藻源性湖泛發(fā)生過(guò)程CDOM變化對(duì)水色的影響*

李佐琛，段洪濤，申秋實(shí)，張玉超，馬榮華

(中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008)

藻源性湖泛發(fā)生過(guò)程CDOM變化對(duì)水色的影響*

李佐琛，段洪濤*，申秋實(shí)，張玉超，馬榮華

(中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008)

摘要：利用Y-型沉積物再懸浮發(fā)生裝置模擬湖泛發(fā)生過(guò)程，分析其中有色可溶性有機(jī)物(CDOM)的變化特征及其對(duì)水色的影響.結(jié)果表明，藻類死亡過(guò)程消耗大量的氧氣，水中溶解氧在短時(shí)間內(nèi)消失殆盡，形成厭氧環(huán)境；并同時(shí)分解產(chǎn)生大量CDOM，使得水中CDOM顯著增多.前期階段，CDOM濃度隨時(shí)間一直升高，第6 d時(shí)CDOM濃度達(dá)到峰值，CDOM在443 nm處的吸收系數(shù)ag(443)為4.48 m-1.水體黑度值(FeS濃度)呈先增大后減小的趨勢(shì)，最大值0.35mmol/L同樣出現(xiàn)在第6 d，整個(gè)過(guò)程中，CDOM濃度和黑度值變化趨勢(shì)一致，ag(443)與水體黑度呈顯著正相關(guān).利用Hydrolight和CIE顏色匹配函數(shù)模擬不同梯度的CDOM對(duì)水色的影響，發(fā)現(xiàn)隨ag(443)增大，水體顏色也逐漸由綠色轉(zhuǎn)為棕色，整體向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，水色逐漸變暗.因此，可以認(rèn)為CDOM濃度變化是引起湖泛水體發(fā)黑的重要原因之一，可作為定量監(jiān)測(cè)湖泛強(qiáng)度的指示性參數(shù).

關(guān)鍵詞：湖泛；光學(xué)特性；CDOM；水色

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41171271)和國(guó)家水污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07103-002， 2012ZX07103-005)聯(lián)合資助.2014-12-01收稿；2015-02-08收修改稿.李佐琛(1988~)，男，碩士研究生； E-mail：lizuochen88@163.com.

藻源性湖泛是指湖泊富營(yíng)養(yǎng)化水體在藻類大量暴發(fā)、積聚和死亡后，在適宜的氣象、水文條件下，與底泥中的有機(jī)物在缺氧和厭氧條件下產(chǎn)生生化反應(yīng)，釋放硫化物、甲烷和二甲基三硫等硫醚類物質(zhì)，形成褐黑色伴有惡臭的“黑水團(tuán)”，從而導(dǎo)致水體水質(zhì)迅速惡化、生態(tài)系統(tǒng)受到嚴(yán)重破壞的現(xiàn)象[1].湖泛是藍(lán)藻水華暴發(fā)的嚴(yán)重后果之一，相對(duì)于藍(lán)藻水華本身的危害，湖泛對(duì)于水體水質(zhì)，特別是水源地飲用水安全影響更為直接，危害更大[2].

水體發(fā)黑是湖泛區(qū)別于自然水體最顯著的特征.目前對(duì)于水體水色變化的研究主要集中在理化性質(zhì)方面，認(rèn)為非晶態(tài)硫化亞鐵是導(dǎo)致黑色水體發(fā)黑的主要原因[3]. Fe2+和∑S2-被證實(shí)是湖泛發(fā)生過(guò)程中的敏感因子[4]，其濃度升高是湖泛水體發(fā)黑的原因[5].而湖泛水體顏色變化實(shí)質(zhì)上是一種光學(xué)變化過(guò)程，更應(yīng)從水色光學(xué)角度給予解釋，而非單從理化性質(zhì)方面進(jìn)行說(shuō)明.而在水體光學(xué)方面，對(duì)于黑水的研究最早始于1993年，但僅是通過(guò)遙感分辨出黑水區(qū)域[6].隨后不同學(xué)者針對(duì)不同區(qū)域的“黑水團(tuán)”水體光學(xué)參數(shù)進(jìn)行研究，結(jié)果表明不同區(qū)域“黑水團(tuán)”水體致黑原因不同，如佛羅里達(dá)礁群(Florida Keys)[7]水體中有色可溶性有機(jī)物濃度(CDOM)普遍偏高，而我國(guó)長(zhǎng)江口東南海域黑水區(qū)域CDOM濃度相對(duì)于其它水體增高并不顯著，但其顆粒后向散射系數(shù)值極小[9].而對(duì)太湖湖泛的遙感研究發(fā)現(xiàn)，湖泛發(fā)生時(shí)水體除CDOM濃度顯著高于普通水體，無(wú)機(jī)顆粒物濃度也普遍偏低，并認(rèn)為二者的共同貢獻(xiàn)造成水體的“低散射、高吸收”，導(dǎo)致湖泛水體反射率顯著低于周邊正常水體而呈現(xiàn)黑色[10].另外，對(duì)湖泛發(fā)生整個(gè)過(guò)程中的光學(xué)特性持續(xù)變化研究發(fā)現(xiàn)，各吸收系數(shù)都在發(fā)生變化，但只有CDOM吸收系數(shù)ag隨水體發(fā)黑而不斷增大，其他參數(shù)都呈不規(guī)律性變化[11].因此，水體中CDOM濃度顯著升高可能是導(dǎo)致湖泛水體發(fā)黑的主要原因之一.

目前，雖然已有研究證實(shí)CDOM的存在會(huì)使水體顏色發(fā)黑，但對(duì)于湖泛引起的“黑水團(tuán)”現(xiàn)象，特別是從大量藻顆粒聚集的綠色水體，到湖泛形成后水體呈現(xiàn)黑色，這一生態(tài)過(guò)程中CDOM的連續(xù)變化特性研究還比較欠缺.本文通過(guò)模擬湖泛發(fā)生過(guò)程，分析水體的基本理化指標(biāo)和CDOM變化及其變化對(duì)水色的影響，揭示水體發(fā)黑的主要原因.該研究對(duì)于湖泛水體定量遙感監(jiān)測(cè)和早期預(yù)報(bào)具有重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.

1 材料與方法

1.1 采樣地點(diǎn)與方法

實(shí)驗(yàn)所需的底泥沉積物、湖水以及藍(lán)藻顆粒， 于2014年4月在太湖竺山灣水域(31.38°N，120.04°E)同步采集.通過(guò)25#浮游生物網(wǎng)采集藍(lán)藻顆粒，湖水用25L聚乙烯桶收集；使用重力式沉積物采泥器(Rigo Co.內(nèi)徑110mm×長(zhǎng)50cm)采集30cm左右沉積物柱狀樣，并帶原位上覆水約20cm，用橡膠塞將柱狀樣塞緊保存.在整個(gè)采集過(guò)程中要保證沉積物界面無(wú)擾動(dòng).

1.2 實(shí)驗(yàn)方法及模擬條件控制

在無(wú)擾動(dòng)的條件下，將采集的沉積物柱狀樣上半部分20cm和湖水分別裝入模擬裝置的模擬柱中(圖1)，水深達(dá)到180cm，待水體平靜后再在每柱中加入47.5g(約5000g/m2)采集的藍(lán)藻顆粒.控制環(huán)境溫度為29±1℃，每天下午模擬3.2m/s的風(fēng)浪并持續(xù)4h，整個(gè)過(guò)程保持自然光照.實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，每天進(jìn)行溶解氧(DO)、色度的監(jiān)測(cè).同時(shí)，將采集后的水樣過(guò)濾后冷凍保存，統(tǒng)一進(jìn)行分析.由于造成水體散發(fā)異味的原因較多，且并非所有散發(fā)異味氣味的水體都發(fā)生了湖泛現(xiàn)象，因此從光學(xué)角度，將實(shí)驗(yàn)過(guò)程中水體最終變黑作為判斷湖泛發(fā)生的依據(jù).

圖1 Y-型沉積物再懸浮發(fā)生裝置及湖泛模擬Fig.1 Y-shape apparatus used for the black water simulation

1.3 樣品測(cè)定與分析

CDOM吸收系數(shù)(ag)的測(cè)定：用孔徑22 μm的Minipore膜過(guò)濾水樣，在UV-2600上測(cè)定濾液的吸光度，用空白作對(duì)比，然后根據(jù)Bricaud等[12]提出的方法對(duì)散射效應(yīng)進(jìn)行校正，并計(jì)算得到ag(λ).

葉綠素a濃度(Chl.a)的測(cè)定：用GF/C膜(孔徑1.2μm)過(guò)濾水樣，將濾膜反復(fù)凍融進(jìn)行細(xì)胞破碎，用90%丙酮溶液提取葉綠素，依次測(cè)定750、664、647、630 nm波長(zhǎng)處的吸光度，最后計(jì)算出Chl.a濃度.懸浮物(SS)濃度采用GB/T 11901-1989的烘干稱重法進(jìn)行測(cè)定.DO濃度利用溶解氧儀進(jìn)行測(cè)定.水體黑度值則采用分析FeS濃度的方法來(lái)指示[13].

1.4 水色推演

首先，應(yīng)用Hydrolight模擬出由于CDOM濃度變化(0、0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5 m-1)而改變的水體離水輻亮度(Lw)、遙感反射比(Rrs)等.在此模擬過(guò)程中，水色參數(shù)Chl.a濃度(25.22 μg/L)、無(wú)機(jī)懸浮顆粒物(SPIM)濃度(10.83 mg/L)采用其在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的均值，比吸收系數(shù)和比散射系數(shù)取太湖夏季野外測(cè)量的均值，風(fēng)速(3.2m/s)、水深(1.8 m)和太陽(yáng)天頂角(30、60、90°)等均取固定值.結(jié)合CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)，將光譜信息轉(zhuǎn)化為CIE XYZ坐標(biāo)，轉(zhuǎn)化方程如下：

(1)

(2)

(3)

再將XYZ信息轉(zhuǎn)換為人眼可見(jiàn)的RGB值.

(4)

此過(guò)程通過(guò)Dierssen[14]提出的Matlab代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)，再量化為顏色.

2 結(jié)果與討論

2.1 水體DO濃度的變化

2.2 湖泛發(fā)生過(guò)程中水體中Chl.a濃度的變化

湖泛是湖泊富營(yíng)養(yǎng)化水體在藻類大量暴發(fā)、積聚和死亡后形成的一種水環(huán)境污染問(wèn)題.通過(guò)實(shí)驗(yàn)得知，加入藻類的實(shí)驗(yàn)組水體出現(xiàn)了湖泛，而未加入藻類的對(duì)照組水體沒(méi)有發(fā)生湖泛現(xiàn)象.這也證實(shí)藻類是引發(fā)湖泛發(fā)生的最主要原因.湖泛發(fā)生過(guò)程中，水體中Chl.a濃度變化較為復(fù)雜(圖2b)，整體呈現(xiàn)先增大后減小、再增大再減小的規(guī)律.這是由于在前期，水體條件適宜藻類生長(zhǎng)，藻類暴發(fā)生長(zhǎng)使得水中Chl.a濃度迅速增加.隨著水體DO濃度下降，水體環(huán)境由好氧狀態(tài)轉(zhuǎn)為缺氧狀態(tài)，藻類大量死亡，水體中Chl.a濃度急劇下降.藻類死亡分解會(huì)產(chǎn)生有機(jī)物，大量的有機(jī)物為藻類生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng).在充足的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)下，未死亡的藻出現(xiàn)再暴發(fā)，水中Chl.a濃度出現(xiàn)小幅度增加.最后，終因水體處于厭氧狀態(tài)，藻類絕大部分將死亡，Chl.a濃度較小.

圖2 水體中DO(a)和Chl.a(b)濃度變化Fig.2 The changes of DO (a) and chlorophyll-a(b) concentrations in the water

2.3 CDOM吸收系數(shù)的變化

CDOM作為水體中的一個(gè)重要的光吸收物質(zhì)，其濃度和組成能改變水下光場(chǎng)[16].由于CDOM吸收系數(shù)在短波處差異較大，通常用443 nm波長(zhǎng)處的吸收系數(shù)ag(443)來(lái)表征CDOM濃度[17].實(shí)驗(yàn)組的ag(443)普遍大于對(duì)照組的ag(443)，實(shí)驗(yàn)組的ag(443)在第 6 d出現(xiàn)最大值，之后ag(443)都遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)第1 d的ag(443)初始值(圖3a).

圖3 ag(443)(a)和水體黑度(b)變化Fig.3 Changes of absorption spectral of CDOM(a) and blackness(b)

自然界水體中，CDOM的來(lái)源主要有兩種類型：一種是浮游植物自身降解帶來(lái)的產(chǎn)物，另一種來(lái)源于陸地地表.內(nèi)源型的CDOM主要來(lái)自土壤和水生植物降解產(chǎn)物，由腐質(zhì)酸和富里酸等物質(zhì)組成[18].在模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，沒(méi)有外源性污染有機(jī)物的輸入，也無(wú)其他水生植物的存在，屬于內(nèi)源型，CDOM主要來(lái)自實(shí)驗(yàn)水體中藻類的降解.在厭氧條件下，藍(lán)藻可被微生物分解成分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜的腐殖質(zhì)類物質(zhì)[19].伴隨實(shí)驗(yàn)組水體好氧-缺氧-厭氧的狀態(tài)，水中藻類出現(xiàn)死亡分解.分解過(guò)程中產(chǎn)生大量腐殖質(zhì)，導(dǎo)致水體中CDOM增加，ag(443)變大.

2.4 水體水色的變化

水體發(fā)黑、發(fā)臭是湖泛發(fā)生的兩大主要特征[20].湖泛發(fā)生時(shí)，可以觀察到此區(qū)域水體與周?chē)Ｋw形成強(qiáng)烈的色差對(duì)比，水體發(fā)黑是湖泛發(fā)生的顯著特征[21].本研究也已證實(shí)，實(shí)驗(yàn)組的水體黑度明顯高于對(duì)照組(圖3b).對(duì)照組水體的水色隨時(shí)間的變化不大，說(shuō)明在正常條件下水體的水色趨于穩(wěn)定.而實(shí)驗(yàn)組的水體水色在湖泛發(fā)生過(guò)程中水體黑度相對(duì)于第1 d的初始水色都在變大，在湖泛發(fā)生時(shí)達(dá)到最大值，而后出現(xiàn)減小的趨勢(shì).湖泛水色變化可能與藻類死亡分解導(dǎo)致CDOM濃度增加有關(guān).

2.5 CDOM對(duì)水色的影響

2.5.1 CDOM與水色變化的關(guān)系因?yàn)樗w中的黃色物質(zhì)不會(huì)散射光線，CDOM高度集中的水域會(huì)顯示出黑色，如佛羅里達(dá)礁群(Florida Keys)[7-8]、圣約翰河(the Lower St. Johns River)[20]和波羅的海[21]因?yàn)橛兄芨邼舛鹊腃DOM而呈現(xiàn)黑色.因此，高濃度的CDOM會(huì)形成黑色或棕色的水面.通過(guò)實(shí)驗(yàn)組可以發(fā)現(xiàn)，CDOM與水體黑度呈現(xiàn)一定的正相關(guān)(R2=0.631)(圖4). CDOM的最大值(4.48 m-1)出現(xiàn)在第6 d，而在第6 d時(shí)黑度值也最大.第6 d之后，黑度值開(kāi)始下降，而ag(443)也呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì).因此，湖泛過(guò)程水色變化主要受水體中CDOM濃度變化的影響.

圖4 ag(443)與水體黑度相關(guān)性Fig.4 Relationship between blackness and ag(443)

2.5.2 單影響因素CDOM對(duì)表觀光學(xué)特性的影響水體的表觀光學(xué)特性是指受光場(chǎng)角分布以及受水體中物質(zhì)性質(zhì)和數(shù)量影響的那些光學(xué)特性，其中離水輻亮度(Lw)和遙感反射比(Rrs)能直接反映水色信息.通過(guò)Hydrolight模擬不同梯度ag(443)下的Lw和Rrs，當(dāng)模擬梯度變化時(shí)SPIM和Chl.a取固定均值.不同CDOM濃度(0~5.0 m-1)下Lw和Rrs的光譜曲線見(jiàn)圖5.隨著CDOM濃度增大，水體對(duì)光的吸收增強(qiáng)，光反射減小，因此水體比周?chē)Ｋw發(fā)暗發(fā)黑.

2.5.3 CDOM影響下的色彩推演水色變化受多種因素的影響，但在相同背景下，水體顏色變化是由于離水輻亮度的直接變化引起的.由Dierssen提出的Matlab代碼，可將Lw轉(zhuǎn)換為RGB顏色，此顏色為不受太陽(yáng)耀斑和明亮天空作對(duì)比的影響下，人眼正面朝下觀測(cè)到的水色.人眼的觀察角度不同，看到的水體顏色也不盡相同，這就是為什么我們從遠(yuǎn)處看湖泛水體發(fā)黑，但實(shí)際走近之后發(fā)現(xiàn)水體真實(shí)顏色并不黑的原因.太陽(yáng)角為30°和60°時(shí)，隨ag(443)由0增至5 m-1，水體顏色逐漸由綠色轉(zhuǎn)為棕色；當(dāng)太陽(yáng)角為90°時(shí)，水體顏色逐漸由藍(lán)綠色轉(zhuǎn)為棕色(圖6).因此，隨水體中ag(443)增加，水體顏色由短波向長(zhǎng)波方向移動(dòng).

圖5 不同梯度ag(443)下Lw和Rrs的光譜曲線Fig.5 Spectral curves of Lw and Rrs under different gradient of ag(443)

圖6 不同梯度ag(443)下水色模擬Fig.6 Surface color based on water-leaving radiance using the CIE color matching functions

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)湖泛發(fā)生過(guò)程中水體理化性質(zhì)和光學(xué)特性進(jìn)行分析，利用Hydrolight和CIE顏色匹配函數(shù)模擬出水體顏色，分析其水色變化規(guī)律.結(jié)果表明：(1)水體由好氧狀態(tài)變?yōu)槿毖酢捬鯛顟B(tài)，水體的黑度在前期逐漸增大而后期又將慢慢消失，Chl.a濃度變化比較復(fù)雜，總體呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì).(2)由于藻類死亡分解，水中藻類殘?bào)w降解導(dǎo)致ag(443)不斷增大.(3)ag(443)變化與水體黑度變化相似，先增大后減小，且ag(443)與水體黑度呈正相關(guān)(R2=0.631，P<0.05).(4)隨ag(443)的增大，Lw和Rrs相應(yīng)不斷變小，水體顏色也逐漸由綠色轉(zhuǎn)為棕色.

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?2015 byJournalofLakeSciences

The changes of water color induced by chromophoric dissolved organic matter(CDOM) during the formation of black blooms

LI Zuochen， DUAN Hongtao， SHEN Qiushi， ZHANG Yuchao & MA Ronghua

(StateKeyLaboratoryofLakeScienceandEnvironment，NanjingInstituteofGeographyandLimnology，ChineseAcademyofSciences，Nanjing210008，P.R.China)

Abstract：In this study， we developed a laboratory scale mesocosm to study the conditions that favour the formation of black water blooms. Using water samples and sediment from an eutrophic lake， we analyzed the daily transformation of physical， biological and chemical conditions over several weeks. The results showed that a transformation of oxic-hypoxic-anoxic conditions characterized the formation of the black bloom. In anaerobic conditions， chromophoric dissolved organic matter (CDOM) increased due to the production of degradation products from decaying algae. CDOM reached a maximum on day 6 with the value of 4.48 m-1. The blackness (FeS concentration) increased initially， then decreased to a constant concentration of 0.35mmol/L. CDOM values were significantly correlated with the blackness of water color. Water-leaving radiance was simulated under different CDOM conditions by Hydrolight and transposed using the CIE color matching functions. This showed a transition from green to brown which closely followed the increase in CDOM absorption. Results above clearly show that CDOM is a major factor leading to the formation of black blooms， and can be used to monitor their dynamics over time.

Keywords：Black bloom； absorption characteristics； CDOM； water color

通信作者**； E-mail：htduan@niglas.ac.cn.

DOI10.18307/2015.0408