)氣候?qū)儆诎霛駶?半干旱的溫帶氣候區(qū)，溫度由南向北降低(4—7 °C)，而降水量則自東向西遞減(350—1000mm)。遼河流域包括東、西遼河流域、遼河干流流域以及渾太河流域。而本文的研究區(qū)同時(shí)還包括了大凌河流域，主要是因?yàn)榇罅韬釉谶|東灣注入渤海，與遼河流域相接，聯(lián)系密切。因此，在本文中所涉及到的遼河流域均是指包括大凌河在內(nèi)的區(qū)域。大凌河位于遼寧省西部，是遼寧省西部最大的河流，全長397km，流域面積2.35×104km2。

1.2野外樣品的采集

于2013年5月(春季)、2013年9月(秋季)對遼河流域主要河流相同位置點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)采樣，每次采集40組，共計(jì)80組數(shù)據(jù)進(jìn)行遼河水體固有光學(xué)吸收特性及季節(jié)性變化的分析，具體采樣點(diǎn)位置如表1所示。

在采樣過程中，每個(gè)樣點(diǎn)采集2.5L水樣并立刻放在車載冰箱里冷藏，送至實(shí)驗(yàn)室測量其光學(xué)參數(shù)等，整個(gè)測試過程需要2—3d。

1.3固有光學(xué)特性物質(zhì)吸收的測定

總懸浮物的吸收系數(shù)采用定量濾膜技術(shù)(QFT：quantitativefilttertechnique)進(jìn)行測定[15]，用直徑25mm的GF/F(Whatman)濾膜過濾一定體積的水樣，在UV-2600紫外分光光度計(jì)下測定其380—800nm吸光度，并將各波段的吸光度減去750nm波長處的吸光度來消除儀器間的差異，然后根據(jù)式(1)計(jì)算總懸浮物的吸收系數(shù):

(1)

式中，ap(λ)為λnm處總懸浮物的吸收系數(shù)，V為過濾的水樣的體積(m3)，S為過濾留在濾膜上的有效面積(m2)。

非藻類顆粒物的吸收是利用UV-2600紫外分光光度計(jì)測得非藻類顆粒物的吸光度，然后根據(jù)式(1)計(jì)算其吸收系數(shù)。在非藻類顆粒物的吸收測定之前，需要用0.1%的次氯酸鈉浸泡濾膜，將濾膜上的色素溶解，并使用空白濾膜作為參比，測得其吸光度。浮游植物的吸收系數(shù)aph(λ)則是通過總懸浮物吸收系數(shù)減去非藻類顆粒物吸收系數(shù)所得到:

aph(λ)=ap(λ)-ad(λ)

(2)

CDOM吸收系數(shù)的測定是通過0.22μm的微孔聚碳酸酯膜過濾水樣后，利用UV-2600紫外分光光度計(jì)測得200—800nm的吸光度，然后根據(jù)式(3)計(jì)算各波長的吸收系數(shù)。

aCDOM(λ′)=2.303OD(λ)/l

(3)

式中，a(λ′)為未校正的吸收系數(shù)(m-1)；D(λ)為吸光度；l為光程路徑(m)。為消除過濾液中殘留細(xì)小顆粒物的散射，本文用750nm處吸收系數(shù)進(jìn)行校正[16]，得到校正后的吸收系數(shù)(m-1):

aCDOM(λ)=aCDOM(λ′)-aCDOM(750)(λ/750)

(4)

1.4其他參數(shù)的獲取

葉綠素a(Chlorophylla,Chla)濃度通過90%的丙酮溶液萃取，并用UV-2600紫外分光光度計(jì)分別測得630、647、664和750nm處的吸光度，計(jì)算出葉綠素a的濃度[17]?？倯腋☆w粒物濃度(TSM)、無機(jī)顆粒物濃度(ISM)、有機(jī)顆粒物濃度(OSM)的測定采用稱重法獲得。溶解有機(jī)碳(DOC)濃度的測試基于總有機(jī)碳分析儀(日本島津，TOC-VCPN)獲得。

1.5S值的獲取

SCDOM是CDOM吸收曲線的斜率，可以反映CDOM組成分子的大小，表征CDOM的來源[18-19]。對于SCDOM的獲得主要基于吸收波譜波段以及擬合方法的選擇[20-21]。本研究選擇常用波段范圍280—400nm、280—320nm以及350—400nm，根據(jù)式(5)采用非線性擬合方法進(jìn)行S值的求算:

aCDOM(λ)=aCDOM(λ0)exp[SCDOM(λ0-λ)]

(5)

式中，aCDOM(λ)是CDOM在特定波長的吸收系數(shù)(m-1)；aCDOM(λ0)是參考波段(通常選擇440nm)的吸收系數(shù)(m-1)。

另外，對于II類水體來說，可以用式(6)表示非藻類顆粒物在波長λ處的吸收系數(shù)[7]。

ad(λ)=ad(λ0)exp[Sd(λ0-λ)]

(6)

其中，ad(λ)表示非藻類顆粒物在波長λ的吸收系數(shù)(m-1)；λ0是參照波長，一般取440nm；Sd是指數(shù)函數(shù)曲線斜率參數(shù)(μm-1)。本文采用最小二乘法擬合，建立非藻類顆粒物在400—700nm吸收模型。

2結(jié)果與分析

2.1總懸浮顆粒物吸收特征

春、秋季遼河采樣點(diǎn)的總懸浮顆粒物吸收系數(shù)(ap(λ))、非藻類顆粒物吸收系數(shù)(ad(λ))、浮游植物吸收系數(shù)(aph(λ)的吸收光譜曲線如圖1所示。

同時(shí)對比圖1和表2可以發(fā)現(xiàn)，同一季節(jié)不同位置點(diǎn)ap(λ)的差異很大；不同季節(jié)相同采樣點(diǎn)ap(λ)差異性也比較大，9月的吸收明顯高于5月。但是從曲線的形狀來看，不同季節(jié)所有采樣點(diǎn)的吸收系數(shù)大致隨波長的增加呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，但在675nm附近存在不太明顯的葉綠素a的吸收峰，這與浮游植物在該波段的特征吸收有關(guān)；而在另一個(gè)浮游植物特征吸收波段440nm則觀察不到吸收峰，這主要是因?yàn)榉窃孱愵w粒物的吸收在總懸浮顆粒物的吸收中占有絕對優(yōu)勢(圖1)，除675nm附近的浮游植物強(qiáng)吸收波段外，非藻類顆粒物吸收在其他波段的吸收要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于浮游植物，致使浮游植物的吸收特征在總懸浮物的吸收中表現(xiàn)不明顯。河流的流動(dòng)性影響沉積物發(fā)生再懸浮，使得本文樣品的總懸浮顆粒物的吸收曲線更接近于非藻類顆粒物的吸收，而這種顆粒物吸收類型的曲線經(jīng)常出現(xiàn)在無機(jī)顆粒物濃度高的河流、河口、沿岸帶等Ⅱ類水體[22-23]。

本文將ap(440)、ap(675)、ad(440)、ad(675)、aph(400)、aph(675)以及aCDOM(440)與水質(zhì)參數(shù)TSM、ISM、OSM、Chla和DOC濃度進(jìn)行相關(guān)分析(表3)。可以看出，5月和9月，總懸浮顆粒物的吸收與非藻類顆粒物的吸收都具有很強(qiáng)的相關(guān)性，特別是在440nm，相關(guān)系數(shù)均達(dá)0.99；ap(440)與aph(440)雖呈顯著性相關(guān)，但相關(guān)性較弱；而ap(675)與aph(675)相關(guān)系數(shù)分別為0.81(5月)和0.55(9月)，呈顯著相關(guān)；另外，ap(440)和ap(675)與TSM呈現(xiàn)顯著相關(guān)，ap(675)與Chla也表現(xiàn)出顯著正相關(guān)?？倯腋☆w粒物的吸收與ISM、OSM在9月份表現(xiàn)出顯著正相關(guān)，而5月份不存在相關(guān)性。另外，兩個(gè)季節(jié)，總顆粒物的吸收與DOC未表現(xiàn)出相關(guān)性。

2.2非藻類顆粒物的吸收特征

水體中非藻類懸浮顆粒物主要包括礦物沉積物、非活性有機(jī)體(如排泄物、退化的藻類細(xì)胞等)以及非藻類活性有機(jī)體[20]，因此其吸收特性主要由礦物顆粒物與有機(jī)物所決定。遼河水體ad(λ)隨著波長的增加呈指數(shù)遞減(圖1)，ad(440)和ad(675)的變化范圍呈現(xiàn)出較大的空間差異性(表2)。

表2不同季節(jié)總懸浮物[totalsuspendedparticulate, ap(λ)]、非藻類顆粒物[non-algalparticles, ad(λ)]以及浮游植物[phytoplankton, aph(λ)]的統(tǒng)計(jì)分析

Table2Statisticalanalysisofabsorptionoftotalsuspendedparticulate[ap(λ)],non-algalparticles[ad(λ)]andphytoplankton[aph(λ)]indifferentmonths

ap(λ): 總懸浮物Totalsuspendedparticulate;ad(λ): 非藻類顆粒物non-algalparticlesabsorption;aph(λ): 浮游植物phytoplankton

許多實(shí)測數(shù)據(jù)模擬表明，不同波段的非藻類吸收系數(shù)之間存在一定的關(guān)系。我們選擇在水色遙感中較為重要的440nm為參考波段，采用最小二乘法擬合，建立非藻類顆粒物的吸收模型(圖2)。可以看出，兩期數(shù)據(jù)典型樣點(diǎn)的模擬值與實(shí)測值之間的吻合度非常好，非線性擬合的決定系數(shù)均大于0.99，所有樣點(diǎn)決定系數(shù)均大于0.95。遼河水體5月份ad(λ)在400—700nm按指數(shù)衰減規(guī)律擬合得到斜率Sd值的變化范圍為10.40—13.24μm-1，均值為11.14μm-1；而9月份ad(λ)的Sd變化范圍8.51—13.06μm-1，均值為11.26μm-1。

與國內(nèi)其它研究相比，遼河Sd高于官廳水庫(均值6.7μm-1)[7]，與巢湖(均值11.9μm-1)[24]、太湖(均值11.7μm-1)[5]、三峽水庫(均值11.5μm-1)[25]、石頭口門水庫(均值11.78μm-1，11.38μm-1)[10]的Sd值相近，而小于滇池(均值12.5μm-1)[26]和珠江口(均值12.0μm-1)[23]。Babin等[27]認(rèn)為，光譜斜率Sd的大小可能與非藻類顆粒物中所含的有機(jī)物與礦物顆粒的比例有關(guān)；而Binding等[20]則進(jìn)一步確定Sd的大小與礦物顆粒物濃度有關(guān)，斜率越小，其濃度越高。由此可見，遼河水體非藻類顆粒物中礦物顆粒物的含量較其他一般水體要高。

已有研究表明，對于大洋I類水體而言，由于其非藻類顆粒物主要來源于浮游植物的降解[23]，ad(λ)與Chla濃度存在較好的相關(guān)關(guān)系。而對于遼河流動(dòng)水體來說，ad(λ)與Chla濃度幾乎不存在相關(guān)性，與ISM、OSM以及DOC的相關(guān)性較差，但與TSM存在顯著相關(guān)性(表3)，結(jié)果與昆承湖的研究類似[28]。主要是因?yàn)閼腋∧嗌车汝懺葱詿o機(jī)質(zhì)輸入是遼河非藻類顆粒物的主要來源，而浮游植物的降解作用所占比例較小。另外本文對特定波段(400nm, 440nm, 510nm, 550nm, 675nm)的非藻類顆粒物的比吸收系數(shù)[ad(λ):TSM]進(jìn)行計(jì)算[23]，結(jié)果如表4?？梢钥闯?，ad(λ):TSM隨波長的增加而減小。遼河水體ad(λ):TSM的比值表現(xiàn)出較大的季節(jié)波動(dòng)性，9月份明顯高于5月份的均值，主要原因在于9月份ad(λ)較5月份大很多(表2，圖1)，而TSM較為相近，導(dǎo)致兩者的比值差距較大。另外對比前人研究發(fā)現(xiàn)，5月份遼河水體ad(λ):TSM近似于美國Erie湖的結(jié)果[23]，小于太湖；而9月份較太湖高出很多。

2.3浮游植物吸收特征

遼河水體浮游植物的吸收曲線變化較大(圖1)，反映了浮游植物吸收呈現(xiàn)較大差別的空間特征。另外，aph(λ)主要受水體中浮游藻類的濃度及種群組成的影響，隨葉綠素濃度的變化而變化。浮游植物在藍(lán)光波段的440nm附近和紅光波段的675nm附近存在兩個(gè)吸收峰(圖1)，是浮游植物的兩個(gè)特征吸收波段，675nm的吸收是葉綠素a作用的結(jié)果，而440nm的吸收則是葉綠素a和其他輔助色素的共同作用結(jié)果。因此藍(lán)光波段與紅光波段的比值[aph(440)/aph(675)]能在一定程度上反映輔助色素與葉綠素a濃度的組成比例[29]。本文5月aph(440)/aph(675)的變化范圍為0.14—5.35m-1(均值為2.08m-1)，9月aph(440)/aph(675)的變化范圍0.10—9.46m-1(均值為2.56m-1)，說明浮游植物中輔助色素與葉綠素a濃度的組成季節(jié)性變化不大。

**表示在0.01水平上顯著相關(guān)；*在0.05水平上顯著相關(guān)

ap(440), ap(675): 總懸浮物在440和675nm的吸收absorptionoftotalsuspendedparticulateat440and675nm; ad(440), ad(675): 非藻類顆粒物在440和675nm的吸收absorptionofnon-algalparticlesat440and675nm; aph(440), aph(675): 浮游植物在440和675nm的吸收absorptionofphytoplanktonat440and675nm; aCDOM(440): 有色溶解有機(jī)物在440nm的吸收absorptionofchromophoricdissolvedorganicmatter(CDOM);TSM: 總懸浮顆粒物濃度TotalSuspendedMatter;ISM: 無機(jī)顆粒物濃度InorganicSuspendedMatter;OSM: 有機(jī)顆粒物濃度OrganicSuspendedMatter;Chla: 葉綠素a濃度Chlorophylla;DOC: 溶解有機(jī)碳濃度DissolvedOrganicCarbon

5月及9月aph(440)、aph(675)的變化范圍及均值如表2所示，5月Chla的變化范圍為0.001—21.42μg/L，9月Chla的變化范圍為2.94—138.84μg/L。而據(jù)表3可知，遼河葉綠素a濃度與浮游植物吸收系數(shù)具有顯著正相關(guān)關(guān)系。前人研究結(jié)果表明浮游植物吸收系數(shù)與葉綠素a濃度存在線性或非線性關(guān)系，本文研究也證實(shí)了這種關(guān)系的存在。

2.4有色溶解有機(jī)物的吸收特征

CDOM的光譜吸收特征與非藻類顆粒物的吸收相似，在700nm之后基本為0，而在短波波段(280—500nm)呈指數(shù)增長(圖3)，并呈現(xiàn)出較大差異性。5月aCDOM(440)吸收范圍為0.37—2.21m-1，均值為0.94m-1，而9月份的變化范圍為0.33—3.09m-1(均值為1.03m-1)，兩期數(shù)據(jù)aCDOM(440)的最大值均出現(xiàn)在s6(新開河，隸屬西遼河)，而且濃度最高的幾個(gè)采樣點(diǎn)均位于西遼河流域，表現(xiàn)出較大的空間差異性。西遼河樣點(diǎn)濃度較高的主要原因是西遼河流域較為干旱，徑流量和降雨量較少，從而使河流中CDOM的濃度較高[30]。

CDOM是溶解有機(jī)物中有顏色的部分，因而在很多研究中都可以發(fā)現(xiàn)CDOM在特定波段的吸收系數(shù)與DOC濃度存在非常顯著的正相關(guān)[17, 19]。本文將aCDOM(440)與DOC濃度進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)兩者在5月和9月都存在顯著正相關(guān)，分別為0.55和0.90(表3)。DOC組成可以分為有色部分和無色部分，而當(dāng)DOC中無色的部分為常數(shù)或變化不大時(shí)，CDOM吸收系數(shù)則會(huì)與DOC濃度存在非常好的相關(guān)性[31]。遼河作為流動(dòng)水體，攜帶更多陸源的DOC，因而含有較多的有色DOC，無色DOC的含量相對較低，從而使遼河水體兩個(gè)季節(jié)CDOM吸收系數(shù)會(huì)與DOC濃度存在較強(qiáng)的相關(guān)性。而9月兩者的相關(guān)性較5月更高，原因在于2013年7、8、9月，遼河流域的強(qiáng)降雨導(dǎo)致河流徑流量增加，陸源DOC含量更高，因而9月相關(guān)性更強(qiáng)。

另外，本文將aCDOM(440)與其他組分及濃度進(jìn)行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，除與DOC具有顯著正相關(guān)外，與其他所有參量幾乎都不存在相關(guān)性(表3)。aCDOM(440)與Chla之間較差的相關(guān)性說明遼河水體中自生CDOM的影響較小，而與總懸浮物的相關(guān)性說明外源物質(zhì)對CDOM的影響也是有限，從而說明河流CDOM的來源及作用較為復(fù)雜。

SCDOM能夠反映水體中CDOM分子量的大小與來源，因此本文利用Matlab，基于最小二乘法對280—400nm、280—320nm以及350—400nm的吸收曲線進(jìn)行擬合求取斜率值，如圖4所示。可以看出，SCDOM隨采樣位置點(diǎn)的空間變化而發(fā)生變化，但是5月與9月的S280—400、S280—320以及S350—400值隨采樣點(diǎn)空間位置的變化較為一致，這說明遼河水體SCDOM受季節(jié)變化影響不大，跟采樣點(diǎn)所處的地理位置與環(huán)境條件有關(guān)。

本文對三個(gè)波段指數(shù)函數(shù)斜率值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表5)并與前人的研究進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)結(jié)果與河流較為相近，而低于湖泊、河口的SCDOM。如Spencer等[32]對美國河流的CDOM進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)的河流S350—400值在0.0165—0.0183nm-1內(nèi)變化，而所有河流的最大值為0.020nm-1，最小值為0.0160nm-1，稍大于遼河水體；Chen等[12]發(fā)現(xiàn)長江S350-400值在0.0121—0.0236nm-1之間變化，均值為0.0148nm-1，低于遼河水體；Zhang等[33]發(fā)現(xiàn)長江中下游淺型湖泊S280—400的均值為0.02nm-1，大于本文5月份和9月份的值；劉忠華等[9]通過對太湖春季水體的研究發(fā)現(xiàn)其S280—320在0.0170—0.0268nm-1之間變化，均值為0.0203nm-1，明顯大于遼河。因此，相對于其他河流與湖泊，遼河CDOM組成中大分子較多，這與遼河流域水土流失嚴(yán)重，水體攜帶較多的陸源DOM關(guān)系密切。

2.5光學(xué)活性物質(zhì)對總吸收的貢獻(xiàn)

決定內(nèi)陸水體光吸收特性的物質(zhì)主要有純水、浮游植物、非藻類顆粒物、CDOM四種。在給定波段，內(nèi)陸水體總的吸收系數(shù)等于各組分在該波段各組分的吸收系數(shù)之和，其中，純水的吸收是固定的[34]。本文對440nm處各種組分對總吸收的貢獻(xiàn)進(jìn)行分析，由于純水在440nm處的吸收非常小，僅有0.00635m-1，因此文中所指的總吸收將忽略純水的吸收(圖5)。

可以看出，兩個(gè)月份非藻類顆粒物的吸收在總吸收中占據(jù)主導(dǎo)地位。5月有38個(gè)采樣點(diǎn)的非藻類顆粒物吸收的貢獻(xiàn)率在40%以上，32個(gè)樣點(diǎn)的貢獻(xiàn)率在50%以上，平均貢獻(xiàn)率為67.46%；浮游植物的吸收對總吸收的貢獻(xiàn)率較非藻類顆粒物的吸收低很多，平均貢獻(xiàn)率僅為14.45%；CDOM的吸收對總吸收的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)小于非藻類顆粒物，但大于浮游植物的吸收，平均貢獻(xiàn)率為18.09%。相對于5月，9月的非藻類顆粒物的吸收的貢獻(xiàn)率更高，除有一個(gè)采樣點(diǎn)的貢獻(xiàn)率為32.01%外，其余所有樣點(diǎn)的貢獻(xiàn)率都在50%以上，最高達(dá)到96.09%；浮游植物的吸收貢獻(xiàn)率基本上低于20%，平均貢獻(xiàn)率為9.54%；CDOM的平均貢獻(xiàn)率10.27%，略大于浮游植物的吸收。由此可以看出，影響遼河春、秋季水體吸收特性的主要因素是非藻類顆粒物，而浮游植物和CDOM的影響相對較小，主要原因是遼河春季水體中葉綠素濃度相對較低，非藻類顆粒物是總懸浮物的主要組成部分；而由于7—9月降雨量的急劇增加，使地表徑流增加，從而使得非藻類顆粒物的含量較高，其吸收貢獻(xiàn)率較5月有所增加。

3結(jié)論

本文通過遼河水體不同月份固有光學(xué)特性的分析，得到如下結(jié)論：

(1)遼河總顆粒物的吸收光譜曲線基本與浮游植物吸收光譜一致，并且具有很強(qiáng)的空間差異性；總顆粒物的吸收與非藻類顆粒物的吸收以及浮游植物的吸收都呈現(xiàn)顯著相關(guān)。兩個(gè)季節(jié)，非藻類顆粒物在440nm的吸收是總吸收的主要組成部分，而aCDOM(440)則大于aph(440)的吸收。9月非藻類顆粒物的吸收所占比例較5月高。

(2)通過非藻類顆粒物吸收斜率的對比分析發(fā)現(xiàn)遼河水體非藻類顆粒物中礦物顆粒物的含量較其他一般水體要高。

(3)兩季節(jié)的aph(440)/aph(675)的變化范圍比較相近(5月均值為2.08m-1，9月為2.56m-1)，說明浮游植物輔助色素與葉綠素a濃度的組成季節(jié)性變化不大；而同一季節(jié)隨采樣點(diǎn)變化較大，說明其空間特征表現(xiàn)較為明顯。

(4)遼河CDOM吸收斜率(SCDOM)基本小于其他水體(河流、湖泊、河口)，說明其CDOM的組成主要是大分子物質(zhì)，與河流攜帶較多的陸源DOM關(guān)系密切。

致謝：感謝中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所水環(huán)境遙感學(xué)科組碩士研究生關(guān)瑩、劉蕾、李思佳在數(shù)據(jù)采集與室內(nèi)分析中給予的幫助；感謝馬建行師弟在數(shù)據(jù)分析中給予的幫助和支持。

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AbsorptioncharacteristicsandseasonalvariationsofopticallyactivewaterconstituentsfromLiaoheRiver

SHAOTiantian1, 2,SONGKaishan1,*,DINGZhi3,ZHAOYing1,WANGMing1,DUJia1,ZHANGBai1

1 Northeast Institute of Geography and Agroecology, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130102, China 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China 3 Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China

KeyWords:LiaoheRiver;absorptioncharacteristics;particulates;CDOM;seasonalvariations

Abstract：Theabsorptioncharacteristicsofopticallyactiveconstituents(OACs)inwatercolumnareimportantopticalpropertiesandkeyparametersforbio-opticalmodeling.Inherentopticalproperties(IOPs)ofOACsaremainlydeterminedbythreecomponents,i.e.,thespectralabsorptionofnon-algalparticles,phytoplanktonandchromophoricdissolvedorganicmatter(CDOM).Spectralabsorptionproperties,seasonalandspatialvariabilityofparticulates(totalsuspendedmatters(TSM),includingphytoplanktonandnon-algalparticles)andCDOMabsorptioncharacteristicwereanalyzedfromwatersamplescollectedinMayandSeptember2013,respectively.CompositionsofCDOMandnon-algalparticleswerealsoexaminedatthesametime.Theresultsdemonstratedthatmostabsorptioncurvesofthetotalsuspendedparticulate[ap(λ)]weresimilartonon-algalparticlesabsorption[ad(λ)],showinggreatvariationsalongtheLiaoheRiverobservedatthesametime.Significantcorrelationswereobtainedbetweenap(λ)andad(λ),especiallythecorrelationsbetweenap(440)andad(440) (R=0.99bothinMayandSeptember).Meanwhile,strongrelationshipsbetweenap(λ)andtheabsorptionofphytoplankton[aph(λ)]wereexhibitedat675nm,withcorrelationcoefficient(R)=0.81inMayandR=0.55inSeptember,respectively.Moreover,closerelationshipsbetweenapandTSMatboth440and675nmwererevealedwhilesignificantcorrelationswereobtainedbetweenap(675)andchlorophylla(Chla)forsamplescollectedinbothseasons.Accordingtoourinvestigation,nosignificantrelationshipswereexhibitedbetweenap(λ)anddissolvedorganiccarbon(DOC).Acloserelationshipsbetweenap(λ)andinorganicsuspendedparticulate(ISM)andorganicsuspendedparticulate(OSM)wererecordedinSeptember,whileitwasnotthecaseforsamplesinMay.SignificantcorrelationswerealsoyieldedbetweenCDOMandDOCconcentrationforsamplescollectedinSeptember(R=0.90)at440nm,whichwashigherthanthatinMay(R=0.55).Moreover,contentofmineralparticulatesinLiaoheRiverwashigherthanmostotherwaterbodiesbasedontheanalysisofslopesofnon-algalparticlesabsorptions.ThecompositionofauxiliarypigmentsandChlaconcentrationinphytoplanktonshowedsmallseasonalvariationsbutgreatspatialvariabilityasindicatedbytheratioofaph(440)/aph(675).Furthermore,absorptioncharacteristicsofCDOMexhibitedsimilarcurveswithnon-algalparticles,howevershowedgreatvariabilityamongdifferentsamplingsites.Inaddition,CDOMabsorptionslopes(SCDOM)oftheLiaoheRiver,thoughexhibitinggreatlyspatialvariations,weresmallerthanotherwaterbodies,whichindicatedthattheCDOMcompositionofLiaoheRiverwasincliningtohavehighmolecularweight.Ourinvestigationindicatedthatthetotalparticulateabsorptionwasdominatedbythenon-algalparticlesat440nmbothinMayandSeptember.Theaveragecontributionrateofnon-algalparticlesis67.46%inMay,whilefor97.5%ofwatersamples,thecontributionrateofnon-algalparticlesreachesupto50%inSeptember.Consequently,contributionrateofnon-algalparticlesat440nminSeptemberwashigherthanthatinMayforthehighprecipitationwhilecontributionrateofaCDOM(440)waslitterhigherthanthatofaph(440)inbothmonths.

基金項(xiàng)目:國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(2013CB430401); 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41471290)

收稿日期:2014- 09- 10; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 04- 16

*通訊作者

Correspondingauthor.E-mail:songks@iga.ac.cn

DOI:10.5846/stxb201409101787

邵田田，宋開山，丁智，趙瑩，王銘，杜嘉，張柏.遼河水體光學(xué)吸收特性的季節(jié)變化.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(7):1861- 1871.

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