太原市不同类型夏季水体颗粒物与CDOM吸收特性研究

高峰，陈晓玲，杨文府 ，史利江，汪雯雯

1. 山西财经大学资源环境学院，山西 太原 030006；2. 武汉大学/测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北 武汉 430079；3. 中国地质大学土地科学技术学院，北京 100083；4. 山西省煤炭地质物探测绘院资源环境与灾害监测山西省重点实验室，山西 晋中 030600

水体固有光学特性是影响水体光谱反射率的重要因素，是水质参数遥感反演的理论基础（戴永宁等，2008）。水体组分吸收系数作为水体主要的固有光学量之一，是水体光学特性的主要决定因素，是建立水质参数遥感反演机制模型时必须要考虑的参数。影响水体固有光学特性的物质主要包括：纯水、非色素颗粒物、色素颗粒物和有色可溶性有机物（CDOM）。纯水对光的衰减是所有水体都共有的，且纯水的吸收是固定的（张运林等，2006；刘忠华等，2012）。因此，不同区域、不同类型水体的固有光学特性主要取决于非色素颗粒物、色素颗粒物和CDOM的浓度及组成（Kirk，1994）。

国内外针对水体颗粒物和CDOM吸收特性方面的研究主要集中在河口、海洋、内陆湖库等水体（Zhang et al.，2007；Das et al.，2017；Guillermina et al.，2017；Lei et al.，2019；李思佳等，2016；郭燕妮等，2020），但针对国内内陆水体尤其是城市水体这方面的研究则比较欠缺（宋开山等，2018）。已有研究主要集中在城市水体 CDOM 吸收特性、荧光组分及组成和来源方面。比如，陈毅忠等（2017）仅研究了太湖流域某城市水体溶解有机物的荧光分布特征和来源。程艳等（2018）只分析了西北内陆河城区段入河水体的CDOM荧光光谱特征、组成成分、类型和可能来源。丁潇蕾等（2018）以黑臭水体遥感识别模型构建为目标，对典型城市黑臭水体和非黑臭水体的水体组分吸收特性进行了研究。内陆水体成分复杂，不同区域、不同类型水体光学特性差异较大，为了建立反演精度高和适用性强的水质参数遥感反演模型，必须针对特定区域的水体固有光学特性进行研究。城市水体作为内陆水体的典型水域，受人类活动和降雨等因素影响剧烈，地表径流携带大量污染物及大量工农业废水和生活污水排入城市内部湖泊、排洪渠及流经城市的河流和周边水库水体，水体组分和浓度发生显著变化。城市内部湖泊和排洪渠水体、流经城市的河流水体及水库水体颗粒物和CDOM吸收特性有何异同，哪种水体组分吸收占据主导，水体组分的吸收贡献率在不同波段有何差异，这些问题尚不清楚。本研究针对上述问题展开研究，以期加深对城市水体固有光学特性的认识和理解。

法的构建提供重要的理论依据和数据资料。太原作为全国能源重化工基地，环境污染已成为制约经济发展的重要因素。由于太原市工业和生活污水的影响，太原市内河流（比如汾河太原段及晋阳湖和排洪渠）大多受到严重污染。另外，太原市地区干旱，河流流量小，流动性差，降雨量小，且河流持续不断地接收生活污水和工业废水，河流自净能力抵不过水体污染，因此河流黑臭问题比较严重（李佳琦等，2019）。汾河二库作为太原市重要的旅游景区，近年来受人类活动的影响强烈，水环境污染问题愈发严重。因此，本研究以晋阳湖和排洪渠、汾河二库及汾河太原城区段等水体为研究对象，通过实验测定的方法获取水体颗粒物和 CDOM 吸收光谱，分析该区域不同类型水体固有光学特性，以期为水色遥感算

1 材料与方法

1.1 采样时间与点位

于2020年8月14—23日期间，在太原市汾河太原段（柴村桥与晋阳桥之间的汾河水体）、晋阳湖和排洪渠及汾河二库采集水样，共布设 30个采样点（图1）。使用标准有机玻璃采水器从水面至水下30 cm处采集水样，现场将水样装入棕色塑料瓶并置于冷藏箱内低温保存，尽快带回实验室进行过滤预处理，然后放入冰箱内冷藏保存。水体颗粒物和CDOM吸收系数及总悬浮物浓度（TSM）、叶绿素a（Chl a）、无机悬浮物（ISM）、有机悬浮物（OSM）、总磷（TP）和总氮（TN）在7天内测量完毕。A1为晋阳湖水体，A2—A6为太原市内排洪渠水体，A7—A24和A28—A30为汾河太原段水体，A25—A26为汾河二库水体。采样点位置和采样时间见表1所示。

表1 采样点位置和时间Table 1 Location and time of sample sites

图1 采样点空间分布图Fig. 1 The spatial distribution of water samples

1.2 颗粒物与CDOM吸收系数测量方法

总颗粒物（ap）和非色素颗粒物（ad）吸收系数采用定量滤膜技术（Quantitative Filter Technique，QFT）测定，色素颗粒物（aph）吸收系数由总颗粒物吸收系数减去非藻类颗粒物吸收系数得到。具体操作与计算参见文献（刘剑等，2015）。

CDOM吸收系数采用0.22 μm的Millipore滤膜滤液水样，以Milli-Q超纯水做参考，用岛津2550紫外分光光度计测定204—800 nm波长范围内的吸光度，并且以700 nm处的吸光度为零值进行散射效应的校正，计算得到CDOM吸收系数（刘剑等，2015；丁潇蕾等，2018）。

1.3 指数函数曲线斜率计算

非色素颗粒物与 CDOM 吸收光谱可以用指数函数近似表达:

式中：

a(λ)——非藻类颗粒物或CDOM吸收系数（m−1）；

λ0——参考波长，一般选取440 nm作为参考波长；

S——指数函数曲线斜率。

本文对非色素颗粒吸收光谱进行模拟的波段是400—700 nm，对CDOM吸收光谱进行模拟的波段是280—500 nm。

1.4 水质参数测量方法

总悬浮物浓度（TSM）和无机悬浮物浓度（ISM）采用过滤、煅烧和称重的方法测定。总悬浮物浓度（TSM）减去无机悬浮物浓度（ISM）得到有机悬浮物浓度（OSM）。叶绿素a浓度采用热乙醇测量。具体操作和方法参考文献（刘剑等，2015）。总磷（TP）和总氮（TN）的测定分别采用钼锑抗分光光度法和过硫酸钾高压消解法（丁潇蕾等，2018）。太原市不同类型水体样点水质参数结果见表2所示。

表2 太原市不同类型水体水质参数结果Table 2 Results of water quality parameters for different types of water in Taiyuan City

2 结果和讨论

2.1 总颗粒物吸收特征

总颗粒物吸收系数近似等于非色素颗粒物吸收系数与色素颗粒物吸收系数之和。太原市内晋阳湖和排洪渠、汾河二库和汾河太原城区段水体总颗粒吸收系数光谱曲线如图2所示。从图2a可知，晋阳湖水体A1样点在440、675 nm附近具有明显的吸收峰，表现出典型的藻类吸收特征，主要由叶绿素a的强吸收导致。排洪渠水体仅A2点在675 nm有一个吸收峰，其余样点则无明显吸收特征，可能是由于非色素颗粒物的影响。汾河二库水体表现出典型的Chla吸收特征，在440、675 nm附近具有显著的吸收峰。在450—580 nm处吸收系数大致随波长的增大而降低，580 nm处由于叶绿素和胡萝卜素的弱吸收出现极小值，之后吸收系数逐渐增大，在624 nm处由于藻蓝素的吸收出现了小峰值，该峰值是藻蓝素最显著的特征（图2b）。这与内陆许多二类水体总颗粒物吸收特征比较一致，比如滇池（张红等，2011），官厅水库（雷霞等，2013）、昆明湖（刘剑等，2015）。汾河太原城区段水体大多样点在675 nm有一个吸收峰，少数几个样点则在440、675 nm附近有吸收峰，表现出明显的藻类吸收特征，而这些样点较多位于汾河太原城区段水质相对较好的北部和南部区域（图2c）。晋阳湖和排洪渠及汾河太原城区段水体除了在675 nm处有弱吸收峰外，总颗粒物吸收系数曲线随波长增加呈近似指数衰减的规律，不同样本的总颗粒物吸收系数变化较大。晋阳湖和排洪渠、汾河二库和汾河太原城区段水体在440 nm处总颗粒物吸收系数 ap(440)的变化范围分别为0.89—5.74、0.62—0.72、1.26—8.48 m−1，均值分别为 (2.77±1.83)、(0.68±0.04)、(3.62±1.94) m−1。在 675 nm 处的总颗粒物吸收系数 ap(675)的变化范围分别为 0.25—0.78、0.29—0.33、0.36—4.73 m−1，均值分别为 (0.54±0.21)、(0.31±0.02)、(1.42± 1.11) m−1。晋阳湖和排洪渠、汾河二库和汾河太原城区段水体的总颗粒物浓度范围分别为13.67—47.50、3.33—4.67、8.50—137.14 mg·L−1，均值分别为 (28.11±12.52)、(4.00±0.55)、(26.77±26.55) mg·L−1。此外，排洪渠水体中A3和A4的总颗粒物吸收系数显著高于其他3个样点（A2、A5和A6），同时也高于晋阳湖水体A1。主要是因为是A3和A4点均含有较高浓度的悬浮物（分别为 41 mg·L−1和 47.5 mg·L−1）。汾河太原城区段样点 A18总颗粒物吸收系数也显著高于其他各样点，该样点的总悬浮物浓度高达 137.14 mg·L−1。晋阳湖和排洪渠、汾河太原城区段水体总颗粒物吸收系数均大于汾河二库，且太原市城区范围水体的吸收系数与水库水体取值范围没有交叉。因此，总颗粒吸收系数可以作为区分上述不同类型水体的重要参数。汾河太原城区段水体总颗粒物吸收系数大于晋阳湖和排洪渠水体，但两者的吸收系数取值范围存在较大程度的交叉。这说明与人类活动密切相关的市区内城市水体情况较为复杂，总颗粒物吸收系数并非两者主要的区别。

图2 太原市不同类型水体总颗粒物吸收系数光谱曲线Fig. 2 Spectral curves of the absorption coefficient of total particles for different types of water in Taiyuan city

总颗粒物的吸收一般可以分为两种类型，第一种类型是非色素颗粒物吸收主导，第二种类型是色素颗粒物吸收主导。图3为晋阳湖和排洪渠、汾河二库和汾河太原城区段总颗粒物、非色素颗粒物和色素颗粒物平均吸收光谱曲线。从图3a和图3c可以看出，除了675 nm处的叶绿素吸收峰外，晋阳湖和排洪渠及汾河太原城区段总颗粒物吸收光谱与非色素颗粒物吸收光谱相似，吸收系数随波长增加呈近似指数衰减的规律，说明非色素悬浮颗粒物对吸收系数有着更大的影响。汾河二库的总颗粒物吸收光谱与色素颗粒物吸收光谱相似，说明色素悬浮颗粒物的吸收占据主导作用。张运林等（2006）对太湖颗粒物吸收特性的研究表明，第一种类型仅在675 nm附近出现峰值，色素颗粒物的吸收可能大于非色素颗粒物的吸收，其他波段色素颗粒物的吸收均被非色素颗粒物的吸收光谱掩盖，该种类型主要分布在叶绿素a浓度低以及无机颗粒物浓度高的地方;第二种类型在440、675 nm均出现吸收峰值，675 nm峰值比较显著，这种类型主要分布在叶绿素a浓度较高，同时无机颗粒物浓度较低，有机颗粒物占总颗粒物比例接近或超过30%的采样点。本研究晋阳湖和排洪渠及汾河太原城区段水体 Chla浓度和无机悬浮颗粒物浓度的范围分别为 9.58—50.86 mg·m−3和 5.00—35.50 mg·L−1，2.55—375.95 mg·m−3和 3.33—115.71 mg·L−1，均值分别为 (31.33±16.04)mg·m−3和 (18.97±10.57) mg·L−1， (99.62±99.60)mg·m−3和 (14.88±24.07) mg·L−1。汾河二库水体叶绿素a浓度、无机和有机悬浮颗粒物浓度的范围分别为 12.14—14.81 mg·m−3、0.00—0.33 mg·L−1和3.00—4.33 mg·L−1，均值分别为 (13.31±1.11) mg·m−3、(0.22±0.16) mg·L−1和 (3.78±0.57) mg·L−1。汾河二库水体有机悬浮颗粒物浓度占总颗粒物浓度的比例为90.09%—92.72%。本研究中不同类型水体水质参数的特征与张运林等（2006）对太湖颗粒物吸收特性的研究结果是比较一致的。

图3 太原市不同类型水体总颗粒物、非色素颗粒物和色素颗粒物平均吸收光谱曲线Fig. 3 Average absorption spectral curves of total suspended particles, non-algal particles and phytoplankton for different types of water in Taiyuan city

为了进一步分析太原市不同类型水体非色素颗粒物和色素颗粒物对总颗粒物吸收系数的贡献，本研究对晋阳湖和排洪渠、汾河二库和汾河太原城区段水体的非色素颗粒物和色素颗粒物在总颗粒物吸收系数中所占的百分比进行了统计分析（图4）。从图4a可以看出，晋阳湖和排洪渠水体非色素颗粒物吸收在总颗粒物吸收中占主导地位，除了640—700 nm波段范围内色素颗粒物吸收系数在总颗粒物吸收中所占比例高于非色素颗粒物所占比例，其余波段非色素颗粒物吸收占总颗粒物吸收的比例都在50%以上。非色素颗粒物和色素颗粒物对总颗粒物吸收的贡献是随波长变化的变量，在350—640 nm范围内非色素颗粒物的贡献大于色素颗粒物，并随波长的增加呈减小趋势，色素颗粒物的贡献变化则相反。675 nm附近叶绿素a的吸收占据主导，色素颗粒物的吸收光谱掩盖了非色素颗粒物的吸收。从图4b可以看出，汾河二库水体色素颗粒物吸收在总颗粒物吸收中占据主导地位，在350—370 nm范围内非色素颗粒物的贡献大于色素颗粒物。之后，色素颗粒物的吸收随波长的增加呈增长的趋势，且色素颗粒物的吸收占总颗粒物吸收的比例都大于50%，非色素颗粒物的贡献变化则相反。从图4c可以看出，汾河太原城区段水体色素颗粒物和非色素颗粒物在紫外可见光波段范围内的贡献变化较为复杂，在350—440 nm范围内非色素颗粒物吸收在总颗粒物吸收中占据主导地位，且非色素颗粒物的吸收占总颗粒物吸收的比例在 50%以上，色素颗粒物的吸收则相反。在440—520 nm范围色素颗粒物的吸收贡献大于非色素颗粒物，而520—570 nm范围内则相反。之后，色素颗粒物吸收贡献率则随波长增加呈增长趋势，非色素颗粒物则相反，主要是因为浮游藻类色素在 675 nm附近的强吸收掩盖了非色素颗粒物的吸收光谱。

图4 太原市不同类型水体非色素颗粒物和色素颗粒物对总颗粒物的贡献率Fig. 4 Contribution rate of non-algal particles and phytoplankton to the absorption of total suspended particles

考虑到本研究不同类型水体样本数量有限，因此将所有样本整体来分析颗粒物和 CDOM 吸收与水质参数之间的相关性（表3）。总颗粒物吸收系数ap(440)与TSM、Chla、ISM、OSM、TN和TP均存在很好的线性关系，而ap(675)仅与Chla、OSM和TP相关较好，与TSM、ISM和TN则不存在相关性。但ap(675)与Chla的相关性强于ap(440)，这说明 440 nm附近的总颗粒物吸收虽然受非色素颗粒物的影响，但色素颗粒物仍占据主导作用，色素色素颗粒物的吸收作用未被非色素颗粒物掩盖。在675 nm附近，非色素颗粒物的吸收作用很弱，色素颗粒物的吸收峰比较显著，表明675 nm附近颗粒物吸收与浮游藻类等有机颗粒物密切相关。ap(440)与ad(440)和aph(440)均存在显著的线性关系，但浮游藻类色素颗粒物的相关性强于非色素颗粒物，这说明440 nm的总颗粒物吸收系数同时由色素和非色素颗粒物控制，但色素颗粒物吸收占主导地位。ap(675)与 aph(675)具有显著的线性相关性，相关系数达到0.9941（P<0.01），但与ad(675)则不存在相关性，说明总颗粒物吸收系数在675 nm处主要与浮游藻类色素的强吸收有关。

表3 颗粒物吸收系数、CDOM和水质参数之间的线性相关关系Table 3 Linear relationship between absorption coefficient of particulates and water quality parameters

2.2 色素颗粒物吸收特征

晋阳湖和排洪渠、汾河二库和汾河太原城区段水体色素颗粒物吸收光谱曲线见图5所示。从图5a可以看出，样点A1和A2在440 nm附近由于Chla的吸收出现吸收峰，450—550 nm范围内吸收系数随波长的增大而降低，在480 nm附近由于胡萝卜素β的吸收出现吸收肩（张红等，2011）。在675 nm处出现吸收峰与浮游藻类在此波段的吸收有关，说明样点A1和A2 Chla浓度比较高。样点A4、A5和A6随波长的增加吸收系数逐渐降低，仅在675 nm附近由于叶绿素a的吸收出现吸收峰。样点A3在380 nm处出现吸收峰，之后随波长的增加逐渐减小，675 nm附近由于叶绿素a吸收出现弱吸收峰。汾河二库水体具有典型的色素颗粒物吸收特征。在440、675 nm由于叶绿素a的吸收有两个吸收峰。630 nm附近由于藻蓝素的吸收出现一个小峰值，该峰值时藻蓝素最显著的特征，也是反演藻蓝素浓度的理想波段，700 nm以后吸收系数趋向于零。汾河太原段水体所有样本均表现出典型的色素颗粒物吸收特征，在450—480 nm范围内由于胡萝卜素β的吸收使得吸收系数呈现肩状，550 nm处由于叶绿素和胡萝卜素的弱吸收出现极小值，之后吸收系数逐渐增大，直到675 nm处由于叶绿素a的吸收出现吸收峰，随之吸收系数迅速降低并趋向于零。总体上，太原市不同类型水体色素颗粒物吸收特征均比较显著。

图5 太原市不同类型水体色素颗粒物吸收光谱曲线Fig. 5 Absorption spectral curves of phytoplankton for different types of water in Taiyuan city

色素颗粒物的吸收光谱在440、675 nm附近有2个特征吸收峰，但不同样点由于色素浓度的差异，色素颗粒物吸收系数变化较大。晋阳湖和排洪渠、汾河二库和汾河太原段水体在440 nm处色素颗粒物吸收系数aph(440)的变化范围分别为0.37—2.12、0.51—0.59、0.56—6.78 m−1，均值为 (1.07±0.63)、(0.55±0.04)、(1.85±1.59±0.63) m−1；在 675 nm 处色素颗粒物吸收系数 aph(675)的变化范围分别为0.16—0.54、0.25—0.29、0.15—4.44 m−1，均值分别为 (0.35±0.14)、(0.27±0.01)、(1.21±1.08) m−1。色素颗粒物吸收系数主要受水体中浮游藻类的浓度及种群组成的影响，随Chla浓度的变化而变化（张运林等，2006）。本研究中排洪渠水体样点A4和A6的叶绿素 a浓度分别 16.01 mg·m−3和 50.86 mg·m−3，两个样点在440 nm处均没有明显的色素颗粒物的特征吸收峰，可能是由于非色素颗粒物的吸收光谱掩盖了色素颗粒物的吸收。赵巧华等（2006）的研究表明，个别样本440 nm处色素颗粒物吸收峰不明显，呈现与非色素颗粒物相似的吸收光谱特征，主要是由于色素颗粒物提取时将非色素颗粒物中的其他色素一并提取，从而系统地放大了色素颗粒物的吸收系数。对于城市内部的排洪渠水体而言，非色素颗粒物来源多样和组成较为复杂，因此非色素颗粒物吸收系数的放大现象很可能成为个别样点440 nm处色素颗粒物吸收峰不明显的主要原因。

太原市不同类型水体30个样本在440、675 nm处色素颗粒物的吸收系数aph(440)、aph(675)与Chla浓度存在显著线性正相关（P<0.01），相关系数分别为 0.9426和 0.9718（表 3），决定系数 R2分别为0.888和0.944（图6）。色素颗粒物675 nm处吸收系数与Chla的相关性比440 nm处的相关性好，（图6），说明非色素颗粒物对色素颗粒物吸收系数的影响主要在短波波段，而675 nm附近叶绿素a的影响占主导地位（王珊珊等，2014）。已有研究也都发现675 nm的色素颗粒物吸收系数与Chla的相关性强于440 nm处（张运林等，2009；柳彩霞等，2011；刘剑等，2015；李思佳等，2015）。已有研究表明，浮游植物吸收与Chla浓度的关系多数为非线性，两者之间拟合的函数形式多种多样，主要包括指数函数（李方等，2009）、多项式关系（盖利亚等，2010）、幂函数（曹文熙等，2003）等。aph(440)、aph(675)与OSM和TP均呈显著的正相关关系，反映了OSM的降解产物可以为浮游植物的生长提供营养盐，TP是浮游植物生长必不可少的营养物质，优先级大于TN。aph(440)、aph(675)与TSM和ISM均不存在相关性，主要是因为悬浮颗粒物会直接影响太阳辐射在水中的传输，减弱光合有效辐射在水中的分布和穿透深度，影响浮游植物的光合作用。

图6 aph(440)、aph(675)与叶绿素a浓度相关性Fig. 6 Correlation between aph(440) and aph(675)and chlorophyll a concentration

2.3 非色素颗粒物吸收特征

晋阳湖和排洪渠、汾河二库和汾河太原城区水体非色素颗粒物吸收光谱曲线如图7所示。从图7可以看出，太原市不同类型水体非色素颗粒物吸收系数随波长的增加呈近似指数衰减的规律。在短波范围各样本点的吸收系数差异较大，当波长大于700 nm后，吸收系数趋向于零。晋阳湖和排洪渠、汾河二库和汾河太原城区段水体在440 nm处的非色素颗粒物吸收系数系数 ad(440)的变化范围分别为 0.36—3.62、0.11—0.15、0.57—7.48 m−1，均值分别为 (1.69±1.26)、(0.13±0.01)、(1.77±1.40) m−1；675 nm非色素颗粒物的吸收系数ad(675)的变化范围分别为 0.05—0.43、0.03—0.04、0.08—0.49 m−1，均值分别为 (0.18±0.15)、(0.04±0.00)、(0.21±0.10) m−1。与国内其他类型水体对比发现，太原市晋阳湖和排洪渠、汾河太原城区段水体 ad(440)远大于昆明湖（0.07—0.16 m−1）（刘剑邓等，2015）、官厅水库（0.096—0.797 m−1）（雷霞等，2013）和新立城水库（0.86—1.42 m−1）（李思佳等，2016），但远小于兴凯湖（均值为 (14.67±7.19) m−1）（李思佳等，2015）。

图7 太原市不同类型水体非色素颗粒物吸收光谱曲线Fig. 7 Absorption spectral curves of non-algal particles for different types of water in Taiyuan city

从图7a和7c可以看出，晋阳湖和排洪渠、汾河太原城区段水体非色素颗粒物吸收光谱与总颗粒物吸收光谱比较一致，进一步说明太原市区不同类型水体总颗粒物吸收以非色素颗粒物吸收为主。汾河二库水体非色素颗粒物吸收光谱形状则与总颗粒物吸收光谱差异较大，说明水库水体颗粒物吸收为色素颗粒物主导型（图7b）。排洪渠水体样点A3和A4的无机悬浮物浓度分别为 29.5 mg·L−1和 35.5 mg·L−1。汾河太原城区段水体样点A11和A18的无机悬浮物浓度分别达到 31.5 mg·L−1和 115.71 mg·L−1。

已有研究表明，非色素颗粒物的光谱吸收特征相对稳定，可用指数函数近似表示（张运林等，2006；柳彩霞等，2011）。对太原市不同类型水体30个样点非色素颗粒物吸收光谱在400—700 nm波段范围利用最小二乘法进行非线性拟合，得到指数函数斜率Sd的变化范围为8.03—12.83 μm−1，均值为(10.79±0.97) μm−1，非线性拟合决定系数 R2均值为0.9916，均方根误差RMSE的均值为0.0377。与国内外其他研究相比，本研究与太湖梅梁湾400—700 nm的指数斜率Sd接近9.4—12.0 μm−1（张运林等，2006），小于珠江口（10.1—17.1 μm−1）（曹文熙等，2003）和昆明湖（9.7—18.3 μm−1）（刘剑等，2015），大于官厅水库（5.2—8.3 μm−1）（雷霞等，2013）。

非色素颗粒物与水质参数的相关性分析表明（表3），ad(440)、ad(675)与TSM、ISM、OSM、TP和 TN均存在显著的相关性，但与 Chla没有相关性。为了进一步分析太原市不同类型水体非色素颗粒物的来源，本研究对特征波段处的非色素颗粒物吸收系数和TSM、Chla进行回归分析，结果如图8所示。ad(675)与Chla的相关性强于ad(440)，但决定系数R2仅为0.053，主要是因为675 nm是Chla的吸收峰，且非色素颗粒物吸收较弱。440nm处的非色素颗粒物吸收较强，掩盖了色素颗粒物的吸收光谱。ad(440)与TSM的相关性强于ad(675)，决定系数R2达到0.891，主要是因为675 nm处Chla的吸收影响了非色素颗粒物与 TSM 的相关性。这说明太原市不同类型水体中非色素颗粒物中生物降解产物较多，产生大量有机悬浮颗粒物，而浮游植物的降解作用非常小。该结果与太湖梅梁湾非色素颗粒物的组成和来源有明显区别，太湖梅梁湾非色素颗粒物中生物降解产物较少，基本上为无机物（张运林等，2006）。昆承湖和兴凯湖水体中非色素颗粒物主要来源于陆源性的无机质输入，浮游植物的降解产物较少，因此与Chla也不存在相关性（柳彩霞等，2011；李思佳等，2015）。但官厅水库中ad(440)、ad(675)与悬浮物浓度基本不存在相关性，但与Chla具有较高相关性，并且ad(675)与Chla的相关性明显高于 ad(440)，该水体中浮游植物的降解产物对非色素颗粒物的贡献较大，陆源输入的无机悬浮物贡献不大（雷霞等，2013）。也有一些研究的相关性分析表明，ad(440)与TSM、ISM、OSM和Chla均存在很好的相关性，说明该类水体中非色素颗粒物主要来源于浮游植物降解和陆源无机颗粒物的输入（李思佳等，2016）。总体来说，太原市不同类型水体非色素颗粒物的主要来源是陆源性输入，浮游植物的降解对非色素颗粒物的吸收影响不大。

图8 ad(440)、ad(675)与叶绿素a、总悬浮颗粒物浓度的相关性Fig. 8 Correlation between ad(440) and ad(675), and chlorophyll a and total suspended particles concentration

2.4 CDOM吸收光谱

晋阳湖和排洪渠、汾河二库和汾河太原城区段水体CDOM吸收光谱曲线如图9所示。从图9可知，太原市不同类型水体 CDOM 吸收系数随波长增加呈近似指数衰减的规律，短波长处差异较为明显（除汾河二库外）。太原市不同类型水体 CDOM吸收系数在250—290 nm之间未出现吸收肩，说明太原市不同类型水体 CDOM 组成与太湖（赵巧华等，2008；黄昌春等，2009）、巢湖（施坤等，2010）、珠江口（王珊珊等，2014）等湖泊河口水体具有显著差异。440 nm处CDOM吸收系数ag(440)的变化范围为（0.28—1.2 m−1），均值为 (0.67±0.23) m−1。与国内其他区域湖泊水体相比，太原市 CDOM 吸收系数小于昆承湖（1.4739—2.3333 m−1）（柳彩霞等，2011）、兴凯湖（0.37—2.17 m−1）（李思佳等，2015），但大于昆明湖（0.24—0.37 m−1）（刘剑等，2015）。254 nm处 CDOM吸收系数ag(254)的变化范围为（8.58—27.61 m−1），均值为 (15.34±4.75)m−1。与长春市不同水体相比，太原市不同类型水体ag(254)显著小于长春市各类水体（17.3—49.2 m−1）（俞晓琴等，2021），其中长春市城市河流水体ag(254)的均值为 (27.3±7.4) m−1，公园湖泊为(22.0±2.8) m−1，水库水体为 (22.5±1.8) m−1。

图9 太原市不同类型水体CDOM吸收光谱曲线Fig. 9 Absorption spectral curves of CDOM for different types of water in Taiyuan city

CDOM指数函数曲线斜率Sg可以反映CDOM含量的高低（Binding et al.，2008），但不同波段范围拟合得到的Sg值差异较大（马荣华等，2005）。本研究选取280—500 nm范围对所有样本进行指数函数曲线斜率的非线性拟合，指数斜率Sg的变化范围为 15.60—22.76 μm−1，均值为 (18.06±1.30) μm−1，非线性拟合的决定系数 R2均值为 0.9983，均方根误差 RMSE的均值为 0.0875。与国内其他区域水体对比分析发现，太原市各类水体Sg值均大于太湖草、藻型湖区（均值为 14.37±0.73 μm−1）（张运林等，2005）、三峡坝区（10.8—18.8 μm−1）（盖利亚等，2010）、淀山湖（11.70—14.80 μm−1）（宋玲玲等，2007）和昆承湖（11.2—14.6 μm−1）（柳彩霞等，2011）。这说明太原市不同类型水体CDOM组成以腐殖酸为主，相对分子质量较大。

CDOM的相对分子质量大小可以通过250 nm和365 nm处的吸收系数比值M值进行示踪，M值越大，CDOM的相对分子质量越小。相对分子质量可以反映 CDOM 中腐殖酸和富里酸的相对含量，腐殖酸的相对分子质量较大，而富里酸则较小（张运林等，2007）。太原市各类水体M值的变化范围为（5.62—10.74），均值为 (7.01±1.18)，其中晋阳湖A1点M值最大，达到10.74。太原市各类水体M值与国内其他类型水体相比（表4），本研究M值相对较小，说明太原市各类水体 CDOM 中腐殖酸含量较高，相对分子质量较大，陆源性物质的输入占据主导地位。晋阳湖水体相对太原市其他各类水体而言，M值较大，说明晋阳湖水体CDOM中富里酸的相对含量较高，相对分子质量较小。对太原市不同类型水体所有样本Sg和M值进行相关性分析，结果如图10所示。Sg和M值呈现极显著的线性正相关（P<0.001），决定系数R2为0.814，相关系数r为0.902。Sg和M值的线性正相关表明，M值越大，Sg值越大，CDOM 中富里酸的相对含量越高，CDOM相对分子质量越小；相反，M值越小，Sg值越小，CDOM中腐殖酸的相对含量越高，CDOM相对分子质量越大。另外，Sg和M值的显著正相关表明，CDOM 中腐殖酸和富里酸的相对含量对光谱斜率Sg值的影响比较显著。其他研究者对不同区域水体Sg和M值的相关性分析也表明，Sg和M值呈现较强的线性相关性（施坤等，2010；李思佳等，2016）。

图10 Sg和M值的相关性Fig. 10 Correlation between Sg and M values

表4 不同水体M值统计结果Table 4 Statistic results of M values in different waters

相关分析结果表明，ag(440)与 TSM、ISM、OSM、TP和TN均存在很好的相关性，但与Chla没有相关性（表 3），说明太原市不同类型水体CDOM主要来源不是浮游植物的自身降解产物，陆源输入的CDOM占据主导作用。采样前期，太原市出现几次强降雨天气，大量雨水和城市生活污水汇入河道，携带大量有机污染物和无机营养盐进入河流水体。

2.5 水体各组分吸收贡献

水体总吸收系数是影响水体吸收系数的各个组分吸收系数的和，即：

式中：

aw(λ)——纯水的吸收系数。

由于纯水的吸收系数是固定的，本研究以非色素颗粒物、色素颗粒物和 CDOM 吸收系数为总吸收系数，计算350—650 nm范围内不同组分吸收系数的平均贡献率，结果如图11所示。太原市不同类型水体非色素颗粒物、色素颗粒物和 CDOM 吸收贡献率在不同波段处差异显著。CDOM吸收贡献率在350—650 nm范围内呈不断下降的趋势，贡献率在为2.42%—41.12%之间，在短波波段处贡献率最高，达到41.12%左右。非色素颗粒物吸收贡献率呈震荡下降的趋势，贡献率在25.30%—50.49%之间，550 nm后迅速下降，650 nm处贡献率最小。色素颗粒物吸收贡献率在 350—440 nm范围内迅速上升，440—580 nm范围呈振荡态势，580 nm后迅速升高，贡献率在9.74%—71.54%，650 nm附近达到最高。总体上看，非色素颗粒物对总吸收作用的贡献最大，平均贡献率达到42.38%；其次为色素颗粒物，均值为40.92%；CDOM的吸收贡献率最小，均值仅为16.69%。这说明太原市不同类型水体非色素颗粒物的吸收作用占据主导地位，是影响水体吸收系数的主导因子。

图11 各采样点水体组分平均吸收贡献率（350—650 nm）Fig. 11 The average absorption contribution rate of water components for all samples (350-650 nm)

为了进一步分析水体组分的吸收贡献，计算了各样点非色素颗粒物、色素颗粒物和 CDOM 吸收的贡献率，结果如图12所示。汾河太原段城区段样点 A13、A22、A23、A24、A28、A29 和 A30，色素颗粒物的吸收贡献率较大。综合分析上述样点的水质参数特征发现（表3），Chla浓度均比较高，而总悬浮物浓度均较低。其中，样点A13色素颗粒物吸收在所有样点中达到最大，贡献率为 67.13%，Chla浓度达到375.95 mg·m−3。主要是因为该样点位于柴村桥附近的汾河湿地，水环境质量较好，水中浮游植物生长茂盛。汾河太原城区段样点 A22、A23、A24、A28、A29和A30的Chla浓度分别为111.17、332.71、265.71、114.27、137.98 和 113.89 mg·m−3。汾河二库样点 A25、A26和 A27，总悬浮物浓度含量均较低（3.33—4.67 mg·L−1），Chla浓度相对较高（12.14—14.81 mg·m−3），因此色素颗粒物的吸收贡献率也比较大。汾河太原段城区段样点A18色素颗粒物吸收贡献率最低，Chla浓度仅为2.55 mg·m−3，总悬浮物浓度达到 137.14 mg·L−1。主要是因为该样点位于北沙河入汾河交汇处，大量城市生活污水和工业废水汇入，水体发黄发臭，水中携带大量陆源有机和无机污染物进入汾河，导致水体悬浮颗粒物浓度很高，水体透明度很低，浮游植物生长受限。排洪渠水体样点A5和A6的CDOM吸收贡献率均比较高，分别为54.07%和52.87%。主要是因为排洪渠水体受人类活动影响强烈，陆源输入的CDOM含量较高。总体上，太原市不同类型水体非色素颗粒物、色素颗粒物和 CDOM 吸收贡献差异显著，不同采样点水体吸收特性的主导影响因素各异。晋阳湖水体吸收特性的主要因素是色素颗粒物，非色素颗粒物和CDOM的影响较小；排洪渠水体由于受周边环境因素的影响，水体吸收特性的主要影响因素为非色素颗粒物和CDOM；汾河太原段城区段水体吸收特性的主要影响为色素和非色素颗粒物；汾河二库水体吸收特性的主要影响因素为色素颗粒物和CDOM。

图12 各采样点水体组分吸收贡献率Fig. 12 Absorption contribution rate of water components for different samples

3 结论

（1）晋阳湖和汾河二库水体夏季总颗粒物吸收特征为色素颗粒物主导类型；排洪渠水体和汾河太原城区段夏季水体总颗粒物吸收特征为非色素颗粒物主导类型。

（2）色素颗粒物吸收系数aph(440)、aph(675)与Chla浓度均存在显著线性正相关，但675 nm处的相关性强于440 nm。非色素颗粒物对色素颗粒物吸收系数的影响主要在短波波段，而675 nm处Chla的影响发挥主要作用。

（3）非色素颗粒物的来源主要是陆源性物质的输入，浮游植物的降解作用对非色素颗粒物的吸收影响不大。

（4）太原市不同类型夏季水体 CDOM 组成与太湖、巢湖、珠江口等湖泊河口水体具有显著差异。

（5）太原市不同类型夏季水体非色素颗粒物、色素颗粒物和CDOM吸收贡献率在不同波段处差异显著，不同采样点水体吸收特性的主导影响因素各异。