长江口邻近海域赤潮水体光吸收特性研究

来源 :华东师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:angyer
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本研究通过2013年3月和8月两个航次的调查(范围为122.2°~124.1°E,28.9°~32.1°N)结果对比分析了长江口邻近海域冬、夏季浮游植物生物量分布和粒级结构及其与环境要素分布的关系,探索了浮游植物光吸收特性的时空变化,建立吸收系数参数化模型;对比分析了8月赤潮水体与非赤潮水体的三要素光吸收特性;通过实验室内对长江口邻近海域常见的5种硅藻——中肋骨条藻、威氏海链藻、柔弱角毛藻、璇链角毛藻和三角褐指藻以及2种甲藻——东海原甲藻和米氏凯伦藻进行单种培养实验,分别探索了藻类生长过程中水色组分光吸收特性,并建立吸收系数参数化模型。浮游植物生物量的空间分布因季节不同而存在差异。3月叶绿素a浓度(cholorophyll-a concentration, Chla浓度)在调查海域自西向东逐渐降低,由北向南先升高后降低,变化范围为0.46~2.07 mg m-3;8月Chla浓度整体上由西北向东南降低,高值区与长江冲淡水的扩展方向较为一致,最低值出现在东南外海,变化范围为0.24~37.73 mg m-3,由河口及东北部浅水海域向外海过渡时小粒径浮游植物细胞所占比例抬升。Chla浓度的变化直接影响浮游植物吸收系数(phytoplankton absorption coefficient, αph(γ))的数值大小,3月和8月aph(440)的变化范围分别是0.008~0.073m-1和0.012~0.822 m-1。浮游植物比吸收系数(specific absorption coefficient of phytoplankton, α* ph(γ))的时空变化较大,3月和8月a*ph(440)的范围分别是0.016~0.123 m2 mg-1和0.012~0.064 m2 mg-1。3月浮游植物粒径和Chla浓度更小,非光合类胡萝卜素与Chla浓度之比更大,因而其a*ph(λ)大于8月。aph(λ)与参考波长440 nm和670 nm处的吸收系数服从Lee(1995)模型,且A类水体aph(λ)基于参考波长440 nm的参数化模型对A类水体的模拟精度最高,B类水体aph(λ)基于参考波长440 nm的参数化模型对B类水体的模拟精度最高。aph(440)和aph(675)与Chla浓度呈幂函数关系,单独拟合8月数据和综合考虑3、8月数据时aph(440)和aph(675)与Chla浓度的拟合程度高,反推aph(λ)的精度最高。8月的现场调查显示,在52个调查站位中,共10个站位观测到赤潮,其中,6个站位为硅藻赤潮,3个站位为甲藻赤潮。赤潮水体和非赤潮水体aph(λ)变化很大,而a*ph(λ)变化相对较小,赤潮和非赤潮水体a*ph(440)的平均值分别为0.023 m2mg-1和0.035 m2 mg-1。从赤潮水体向非赤潮水体过渡,大粒径浮游植物所占比例减小,小粒径浮游植物所占比例上升,打包效应减小,因而比吸收系数升高。浮游植物粒径指数的变化对440 nm和675 nm处的比吸收系数变化的贡献可分别达到43%和25%。不同类型赤潮(如硅藻和甲藻赤潮)在浮游植物粒级结构接近的情况下吸收光谱仍具有明显差异,这是色素组成不同的结果。甲藻赤潮中硅甲藻黄素和叶绿素c2的浓度之和与叶绿素a浓度的比值大于硅藻赤潮,是甲藻在465 nm附近出现吸收肩峰的重要原因。有色溶解有机物(colored dissolved organic matter, CDOM)是长江口邻近海域重要的水色组分。赤潮暴发时,CDOM吸收系数(absorption coefficient of CDOM,αg(γ))在440 nm处的吸收系数显著升高,并与Chla浓度呈弱正相关,且CDOM光谱斜率(spectral slope of CDOM, Sg)在近岸赤潮区升高,这都表明浮游植物降解是CDOM的重要组分。受赤潮影响,非色素颗粒物(non-algal particles, NAP)的吸收系数(absorption coefficient of NAP,ad(λ)也有着与非赤潮水体不同的特性,赤潮水体ad(440)与Chla浓度呈现良好的正相关,说明由浮游植物产生的有机碎屑是赤潮水体NAP的重要来源,而非赤潮水体则ad(440)与Chla浓度则无明显相关关系。为进一步探索不同类型赤潮所引起的水体光吸收特性差异,本研究对7种长江口邻近海域常见藻类物种进行室内单种培养实验,结果发现,7种藻的吸收光谱总体上在各自的培养期内变化趋势较为相似,aph(λ)参考波长440 nm和675nm处的吸收系数服从Lee(1995)模型,且东海原甲藻基于aph(675)参数化模型的拟合效果优于基于aph(440)的参数化模型,而米氏凯伦藻和5种硅藻基于aph(675)和aph(440)的参数化模型精度相仿。2种甲藻在465 nm处的吸收峰很明显,而硅藻的吸收峰不明显。495 nm附近硅藻和甲藻的吸收峰分别是岩藻黄素和多甲藻素作用的结果。硅藻在630~650 nm内硅藻吸收光谱较陡,而甲藻由于叶绿素c含量高,其在643 nm附近的吸收峰填补了由Chla造成的吸收谷的影响,因而630~650 nm内的吸收光谱较为平缓。7种藻在培养周期内ad(λ)的在可见光波段的量值远小于与其分别对应的aph(λ),440 nm处硅藻的ad(λ)与颗粒物总吸收系数之比不超过13%,甲藻不超过27%。硅藻和甲藻藻液的ad(λ)在412 nm处有脱镁叶绿素残余的吸收峰。5种硅藻藻液的NAP光谱斜率(spectral slope of NAP,Sd)的平均值均为0.014 nm-1,而2种甲藻均为0.012 nm-1。5种硅藻Sg的平均值在0.013-0.019 nm-1范围内:而2种甲藻Sg的平均值均为0.016 nm-1。本研究从光吸收的角度分析了赤潮水体与非赤潮水体以及不同藻类之间的差别,这对于更加深入地了解长江口邻近海域水色组分的光学性质,建立基于固有光学量的水色遥感反演算法和赤潮提取算法具有重要意义。
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