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中国南方沿海水域的浮游植物光谱吸收系数及其与叶绿素a和遥感反射率的关系
CAO Wenxi**, YAN G Yuezhong , L IU Sheng , XU Xiaoqiang ,
YAN G Dingtian and ZHAN G Jianlin
（中国科学院南海海洋研究所LED实验室，广州510301）
2004年8月10日收到; 2004年10月10日修订
摘要：在调查中国南方沿海水域浮游植物的光谱吸收系数时，发现浮游植物吸收系数的巨大变化。在443nm处的浮游植物吸收系数范围为0. 006 m -1～0.484m-1，平均值为0.677m-1。浮游植物的特异性叶绿素吸收系数也是一种生物光学变量，光谱平均值为0. 025 m2·mg - 1。叶绿素比吸收系数的变化主要归因于浮游植物的色素组成和包装效应。随着叶绿素a浓度的增加，浮游植物的叶绿素特异性吸收系数降低。这种关系可以通过幂律函数来描述，其中参数和参数测定系数r2作为波长的函数，但本研究中描述关系的参数与案例1的水域不同，因此模型参数的区域调整对于提高生物光学算法的准确性以及从遥感数据估计叶绿素a浓度和初级产量具有特别的意义。反射率（Rrs）比值和浮游植物吸收系数（aph）的回归分析表明它们之间具有密切的相关性，这意味着有可能使用海洋水色遥感数据在光学复杂的沿海水域纠正浮游植物的吸收系数。
关键词：吸收系数，浮游植物，叶绿素，遥感，生物光学模型，沿海水域
0.引言
浮游植物光谱吸收系数aph（lambda;）对生物光学模型至关重要。aph（lambda;）与遥感数据相结合的模型最近被用于解释海色的变化，并提供对全球或区域的初级生产的可靠估计，从而估计透明层中的碳通量[1 - 6]。叶绿素特异性吸收a*ph（lambda;）被定义为浮游植物吸收系数与叶绿素a浓度的比值，以前被认为是常数，平均约为0.016 m2·mg - 1 [7]。用于估计初级生产的大多数生物光学模型通常将a*ph（lambda;）视为常数[8，9]。然而，现在认识a*ph（lambda;）的幅度和光谱形状都有很大变化[10,11]。例如，Bricaud等人[11]发现a*ph（lambda;）表现出从营养缺乏到富营养化的降低趋势，在蓝色吸收最大值处跨越一个数量级（0.18至0.01m2·mg-1） 。a*ph（lambda;）的幅度和光谱形状的变化主要归因于浮游植物的包装效应和色素组成两个因素[12-14]。然而，浮游植物的包装效应和色素组成对叶绿素比吸收系数变化的贡献在于不同浮游植物群落的区域差异性[15-18]。例如，Wozniak等人[15]将a*ph（lambda;）的变化仅归因于不断增加的色素的辅助; Nelson等人[16]发现a*ph（lambda;）值与光照和营养条件，色素组成和色素包装效果有关; Stuart等人 [17]发现分别在443nm和670nm处的a*ph（lambda;）的变化的58％和38％可归因于包装效应。。
海水被列为案例1和案例2水域。案例1水域被定义为浮游植物及其相关材料控制光学性质的水域。案例2水域被定义为光学性质不仅受到浮游植物和相关颗粒的影响，而且还受其他物质如有色溶解的有机物或悬浮沉积物的影响。以前在案例1水域的研究表明，浮游植物和叶绿素a浓度的特异吸收系数之间存在良好的非线性关系 [19-22]。然而，当提出案例1水域吸收系数的参数化时，必须承认围绕总体的趋势发生显着变化。描述这些关系的参数被广泛认为是不同的，只适用于种植在培养基中的个体物种，也适用于天然浮游植物的组合。我们不知道在沿海水域的a*ph（lambda;）是否存在一些变化的一般趋势，如果是，是否与在案例1水域观察到的相似[23]。建议案例1水域的生物光谱关系不能直接适用于光学复杂的案例2水域[24]。因此遗留的一个重要问题在于a*ph（lambda;）和叶绿素a之间的稳定关系可以在沿海水域建立，当地水文和生物地球化学因素可以产生与其他沿海地区或开放海洋相当不同的生物光学体系。
遥感数据有可能监测中国南部沿海海域的叶绿素a，溶解有机物，沉积物和有害藻类的浓度[25-27]。然而，到目前为止，对溶解的有机物和颗粒的光谱吸收系数只进行了少量研究[28,29]。因此，仍然需要评估生物光学性质的变化及其与中国南部沿海各种光学重要成分的关系。
我们的主要目标是调查这个光学复杂区域浮游植物的光谱吸收系数的变异性，并评估浮游植物吸收与叶绿素之间的关系或遥感反射率，这些可以纳入该区域的生物光学模型。
- 材料和方法
2003年1月至4月在珠江口及其邻近地区进行了两次巡航，2003年10月在中国南部沿海水域进行了一次巡航。被访站如图1所示。
图1 2003年1月和4月的航行站（右）和2003年10月（左）
用5L的Niskin瓶收集表层、中层和底层海水样品。用47mm Whatman GF / F过滤器过滤用于测量叶绿素a（Chl-a）浓度的水样，然后储存在液氮中直到分析。使用纯Chl-a（Sigma Chemical Co.）校准的Turner-Design荧光计，荧光测量Chl-a浓度[30]。在一些站点，分析了不同大小的浮游植物的Chl-a浓度，大于20微米，20微米和3微米之间以及在0.45微米和3微米之间的浮游植物大致分为微浮游植物，纳米浮游植物和浮游植物，其百分比计算总Chl-a浓度。用25mm Whatman GF / F过滤器过滤用于测量颗粒吸收的样品。用分光光度计扫描这些样品过滤器以确定总颗粒的光谱吸收系数，然后通过用90％甲醇萃取60-180分钟从滤纸中除去色素，并用分光光度计再次扫描滤膜以确定非藻类颗粒的光谱吸收系数。通过从总颗粒的光谱吸收系数中减去非藻类颗粒的光谱吸收系数，获得植物浮游生物的光谱吸收系数。这些测量的细节已在前一篇论文中提出[29 ]。
多参数监测系统（YSI6600）用于测量测量每个站点的盐度，温度，浊度，p H和水的溶解氧。
使用自由落体分析器（Satlantic Inc.）测量表观光学性质。这可以同时测量七个通道（412,443,490,520,555,620和683nm）中的下降流辐射和上升流辐射。该分析仪是手动部署的，数据没有记录，直到仪器距离船舶数十米，以尽量减少船舶阴影效应。一一个互补的表面单元，放置在船上的甲板上，避开阴影，测量了与海面正上方相同的七个通道的入射辐射。使用Satlantic公司提供的软件处理数据。使用该软件计算出明显的光学性质，如用于下降流辐射度的漫反射衰减系数Kd和远在海面上方的遥感反射率Rrs。
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结果与讨论
- 生物光学背景
Chl2a浓度在时间和空间尺度上都有很大的变化。图2示出了作为海水盐度函数的Chl-a分布，这表明相对较高的Chl-a浓度主要落在淡水和海水混合非常好的地区，盐度在23至33PSU之间。Chl-a的浓度范围为0.233～23.309，121～5.636和0.157～18.761mg·m-3，平均值为3.503，0.741和1.937mg·m-3，分别为2003年1月，4月和10月。
图2 1月份观察到的叶绿素a浓度（yacute;），四月（□）和十月（○）作为海水盐度的函数。
尺寸经典分析表明，在靠近海岸线的水域，浮游植物通常由大尺寸颗粒主导，而在近海水域，浮游植物通常以小尺寸颗粒为主。图3显示了微浮游植物，浮游植物和浮游植物对浮游植物总量的贡献的代表性例子。大尺寸颗粒主导浮游植物群落的水域相对较浑浊，具有较高的漫反射衰减系数。490nm处的漫射衰减系数，例如Kd（490）通常大于2m-1，并且蓝色到绿色波段中的漫反射衰减系数通常大于红色波段（图4）。这些水域的特点通过低光照和高营养，透明层一般比混合层浅。相比之下，小尺寸颗粒主导浮游植物群落的水域相对清晰，漫反射衰减系数Kd（490）相对较低，例如通常小于0.2 m-1，蓝色到绿色波段的漫反射衰减系数通常小于红色波段。这些水的特征在于高光照，低营养，渗透层通常比混合层更深。
图3 微浮游植物和浮游植物占浮游植物总量的比例，每个面板都标记了站号和深度。
图4 漫反射衰减系数的代表性光谱图
以前的研究表明，在高光照和低营养水域的小型浮游植物含有较多的辅助色素，并且具有低的包装效果。而在低光照和高营养水域的大型浮游植物含有较少的辅料色素，并且具有很强的包装效果[31 - 36]。这些背景将有助于我们解释浮游植物吸收的变化。
2.2浮游植物吸收系数的变化
图5（a）显示了浮游植物的光谱吸收系数的代表性实例，其示出了光谱形状和幅度上的变化。例如，443nm处的吸收系数，a*ph（443），范围为0. 006 m-1至0.484 m-1，平均值为0.677m-1。每次巡航的平均叶绿素特异性吸收以及Yentsch [37]发表的平均叶绿素特异性吸收量如图5（b）所示。在1月巡航期间观察到最低的a*ph（lambda;）值，三次巡航的总体光谱平均值为0.025 m2·mg-1，高于Yentsch [37]发布的平均值。
图5 在三个巡航期间测量的浮游植物的光谱吸收（a）和每个巡航的平均比吸收光谱（b）
图5（a）在吸收光谱中显示出明显的吸收峰，670nm附近的相对较窄的峰可归因于叶绿素a，而443nm附近的宽峰可归因于叶绿素a，叶绿素b以及其他辅助色素。在一些光谱中，620nm附近存在弱峰，这可归因于叶绿素b。
在443nm和670nm处的吸收系数（a*ph（443）/ a*ph（670））的比值落在0.41到6.29的范围内，平均值为22。a*ph（443）/ a*ph（670）的值取决于Chl-a浓度：随Chl-a的增加而降低，而在Chl-agt; 5mg·m-3时，似乎平均值发生了波动（图6）。辅助色素的吸收峰主要在443nm附近，因此a*ph（443）/ a*ph（670）的较大值意味着辅助色素的丰度较高，而a*ph（443）/ a*ph（670）的较小值意味着辅助色素的丰度较低。换句话说，a*ph（443）/ a*ph（670）的变化揭示了所考虑的浮游植物群落中辅助色素与Chl-a浓度的百分比相对应。
图6 作为Chl-a的函数的a*ph（443）/ a*ph（670）的变化
除了在443nm和670nm处的吸收系数比的变化外，还观察到吸收光谱的明显差异。根据光谱形状和a*ph（443）/ a*ph（670）的值，鉴定了5种不同类型的光谱（图7）。
图7 在中国南方沿海水域测定的典型吸收光谱
第一种类型分别在443nm和670nm附近显示出两个不同的吸收峰，具有较高的a*ph（443）/ a*ph（670）值。
第二种类型还分别在443nm和670nm附近显示两个不同的吸收峰，但是具有较低的a*ph（443）/ a*ph（670）值。
第三种类型还分别在443nm和670nm附近显示两个不同的吸收峰，并且它们与第一和第二吸收峰分别在620nm附近具有不同的峰。
第四种类型分别在443nm和670nm具有不
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