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        富營養(yǎng)化湛江港灣有色溶解有機物光學(xué)特性的時空變化分析

        2019-01-25 10:07:20付東洋劉大召王立安張小龍
        水資源與水工程學(xué)報 2018年6期
        關(guān)鍵詞:陸源腐殖酸站位

        余 果, 付東洋, 劉大召, 劉 貝, 廖 珊, 王立安, 張小龍

        (1.廣東海洋大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院, 廣東 湛江 524088; 2.廣東海洋大學(xué),海洋與氣象學(xué)院, 廣東 湛江 524088)

        1 研究背景

        有色溶解有機物(CDOM)是一種組成成分較復(fù)雜的大分子物質(zhì),廣泛存在于天然水體中,是水色遙感所要研究的重要對象之一[1-3]。CDOM吸收系數(shù)和光譜斜率(S值)是CDOM兩個重要的光學(xué)特性參數(shù)。某一波段處的CDOM吸收系數(shù)可以用來表征CDOM濃度,S值可以反映CDOM不同來源和CDOM分子量的大小,一般情況下分子量越大,S值會越小,反之分子量越小,S值會越大[1-4]。CDOM在紫外區(qū)具有強烈的吸收特性,一方面能夠降低紫外在水中的穿透深度,保護水體生態(tài)系統(tǒng)中的各種生物,另一方面CDOM發(fā)生光化學(xué)降解,生成其他的小分子物質(zhì),從而被細(xì)菌等生物所利用。但是CDOM吸收會延伸到藍光區(qū),從而會影響浮游植物光合作用,對浮游植物生物量的遙感估算產(chǎn)生影響[5-7]。在近海海域,陸源有機物的輸入對CDOM的濃度會產(chǎn)生很大的影響,CDOM濃度的大小在一定程度上可以反應(yīng)水體的有機污染程度[8]。

        CDOM光學(xué)特性的研究一直是國內(nèi)外許多學(xué)者所研究的熱點,其研究區(qū)域主要包括海洋、河口、湖泊、水庫等。Clementson等[9]對澳大利亞塔斯馬尼亞東南部Huon河口中的CDOM進行了研究,發(fā)現(xiàn)上游地區(qū)CDOM吸收系數(shù)ag(440)可達13 m-1,且在藍光部分CDOM吸收是最強烈的;Kowalczuk等[10]在拉美尼亞灣和幾內(nèi)亞灣研究CDOM發(fā)現(xiàn),這兩個地方的春季CDOM濃度平均值都要大于秋季和冬季;李猛等[11]研究了廈門灣CDOM的光學(xué)特性,并結(jié)合鹽度等參數(shù)分析了廈門灣各個區(qū)域CDOM的混合行為;段洪濤等[12]研究了太湖水體CDOM的光學(xué)特性,發(fā)現(xiàn)在貢湖灣區(qū)域的CDOM吸收系數(shù)最大。盡管CDOM光學(xué)特性研究取得不少的進展,但是將CDOM光學(xué)特性用于富營養(yǎng)化水質(zhì)監(jiān)測的應(yīng)用研究卻很少見。

        湛江港灣既是華南地區(qū)重要的貨物貿(mào)易港口,也是湛江市內(nèi)陸與外海水體的重要交換通道,由于城市人口及工業(yè)產(chǎn)值的快速增長,大量的生活及工業(yè)廢水排入港灣內(nèi),湛江港灣海域出現(xiàn)富營養(yǎng)化的現(xiàn)象,它已是廣東省污染及富營養(yǎng)化最嚴(yán)重的海域之一[7,13]。因此本文研究湛江港灣海域的CDOM光學(xué)特性參數(shù)的時空分布及其變化,分析湛江港灣海域CDOM來源及其影響因素,探討CDOM光學(xué)參數(shù)與葉綠素a、濁度、溶解氧之間的關(guān)系,為湛江港灣海域富營養(yǎng)化水質(zhì)監(jiān)測提供參考。

        2 材料與方法

        2.1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)采集

        研究海區(qū)為南海西北部湛江近海海域,共計兩個航次,站位設(shè)置如圖1所示,站位S1~S21是2016年9月設(shè)置,站位Z1~Z24是2017年6月設(shè)置。9月采集的表層水樣有21個,6月每個站位都采集了表層和底層水樣,共48個水樣,所有采集的水樣都放在保溫箱進行避光保存,然后當(dāng)天將樣品帶回實驗室進行過濾,將過濾好的樣品放在-20℃的冷凍室保存。葉綠素a、溶解氧和濁度等水質(zhì)參數(shù)均由RBRmaestro多參數(shù)水質(zhì)儀所測得。

        2.2 樣品處理方法和數(shù)據(jù)處理方法

        本次CDOM光學(xué)密度測量所使用的儀器是紫外分光光度計UV-2550,過濾海水的膜是0.2 μm的聚碳酸酯濾膜,過濾、測量和計算處理等均按照《我國近海海洋光學(xué)調(diào)查技術(shù)規(guī)程》相關(guān)規(guī)范[14]來進行。

        CDOM吸收系數(shù)隨波長的增加呈指數(shù)形式的衰減,其表達式為[7,15-16]:

        ag(λ)=ag(λ0)exp(S(λ0-λ))+K

        (1)

        式中:S為光譜斜率值,nm-1,利用此式來擬合求得。各參數(shù)具體含義參見文獻[7,17-18]。

        3 結(jié)果與討論

        3.1 CDOM光譜吸收特征

        圖2為湛江港灣海域不同季節(jié)表層CDOM光譜吸收系數(shù)曲線。由圖2(a)、2(b)可以看出,夏季和秋季表層水體CDOM光譜吸收系數(shù)曲線都是呈現(xiàn)指數(shù)形式的衰減[7,23],但表現(xiàn)特性有一定的差異。秋季各站點吸收光譜聚合度較高,而夏季各站點吸收光譜離散度較高。Yang等[19]研究發(fā)現(xiàn)ag(355)與類腐殖質(zhì)熒光組分有良好的線性正相關(guān)關(guān)系,周雯等[20]在臺灣海峽南部海域選取355 nm處的吸收系數(shù)來表征CDOM濃度,李猛等[11]在對廈門灣有色溶解有機物的光吸收特性進行研究時也是選用355 nm波段處的吸收系數(shù)來表示CDOM的濃度,均具有較好的應(yīng)用效果。故本文選用ag(355)來表征CDOM的濃度。夏季表層ag(355)值最大值為2.76 m-1(Z24號點),最小值為0.58 m-1(Z11號點),平均值為1.47 m-1,均方差為0.6 m-1。秋季表層ag(355)值最大值為1.87 m-1(S1號點),最小值為1.21 m-1(S10號點),平均值為1.51 m-1,均方差為0.19 m-1。結(jié)果表明,秋季各站位CDOM濃度的差異性要比夏季要小。

        3.2 CDOM濃度時空分布特征

        兩個季節(jié)表層CDOM濃度測量數(shù)據(jù)如表1所示,CDOM濃度總體上來看呈現(xiàn)秋季大于夏季的變化特征。圖3(a)、3(b)分別是夏季、秋季各站位ag(355)表層值。圖3(a)顯示夏季CDOM表層最大值在Z24號站點,最小值在Z11號站點,且離岸水體中的CDOM濃度一般要比近岸低。圖3(b)可以看出秋季CDOM表層最大值在港內(nèi)的S1號站點,最小值在南三島附近海域的S10號站點,港內(nèi)的分布情況為麻斜灣比其他區(qū)域的CDOM濃度略大。

        夏季底層ag(355)的變化范圍為0.69~3.22 m-1,平均值為1.58 m-1,比表層CDOM濃度平均值要大。在湛江港北部海域表層和底層均存在極大值,表層極大值要比底層要低,且表層高值區(qū)范圍比底層要大,在南三島的南部靠近入??诤S蚝蜄|海島的北部海域,表層和底層均出現(xiàn)低值區(qū)。圖4為湛江港灣海域夏季ag(355)空間分布。從圖4(a)和4(b)可以看出表層和底層ag(355)從西向東、從北向南的基本變化趨勢都是在減小。由圖4(c)也可以看出表層和底層分布規(guī)律較為相似,各站位表層和底層CDOM濃度變化趨勢基本保持一致,同時統(tǒng)計出13個站位底層吸收系數(shù)比表層吸收系數(shù)大,7個站位底層吸收系數(shù)和表層吸收系數(shù)一樣大,4個站位底層吸收系數(shù)比表層吸收系數(shù)小。

        3.3 光譜斜率的時空分布特征

        光譜斜率(S值)在CDOM光學(xué)特性研究中,是一個重要的研究參數(shù),它在一定程度上反映了CDOM的來源和種類,不同海域的S值可能會不同,主要受季節(jié)、海水營養(yǎng)狀態(tài)、河流入海徑流量、大氣干濕沉降等因素的影響[21]。研究表明,離岸的海水S值通常較大(>0.02 nm-1),而受河流、人為因素影響較大的沿岸海水S值通常在0.011~0.018 nm-1之間[22]。兩個季節(jié)表層光譜斜率S值如下表2所示,可以看出兩個季節(jié)S值總體上呈現(xiàn)秋季大于夏季的變化特征。圖5(a)、5(b)分別是夏季、秋季各站位表層S值。夏季表層S最大值在Z11號站位,最小值在Z23號站位,低值區(qū)主要集中在麻斜灣海域和五里山港海域,低值區(qū)S值的變化范圍為15.51×10-3~17.48×10-3nm-1,低于整個港內(nèi)平均值。秋季表層S值最大值在S16號站位,最小值在S11號站位。

        夏季底層S值的變化范圍與表層變化情況基本相同,為15.04×10-3nm-1~21.14×10-3nm-1,平均值為17.79×10-3nm-1。由圖6可以看出表層和底層S值的空間分布特征呈現(xiàn)斑塊狀的分布[7],在東海島、五里山港和麻斜灣附近海域,表層S值具有很明顯的低值分布情況,在南三島附近海域表層S值高值區(qū)極為突出,底層S值雖然也有類似的特征,但沒有表層那么顯著。表層和底層在五里山港和麻斜灣海域都具有較低的S值分布。

        表1 兩個季節(jié)表層CDOM濃度的統(tǒng)計情況

        表2 兩個季節(jié)表層CDOM光譜斜率S值的統(tǒng)計情況

        圖1 南海西北部湛江港灣海域站位分布圖(Z1-Z24:夏季航次,S1-S21:秋季航次)

        圖2 南海西北部湛江港灣海域不同季節(jié)表層CDOM光譜吸收系數(shù)曲線

        圖3 南海西北部湛江港灣海域不同季節(jié)各站位表層ag(355)值

        圖4 南海西北部湛江港灣海域夏季ag(355)空間分布圖

        圖5 南海西北部湛江港灣海域各站位表層S值

        圖6 南海西北部湛江港灣海域夏季S值空間分布圖

        3.4 CDOM來源、季節(jié)差異性和影響因素分析

        海水中CDOM來源主要可以分為海源和陸源[23]。陸源主要是地表徑流所攜帶的一些可溶性有機物,海源主要是海水中浮游植物的現(xiàn)場生產(chǎn)及細(xì)菌降解等[23-24]。Boss等[25]研究表明底層沉積物的再懸浮同樣也是CDOM來源之一。S值的差異可以反映CDOM不同的來源,而S值的不同主要是由CDOM的組成成分富里酸和腐殖酸所占比例不同[4,23,26]。對于受陸源輸入影響較大的近岸二類水體而言,一般S值較小,CDOM分子量較大,腐殖酸所占的比例大,陸源所攜帶CDOM的腐殖酸含量遠大于海源自身產(chǎn)生的,腐殖酸的比吸收系數(shù)較大,CDOM含量也較多,從而使得陸源輸入的近岸水體吸收系數(shù)就偏高。對于大洋一類水體而言,S值較大,CDOM分子量較小,富里酸所占的比例大,富里酸的比吸收系數(shù)較小,CDOM含量也較少,從而就使得大洋水體吸收系數(shù)偏低[4]。

        CDOM組成成分腐殖酸和富里酸濃度的比值決定S值和ag(355)的大小,可用以下兩個公式表示[4,26]:

        (2)

        (3)

        式中:δ=Ch-t/Cf-t,Ch-t和Cf-t分別為陸源輸入的腐殖酸和富里酸的質(zhì)量濃度;Cf-m為海源富里酸的質(zhì)量濃度。這兩個公式有兩個前提,即陸源CDOM成分和濃度穩(wěn)定、海源CDOM濃度低較穩(wěn)定且以富里酸為主,那么δ和Cf-m就保持恒定不變,海源所產(chǎn)生的腐殖酸質(zhì)量濃度為零,S=G(x)為減函數(shù),ag(355)與Ch-t成正相關(guān)關(guān)系,因此ag(355)與S理論上存在負(fù)相關(guān)關(guān)系[4,26]。然而,這種理想的水體很難存在,腐殖酸和富里酸的比例變化存在一定的不規(guī)則性,造成這種負(fù)相關(guān)關(guān)系極不穩(wěn)定[4,23,26]。

        夏季表層S值和底層S值與ag(355)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,決定系數(shù)R2分別為0.53和0.26,表層相關(guān)性較好,底層相關(guān)性較小,地表徑流量達到全年的高峰值,使城市污染物隨著地表徑流的排放,而進入港灣,CDOM受到陸源輸入的影響較大。對夏季表層和底層葉綠素a濃度進行分析發(fā)現(xiàn)呈正相關(guān),表層和底層決定系數(shù)分別達到了0.88和0.85,這說明浮游植物現(xiàn)場生產(chǎn)對夏季水體中CDOM的影響極大。對濁度與ag(355)進行分析發(fā)現(xiàn)沒有相關(guān)關(guān)系,表明陸源輸入和浮游植物現(xiàn)場生產(chǎn)這兩者是對夏季CDOM的主要貢獻者。對ag(355)與溶解氧進行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,決定系數(shù)R2分別為0.75和0.65,相關(guān)性較高。表明CDOM濃度越高,則DO越低,對水體的污染和富營養(yǎng)化具有一定的指示作用。

        秋季S值與表層ag(355)呈負(fù)相關(guān),決定系數(shù)R2為0.62,反映了秋季湛江港灣海域水體中CDOM陸源輸入是一個主要來源。對葉綠素a濃度與表層ag(355)進行分析,發(fā)現(xiàn)呈正相關(guān)關(guān)系,決定系數(shù)R2為0.76,表明浮游植物現(xiàn)場生產(chǎn)仍然是水體中CDOM濃度的一個重要影響因素。對濁度與表層ag(355)進行分析發(fā)現(xiàn)線性決定系數(shù)R2為0.35,說明底部沉積物的再懸浮對CDOM濃度有一定的貢獻。對溶解氧與表層ag(355)進行分析發(fā)現(xiàn)呈負(fù)相關(guān),決定系數(shù)R2為0.68,同樣可以通過CDOM濃度對水體的污染和富營養(yǎng)化進行示蹤。

        4 結(jié) 論

        (1)湛江港灣夏季和秋季表層水體CDOM光譜吸收系數(shù)曲線從紫外至可見光范圍呈典型的指數(shù)衰減,研究區(qū)域夏季CDOM吸收光譜離散度較高,而秋季聚合度更高。

        (2)湛江港灣海域表層水體CDOM含量ag(355)及光譜斜率S均呈現(xiàn)秋季大于夏季的時間變化特征。夏季的表層和底層水體CDOM平面分布整體呈現(xiàn)由北向南、由西向東遞減的趨勢。夏季表層、底層S值空間分布特征整體大致呈現(xiàn)斑塊狀分布。

        (3)湛江灣夏季和秋季水體中CDOM來源主要有浮游植物現(xiàn)場生產(chǎn)和陸源地表徑流所攜帶,同時底層沉積物的再懸浮也是秋季水體中CDOM來源之一,兩個季節(jié)CDOM濃度與葉綠素濃度及溶解氧負(fù)相關(guān)性都較高,與葉綠素a濃度及溶解氧含量最高決定系數(shù)分別可達0.8.、0.7以上,表明研究區(qū)域CDOM含量對水體的污染和富營養(yǎng)化具有較強的指示作用。

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