湖泊光學(xué)研究進展及其展望*

張運林

(中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點實驗室，南京210008)

湖泊光學(xué)研究進展及其展望*

張運林

(中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點實驗室，南京210008)

從湖泊光學(xué)研究理論框架、研究方法、水體生物光學(xué)特性、有色可溶性有機物(CDOM)生物地球化學(xué)循環(huán)、光與浮游植物相互關(guān)系、沉積物再懸浮光學(xué)效應(yīng)、湖泊水色遙感等幾個方面全面回顧了湖泊光學(xué)研究進展.湖泊光學(xué)研究理論框架主要包括各光學(xué)組份吸收、散射、漫射衰減及輻射傳輸方程;近年來，逐步發(fā)展了野外時空格局調(diào)查、水動力水華過程連續(xù)觀測、生物光學(xué)參數(shù)高頻自動監(jiān)測、室內(nèi)模擬控制實驗等相結(jié)合的一系列研究方法;水體生物光學(xué)特性方面，開展了大量不同類型湖泊水體顆粒物吸收、散射、后向散射、漫射衰減、真光層深度的野外測定，獲得了固有、表觀光學(xué)特性之間相互關(guān)系以及與光學(xué)組份濃度之間定量關(guān)系;CDOM生物地球化學(xué)循環(huán)方面，利用CDOM光譜吸收、三維熒光技術(shù)定量表征了CDOM空間分布、來源、組成差異、消除途徑及對紫外輻射衰減影響程度;光與浮游植物相互關(guān)系方面，獲得UV-B輻射對浮游植物生長影響，發(fā)展了浮游植物初級生產(chǎn)力計算的垂向歸納模型;沉積物再懸浮光學(xué)效應(yīng)方面，發(fā)現(xiàn)沉積物再懸浮顯著影響光場結(jié)構(gòu)，降低透明度和真光層深度進而降低湖泊初級生產(chǎn)力;湖泊水色遙感方面，建立了湖泊水質(zhì)參數(shù)懸浮物、葉綠素a濃度及浮游植物、CDOM吸收系數(shù)等遙感反演算法，并應(yīng)用到衛(wèi)星影像對富營養(yǎng)化湖泊藍藻水華開展遙感監(jiān)測.最后，基于以上幾個方面湖泊光學(xué)的研究現(xiàn)狀，從微觀和宏觀不同層面就湖泊光學(xué)研究進一步發(fā)展做出了展望.

湖泊光學(xué);固有光學(xué)特性;表觀光學(xué)特性;有色可溶性有機物;初級生產(chǎn)力

湖泊光學(xué)是研究湖泊水體光學(xué)性質(zhì)、光在湖泊水體的傳輸分布規(guī)律及運用光學(xué)技術(shù)探測湖泊的科學(xué)，是湖沼學(xué)與光學(xué)的交叉學(xué)科，屬于物理湖泊學(xué)范疇.湖泊光學(xué)的研究理論框架起源于海洋光學(xué)，其基本理論就是光的吸收、散射、衰減、水體輻射傳輸方程，最易獲取的測量參數(shù)是水體透明度.湖泊光學(xué)與湖泊物理過程、化學(xué)過程及生物生態(tài)過程密切相關(guān).測定湖水的光學(xué)性質(zhì)、渾濁度可為研究湖流、波浪的環(huán)境效益提供一種有效監(jiān)測指標.隨機湖面的光學(xué)研究，為遙測波浪方向譜建立了物理模型，并可為現(xiàn)場測定波浪要素提供快速有效的手段.水下輻照的強度、光譜分布與湖泊中一些光化學(xué)過程，湖泊浮游植物、沉水植物分布及初級生產(chǎn)力的估算密切相關(guān)，如輻照強度、真光層深度是浮游植物初級生產(chǎn)力方程的主要參數(shù).探測湖泊等內(nèi)陸水體的光學(xué)遙感傳感器的波段、視場角和動態(tài)范圍等參數(shù)要根據(jù)湖泊光譜輻射的數(shù)據(jù)來確定，而湖泊中輻射傳遞理論更是水色光學(xué)遙感方法的基礎(chǔ).

我國湖泊光學(xué)的研究主要起步于1990s，近10年來得到迅速發(fā)展，其迅猛發(fā)展得益于以下幾個方面:(1)太陽輻射是驅(qū)動湖泊生態(tài)系統(tǒng)的最基本源動力，湖泊物理、化學(xué)、生物、生態(tài)過程都受制于此;(2)1980s初觀測到南極臭氧層的空洞使得到達地表的紫外輻射特別是UV-B輻射增強，給湖泊生物個體、群落和生態(tài)系統(tǒng)都帶來了負面影響;(3)湖泊富營養(yǎng)化過程、水環(huán)境惡化，頻繁水污染事件及藍藻水華大范圍長時間暴發(fā)迫切需要開展湖泊水質(zhì)和藍藻水華遙感監(jiān)測;(4)全球氣候變暖背景下需要知道湖泊等內(nèi)陸水體碳循環(huán)速率及碳通量，而影響光輻射傳輸?shù)娜芙庑杂袡C物是重要的溶解性有機碳庫.正是由于湖泊光學(xué)的迅速發(fā)展，需要我們對過去十幾年的研究進行系統(tǒng)梳理，本文從湖泊光學(xué)研究理論框架、研究方法、水體生物光學(xué)特性、有色可溶性有機物(chromophoric dissolved organic matter:CDOM)生物地球化學(xué)循環(huán)、光與浮游植物相互關(guān)系、沉積物再懸浮光學(xué)效應(yīng)、湖泊水色遙感等幾個方面全面回顧了湖泊光學(xué)研究進展，并對未來發(fā)展作出展望.

1 理論框架

湖泊光學(xué)研究的基本理論就是光的吸收、散射、衰減、水體輻射傳輸.從水光學(xué)角度分類，影響光輻射在水體內(nèi)傳輸分布的成分主要有4種，即純水、CDOM、浮游植物和非色素顆粒物，浮游植物和非色素顆粒物又統(tǒng)稱為顆粒物，而CDOM和非色素顆粒物由于其光譜吸收形狀比較一致，在海洋光學(xué)研究中有時又一起被稱為有色碎屑物［1］.

太陽輻射進入水體后要受到純水、浮游植物、非色素顆粒物的吸收和散射，而CDOM一般被認為只有吸收沒有散射［2］.如果進入水體的太陽光全為直射光，在水體內(nèi)的衰減則為光束衰減，是吸收與散射之和，均為固有光學(xué)特性.但實際上任何時候都有漫射光，因而引入了漫射衰減系數(shù)來表示光在不同水層的衰減程度，為表觀光學(xué)特性.固有光學(xué)特性(Inherent Optical Properties，IOPs)指只與水體光學(xué)組份有關(guān)而不隨光照條件變化而變化的光學(xué)特性，表征水體固有光學(xué)特性的參數(shù)有純水、CDOM、浮游植物和非色素顆粒物光束衰減系數(shù)、吸收系數(shù)、散射系數(shù)、后向散射系數(shù)、它們的比吸收、比散射系數(shù)以及體散射函數(shù)等［2］.根據(jù)Lambert Beer定律，水體的總光束衰減系數(shù)、吸收系數(shù)、散射系數(shù)、后向散射系數(shù)可表示為各種光學(xué)成份光束衰減系數(shù)、吸收系數(shù)、散射系數(shù)、后向散射系數(shù)的線性加和［2］.表觀光學(xué)特性(Apparent Optical Properties，AOPs)是指不但與水體光學(xué)組份有關(guān)，而且會隨光場條件(如太陽高度角、直射光漫射光比例等)變化而變化的光學(xué)特性，表征表觀光學(xué)特性的參數(shù)有向上向下輻照度、向上向下輻亮度、離水輻射率、漫射衰減系數(shù)、真光層深度、輻照度比、遙感反射率等［2］.生物光學(xué)特性包括水體光學(xué)成份的固有光學(xué)特性、表觀光學(xué)特性的定量描述，表觀光學(xué)特性與固有光學(xué)特性之間的關(guān)系以及表觀光學(xué)特性、固有光學(xué)特性與各光學(xué)組份濃度的關(guān)系.

表觀光學(xué)特性是入射太陽光與水體固有光學(xué)特性相互作用的結(jié)果和產(chǎn)物.對于特定的太陽輻射場，即特定的太陽高度角、漫射太陽光的角分布，表觀光學(xué)特性可以由固有光學(xué)特性計算得到.

向下輻照度的漫射衰減系數(shù)Kd(λ)可以用下式來描述［2］:

式中，a(λ)、b(λ)為總吸收、總散射系數(shù)(m-1);μ0為剛好水面下入射太陽光的折射角余弦值.G(μ0)表示散射對垂直衰減的相對貢獻，可以表示為［2］:

對整個真光層深度計算Kd(λ)時g1、g2值分別為0.425、0.190，對1/2真光層深度計算 Kd(λ)時 g1、g2值分別為 0.473、0.218［3］.

向上輻照度與向下輻照度比值即輻照度比R(λ，0)可以用后向散射和吸收系數(shù)來表示［4］:

式中，bb(λ)為總后向散射系數(shù)(m-1)，a(λ)為總吸收系數(shù)(m-1)，f為系數(shù)，Spinrad等［3］用蒙特-卡羅模型得出f為μ0的函數(shù):

水面下和水面上遙感反射率可以用下式表示［2］:

式中，Rrs(λ，0-)、Rrs(λ，0+)為水面下、水面上遙感反射率;Lu(λ，0-)、Eu(λ，0-)、Ed(λ，0-)分別為水面處向上輻亮度、向上、向下輻照度;Q為幾何因子，可以由μ0計算得到.

2 研究方法

2.1 時空格局調(diào)查及野外室內(nèi)測定

湖泊光學(xué)野外調(diào)查研究不同于一般的湖泊物理、化學(xué)和生物生態(tài)調(diào)查，對一些表觀光學(xué)參數(shù)的測定必須是天氣晴好并且太陽高度角比較大的條件下開展，如春、夏、秋季開展光輻射垂直剖面測定以及水面遙感反射率的測定宜在9:00-17:00進行，而冬季宜在10:00-16:00.此外為了開展湖泊水質(zhì)遙感反演模型并進行遙感影像的應(yīng)用與驗證，許多情況下的光學(xué)野外調(diào)查必須與衛(wèi)星過境同步開展，特別是一些航空飛行試驗.當(dāng)然對于光學(xué)組份濃度的調(diào)查以及固有光學(xué)參數(shù)的測定其要求不需要這么嚴格，與正常的湖泊物理、化學(xué)、生物生態(tài)野外調(diào)查基本類似.

湖泊光學(xué)野外調(diào)查的目地是獲得水體固有和表觀光學(xué)特性的時空分布規(guī)律.表觀和固有光學(xué)特性野外現(xiàn)場測定有兩種方法，即垂直剖面測量法和水面以上測量法.其中吸收系數(shù)、散射系數(shù)、后向散射系數(shù)通過垂直剖面測定可以獲得這些參數(shù)的垂直變化，而漫射衰減、真光層深度等表觀光學(xué)參數(shù)一般通過水下光譜垂直剖面測定不同水層的輻照度進而計算得到［5］.而輻照度比、遙感反射率等參數(shù)則一般采用水面以上測量法［6］.目前商業(yè)上被廣泛使用的水體生物光學(xué)特性野外原位測定儀器有美國Wetlabs公司的AC-9(ACS)吸收儀、Bb9后向散射儀、CDOM吸收儀;美國HOBI實驗室的HydroScat-6后向散射儀、德國TRIOS公司不同波長系列的輻亮度、輻照度水下光譜儀及CDOM吸收儀;美國ASD公司、SVC公司不同波長系列的地物光譜儀.生物光學(xué)特性的實驗室測定主要包括CDOM、浮游植物、非色素顆粒物光譜吸收系數(shù)測定，在分光光度計上測定吸光度然后計算得到［7-8］.早期顆粒物吸收測定一般采用透射法(T方法)，最近一些研究提倡對于渾濁水體顆粒吸收測定透射-反射法(T-R方法)更準確［9-10］，并且從早期直接在分光光度計上測定發(fā)展到用帶積分球的分光光度測定［10］.而對于顆粒物散射和后向散射系數(shù)沒有統(tǒng)一的標準實驗測定方法，一種可替換的方法就是通過光束衰減系數(shù)、顆粒物和CDOM吸收系數(shù)的測定近似計算獲得顆粒物散射吸收和后向散射系數(shù).

2.2 關(guān)鍵過程連續(xù)觀測

野外時空格局調(diào)查往往只能獲得生物光學(xué)特性現(xiàn)狀的描述，無法獲知影響生物光學(xué)特性變化的一些過程與機理.就湖泊生態(tài)系統(tǒng)而言，影響水體生物光學(xué)特性及光學(xué)組份濃度的主要關(guān)鍵過程有水動力擾動、藍藻水華、河流輸入等過程.過去十年湖泊光學(xué)的發(fā)展除了開展大量野外同步協(xié)同觀測外，逐步建立了水動力水華過程中水體生物光學(xué)特性和光學(xué)組份濃度的連續(xù)觀測.通過在野外原位搭建臨時觀測平臺，在不同風(fēng)浪和水華過程中同步開展風(fēng)速風(fēng)向、波浪湖流、水下光場、水化學(xué)參數(shù)、初級生產(chǎn)力的測定［5］，旨在揭示風(fēng)浪與沉積物再懸浮及生物光學(xué)特性、初級生產(chǎn)力之間的內(nèi)在聯(lián)系，水華發(fā)生發(fā)展消亡過程中水體生物光學(xué)特性的響應(yīng)機制.

2.3 生物光學(xué)參數(shù)高頻自動監(jiān)測

過程的連續(xù)觀測盡管能捕捉到部分典型過程，但畢竟人工布局進行觀測，監(jiān)測的密度和頻率不會太高，并且時間序列上都是“離散”的，往往無法捕捉到水動力、藍藻水華過程短時間尺度上對水體生物光學(xué)特性的影響.隨著監(jiān)測和觀測技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)在逐步發(fā)展起來的一些生物光學(xué)特性監(jiān)測儀器已能開展高頻自動監(jiān)測，比方說美國Wetlabs公司生產(chǎn)的總吸收儀、顆粒物后向散射儀、CDOM吸收、葉綠素a、藻藍素監(jiān)測探頭，德國TRIOS公司生產(chǎn)的CDOM吸收探頭都能開展野外原位連續(xù)高頻監(jiān)測［11-12］，監(jiān)測時間間隔可以從1min到1h不等.生物光學(xué)特性的高頻自動監(jiān)測實現(xiàn)了許多在以往傳統(tǒng)監(jiān)測方法中無法獲取的實時數(shù)據(jù)和現(xiàn)象，更有助于我們進一步開展湖泊光學(xué)的一些過程與機理研究.目前我們已在太湖布設(shè)了一套Wetlabs公司的生物光學(xué)特性高頻自動監(jiān)測系統(tǒng).

2.4 室內(nèi)及原位模擬控制實驗

過程觀測和高頻監(jiān)測能夠獲得某些關(guān)鍵過程中生物光學(xué)特性的變化，但由于野外現(xiàn)場的復(fù)雜性和不可控制性，許多因素交織在一起，很難分離出某一種因素的影響和貢獻，無法解釋湖泊光學(xué)中的一些機理問題.而室內(nèi)及原位模擬控制實驗通過對影響要素進行簡單化和單一化處理，能夠有效分離單要素對湖泊水體生物光學(xué)、水下光場結(jié)構(gòu)的影響機制及水下光場變化后的一些環(huán)境和生態(tài)效益.相關(guān)的一些控制實驗包括純藻及顆粒物對吸收、比吸收、遙感反射率的影響［13-15］;模擬及現(xiàn)場原位紫外輻射對浮游植物、浮游動物等及CDOM光化學(xué)降解的影響［16-20］，生物生長降解對顆粒物吸收及CDOM吸收和熒光的影響［21-22］，模擬動力擾動對水下光場及初級生產(chǎn)力的影響等［23］.

3 水體生物光學(xué)特性

3.1 固有光學(xué)特性

由于純水的吸收和散射近似為常數(shù)，而CDOM吸收后面會單列專門討論，因此這里探討的水體固有光學(xué)特性僅針對顆粒物的吸收、散射和后向散射.

顆粒物吸收是水色遙感的生物-光學(xué)模式、光輻射傳輸、初級生產(chǎn)力估算和生態(tài)過程模擬的基本參數(shù).隨著近十年湖泊水色遙感中分析模型和半分析模型的廣泛使用，為發(fā)展區(qū)域生物光學(xué)模式，許多湖泊都開展了顆粒物吸收的測量、計算、數(shù)值分離及分析，探討了吸收系數(shù)與總懸浮物、非色素顆粒物和浮游植物葉綠素a濃度之間的定量關(guān)系，獲得了非色素顆粒物和浮游植物比吸收系數(shù)［5，7-8，24-31］.不同湖泊水體顆粒物濃度、組成、粒徑存在很大差異，因此顆粒物吸收系數(shù)的量值和譜型也存在很大差別.但總結(jié)起來不外乎3種類型:(Ⅰ)總顆粒物吸收光譜與浮游植物吸收光譜相似，在440nm、675nm處都表現(xiàn)出明顯的吸收峰;(Ⅱ)總懸浮顆粒物吸收光譜與非藻類顆粒物吸收光譜相似，短波部分顆粒物吸收隨波長增加大致按指數(shù)規(guī)律遞減，僅在675nm處表現(xiàn)出一微弱的浮游植物吸收峰;(Ⅲ)總顆粒物吸收光譜既不完全類似浮游植物吸收光譜，也不完全類似非藻類顆粒物吸收光譜，在短波的440nm浮游植物吸收峰不是很明顯，但在675nm處浮游植物吸收峰非常明顯［5］.不同類型的湖泊以及同一湖泊不同季節(jié)，顆粒物吸收的主導(dǎo)類型都不一樣.如貧營養(yǎng)以及不受底泥沉積物再懸浮影響的富營養(yǎng)湖泊，顆粒物吸收以Ⅰ型為主導(dǎo)，而渾濁的淺水湖泊則以Ⅱ型為主導(dǎo).對于Ⅱ型中在顆粒物以非色素顆粒物占絕對主導(dǎo)的情況下，無論實驗還是數(shù)值分離獲得的浮游植物吸收都會存在較大的誤差，尤其是在短波部分，如數(shù)值分離法對顆粒物中葉綠素a與總懸浮濃度比值低于0.02%的站點就不適用［30］.

相比于顆粒物吸收系數(shù)，散射和后向散射系數(shù)的測定和計算要更為困難和復(fù)雜，其測定一般都是在野外原位條件下進行，受其它環(huán)境要素的干擾較大.同顆粒物吸收一樣，散射和后向散射系數(shù)的測定也得益于水色遙感分析模型和半分析模型的快速發(fā)展，迫切需要知道特定區(qū)域的顆粒物散射、后向散射系數(shù)及它們各自的比散射系數(shù).為此近年來在一些湖泊中進行了大量散射系數(shù)和后向散射系數(shù)的野外測定，分析了其光譜變化、與顆粒物濃度之間關(guān)系、顆粒物粒徑對散射和后向散射系數(shù)的影響;獲得各自比散射系數(shù)［32-37］.顆粒物散射系數(shù)和后向散射系數(shù)光譜變化比較平緩，隨波長增加有所降低，與懸浮物特別是無機顆粒物濃度存在非常好的函數(shù)關(guān)系，可以通過無機顆粒物濃度獲得特征波長顆粒散射系數(shù)和后向散射系數(shù)［34-37］.

關(guān)于散射與后向散射系數(shù)之間的關(guān)系，早期的研究認為兩者是線性關(guān)系，用后向散射系數(shù)與散射系數(shù)的比值即后向散射概率來表示，不同類型的水體，后向散射概率的值存在一些差異，隨水體渾濁度的增加，后向散射概率會有所增加.在大洋水體和清潔水體其值常用0.015代替，而在沿岸和內(nèi)陸湖泊混濁水體，一般取值0.019較為適合［2］.但后來不同研究獲得的后向散射概率值不一樣，如Campbell等［31］在澳大利亞3個水庫得到的值在0.013-0.014 之間;馬榮華等［37］在太湖計算獲得的均值為 0.041 ±0.03;Whitlock 等［38］在河流觀測到的值在0.025-0.07之間，Dekker等［39］在荷蘭湖泊獲得的均值為0.026±0.006.最近基于一些野外測定的結(jié)果顯示，可以用冪函數(shù)、逆函數(shù)和S形曲線等模型表征后向散射系數(shù)和散射系數(shù)之間關(guān)系，并且對于不同波段擬合的函數(shù)關(guān)系會存在一些差異［36，40］，不同研究區(qū)域擬合系數(shù)也會存在差異，這對先前用單一常數(shù)來表示兩者之間關(guān)系進行了很好的修正.

3.2 表觀光學(xué)特性

表觀光學(xué)特性中使用最廣泛，最有環(huán)境意義的參數(shù)有漫射衰減系數(shù)、真光層深度、遙感反射率、輻照度比，其中漫射衰減系數(shù)和真光層深度表征太陽輻射在水體內(nèi)的衰減程度，而遙感反射率、輻照度比表征的太陽輻射被水體反射程度.漫射衰減系數(shù)綜合反映非色素顆粒物、浮游植物和CDOM對光的吸收和散射，直接影響水體的透明度和真光層深度.同時由于非色素顆粒物、浮游植物和CDOM對不同波長光的選擇性吸收和散射，水體漫射衰減系數(shù)會有明顯的光譜變化，如短波的紫外輻射漫射衰減系數(shù)一般最大，光合有效輻射(Photosynthetically Active Radiation，PAR)波段在渾濁的內(nèi)陸湖泊漫射衰減的最小值出現(xiàn)在600nm附近，而一些清潔的高山高原湖泊漫射衰減的最小值則一般出現(xiàn)在藍綠光波段［41-43］.為表征PAR在水體內(nèi)的綜合衰減程度，一般通過測定不同水層PAR強度進而計算漫射衰減系數(shù)加以表征.不同水體以及同一水體不同季節(jié)影響漫射衰減系數(shù)的主導(dǎo)因素都不一樣，不同研究者根據(jù)各自的研究區(qū)域建立了PAR漫射衰減系數(shù)計算公式，分離各光學(xué)組份對PAR漫射衰減系數(shù)的貢獻率，也有研究利用實測遙感反射率和衛(wèi)星影像來反演水體內(nèi)漫射衰減系數(shù)并分析其時空變化和影響因素［24，27，41-42］.在渾濁的淺水湖泊，影響PAR漫射衰減系數(shù)的主導(dǎo)因子是非色素顆粒物，其次是浮游植物，CDOM的貢獻最?。?1，43-45］，而在一些近似Ⅰ類水體的湖泊中，浮游植物對PAR漫射衰減的貢獻均超過50%，PAR漫射衰減系數(shù)與葉綠素a濃度存在很好的相關(guān)性［46］.

真光層深度是衡量湖泊生態(tài)與環(huán)境總體狀況最重要的環(huán)境因子之一，是湖泊物理、化學(xué)、生物綜合作用的關(guān)鍵指標.不同的水體真光層深度差異顯著，在清潔的海洋其值可以高達100m以上，而在渾濁的內(nèi)陸水體有時則只有幾十厘米［2，44，47-48］.由于浮游植物主要分布在這一層，因此其深度直接影響到浮游植物光合作用過程和水體初級生產(chǎn)力，是初級生產(chǎn)力計算模型的關(guān)鍵參數(shù)［47，49-51］.真光層深度除在湖泊初級生產(chǎn)力和營養(yǎng)鹽估算方面的意義之外，還決定了沉水植物分布［52-53］.因此研究真光層深度的時空分布、影響機制對于沉水植被恢復(fù)、湖泊生態(tài)修復(fù)和水質(zhì)改善具有非常重要的指導(dǎo)意義.在富營養(yǎng)化淺水湖泊中，由于浮游藻類的大量生長和風(fēng)浪對底泥的再懸浮作用，往往使得真光層深度較低，水下光場較弱，導(dǎo)致沉水植物消退［52］，因此要恢復(fù)沉水植物首先要弄清真光層深度的影響機制，進而提出改善水下光學(xué)條件的措施.

水色遙感的基礎(chǔ)是獲取地面或者衛(wèi)星影像提取的遙感反射率，與水色參數(shù)濃度建立某種定量關(guān)系，因此針對不同水體國內(nèi)外研究者開展了大量野外遙感反射率測定，分析了不同水體或同一水體在不同季節(jié)遙感反射率光譜特征［54-61］.歸納起來，內(nèi)陸湖泊二類水體遙感反射率具有以下共同的特征:在560、705、810nm附近會出現(xiàn)明顯的峰值，在680nm附近具有明顯的谷值.560nm附近處峰值主要是由于藻類色素的低吸收和無機懸浮物、浮游植物細胞壁的散射作用所致，705nm屬于葉綠素a熒光峰，隨著葉綠素a濃度的增加，峰高隨之增加，反射峰位置也向著長波方向移動，其位置從688nm開始到713nm結(jié)束［59］，與葉綠素a濃度密切相關(guān)，可作為判斷是否有葉綠素的依據(jù)，680nm附近的谷值是葉綠素a在紅光波段的強烈吸收所致.810nm反射峰主要由懸浮物引起，因此可以用于表征水體懸浮物濃度.在一些以藍藻占優(yōu)勢的湖泊水體，由于藻藍素吸收遙感反射率往往在620nm也會表現(xiàn)出明顯谷值，因此可以用于區(qū)分浮游植物群落結(jié)構(gòu)是否以藍藻為主，進而進行有毒有害藍藻水華監(jiān)測.基于遙感反射率的峰谷特征和主導(dǎo)影響因素，提出了懸浮物、葉綠素a、藻藍素濃度和CDOM、浮游植物吸收單波段、波段比值、三波段、多波段組合、熒光峰位置高度等不同反演算法［54-67］.

4 CDOM生物地球化學(xué)循環(huán)

CDOM既是光學(xué)活性物質(zhì)，對紫外輻射吸收強烈，會顯著改變水下光場結(jié)構(gòu)［43，68-70］，同時又是營養(yǎng)物質(zhì)，富含豐富碳、氮、磷等湖泊生源要素，影響湖泊營養(yǎng)鹽生物地球化學(xué)過程、湖泊富營養(yǎng)化進程及碳循環(huán)與全球變暖［71-74］.此外，CDOM還是熒光物質(zhì)，在紫外輻射激發(fā)下會發(fā)出熒光.因此，研究CDOM吸收熒光特性，地域分布、來源、組成、消除途徑等生物地球化學(xué)循環(huán)過程以及對紫外輻射衰減的貢獻成為湖泊光學(xué)研究中非常重要的部分.

4.1 光譜吸收特性及地域分布

由于CDOM是一類來源各異，成分復(fù)雜的物質(zhì)組成，目前很難對其有機成分進行全面分析，因而往往借助其吸收系數(shù)等光學(xué)特性來表示其濃度.全世界不同湖泊觀測的結(jié)果顯示，CDOM吸收系數(shù)存在極大的空間差異，440nm處吸收系數(shù)在一些富營養(yǎng)化以及腐殖化程度很高的湖泊大于6m-1;而在一些清澈的高原高山湖泊為0，接近甚至低于儀器的檢測限［43，58，68-70，75］.CDOM吸收光譜被廣泛認為從紫外到可見光隨波長的增加大致呈指數(shù)函數(shù)下降，然而最近的一些研究也表明指數(shù)模型并不是模擬CDOM光譜吸收的最好模型.如Stedmon等［76］為了消除長波CDOM吸光度測定中的噪聲以及由非CDOM吸收引起的吸收系數(shù)波動，在指數(shù)模型上增加一個背景項，其回歸擬合精度顯著高于簡單指數(shù)模型.又如Twardowski等［77］分析比較了指數(shù)模型、增加背景項的指數(shù)模型以及冪函數(shù)模型等6種模型，統(tǒng)計分析結(jié)果顯示，冪函數(shù)和帶背景項指數(shù)模型能更真實地模擬CDOM的光譜吸收.劉明亮等［78］，姜廣甲等［79］根據(jù)各自研究數(shù)據(jù)對各種CDOM光譜吸收模型進行了比對.盡管冪函數(shù)模型能更好模擬CDOM光譜吸收，然而為了與前期的研究對比，目前大多數(shù)研究仍然使用簡單或帶背景項指數(shù)模型來模擬CDOM光譜吸收［72］.另外，表征CDOM吸收系數(shù)隨波長增加而遞減的參數(shù)指數(shù)函數(shù)斜率S值與CDOM組成和分子大小及擬合的波長范圍密切相關(guān).研究顯示陸源湖泊CDOM光譜斜率(0.013-0.018nm-1)一般要小于海洋(≥0.02nm-1)［80］，短波范圍內(nèi) S值要高于長波范圍內(nèi) S 值［81］.

4.2 三維熒光特性及其組成來源

近年來發(fā)展起來的三維熒光光譜技術(shù)越來越廣泛應(yīng)用于區(qū)分湖泊CDOM結(jié)構(gòu)、組成和來源［82-87］.一般而言，CDOM含有類蛋白質(zhì)和類腐殖質(zhì)兩類熒光物質(zhì).類蛋白質(zhì)熒光物質(zhì)由具有芳香結(jié)構(gòu)的氨基酸如色氨酸、酪氨酸等產(chǎn)生，以內(nèi)源產(chǎn)生為主，而類腐殖質(zhì)熒光物質(zhì)則由分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜的腐殖酸和富里酸類物質(zhì)產(chǎn)生，以外源輸入為主.這兩類熒光物質(zhì)包含5-8個熒光發(fā)色團，其熒光峰位置和來源相對比較確定，因而通過對比分析不同水體CDOM中主要熒光峰位置、強度以及各個峰比值之間變化可以定量區(qū)分CDOM組成和來源［82，85，88］，如不同營養(yǎng)狀態(tài)湖泊CDOM三維熒光圖譜的峰值和位置均存在明顯差異［85］(圖1).對貧營養(yǎng)湖泊而言，內(nèi)源產(chǎn)生的類蛋白熒光強度要明顯大于外源類腐殖酸，三維熒光圖譜以類蛋白熒光為主導(dǎo).而對于富營養(yǎng)化湖泊而言，外源輸入的類腐殖質(zhì)熒光則明顯大于內(nèi)源的類蛋白熒光，三維熒光圖譜以類腐殖質(zhì)熒光為主導(dǎo).然而由于三維熒光圖譜是各種熒光峰值疊加在一起形成的圖譜，各類熒光峰值會相互干擾和重疊，使得一些強度較弱的熒光峰在三維熒光圖譜中呈現(xiàn)不出來，因此現(xiàn)在許多研究者結(jié)合三維熒光圖譜和平行因子分析法對來自陸源輸入、湖泊及浮游植物培養(yǎng)實驗中產(chǎn)生的CDOM熒光物質(zhì)進行了分離和溯源，探討CDOM來源、組成差異及與環(huán)境因子的相互關(guān)系［22，84-86，89-91］.

圖1 不同類型湖泊CDOM三維熒光圖譜(A:貧營養(yǎng);B:中營養(yǎng);C:富營養(yǎng))［85］Fig.1 Fluorescence excitation-emission matrices(EEMs)of chromophoric dissolved organic matter of different trophic states((A)oligotrophic;(B)mesotrophic;(C)eutrophic).Fluorescence is in QSU units

過去數(shù)十年盡管大量研究集中在CDOM的地理分布，然而究竟是哪些因素在控制CDOM的季節(jié)變化、空間分布及來源仍然無法完全弄清.一般而言，CDOM外源輸入主要包括入湖河流和大氣降水輸入，內(nèi)源輸入則主要包括浮游藻類、沉水植物等死亡降解以及底泥間隙水釋放.無疑，外源上流域河流輸入是湖泊CDOM最主要來源［82-83，87，91-92］，如在太湖觀測中發(fā)現(xiàn)從河流往河口、灣內(nèi)灣口至大太湖CDOM吸收逐漸下降，平行因子分析也顯示外源腐殖質(zhì)熒光占主導(dǎo)地位［87，92］.最近也有研究報道大氣降水也是水體CDOM重要外源來源之一［93］.湖泊生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的生物過程會貢獻內(nèi)源的類蛋白熒光有機物［90-91，94］，而富營養(yǎng)化湖泊藍藻水華暴發(fā)、死亡、降解釋放成為CDOM的重要來源［91］，在太湖夏季觀測發(fā)現(xiàn)CDOM吸收與葉綠素a濃度存在顯著正相關(guān)，而室內(nèi)藍藻水華降解實驗也進一步證實藍藻死亡會釋放出大量的CDOM，主要產(chǎn)生類似海洋中生物來源的一類熒光有機物［84］.而對于易受風(fēng)浪擾動引起再懸浮的淺水湖泊，底泥再懸浮也會引起間隙水中CDOM釋放進而增加水體CDOM濃度［95］.

4.3 對紫外輻射衰減貢獻

許多研究均表明，湖泊中CDOM濃度和比吸收控制著紫外輻射特別是UV-B輻射在水體中的傳輸與衰減，分別建立了不同區(qū)域不同湖泊的紫外輻射漫射衰減的計算關(guān)系式［68-69，96-97］.然而，CDOM并不是紫外輻射衰減的唯一影響因子，事實上不同水體主導(dǎo)紫外輻射衰減的因子可能有所差異.一些研究也發(fā)現(xiàn)紫外輻射衰減除受水體中CDOM 的吸收影響外，還受浮游植物和非色素顆粒物的影響［70，75，98-100］.Bracchini等［75］對意大利深水高山湖泊Salto湖研究發(fā)現(xiàn)，UV-B漫射衰減系數(shù)與葉綠素a濃度的正相關(guān)要好于CDOM吸收系數(shù)，其決定系數(shù)分別為0.89(142個樣本)、0.70(136個樣本).Smith等［98］在對低濃度溶解性有機碳(DOC)的伊利湖紫外輻射的研究中發(fā)現(xiàn)UV-B衰減系數(shù)有時與DOC的相關(guān)性非常低，決定系數(shù)僅0.14;總懸浮物濃度是伊利湖預(yù)測UV-B和UV-A衰減的最有效因子，與UV-B、UV-A波段衰減系數(shù)線性相關(guān)的決定系數(shù)分別為0.91、0.83(P≤0.001，n=28).De Lange［99］報道荷蘭淺水湖泊紫外輻射衰減與 DOC 的相關(guān)性也僅為0.33，其衰減主要受制于顆粒物濃度.

我們基于云貴高原16個湖泊42個站點以及長江中下游4個湖泊41個站點數(shù)據(jù)，利用線性回歸和偏相關(guān)分析，對不同區(qū)域湖泊紫外輻射衰減的影響因子進行解析發(fā)現(xiàn)，云貴高原湖泊CDOM吸收主導(dǎo)了UVB、UV-A輻射的漫射衰減，浮游植物和非色素顆粒物的貢獻很小，而在長江中下游湖泊，CDOM吸收、非色素顆粒物和浮游植物濃度共同控制紫外輻射衰減，其中UV-B衰減以CDOM吸收控制為主，UV-A衰減則以非色素顆粒物濃度控制為主［43］.

4.4 消除途徑

由于CDOM對光的吸收主要集中在紫外和可見光的藍光波段，許多野外原位和室內(nèi)模擬光照射研究均發(fā)現(xiàn)CDOM吸收紫外光后會發(fā)生顯著的光化學(xué)降解［18-19，101-103］，使得表層水體CDOM濃度和組成很大程度上依賴于來源(外源和內(nèi)源)與沉降(光化學(xué)與微生物降解)的動態(tài)平衡.光化學(xué)降解導(dǎo)致了CDOM的重新礦化，將那些難于被生物直接吸收利用的高分子化合物降解成低分子化合物，釋放出溶解性有機磷、溶解性有機氮、DOC及一些無機營養(yǎng)鹽，為微生物和浮游植物生長提供碳、氮、磷等生源要素，并釋放出大量CO2、CO和羥基硫化物等溫室氣體.同時，光化學(xué)降解造成CDOM吸收和熒光明顯降低而形成光漂白，往往帶來水體透光性尤其是對生物有害的UV-B輻射光學(xué)透明性的增加，進而影響水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能.伴隨著吸收和熒光降低，CDOM結(jié)構(gòu)發(fā)生重大改變，其原有的化學(xué)組成和理化性質(zhì)發(fā)生改變.如許多研究均報道光化學(xué)降解會改變CDOM光譜斜率S值以及表征分子量大小的M值［18-19，103］.此外，CDOM光化學(xué)降解還會影響到與之結(jié)合的重金屬及有機污染物的形態(tài)、分布、遷移轉(zhuǎn)化及其毒性和生物可利用性［103-104］.

5 光與浮游植物相互關(guān)系

5.1 UV-B輻射對浮游植物的影響

浮游植物是湖泊生態(tài)系統(tǒng)主要初級生產(chǎn)者，是湖泊食物網(wǎng)的基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)和生物量關(guān)系到整個湖泊生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能.增強的UV-B輻射對浮游植物的傷害是多方面的［20，105-106］，主要體現(xiàn)在對DNA、蛋白質(zhì)及超微結(jié)構(gòu)的損傷［106-108］，對光合色素的破壞以及浮游植物生產(chǎn)力的降低［109］.研究表明，UV-B輻射能夠誘導(dǎo)許多水生有機體DNA的破壞和DNA合成的推遲.當(dāng)DNA吸收UV-B輻射后，其內(nèi)部的堿基和多核苷酸鏈被損傷，通過共價修飾作用在同一鏈的相鄰嘧啶之間形成嘧啶二聚體，從而引起遺傳基因的突變.增強的UV-B輻射對蛋白質(zhì)的損傷主要是通過對色氨酸發(fā)生光降解導(dǎo)致酶活性和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變［20］.UVB輻射很容易破壞光合色素，抑制光系統(tǒng)Ⅱ，從而降低浮游植物的光合能力［110］.由于UV-B輻射對光合色素的破壞，因而UV-B輻射的增強會明顯降低浮游植物的初級生產(chǎn)力［111］，而初級生產(chǎn)力的降低將導(dǎo)致浮游植物通過生物泵對大氣中CO2的固定，進而影響全球氣候變化.另外，UV-B輻射與其它環(huán)境因子對浮游植物的協(xié)同作用有時會存在抵消與增加的交互作用［112］，如一些研究發(fā)現(xiàn)在磷添加的情況下，浮游植物對UVB輻射傷害的修復(fù)能力會增加，同時生長率也會增加［113-114］，而與之相反，另外一些研究則發(fā)現(xiàn)磷添加會加劇UV-B輻射對浮游植物的傷害，降低浮游植物生長率和光合過程［115-116］.

不同浮游植物對UV-B輻射的響應(yīng)也不一致，如微囊藻就具有垂直遷移和釋放體內(nèi)抗紫外輻射物質(zhì)(MAAs)來降低UV-B對其自身的傷害［106，117］，我們在室內(nèi)模擬UV-B輻射控制實驗中也發(fā)現(xiàn)微囊藻比柵列藻更耐受UV-B輻射.由于不同浮游植物對UV-B輻射傷害的響應(yīng)不一樣，因此UV-B輻射除了造成浮游植物個體傷害、生物量下降外，還會明顯改變浮游植物種群結(jié)構(gòu)和功能［115，118］.

5.2 光與湖泊初級生產(chǎn)力

浮游植物初級生產(chǎn)力是生物泵運轉(zhuǎn)的動力源，而生物泵在調(diào)控大氣中二氧化碳濃度以及影響全球氣候變暖中發(fā)揮了重要作用.目前關(guān)于湖泊內(nèi)光與浮游植物初級生產(chǎn)力的觀測研究較多，也定量探討了各生態(tài)因子對初級生產(chǎn)力的影響［119-121］，如淺水湖泊沉積物再懸浮引起的真光層深度的下降會降低湖泊初級生產(chǎn)力，最大初級生產(chǎn)力出現(xiàn)的深度隨表面光強與水體渾濁度變化而變化［23，122］.但這些研究大多集中在某一區(qū)域內(nèi)的單點觀測，缺乏時空尺度上的連續(xù)觀測，也缺乏一些關(guān)鍵過程如水動力擾動、水華過程對初級生產(chǎn)力影響的機制研究.此外，由于初級生產(chǎn)力現(xiàn)場測定一般采用黑白瓶溶氧法或碳同位素標記法，測定費時費力，加之現(xiàn)場測定無論是從空間分布還是時間序列的角度看，都是“離散”的，對一些過程與機制的解釋缺乏足夠的數(shù)據(jù)證據(jù).因此，近年來一些研究成果相繼提出了利用與初級生產(chǎn)力相關(guān)的生態(tài)因子以及葉綠素a濃度計算初級生產(chǎn)力的許多經(jīng)驗的、半經(jīng)驗半理論的或理論的算法，并對各種方法的原理、可行性、可靠性做了分析和討論［123-127］.其中Behrenfeld和Falkowski［123-124］提出并被一些研究者進一步改進的初級生產(chǎn)力深度垂向歸納模型(VGPM模型)得到廣泛應(yīng)用［128-130］，該模型可以通過水色遙感反演的資料作為輸入進而估算不同區(qū)域不同時空尺度上的初級生產(chǎn)力并研究其時空演化機理.

盡管VGPM模型最初設(shè)計是基于遙感資料作為輸入來計算真光層內(nèi)初級生產(chǎn)力，但也先后有人利用實測的葉綠素a濃度、真光層深度及其它資料作為模型輸入來計算初級生產(chǎn)力［131-132］.我們之前利用一些實測資料估算了1995-2003年梅梁灣初級生產(chǎn)力的季節(jié)變化和年際變化以及2007年秋季全太湖初級生產(chǎn)力的空間變化，VGPM模型估算的初級生產(chǎn)力與經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀嬎愕闹涤泻芎玫膶?yīng)關(guān)系，兩者極顯著正相關(guān)，梅梁灣年均初級生產(chǎn)力碳固定量為5.85×104t［133-134］.目前正在利用MODIS數(shù)據(jù)對2002年以來初級生產(chǎn)力進行估算以獲得初級生產(chǎn)力的時空變化規(guī)律，進而估算浮游植物對碳、氮、磷等生源要素的固定能力，并試圖探討湖泊浮游植物初級生產(chǎn)力對全球變暖的響應(yīng)［135］.

6 沉積物再懸浮的光學(xué)效應(yīng)

由于頻繁的風(fēng)浪攪動，淺水湖泊沉積物很容易發(fā)生再懸浮，進而增加光的吸收、散射與衰減，由此引起的水下光場變化會顯著影響到湖泊生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能.在太湖等長江中下游淺水湖泊開展的研究發(fā)現(xiàn)，不同底質(zhì)條件風(fēng)浪引起的沉積物再懸浮的光學(xué)效應(yīng)有差異［5，24］.如在太湖北部的藻型湖區(qū)，水動力擾動會大量增加水體內(nèi)非色素顆粒物濃度，而對浮游植物和CDOM的影響相對較小，在梅梁灣從中風(fēng)浪到大風(fēng)浪，非色素顆粒物吸收增加，CDOM吸收基本沒有變化，而由于風(fēng)浪對藻類的混合，隨風(fēng)浪增加浮游植物吸收不但沒有增加反而有所降低.PAR漫射衰減隨風(fēng)浪增加而增加，并且與水下光照觀測前半小時平均風(fēng)速存在顯著正相關(guān)［24］.相反，在沉水植被高度覆蓋的太湖東南部湖灣，沉水植被發(fā)育季節(jié)風(fēng)浪不大容易引起沉積物再懸浮，對水下光照的影響也小得多.2007年8月我們在東南部湖灣開展的不同風(fēng)浪過程連續(xù)觀測發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速與PAR漫射衰減系數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系并不好.

同樣，在世界上其它一些淺水湖泊和海灣開展的研究也發(fā)現(xiàn)，沒有沉水植被分布的湖區(qū)沉積物再懸浮的光學(xué)效應(yīng)也非常明顯［12，136-138］.如Chen等［12］對美國佛羅里達西海岸的坦帕灣通過高頻監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在2004年12月和2005年1月間伴隨著3次大的風(fēng)浪過程，出現(xiàn)明顯的3次沉積物再懸浮和532nm顆粒物后向散射系數(shù)增加過程.除了風(fēng)浪引起的沉積物再懸浮會影響水下光場外，在淺水湖泊船舶航行產(chǎn)生的船行波也會引起沉積物再懸浮進而影響水下光場［139-140］.例如Erm等［140］通過連續(xù)高頻監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，船的航行能增加50%的PAR衰減，船行波波高的峰值與PAR漫射衰減系數(shù)的峰值有非常好的對應(yīng)關(guān)系.

淺水湖泊沉積物再懸浮通過影響水下光場進而會影響到湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其直觀表現(xiàn)就是影響浮游植物群落結(jié)構(gòu)、浮游植物初級生產(chǎn)力和沉水植物分布.沉積物再懸浮造成非色素顆粒物大幅度增加，由于非色素顆粒物在短波部分吸收非常強烈，引起輻射光譜中紫、藍光衰減最強烈，紅光其次，黃、綠光衰減最弱，隨深度增加光譜中黃、綠光的比例明顯上升.由于藍藻除了在藍光440nm和紅光675nm葉綠素a有吸收峰外，其在620nm附近藻藍素還有吸收峰，波譜成份中藍光的減少以及桔紅光的增加，這非常有利于藍藻充分利用光譜中桔紅光進行光合作用，而其它藻類則沒有這樣一種吸收機制，這可能是藍藻在淺水湖泊中具有光競爭優(yōu)勢的原因之一［7］.同樣，這種水下光譜的變化也使得沉水植物生長明顯受到藍光抑制.沉積物再懸浮由于會顯著降低湖泊水體真光層深度進而會影響湖泊初級生產(chǎn)力［23，50］，在計算浮游植物初級生產(chǎn)力的垂向歸納模型中，真光層深度是主要輸入?yún)?shù)，如果將初級生產(chǎn)力歸一化到單位水面輻射強度、單位葉綠素a濃度，無疑沉積物再懸浮引起的真光層深度降低會顯著降低水柱浮游植物初級生產(chǎn)力.

沉積物再懸浮產(chǎn)生的光學(xué)效應(yīng)還會影響到沉水植被的空間分布.例如在太湖調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)浪、沉積物再懸浮、真光層深度與沉水植被的空間分布有很好的相關(guān)性，大風(fēng)浪、高沉積物再懸浮、低真光層深度的湖區(qū)一般都沒有沉水植被分布，而在低風(fēng)浪、低沉積物懸浮與高的真光層深度的湖區(qū)，沉水植被的分布就較為茂盛［45］.同樣，國際上一些類似的淺水湖泊，沉積物再懸浮產(chǎn)生的光學(xué)效應(yīng)也明顯影響到沉水植被的空間分布甚至草藻型生態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換［53，141-142］.當(dāng)然也有研究認為是漂浮植物、沉水植被的分布抑制了沉積物再懸浮［143-144］，提高真光層深度.因此淺水湖泊中風(fēng)浪擾動、沉積物再懸浮、真光層深度降低與沉水植被的空間分布之間的關(guān)系究竟誰因誰果，或者互為因果關(guān)系的研究還需要進一步深化，在不同環(huán)境條件下，其因果關(guān)系會發(fā)生不同程度的轉(zhuǎn)換.

7 湖泊水色遙感

湖泊水色遙感主要是利用各種星載(或者機載等)傳感器探測與反演內(nèi)陸湖泊水體水色要素參數(shù)(主要指葉綠素a、懸浮物、CDOM)以及湖泊初級生產(chǎn)力，包括衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)接收處理、大氣校正、水色參數(shù)反演算法等.目前已建立了湖泊水質(zhì)參數(shù)懸浮物、葉綠素a、CDOM等遙感反演算法，并應(yīng)用到衛(wèi)星影像對富營養(yǎng)化湖泊藍藻水華開展初步遙感監(jiān)測.關(guān)于湖泊水色遙感研究現(xiàn)狀及存在的主要問題，馬榮華等的一篇綜述文章［145］有專門詳細的闡述，在此不再贅述.

8 研究展望

湖泊光學(xué)研究既有微觀尺度上UV-B輻射對浮游植物、浮游動物等生理生態(tài)影響的實驗研究，也有宏觀尺度上光學(xué)組份的遙感反演、時空序列分析及初級生產(chǎn)力、碳儲存轉(zhuǎn)化估算.近十年來盡管湖泊光學(xué)得到快速發(fā)展，但是也應(yīng)該認識到，湖泊光學(xué)研究還有許多不足:對不同類型不同區(qū)域湖泊光學(xué)現(xiàn)象缺乏完整的系統(tǒng)認識，還沒有形成比較普適性的湖泊生物光學(xué)模型，湖泊CDOM在全球碳循環(huán)中作用機理還沒有弄清，因此其對碳循環(huán)的貢獻還未得到凸顯.未來的發(fā)展應(yīng)該從微觀和宏觀不同視角拓展其研究的深度和廣度.具體而言，微觀方面研究全球氣候變暖背景下，UV-B輻射增強與溫度升高、酸沉降、流域降水及營養(yǎng)鹽富集等不同環(huán)境問題協(xié)同作用下對水生生物個體、群落及生態(tài)系統(tǒng)的影響與反饋機制，對CDOM生物地球化學(xué)過程的影響與反饋.宏觀方面研究全世界不同類型、不同區(qū)域湖泊生物光學(xué)特性時空尺度上分布及其變異性，在此基礎(chǔ)上發(fā)展普適性的水色、水質(zhì)和初級生產(chǎn)力遙感反演模式，提高衛(wèi)星遙感對葉綠素a、藻藍素、溫度、初級生產(chǎn)力及相關(guān)水質(zhì)指標的反演精度，通過耦合藍藻生長動力學(xué)模型和湖泊水動力學(xué)模型，開展藍藻水華、初級生產(chǎn)力及相關(guān)水質(zhì)參數(shù)的遙感監(jiān)測、預(yù)測預(yù)警預(yù)報及有機碳貯存、循環(huán)及轉(zhuǎn)化估算.

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Progress and prospect in lake optics:A review

ZHANG Yunlin
(State Key Laboratory of Lake Science and Environment，Nanjing Institute of Geography and Limnology，Chinese Academy of Sciences，Nanjing 210008，P.R.China)

This paper reviews the study progress of lake optics including the theory framework，study methods，bio-optical properties，chromophoric dissolved organic matter(CDOM)biogeochemical cycle，relationships between light and phytoplankton，optical effect of sediment resuspension，lake water color remote sensing.The theory framework of lake optics includes absorption，scattering and attenuation of four optically active substances(pure water，CDOM，phytoplankton and tripton)and the water radiation transfer equation.A series of methods including the field investigation of spatial-temporal pattern of lake optics，the successive observation of hydrodynamic and algal bloom processes，high frequent observation of bio-optical parameters，the experiment controlled and simulated are presented.The spatial-temporal patters of particles absorption，scattering，backscattering，diffuse attenuation coefficients and euphotic depth in different lakes are obtained，and the interrelationship of particles absorption，scattering，backscattering，diffuse attenuation coefficients，euphotic depth and the concentrations of optically active substances are presented.CDOM spectral absorption coefficient，excitation-emission matrix fluorescence spectroscopy are used to characterize the spatial-temporal distribution，source，composition，removal and the contribution of CDOM to ultraviolet radiation attenuation.There is also considerable evidence that ultraviolet B radiation has an effect on phytoplankton growth and community structure.A vertically generalized production model of primary production is widely used to estimate phytoplankton primary production.Sediment resuspension has a significant effect on underwater light climate，which decreases transparency and euphotic depth，and further decreases phytoplankton primary production.Many algorithms are presented to estimate several water quality parameters including total suspended mat-ter，chlorophyll-a concentrations and CDOM，phytoplankton absorption coefficients.These results are applied to satellite images for the monitoring of algal bloom in eutrophic lakes.Finally，the future developments of lake optics from the macro and microscopic perspectives have been expected.

Lake optics;inherent optical properties;apparent optical properties;chromophoric dissolved organic matter;primary production

* 中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程項目(KZCX2-YW-QN312)、國家自然科學(xué)基金項目(40971252，40825004)、江蘇省自然科學(xué)基金項目(BK2009336)、香港研究資助局項目(CUHK454909)和香港創(chuàng)新及技術(shù)基金(ITS/058/09FP)聯(lián)合資助.2011-02-14 收稿;2011-04-11 收修改稿.張運林，男，1976 年生，研究員;E-mail:ylzhang@niglas.ac.cn.