高生產(chǎn)力區(qū)LISST－100和OBS對(duì)懸浮顆粒物測(cè)量的比較研究＊

凡仁福，魏 皓，趙 亮＊

（1.天津科技大學(xué) 海洋與環(huán)境學(xué)院，天津300457；2.天津大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津300072）

陸架海中懸浮顆粒物的濃度及粒徑信息是極其重要的環(huán)境參數(shù)，廣泛用在顆粒物沉降速率和通量的計(jì)算、河口地區(qū)絮凝機(jī)理的探討等研究中［1－3］。LISST－100（Laser In－Situ Scattering and Transmissometry－100）和OBS（Optical Backscatter Sensor）是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量懸浮顆粒物體積分?jǐn)?shù)和濁度的主要光學(xué)儀器，它們能夠獲取具有較高時(shí)空分辨率的懸浮顆粒物資料［4－6］。LISST－100能夠區(qū)分32個(gè)呈對(duì)數(shù)分布的粒級(jí)，C型有效粒徑測(cè)量范圍為2.5～500.0μm，通過區(qū)分不同粒徑顆粒物對(duì)激光束的前向散射角度，設(shè)置32個(gè)接收光環(huán)，獲得不同粒徑懸浮顆粒物的體積分?jǐn)?shù)［3，7］。OBS是通過接收紅外輻射光的后向散射強(qiáng)度獲得水體濁度值（NTU），以此推算懸浮物濃度，一般認(rèn)為濁度高則表征懸浮物濃度高［8－9］。其中OBS價(jià)格較低、體積小、耗電低，使用方便、多用于錨系或海床基平臺(tái)長期觀測(cè)。LISST－100價(jià)格昂貴、體積大，不適合長期觀測(cè)，但在剖面觀測(cè)中同時(shí)可以獲得粒徑信息，有其優(yōu)越性。Sutherland等［10］以及張文祥和楊世倫［11］指出，顆粒物粒徑大小是影響OBS觀測(cè)精度的主要因素，生物及水色等因素也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定影響，Bunt等［12］發(fā)現(xiàn)在顆粒物濃度特高水域OBS觀測(cè)會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，魏曉等［13］發(fā)現(xiàn)光學(xué)儀器易受到生物污垢的影響，LISST－100可獲得懸浮顆粒物粒徑信息從而可剔除粒徑的影響。兩者測(cè)量、推算的懸浮物濃度對(duì)不同環(huán)境有何響應(yīng)，儀器的適用性如何還需深入討論。

本研究基于2013－07于浙江外海高生物生產(chǎn)力區(qū)設(shè)立的周日觀測(cè)站由LISST－100（C型）、OBS得到的懸浮顆粒物資料，結(jié)合同步觀測(cè)的葉綠素質(zhì)量濃度和該區(qū)域浮游生物類群特征，分析兩儀器觀測(cè)的懸浮顆粒物剖面隨時(shí)間的變化規(guī)律，探討在高生物量水體和無機(jī)顆粒物占優(yōu)條件下LISST－100（C型）和OBS測(cè)量懸浮顆粒物的適用性。

1 觀測(cè)方法

2013－07－13—08－02乘“東方紅2號(hào)”科研考察船在黃、東海開展了夏季航次的綜合調(diào)查，在此期間，于07－29T12：00起在浙江外海中陸架區(qū)（122°34′48″E，28°43′48″N）執(zhí)行了一個(gè)定點(diǎn)周日觀測(cè)（圖1，ME3站），站位平均水深為63m，該站位于上升流海域易形成高生物生產(chǎn)力區(qū)，浮游生物活動(dòng)十分活躍［14－15］。我們采用 LISST－100（C型）和OBS同步進(jìn)行懸浮顆粒物測(cè)量，同時(shí)采用SBE 911plus CTD 攜帶的 Seapoint Chl－a傳感器對(duì)葉綠素質(zhì)量濃度進(jìn)行觀測(cè)。每小時(shí)投放一次儀器獲得垂直剖面，取下行觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，得到垂向1m平均的各要素?cái)?shù)據(jù)。表層數(shù)據(jù)取在水深2m處。

圖1 觀測(cè)站位和水深（m）圖Fig.1 Map of grid station with water isobaths contoured in meters

2 結(jié)果

2.1 LISST－100測(cè)量的總體積分?jǐn)?shù)和OBS測(cè)量的濁度

觀測(cè)時(shí)間為2013－07－29T12：00—2013－07－30T11：00，觀測(cè)結(jié)果見圖2。LISST－100獲得的懸浮顆粒物總體積分?jǐn)?shù)（圖2a）變化呈現(xiàn)出分層結(jié)構(gòu)，3個(gè)總體積分?jǐn)?shù)高值中心分別位于：2～20m，30～35m，50～60 m，依此將水柱分為上層、中層和近底層水體。上層水體中呈現(xiàn)出白天（12：00—18：00和07：00—11：00）顆粒物總體積分?jǐn)?shù)低（5～20μL／L），夜間（20：00—06：00）高（15～50μL／L）的現(xiàn)象，中層水體中一直存在著一層較薄的顆粒物總體積分?jǐn)?shù)高值層（20～40μL／L），近底層水體中顆粒物總體積分?jǐn)?shù)最高，基本上＞30μL／L，13：00—18：00和03：00—08：00甚至出現(xiàn)顆粒物總體積分?jǐn)?shù)特高（＞40μL／L）時(shí)段，與再懸浮有關(guān)，這2個(gè)時(shí)段都處于從漲急、漲憩到落急階段，對(duì)應(yīng)潮流流速比較大的時(shí)段，強(qiáng)的流速變化有利于再懸浮發(fā)生（關(guān)于沉積物再懸浮詳細(xì)的動(dòng)力過程另文介紹，此處略）。

OBS獲得的濁度（圖2b）變化也呈現(xiàn)出顯著的分層現(xiàn)象：2～35m左右的水層為濁度低值區(qū)（＜7 NTU），19：00—20：00和03：00—11：00 2～11m水體中濁度為3～5NTU，12：00—06：00 20m水深附近出現(xiàn)濁度最低值水體（＜1NTU），且隨時(shí)間的推移，濁度最低值水體范圍逐漸減小。濁度高值（＞13NTU）分布于45m以深水體中，在近底層水體中出現(xiàn)2個(gè)濁度特高（＞19NTU）時(shí)段，分別是13：00—18：00和03：00—08：00，與LISST－100的近底層高懸浮顆粒物總體積分?jǐn)?shù)分布趨勢(shì)相似。

總的說來，LISST－100和OBS測(cè)量反映的懸浮顆粒物濃度雖然都存在垂直分層，但各層隨時(shí)間的變化過程兩者反應(yīng)的各有不同。在50～60m左右的近底層水體中，兩者變化趨勢(shì)基本一致，總體積分?jǐn)?shù)和濁度發(fā)生特高時(shí)段均相同。上中層水體中兩者反映的總體積分?jǐn)?shù)和濁度隨時(shí)間變化過程不同，LISST－100反映出懸浮物總體積分?jǐn)?shù)在夜間時(shí)段（20：00—06：00）顯著增加，OBS反映的高濁度時(shí)段與此不同，在21：00—02：00的午夜時(shí)段反而降低，在20m水深附近呈現(xiàn)濁度最低；30～35m左右的中層水體中LISST－100測(cè)量的懸浮物持續(xù)維持著較高的總體積分?jǐn)?shù)，是水柱中的極大值，濁度在相應(yīng)水層未呈現(xiàn)較高值。LISST－100總體積分?jǐn)?shù)與OBS濁度的散點(diǎn)圖（圖3）同樣支持以上結(jié)果，2～20m左右的上層水體（藍(lán)色點(diǎn)）中總體積分?jǐn)?shù)在夜間增加，白天降低，濁度始終維持在較低的平穩(wěn)變化，30～35m左右的中層水體（粉紅色點(diǎn)）中濁度低時(shí)，總體積分?jǐn)?shù)較高，濁度略有增高時(shí)，總體積分?jǐn)?shù)有降低趨勢(shì)，50～60m左右的近底層水體（黑色點(diǎn)）中總體積分?jǐn)?shù)與濁度為顯著的線性關(guān)系。兩儀器對(duì)于懸浮顆粒物的測(cè)量反映出的總體積分?jǐn)?shù)及濁度變化過程底層基本相同、中上層不同的原因還需深入分析。

圖2 LISST－100總體積分?jǐn)?shù)和OBS濁度的深度－時(shí)間剖面圖Fig.2 Time－depth variations of LISST－100total volume fraction and OBS turbidity

圖3 不同層次LISST－100總體積分?jǐn)?shù)與OBS濁度的散點(diǎn)圖Fig.3 LISST－100total volume fraction versus OBS turbidity in the different water layers

2.2 不同粒徑顆粒物體積分?jǐn)?shù)和葉綠素質(zhì)量濃度

通過懸浮顆粒物總體積分?jǐn)?shù)的深度－時(shí)間剖面可知，總體積分?jǐn)?shù)高值中心分別位于上層、中層及近底層水體中，而每層水體中顆粒物總體積分?jǐn)?shù)高值區(qū)都存在占優(yōu)粒徑譜峰（圖4），據(jù)此我們將譜峰粒徑范圍大約在17＜d＜28μm和280＜d＜390μm的顆粒劃分為小粒徑顆粒物和大粒徑顆粒物。

上層水體中小粒徑顆粒物體積分?jǐn)?shù)（圖5a）變化與總體積分?jǐn)?shù)（圖2a）變化趨勢(shì)基本一致，但更加凸顯了夜間時(shí)段小粒徑顆粒物的增加，且在20～25m水深處夜間時(shí)段有極大值，30～35m左右的中層水體沒有高值，50～60m左右的近底層水體中同樣反映出小粒徑顆粒物與總顆粒物體積分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)的一致性，發(fā)生的較高時(shí)段也基本一致。

大粒徑顆粒物體積分?jǐn)?shù)（圖5b）在2～11m左右的水層中較低（＜3μL／L），15～20m左右的水層中夜間時(shí)段存在顆粒物體積分?jǐn)?shù)增加現(xiàn)象，30～35m左右的水體中存在顆粒物體積分?jǐn)?shù)最高值（6～30μL／L），與總體積分?jǐn)?shù)相應(yīng)水層變化趨勢(shì)一致，大粒徑顆粒物一直聚集于此，反映了該水層大粒徑顆粒物占優(yōu)，50～60m左右的近底層水體中在16：00—18：00，21：00—22：00，07：00—09：00顆粒物體積分?jǐn)?shù)較高（7～10μL／L），與總體積分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)不完全一致。

葉綠素質(zhì)量濃度（圖5c）表層高于中下層，2～11m水深附近存在葉綠素質(zhì)量濃度最高值（1.0～3.5μg／L），18：00—01：00和10：00—11：00出現(xiàn)葉綠素質(zhì)量濃度較高（＞2.5μg／L）時(shí)段。30m以深水體中葉綠素質(zhì)量濃度較低（＜0.6μg／L），在01：00—11：00 40～60m左右的水體中葉綠素質(zhì)量濃度甚至＜0.2μg／L。

圖4 不同層次懸浮顆粒物體積分?jǐn)?shù)高值區(qū)典型粒徑譜圖Fig.4 Typical particle size distribution in the different water layers

圖5 LISST－100小粒徑、大粒徑顆粒物體積分?jǐn)?shù)和葉綠素質(zhì)量濃度的深度－時(shí)間剖面圖Fig.5 Time－depth variations of small and large particle volume fractions and chl－a mass concentration

3 討論

海水中懸浮顆粒物通常主要包括有機(jī)顆粒和無機(jī)顆粒兩部分，有機(jī)顆粒主要有浮游生物及其尸體、殘?jiān)图S便等；無機(jī)顆粒主要有黏土、礦物碎屑等［16–17］。葉綠素質(zhì)量濃度常用作浮游植物現(xiàn)存量的表征，因此葉綠素質(zhì)量濃度變化特征能夠反應(yīng)出浮游植物分布特征。根據(jù)以往調(diào)查知，浙江外海夏季浮游植物以粒徑較小的藻類（如中肋骨條藻）占優(yōu)［18］，LISST－100測(cè)出的小粒徑顆粒物中應(yīng)該包含微型浮游植物。夏季浮游動(dòng)物類群豐富，小型浮游動(dòng)物纖毛蟲、中型浮游動(dòng)物中華哲水蚤及大型浮游動(dòng)物肥胖劍蟲處于不同水團(tuán)中［19－21］，LISST－100（C型）的測(cè)量范圍不能包括大型浮游動(dòng)物變化，但從前述不同粒徑晝夜分布的不同和中層高值可以推測(cè)，纖毛蟲和中華哲水蚤是分別包含于小粒徑和大粒徑顆粒物中的。

3.1 高生物量水體LISST－100和OBS測(cè)量懸浮顆粒物的比較

2～11m左右的水體中葉綠素質(zhì)量濃度較高，該層大粒徑顆粒物體積分?jǐn)?shù)低，小粒徑顆粒物體積分?jǐn)?shù)明顯占優(yōu)（圖5），說明該層顆粒物以小粒徑的浮游植物為主，小粒徑顆粒物體積分?jǐn)?shù)主要是反映了浮游植物生物量的變化；將該層小粒徑顆粒物體積分?jǐn)?shù)與對(duì)應(yīng)觀測(cè)時(shí)刻葉綠素質(zhì)量濃度做散點(diǎn)圖（圖6），也可以清晰看出兩者存在顯著相關(guān)關(guān)系。20～25m左右的水體中浮游植物生物量低，但小粒徑顆粒物體積分?jǐn)?shù)夜間時(shí)段存在極大值，推測(cè)是存在纖毛蟲類等小型浮游動(dòng)物夜間移動(dòng)到此處攝食餌料而形成顆粒物體積分?jǐn)?shù)極大值現(xiàn)象（圖5a）；在15～20m左右的水體中則在夜間時(shí)段存在大粒徑顆粒物體積分?jǐn)?shù)極大值，說明存在中華哲水蚤等中型浮游動(dòng)物此處攝食?？芍蠈铀w中以浮游生物顆粒占優(yōu)，LISST－100和OBS對(duì)懸浮顆粒物的測(cè)量反映出的總體積分?jǐn)?shù)和濁度隨時(shí)間變化過程不同（圖2）。30～35m左右的中層水體中葉綠素質(zhì)量濃度低，小粒徑顆粒物體積分?jǐn)?shù)低，但是存在大粒徑顆粒物體積分?jǐn)?shù)的最大值，推測(cè)是大粒徑顆粒中華哲水蚤等中型浮游動(dòng)物聚集于此，何德華等［22］在鄰近海域的調(diào)查中也發(fā)現(xiàn)次表層中型浮游動(dòng)物豐度高值區(qū)，說明此處中型浮游動(dòng)物顆粒占優(yōu)，LISST－100能夠較為理想地測(cè)量出顆粒物體積分?jǐn)?shù)變化過程，OBS未能完全反映出濁度變化；由圖7可見大粒徑顆粒物體積分?jǐn)?shù)與LISST－100總體積分?jǐn)?shù)呈線性關(guān)系，與OBS濁度線性關(guān)系不顯著。通過上述分析可知，上中層水體浮游生物顆粒占優(yōu)，LISST－100測(cè)量出了顆粒物體積分?jǐn)?shù)變化過程，OBS未能完全反映出濁度變化過程，LISST－100通過激光前向散射原理測(cè)量顆粒物的體積分?jǐn)?shù)，由于顆粒物體積與其粒徑成立方關(guān)系，因此其對(duì)大顆粒物質(zhì)比較敏感。OBS采用后向散射原理通過接收后向散射量強(qiáng)度測(cè)量水體濁度，后向散射量強(qiáng)度取決于顆粒物截面面積（后向散射截面）的影響，相同體積分?jǐn)?shù)的懸浮物，粒徑大的橫截面要小于粒徑小的橫截面，在高生物量水體中OBS能反映其濁度變化，但是對(duì)大粒徑浮游生物變化不敏感。

圖6 上層（2～11m）葉綠素質(zhì)量濃度與小粒徑顆粒物體積分?jǐn)?shù)的散點(diǎn)圖Fig.6 Scatter plot of Chl－a mass concentration and small particle volume fraction in the upper layer（2～11m）

3.2 無機(jī)顆粒占優(yōu)水體LISST－100和OBS測(cè)量懸浮顆粒物的比較

50～60m左右的近底層水體中葉綠素質(zhì)量濃度低，小粒徑顆粒物占優(yōu)，葉綠素質(zhì)量濃度與小粒徑顆粒物體積分?jǐn)?shù)無關(guān)（圖8），因此判斷此處顆粒物中無機(jī)顆粒占優(yōu)。近底層小粒徑顆粒物在13：00—18：00和02：00—10：00出現(xiàn)體積分?jǐn)?shù)較高時(shí)段，LISST－100總體積分?jǐn)?shù)和OBS濁度在相應(yīng)時(shí)段均分布著較高的體積分?jǐn)?shù)和濁度，說明兩儀器在無機(jī)小顆粒占優(yōu)水體中對(duì)于懸浮顆粒物的測(cè)量均有較好的反映。從小粒徑顆粒物體積分?jǐn)?shù)與LISST－100總體積分?jǐn)?shù)及OBS濁度的散點(diǎn)圖（圖9）看來，LISST－100總體積分?jǐn)?shù)和OBS濁度與小粒徑顆粒物體積分?jǐn)?shù)均呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，在95%置信度下相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到R＝0.89和R＝0.94，OBS濁度更集中于擬合直線。通過上述分析表明，在無機(jī)小顆粒占優(yōu)的水體中LISST－100和OBS對(duì)懸浮顆粒物的測(cè)量均較為理想，兩儀器均能正常觀測(cè)情況下，使用OBS測(cè)量更經(jīng)濟(jì)。

圖9 近底層（50～60m）小粒徑顆粒物體積分?jǐn)?shù)與總體積分?jǐn)?shù)及濁度的散點(diǎn)圖Fig.9 Small particle volume fration in the near－bottm layer（50～60m）total volume fraction and turbidity

4 結(jié)論

通過使用LISST－100和OBS對(duì)浙江外海中陸架區(qū)ME3連續(xù)站進(jìn)行周日變化的懸浮顆粒物測(cè)量結(jié)果分析及比較研究，得出以下主要結(jié)論：

浮游生物高生物量水體中，LISST－100能夠測(cè)量出顆粒物體積分?jǐn)?shù)的變化，OBS未能完全體現(xiàn)出顆粒物濃度的變化。OBS對(duì)于小顆粒懸浮物更為敏感，對(duì)于高生物量水體OBS雖能反映濃度的變化，但對(duì)變化不敏感；LISST－100通過激光前向散射原理測(cè)量顆粒物體積分?jǐn)?shù)，顆粒物體積與其粒徑成立方關(guān)系，因此對(duì)于大顆粒物質(zhì)比較敏感，表現(xiàn)為大粒徑顆粒物體積分?jǐn)?shù)變化相對(duì)劇烈。無機(jī)小顆粒占優(yōu)水體中LISST－100和OBS對(duì)于懸浮顆粒物的測(cè)量均較為理想，建議在底層懸浮物長期觀測(cè)中使用OBS測(cè)量濁度，并用稱重法獲得現(xiàn)場(chǎng)懸浮物質(zhì)量濃度－濁度曲線進(jìn)行校正。在懸浮顆粒物組分復(fù)雜的水體中，采用LISST－100有其優(yōu)勢(shì)，它可以獲得不同粒徑組分的體積分?jǐn)?shù)，而OBS則適用于更小粒徑范圍的水體。

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