东中国海水体悬浮颗粒物的光谱吸收特征研究

魏兰苏 孙德勇 李楠

【摘 要】深入了解水体光谱吸收特征，对于建立水色遥感光学模型，提高水色遥感的定量反演精度具有重要作用。本文结合2016年9月以及12月两班航次的实测数据，计算并比较东中国海三个海域的悬浮颗粒物的吸收系数、比吸收系数，再结合叶绿素a浓度及总悬浮颗粒物浓度对吸收特征进行分析。分析结果表明，总悬浮颗粒物的光谱吸收特性、比吸收特性均与浮游藻类颗粒物的类似，其在波段440nm和675nm有明显的吸收峰，非藻类颗粒物吸收系数随波长增加而不断减小；从整体上来看，渤海的吸收系数最大，黄海次之，东海最小。

【关键字】东中国海；悬浮颗粒物；吸收特征；比吸收特征

中图分类号： P733.3 文献标识码： A 文章编号： 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、渤海和黄海的光学性质不仅受到浮游植物及其降解物的影响，还与溶解物质与陆源性悬浮颗粒物有关[1]，因此这三个海域均为典型的Ⅱ类水体，总悬浮颗粒物的浓度较高[8]。悬浮颗粒物影响着海水固有光学特性的变化，同时也在沿岸水域中起到重要作用[2-3]。除此之外，悬浮颗粒物中的浮游藻类物质通过光合作用固定光能，从而影响水体的初级生产力[4]。悬浮颗粒物的光谱吸收特性通常由吸收系数表征，是水色遥感中的一个关键参数。因此，准确测量水体中悬浮颗粒物光谱吸收系数，并研究悬浮颗粒物的光谱吸收特性，对于建立水色遥感光学模型、初级生产力估算和模拟生态过程具有重要意义[5]。

吸收系数是固有光学量之一，国内外已有较多针对水体悬浮颗粒物吸收特征的研究。朱建华等学者[25]在对黄东海海区的研究中发现总悬浮颗粒物与浮游植物色素吸收系数光谱曲线相似，并得到浮游植物是悬浮颗粒物的主要组成部分，非色素吸收系数光谱呈e指数衰减趋势的结论；王桂芬等学者[26]在对南海北区的研究中，发现表层水体的非藻类颗粒物吸收系数与总悬浮颗粒物浓度有线性关系；Wang Yuan-Dong等学者[1]在对查干湖的研究中发现总悬浮颗粒物与非色素颗粒物光谱吸收水平较高，浮游藻类吸收系数与叶绿素a浓度存在幂函数关系，浮游藻类比吸收系数与叶绿素a存在非线性关系；孙德勇等学者[5]在对太湖梅梁湾的研究中发现，非藻类颗粒物的光谱吸收系数随波长的变化遵循指数衰减规律，浮游藻类颗粒物吸收与叶绿素a浓度有关。

结合前人的研究，本文通过研究总悬浮颗粒物、浮游藻类颗粒物、非藻类颗粒物的光谱吸收特性与比吸收特性，同时结合叶绿素a浓度和总悬浮颗粒物浓度，进一步分析其与浮游藻类颗粒物和总悬浮颗粒物光谱吸收特征的关系，得到东中国海的光谱吸收特征。

1 数据与方法

1.1 数据获取方法

1.1.1 测量站位

本文的研究数据来源于2016年9月以及12月的国家自然科学基金委员会的公开航次。每个站位主要针对水体的吸收系数、悬浮颗粒物浓度、悬浮颗粒物粒径、散射系数、后向散射系数等参量展开测量。航次站位分布分别如图1所示。

1.1.2 吸收系数的测量

目前我国测定水体悬浮颗粒物吸收系数大多采用 T方法[6]。T方法无法解决水样的滤膜后向散射问题，同时东中国海近岸水体浑浊度高，测量结果会产生较大误差。因此，为了解决散射等参数造成的问题，本文采用T-R方法，测量水样中滤膜的透射率和反射率，可以明显降低散射等参数造成的问题。

将含有样品的滤膜浸入甲醇溶液中[27]，对其进行处理直至将膜上的色素都萃取出来并去除。此时，只剩下非藻类颗粒物留在膜上，用同样的方式得到非藻类颗粒物的吸收系数ad（λ）。而浮游藻类颗粒物的吸收系数aph（λ）则凭据线性叠加原理，可以通过总悬浮物颗粒物的吸收系数ap（λ），减去非藻类颗粒物的吸收系数ad（λ）的光谱吸收系数计算得到[17]。

1.1.3 悬浮颗粒物浓度的测量

悬浮颗粒物的浓度（TSM）根据“海洋监测规范”称量得到[20]。将总悬浮颗粒物的质量与水样的体积相除，即可得到总悬浮物浓度[19]，总悬浮颗粒物的浓度的计算公式如下：

1.1.4 叶绿素a浓度的测量

本文中采用萃取的方法测定海水中叶绿素a（chl-a）的浓度，首先在抽滤装置的滤器中放入滤膜（玻璃纤维滤膜或混合纤维酯微孔滤膜）。抽滤后，用镊子小心拿出滤膜，将其对折（向里的一面有藻类样品），接着使用滤纸对其吸压，除去滤纸上的水分。然后将滤膜静置在100%的二甲基甲酰胺（DMF）溶液中，在0℃的条件下萃取24h后，将膜取出，放入Trilogy荧光仪中测出荧光值，利用标定的曲线，即可得到叶绿素a的浓度[21]。

1.1.5 比吸收系数的测量

目前已有的对海洋水体中非藻类颗粒物的比吸收特征的研究中，发现总悬浮颗粒物的比吸收系数a*p（λ）与总悬浮颗粒物的浓度（TSM）有关，它的比吸收系数a*p（λ）可由计算得到，满足以下公式：

2 结果与分析

2.1 悬浮颗粒物的吸收特征

2.1.1 总悬浮颗粒物的吸收光谱特征

水体中，悬浮颗粒物的光谱吸收由两部分组成：浮游藻类颗粒物吸收和非藻类颗粒物吸收。受这两部分影响大小和方面不同，悬浮颗粒物会呈现出不同的特性。东海、渤海、黄海的总悬浮颗粒物的吸收光谱曲线如图2所示，三个海域的曲线都在440nm和675nm左右出现吸收峰，在600nm附近吸收系数达到最低值[24]，675nm波段附近比440nm波段附近的吸收峰更加明显，可能是因为非藻类颗粒物对吸收系数的影响在440nm处不明显。同时，吸收系数的大小也受到不同海域的影响，东海、渤海和黄海的ap（440）分别为0-0.25m-1、0-0.4m-1、0-0.375m-1，ap（675）分别为0-0.15m-1、0-0.175m-1、0-0.15m-1，由此可以看出：总体上渤海的总悬浮颗粒物吸收系数最大，黄海次之，东海最小，可能是由于渤海的浮游藻类颗粒物的含量较高且无机颗粒物含量较低。

对三个海域的ap（440）与总悬浮颗粒物浓度做统计分析，发现海域之间存在差异，结果表明渤海和黄海的总悬浮颗粒物吸收系数与其浓度存在正相关，而东海则存在负相关，但三个海域二者的相关性均不大，可以说明渤海和黄海海域的总悬浮颗粒物吸收系数均随其浓度的增加而增大，而东海海域则存在减小的趋势。

2.1.2 浮游藻类颗粒物的吸收光谱特征

浮游植物通过光合作用固定光能，從而影响水体的初级生产力。东海、渤海、黄海的浮游藻类颗粒物的吸收光谱曲线与总悬浮颗粒物趋势和形状大致类似，但比总悬浮颗粒物的变化更加明显，且在675nm处浮游藻类颗粒物与总悬浮颗粒物吸收系数较为接近。再看不同海域对吸收系数的影响，东海、渤海和黄海的aph（440）分别为0.025-0.15m-1、0.025-0.325m-1、0.025-0.225m-1，aph（675）分别为0.01-0.075m-1、0-0.2m-1、0-0.15m-1，从结果可以分析出：渤海的浮游藻类颗粒物吸收系数最大，黄海次之，东海最小[23]，且渤海的浮游藻类颗粒物吸收系数变化范围在三个海域中最大，可能是由于渤海为瓶颈式的半封闭内海，又与多条河流相连，自然资源丰富，浮游藻类颗粒物浓度较高[28]。

浮游藻类吸收系数会受到叶绿素a浓度的影响并随其变化，因此对三个海域的aph（440）与叶绿素a浓度做统计分析（图3），结果得到东海、渤海和黄海的浮游藻类颗粒物吸收系数与叶绿素a浓度均有较好的正相关性，即三个海域的浮游藻类吸收系数均随着叶绿素a浓度增加有增大的趋势。其中，叶绿素a的浓度变化与水体营养状态变化有关。

2.1.2 非藻类颗粒物的吸收光谱特征

非藻类颗粒物包括水体矿物沉积、藻类细胞降解物、排泄物、非色素有机物等。三个海域的非藻类颗粒物吸收系数ad随波长的增加而不断减小。东海、渤海和黄海的ad（440）分别为0-0.15m-1、0-0.3m-1、0-0.14m-1，渤海的非藻类颗粒物吸收系数为三个海域中最高，黄海次之，东海最小，可能是因为渤海含有较多来自内陆的无机颗粒物，导致非藻类颗粒物浓度较高，微生物分解活动加强[24]。

2.2 悬浮颗粒物的比吸收光谱特征

2.2.1 总悬浮颗粒物的比吸收光谱特征

总体上三个海域的总悬浮颗粒物的比吸收系数a*p与吸收系数ap曲线特征相似。不同海域对比吸收系数的影响不同，东海、渤海和黄海的a*p（440）分别为0.01-0.13m2·mg-1、0-0.08m2·mg-1、0-0.0065m2·mg-1，a*p（675）分别为0-0.06m2·mg-1、0-0.03m2·mg-1、0-0.03m2·mg-1，总体上三个海域的总悬浮颗粒物比吸收系数相差不大。

对三个海域440nm处的总悬浮颗粒物比吸收系数a*p（440）与总悬浮颗粒物浓度做统计分析，从结果可以看出：在渤海和黄海海域，a*p（440）与总悬浮颗粒物的浓度间没有明显的相关性，而东海海域则存在正相关，说明渤海和黄海的总悬浮颗粒物的比吸收系数相对较为恒定，东海海域的总悬浮颗粒物吸收系数随其浓度的增加而增加。

2.2.2 浮游藻类颗粒物的比吸收光谱特征

地区、季节、环境的差异会造成叶绿素a浓度和浮游植物吸收光的能力变化，从而影响浮游藻类颗粒物的比吸收系数a*ph[23]。东海、渤海和黄海的浮游藻类颗粒物与总悬浮颗粒物的光谱比吸收系数曲线相似，东海、渤海和黄海的a*ph（440）分别为0.03-0.09m2·mg-1、0.035-0.09m2·mg-1、0.025-0.075m2·mg-1，a*ph（675）分别为0.015-0.04m2·mg-1、0.02-0.04m2·mg-1、0.015-0.035m2·mg-1，总体上东海、渤海、黄海的浮游藻类比吸收系数无明显差异，表明这三个海域的营养水平相近。

当叶绿素a浓度增加时，有时会产生色素包裹效应。对三个海域的浮游藻类颗粒物比吸收系数a*ph与叶绿素a浓度做统计分析（图4），a*ph（440）与叶绿素a的浓度间存在微弱的相关性，虽然三个海域浮游藻类比吸收系数随叶绿素a浓度增加均有减小的趋势，但浮游藻类颗粒物比吸收系数相对较为恒定。这是由于海水营养程度的增加，使得浮游植物色素浓度的增加更加明显，促进了色素的包裹效应，使得浮游植物比吸收系数下降[23]。

3 讨论

东海、渤海和黄海的总悬浮颗粒物与浮游藻类颗粒物的光谱吸收特性类似：整体上，渤海的吸收系数最大，黄海次之，东海最小。可能由于渤海为瓶颈式的半封闭内海，又与多条河流相连，自然资源丰富，浮游藻类颗粒物浓度较高。另外，非藻类颗粒物吸收系数随着波长增加而不断减小。其中，渤海的非藻类颗粒物的吸收系数较高，黄海次之，东海最小。可能是因为渤海中有较多来自内陆的无机颗粒物，使得非藻类颗粒物浓度较高，微生物分解活动较强。东海、渤海与黄海的浮游藻类颗粒物吸收系数与叶绿素a的浓度有良好的正相关性，朱建华[25]等学者对黄海和东海悬浮颗粒物吸收特性的研究结果与本文相同，说明本文关于这两个海域的研究结果基本正确。王晓梅[8]等学者关于东海和黄海的研究中的总吸收系数光谱图变化趋势与本文并不相同，可能是因为本文在处理数据的过程中，忽略了空间和时间上水面粗糙度以及光照的影响。

东海、渤海和黄海的总悬浮颗粒物的光谱比吸收特性与浮游藻类颗粒物的相似，总体上各个海域的比吸收系数相差不大，说明三个海域的营养水平类似。受色素包裹效应的影响，三個海域的浮游藻类颗粒物比吸收系数与叶绿素a浓度的相关性较差。孙德勇[5]等学者关于太湖悬浮颗粒物的比吸收特性研究中浮游藻类颗粒物的比吸收光谱图与本文大致相同，使本文结论得到验证，然而孙德勇[5]等学者发现在太湖浮游藻类比吸收系数与叶绿素a的浓度有较好的的幂函数关系，这可能是因为内陆湖泊营养水平比海洋高，藻类粒级结构不同，由其导致的色素包裹效应使比吸收系数发生的变化不同。

4 结论与展望

本文主要研究了东海、渤海和黄海的悬浮颗粒物的光谱吸收特征，结合2016年9月以及12月两班航次的实测数据，计算了东海、渤海和黄海的总悬浮颗粒物、浮游藻类颗粒物和非藻类颗粒物的吸收系数、比吸收系数，分析了不同波段不同海域的光谱吸收特征，并且结合叶绿素a浓度及总悬浮颗粒物浓度分析它们之间的关系。结果表明：整体来看，东海、渤海和黄海的总悬浮颗粒物与浮游藻类颗粒物具有类似光谱吸收特性和比吸收特性，在440nm和675nm附近出现吸收峰，且由于非藻类颗粒物的影响，675nm处较为明显，在600nm附近吸收系数或比吸收系数达到最低值。渤海的吸收系数最大，黄海次之，东海最小；各个海域的比吸收系数相差不大，说明三个海域的营养水平类似；非藻类颗粒物吸收系数随着波长的增加而不断减小。其中，渤海的非藻类颗粒物的吸收系数较高，黄海次之，东海最小。

在对东海、渤海和黄海悬浮颗粒物光谱吸收特征的研究过程中，由于数据量等原因，本文只对各种吸收系数、比吸收系数进行了简单计算，并没有对数据出现异常值的原因进行更深入的剖析，下一步会采用更加细致的方法对数据进行深入处理。

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