太原市不同類型夏季水體顆粒物與CDOM吸收特性研究

高峰，陳曉玲，楊文府 ，史利江，汪雯雯

1. 山西財經(jīng)大學資源環(huán)境學院，山西 太原 030006；2. 武漢大學/測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430079；3. 中國地質(zhì)大學土地科學技術(shù)學院，北京 100083；4. 山西省煤炭地質(zhì)物探測繪院資源環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測山西省重點實驗室，山西 晉中 030600

水體固有光學特性是影響水體光譜反射率的重要因素，是水質(zhì)參數(shù)遙感反演的理論基礎(chǔ)（戴永寧等，2008）。水體組分吸收系數(shù)作為水體主要的固有光學量之一，是水體光學特性的主要決定因素，是建立水質(zhì)參數(shù)遙感反演機制模型時必須要考慮的參數(shù)。影響水體固有光學特性的物質(zhì)主要包括：純水、非色素顆粒物、色素顆粒物和有色可溶性有機物（CDOM）。純水對光的衰減是所有水體都共有的，且純水的吸收是固定的（張運林等，2006；劉忠華等，2012）。因此，不同區(qū)域、不同類型水體的固有光學特性主要取決于非色素顆粒物、色素顆粒物和CDOM的濃度及組成（Kirk，1994）。

國內(nèi)外針對水體顆粒物和CDOM吸收特性方面的研究主要集中在河口、海洋、內(nèi)陸湖庫等水體（Zhang et al.，2007；Das et al.，2017；Guillermina et al.，2017；Lei et al.，2019；李思佳等，2016；郭燕妮等，2020），但針對國內(nèi)內(nèi)陸水體尤其是城市水體這方面的研究則比較欠缺（宋開山等，2018）。已有研究主要集中在城市水體 CDOM 吸收特性、熒光組分及組成和來源方面。比如，陳毅忠等（2017）僅研究了太湖流域某城市水體溶解有機物的熒光分布特征和來源。程艷等（2018）只分析了西北內(nèi)陸河城區(qū)段入河水體的CDOM熒光光譜特征、組成成分、類型和可能來源。丁瀟蕾等（2018）以黑臭水體遙感識別模型構(gòu)建為目標，對典型城市黑臭水體和非黑臭水體的水體組分吸收特性進行了研究。內(nèi)陸水體成分復(fù)雜，不同區(qū)域、不同類型水體光學特性差異較大，為了建立反演精度高和適用性強的水質(zhì)參數(shù)遙感反演模型，必須針對特定區(qū)域的水體固有光學特性進行研究。城市水體作為內(nèi)陸水體的典型水域，受人類活動和降雨等因素影響劇烈，地表徑流攜帶大量污染物及大量工農(nóng)業(yè)廢水和生活污水排入城市內(nèi)部湖泊、排洪渠及流經(jīng)城市的河流和周邊水庫水體，水體組分和濃度發(fā)生顯著變化。城市內(nèi)部湖泊和排洪渠水體、流經(jīng)城市的河流水體及水庫水體顆粒物和CDOM吸收特性有何異同，哪種水體組分吸收占據(jù)主導(dǎo)，水體組分的吸收貢獻率在不同波段有何差異，這些問題尚不清楚。本研究針對上述問題展開研究，以期加深對城市水體固有光學特性的認識和理解。

法的構(gòu)建提供重要的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)資料。太原作為全國能源重化工基地，環(huán)境污染已成為制約經(jīng)濟發(fā)展的重要因素。由于太原市工業(yè)和生活污水的影響，太原市內(nèi)河流（比如汾河太原段及晉陽湖和排洪渠）大多受到嚴重污染。另外，太原市地區(qū)干旱，河流流量小，流動性差，降雨量小，且河流持續(xù)不斷地接收生活污水和工業(yè)廢水，河流自凈能力抵不過水體污染，因此河流黑臭問題比較嚴重（李佳琦等，2019）。汾河二庫作為太原市重要的旅游景區(qū)，近年來受人類活動的影響強烈，水環(huán)境污染問題愈發(fā)嚴重。因此，本研究以晉陽湖和排洪渠、汾河二庫及汾河太原城區(qū)段等水體為研究對象，通過實驗測定的方法獲取水體顆粒物和 CDOM 吸收光譜，分析該區(qū)域不同類型水體固有光學特性，以期為水色遙感算

1 材料與方法

1.1 采樣時間與點位

于2020年8月14—23日期間，在太原市汾河太原段（柴村橋與晉陽橋之間的汾河水體）、晉陽湖和排洪渠及汾河二庫采集水樣，共布設(shè) 30個采樣點（圖1）。使用標準有機玻璃采水器從水面至水下30 cm處采集水樣，現(xiàn)場將水樣裝入棕色塑料瓶并置于冷藏箱內(nèi)低溫保存，盡快帶回實驗室進行過濾預(yù)處理，然后放入冰箱內(nèi)冷藏保存。水體顆粒物和CDOM吸收系數(shù)及總懸浮物濃度（TSM）、葉綠素a（Chl a）、無機懸浮物（ISM）、有機懸浮物（OSM）、總磷（TP）和總氮（TN）在7天內(nèi)測量完畢。A1為晉陽湖水體，A2—A6為太原市內(nèi)排洪渠水體，A7—A24和A28—A30為汾河太原段水體，A25—A26為汾河二庫水體。采樣點位置和采樣時間見表1所示。

表1 采樣點位置和時間Table 1 Location and time of sample sites

圖1 采樣點空間分布圖Fig. 1 The spatial distribution of water samples

1.2 顆粒物與CDOM吸收系數(shù)測量方法

總顆粒物（ap）和非色素顆粒物（ad）吸收系數(shù)采用定量濾膜技術(shù)（Quantitative Filter Technique，QFT）測定，色素顆粒物（aph）吸收系數(shù)由總顆粒物吸收系數(shù)減去非藻類顆粒物吸收系數(shù)得到。具體操作與計算參見文獻（劉劍等，2015）。

CDOM吸收系數(shù)采用0.22 μm的Millipore濾膜濾液水樣，以Milli-Q超純水做參考，用島津2550紫外分光光度計測定204—800 nm波長范圍內(nèi)的吸光度，并且以700 nm處的吸光度為零值進行散射效應(yīng)的校正，計算得到CDOM吸收系數(shù)（劉劍等，2015；丁瀟蕾等，2018）。

1.3 指數(shù)函數(shù)曲線斜率計算

非色素顆粒物與 CDOM 吸收光譜可以用指數(shù)函數(shù)近似表達:

式中：

a(λ)——非藻類顆粒物或CDOM吸收系數(shù)（m?1）；

λ0——參考波長，一般選取440 nm作為參考波長；

S——指數(shù)函數(shù)曲線斜率。

本文對非色素顆粒吸收光譜進行模擬的波段是400—700 nm，對CDOM吸收光譜進行模擬的波段是280—500 nm。

1.4 水質(zhì)參數(shù)測量方法

總懸浮物濃度（TSM）和無機懸浮物濃度（ISM）采用過濾、煅燒和稱重的方法測定?？倯腋∥餄舛龋═SM）減去無機懸浮物濃度（ISM）得到有機懸浮物濃度（OSM）。葉綠素a濃度采用熱乙醇測量。具體操作和方法參考文獻（劉劍等，2015）?？偭祝═P）和總氮（TN）的測定分別采用鉬銻抗分光光度法和過硫酸鉀高壓消解法（丁瀟蕾等，2018）。太原市不同類型水體樣點水質(zhì)參數(shù)結(jié)果見表2所示。

表2 太原市不同類型水體水質(zhì)參數(shù)結(jié)果Table 2 Results of water quality parameters for different types of water in Taiyuan City

2 結(jié)果和討論

2.1 總顆粒物吸收特征

總顆粒物吸收系數(shù)近似等于非色素顆粒物吸收系數(shù)與色素顆粒物吸收系數(shù)之和。太原市內(nèi)晉陽湖和排洪渠、汾河二庫和汾河太原城區(qū)段水體總顆粒吸收系數(shù)光譜曲線如圖2所示。從圖2a可知，晉陽湖水體A1樣點在440、675 nm附近具有明顯的吸收峰，表現(xiàn)出典型的藻類吸收特征，主要由葉綠素a的強吸收導(dǎo)致。排洪渠水體僅A2點在675 nm有一個吸收峰，其余樣點則無明顯吸收特征，可能是由于非色素顆粒物的影響。汾河二庫水體表現(xiàn)出典型的Chla吸收特征，在440、675 nm附近具有顯著的吸收峰。在450—580 nm處吸收系數(shù)大致隨波長的增大而降低，580 nm處由于葉綠素和胡蘿卜素的弱吸收出現(xiàn)極小值，之后吸收系數(shù)逐漸增大，在624 nm處由于藻藍素的吸收出現(xiàn)了小峰值，該峰值是藻藍素最顯著的特征（圖2b）。這與內(nèi)陸許多二類水體總顆粒物吸收特征比較一致，比如滇池（張紅等，2011），官廳水庫（雷霞等，2013）、昆明湖（劉劍等，2015）。汾河太原城區(qū)段水體大多樣點在675 nm有一個吸收峰，少數(shù)幾個樣點則在440、675 nm附近有吸收峰，表現(xiàn)出明顯的藻類吸收特征，而這些樣點較多位于汾河太原城區(qū)段水質(zhì)相對較好的北部和南部區(qū)域（圖2c）。晉陽湖和排洪渠及汾河太原城區(qū)段水體除了在675 nm處有弱吸收峰外，總顆粒物吸收系數(shù)曲線隨波長增加呈近似指數(shù)衰減的規(guī)律，不同樣本的總顆粒物吸收系數(shù)變化較大。晉陽湖和排洪渠、汾河二庫和汾河太原城區(qū)段水體在440 nm處總顆粒物吸收系數(shù) ap(440)的變化范圍分別為0.89—5.74、0.62—0.72、1.26—8.48 m?1，均值分別為 (2.77±1.83)、(0.68±0.04)、(3.62±1.94) m?1。在 675 nm 處的總顆粒物吸收系數(shù) ap(675)的變化范圍分別為 0.25—0.78、0.29—0.33、0.36—4.73 m?1，均值分別為 (0.54±0.21)、(0.31±0.02)、(1.42± 1.11) m?1。晉陽湖和排洪渠、汾河二庫和汾河太原城區(qū)段水體的總顆粒物濃度范圍分別為13.67—47.50、3.33—4.67、8.50—137.14 mg·L?1，均值分別為 (28.11±12.52)、(4.00±0.55)、(26.77±26.55) mg·L?1。此外，排洪渠水體中A3和A4的總顆粒物吸收系數(shù)顯著高于其他3個樣點（A2、A5和A6），同時也高于晉陽湖水體A1。主要是因為是A3和A4點均含有較高濃度的懸浮物（分別為 41 mg·L?1和 47.5 mg·L?1）。汾河太原城區(qū)段樣點 A18總顆粒物吸收系數(shù)也顯著高于其他各樣點，該樣點的總懸浮物濃度高達 137.14 mg·L?1。晉陽湖和排洪渠、汾河太原城區(qū)段水體總顆粒物吸收系數(shù)均大于汾河二庫，且太原市城區(qū)范圍水體的吸收系數(shù)與水庫水體取值范圍沒有交叉。因此，總顆粒吸收系數(shù)可以作為區(qū)分上述不同類型水體的重要參數(shù)。汾河太原城區(qū)段水體總顆粒物吸收系數(shù)大于晉陽湖和排洪渠水體，但兩者的吸收系數(shù)取值范圍存在較大程度的交叉。這說明與人類活動密切相關(guān)的市區(qū)內(nèi)城市水體情況較為復(fù)雜，總顆粒物吸收系數(shù)并非兩者主要的區(qū)別。

圖2 太原市不同類型水體總顆粒物吸收系數(shù)光譜曲線Fig. 2 Spectral curves of the absorption coefficient of total particles for different types of water in Taiyuan city

總顆粒物的吸收一般可以分為兩種類型，第一種類型是非色素顆粒物吸收主導(dǎo)，第二種類型是色素顆粒物吸收主導(dǎo)。圖3為晉陽湖和排洪渠、汾河二庫和汾河太原城區(qū)段總顆粒物、非色素顆粒物和色素顆粒物平均吸收光譜曲線。從圖3a和圖3c可以看出，除了675 nm處的葉綠素吸收峰外，晉陽湖和排洪渠及汾河太原城區(qū)段總顆粒物吸收光譜與非色素顆粒物吸收光譜相似，吸收系數(shù)隨波長增加呈近似指數(shù)衰減的規(guī)律，說明非色素懸浮顆粒物對吸收系數(shù)有著更大的影響。汾河二庫的總顆粒物吸收光譜與色素顆粒物吸收光譜相似，說明色素懸浮顆粒物的吸收占據(jù)主導(dǎo)作用。張運林等（2006）對太湖顆粒物吸收特性的研究表明，第一種類型僅在675 nm附近出現(xiàn)峰值，色素顆粒物的吸收可能大于非色素顆粒物的吸收，其他波段色素顆粒物的吸收均被非色素顆粒物的吸收光譜掩蓋，該種類型主要分布在葉綠素a濃度低以及無機顆粒物濃度高的地方;第二種類型在440、675 nm均出現(xiàn)吸收峰值，675 nm峰值比較顯著，這種類型主要分布在葉綠素a濃度較高，同時無機顆粒物濃度較低，有機顆粒物占總顆粒物比例接近或超過30%的采樣點。本研究晉陽湖和排洪渠及汾河太原城區(qū)段水體 Chla濃度和無機懸浮顆粒物濃度的范圍分別為 9.58—50.86 mg·m?3和 5.00—35.50 mg·L?1，2.55—375.95 mg·m?3和 3.33—115.71 mg·L?1，均值分別為 (31.33±16.04)mg·m?3和 (18.97±10.57) mg·L?1， (99.62±99.60)mg·m?3和 (14.88±24.07) mg·L?1。汾河二庫水體葉綠素a濃度、無機和有機懸浮顆粒物濃度的范圍分別為 12.14—14.81 mg·m?3、0.00—0.33 mg·L?1和3.00—4.33 mg·L?1，均值分別為 (13.31±1.11) mg·m?3、(0.22±0.16) mg·L?1和 (3.78±0.57) mg·L?1。汾河二庫水體有機懸浮顆粒物濃度占總顆粒物濃度的比例為90.09%—92.72%。本研究中不同類型水體水質(zhì)參數(shù)的特征與張運林等（2006）對太湖顆粒物吸收特性的研究結(jié)果是比較一致的。

圖3 太原市不同類型水體總顆粒物、非色素顆粒物和色素顆粒物平均吸收光譜曲線Fig. 3 Average absorption spectral curves of total suspended particles, non-algal particles and phytoplankton for different types of water in Taiyuan city

為了進一步分析太原市不同類型水體非色素顆粒物和色素顆粒物對總顆粒物吸收系數(shù)的貢獻，本研究對晉陽湖和排洪渠、汾河二庫和汾河太原城區(qū)段水體的非色素顆粒物和色素顆粒物在總顆粒物吸收系數(shù)中所占的百分比進行了統(tǒng)計分析（圖4）。從圖4a可以看出，晉陽湖和排洪渠水體非色素顆粒物吸收在總顆粒物吸收中占主導(dǎo)地位，除了640—700 nm波段范圍內(nèi)色素顆粒物吸收系數(shù)在總顆粒物吸收中所占比例高于非色素顆粒物所占比例，其余波段非色素顆粒物吸收占總顆粒物吸收的比例都在50%以上。非色素顆粒物和色素顆粒物對總顆粒物吸收的貢獻是隨波長變化的變量，在350—640 nm范圍內(nèi)非色素顆粒物的貢獻大于色素顆粒物，并隨波長的增加呈減小趨勢，色素顆粒物的貢獻變化則相反。675 nm附近葉綠素a的吸收占據(jù)主導(dǎo)，色素顆粒物的吸收光譜掩蓋了非色素顆粒物的吸收。從圖4b可以看出，汾河二庫水體色素顆粒物吸收在總顆粒物吸收中占據(jù)主導(dǎo)地位，在350—370 nm范圍內(nèi)非色素顆粒物的貢獻大于色素顆粒物。之后，色素顆粒物的吸收隨波長的增加呈增長的趨勢，且色素顆粒物的吸收占總顆粒物吸收的比例都大于50%，非色素顆粒物的貢獻變化則相反。從圖4c可以看出，汾河太原城區(qū)段水體色素顆粒物和非色素顆粒物在紫外可見光波段范圍內(nèi)的貢獻變化較為復(fù)雜，在350—440 nm范圍內(nèi)非色素顆粒物吸收在總顆粒物吸收中占據(jù)主導(dǎo)地位，且非色素顆粒物的吸收占總顆粒物吸收的比例在 50%以上，色素顆粒物的吸收則相反。在440—520 nm范圍色素顆粒物的吸收貢獻大于非色素顆粒物，而520—570 nm范圍內(nèi)則相反。之后，色素顆粒物吸收貢獻率則隨波長增加呈增長趨勢，非色素顆粒物則相反，主要是因為浮游藻類色素在 675 nm附近的強吸收掩蓋了非色素顆粒物的吸收光譜。

圖4 太原市不同類型水體非色素顆粒物和色素顆粒物對總顆粒物的貢獻率Fig. 4 Contribution rate of non-algal particles and phytoplankton to the absorption of total suspended particles

考慮到本研究不同類型水體樣本數(shù)量有限，因此將所有樣本整體來分析顆粒物和 CDOM 吸收與水質(zhì)參數(shù)之間的相關(guān)性（表3）?？傤w粒物吸收系數(shù)ap(440)與TSM、Chla、ISM、OSM、TN和TP均存在很好的線性關(guān)系，而ap(675)僅與Chla、OSM和TP相關(guān)較好，與TSM、ISM和TN則不存在相關(guān)性。但ap(675)與Chla的相關(guān)性強于ap(440)，這說明 440 nm附近的總顆粒物吸收雖然受非色素顆粒物的影響，但色素顆粒物仍占據(jù)主導(dǎo)作用，色素色素顆粒物的吸收作用未被非色素顆粒物掩蓋。在675 nm附近，非色素顆粒物的吸收作用很弱，色素顆粒物的吸收峰比較顯著，表明675 nm附近顆粒物吸收與浮游藻類等有機顆粒物密切相關(guān)。ap(440)與ad(440)和aph(440)均存在顯著的線性關(guān)系，但浮游藻類色素顆粒物的相關(guān)性強于非色素顆粒物，這說明440 nm的總顆粒物吸收系數(shù)同時由色素和非色素顆粒物控制，但色素顆粒物吸收占主導(dǎo)地位。ap(675)與 aph(675)具有顯著的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達到0.9941（P<0.01），但與ad(675)則不存在相關(guān)性，說明總顆粒物吸收系數(shù)在675 nm處主要與浮游藻類色素的強吸收有關(guān)。

表3 顆粒物吸收系數(shù)、CDOM和水質(zhì)參數(shù)之間的線性相關(guān)關(guān)系Table 3 Linear relationship between absorption coefficient of particulates and water quality parameters

2.2 色素顆粒物吸收特征

晉陽湖和排洪渠、汾河二庫和汾河太原城區(qū)段水體色素顆粒物吸收光譜曲線見圖5所示。從圖5a可以看出，樣點A1和A2在440 nm附近由于Chla的吸收出現(xiàn)吸收峰，450—550 nm范圍內(nèi)吸收系數(shù)隨波長的增大而降低，在480 nm附近由于胡蘿卜素β的吸收出現(xiàn)吸收肩（張紅等，2011）。在675 nm處出現(xiàn)吸收峰與浮游藻類在此波段的吸收有關(guān)，說明樣點A1和A2 Chla濃度比較高。樣點A4、A5和A6隨波長的增加吸收系數(shù)逐漸降低，僅在675 nm附近由于葉綠素a的吸收出現(xiàn)吸收峰。樣點A3在380 nm處出現(xiàn)吸收峰，之后隨波長的增加逐漸減小，675 nm附近由于葉綠素a吸收出現(xiàn)弱吸收峰。汾河二庫水體具有典型的色素顆粒物吸收特征。在440、675 nm由于葉綠素a的吸收有兩個吸收峰。630 nm附近由于藻藍素的吸收出現(xiàn)一個小峰值，該峰值時藻藍素最顯著的特征，也是反演藻藍素濃度的理想波段，700 nm以后吸收系數(shù)趨向于零。汾河太原段水體所有樣本均表現(xiàn)出典型的色素顆粒物吸收特征，在450—480 nm范圍內(nèi)由于胡蘿卜素β的吸收使得吸收系數(shù)呈現(xiàn)肩狀，550 nm處由于葉綠素和胡蘿卜素的弱吸收出現(xiàn)極小值，之后吸收系數(shù)逐漸增大，直到675 nm處由于葉綠素a的吸收出現(xiàn)吸收峰，隨之吸收系數(shù)迅速降低并趨向于零?？傮w上，太原市不同類型水體色素顆粒物吸收特征均比較顯著。

圖5 太原市不同類型水體色素顆粒物吸收光譜曲線Fig. 5 Absorption spectral curves of phytoplankton for different types of water in Taiyuan city

色素顆粒物的吸收光譜在440、675 nm附近有2個特征吸收峰，但不同樣點由于色素濃度的差異，色素顆粒物吸收系數(shù)變化較大。晉陽湖和排洪渠、汾河二庫和汾河太原段水體在440 nm處色素顆粒物吸收系數(shù)aph(440)的變化范圍分別為0.37—2.12、0.51—0.59、0.56—6.78 m?1，均值為 (1.07±0.63)、(0.55±0.04)、(1.85±1.59±0.63) m?1；在 675 nm 處色素顆粒物吸收系數(shù) aph(675)的變化范圍分別為0.16—0.54、0.25—0.29、0.15—4.44 m?1，均值分別為 (0.35±0.14)、(0.27±0.01)、(1.21±1.08) m?1。色素顆粒物吸收系數(shù)主要受水體中浮游藻類的濃度及種群組成的影響，隨Chla濃度的變化而變化（張運林等，2006）。本研究中排洪渠水體樣點A4和A6的葉綠素 a濃度分別 16.01 mg·m?3和 50.86 mg·m?3，兩個樣點在440 nm處均沒有明顯的色素顆粒物的特征吸收峰，可能是由于非色素顆粒物的吸收光譜掩蓋了色素顆粒物的吸收。趙巧華等（2006）的研究表明，個別樣本440 nm處色素顆粒物吸收峰不明顯，呈現(xiàn)與非色素顆粒物相似的吸收光譜特征，主要是由于色素顆粒物提取時將非色素顆粒物中的其他色素一并提取，從而系統(tǒng)地放大了色素顆粒物的吸收系數(shù)。對于城市內(nèi)部的排洪渠水體而言，非色素顆粒物來源多樣和組成較為復(fù)雜，因此非色素顆粒物吸收系數(shù)的放大現(xiàn)象很可能成為個別樣點440 nm處色素顆粒物吸收峰不明顯的主要原因。

太原市不同類型水體30個樣本在440、675 nm處色素顆粒物的吸收系數(shù)aph(440)、aph(675)與Chla濃度存在顯著線性正相關(guān)（P<0.01），相關(guān)系數(shù)分別為 0.9426和 0.9718（表 3），決定系數(shù) R2分別為0.888和0.944（圖6）。色素顆粒物675 nm處吸收系數(shù)與Chla的相關(guān)性比440 nm處的相關(guān)性好，（圖6），說明非色素顆粒物對色素顆粒物吸收系數(shù)的影響主要在短波波段，而675 nm附近葉綠素a的影響占主導(dǎo)地位（王珊珊等，2014）。已有研究也都發(fā)現(xiàn)675 nm的色素顆粒物吸收系數(shù)與Chla的相關(guān)性強于440 nm處（張運林等，2009；柳彩霞等，2011；劉劍等，2015；李思佳等，2015）。已有研究表明，浮游植物吸收與Chla濃度的關(guān)系多數(shù)為非線性，兩者之間擬合的函數(shù)形式多種多樣，主要包括指數(shù)函數(shù)（李方等，2009）、多項式關(guān)系（蓋利亞等，2010）、冪函數(shù)（曹文熙等，2003）等。aph(440)、aph(675)與OSM和TP均呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，反映了OSM的降解產(chǎn)物可以為浮游植物的生長提供營養(yǎng)鹽，TP是浮游植物生長必不可少的營養(yǎng)物質(zhì)，優(yōu)先級大于TN。aph(440)、aph(675)與TSM和ISM均不存在相關(guān)性，主要是因為懸浮顆粒物會直接影響太陽輻射在水中的傳輸，減弱光合有效輻射在水中的分布和穿透深度，影響浮游植物的光合作用。

圖6 aph(440)、aph(675)與葉綠素a濃度相關(guān)性Fig. 6 Correlation between aph(440) and aph(675)and chlorophyll a concentration

2.3 非色素顆粒物吸收特征

晉陽湖和排洪渠、汾河二庫和汾河太原城區(qū)水體非色素顆粒物吸收光譜曲線如圖7所示。從圖7可以看出，太原市不同類型水體非色素顆粒物吸收系數(shù)隨波長的增加呈近似指數(shù)衰減的規(guī)律。在短波范圍各樣本點的吸收系數(shù)差異較大，當波長大于700 nm后，吸收系數(shù)趨向于零。晉陽湖和排洪渠、汾河二庫和汾河太原城區(qū)段水體在440 nm處的非色素顆粒物吸收系數(shù)系數(shù) ad(440)的變化范圍分別為 0.36—3.62、0.11—0.15、0.57—7.48 m?1，均值分別為 (1.69±1.26)、(0.13±0.01)、(1.77±1.40) m?1；675 nm非色素顆粒物的吸收系數(shù)ad(675)的變化范圍分別為 0.05—0.43、0.03—0.04、0.08—0.49 m?1，均值分別為 (0.18±0.15)、(0.04±0.00)、(0.21±0.10) m?1。與國內(nèi)其他類型水體對比發(fā)現(xiàn)，太原市晉陽湖和排洪渠、汾河太原城區(qū)段水體 ad(440)遠大于昆明湖（0.07—0.16 m?1）（劉劍鄧等，2015）、官廳水庫（0.096—0.797 m?1）（雷霞等，2013）和新立城水庫（0.86—1.42 m?1）（李思佳等，2016），但遠小于興凱湖（均值為 (14.67±7.19) m?1）（李思佳等，2015）。

圖7 太原市不同類型水體非色素顆粒物吸收光譜曲線Fig. 7 Absorption spectral curves of non-algal particles for different types of water in Taiyuan city

從圖7a和7c可以看出，晉陽湖和排洪渠、汾河太原城區(qū)段水體非色素顆粒物吸收光譜與總顆粒物吸收光譜比較一致，進一步說明太原市區(qū)不同類型水體總顆粒物吸收以非色素顆粒物吸收為主。汾河二庫水體非色素顆粒物吸收光譜形狀則與總顆粒物吸收光譜差異較大，說明水庫水體顆粒物吸收為色素顆粒物主導(dǎo)型（圖7b）。排洪渠水體樣點A3和A4的無機懸浮物濃度分別為 29.5 mg·L?1和 35.5 mg·L?1。汾河太原城區(qū)段水體樣點A11和A18的無機懸浮物濃度分別達到 31.5 mg·L?1和 115.71 mg·L?1。

已有研究表明，非色素顆粒物的光譜吸收特征相對穩(wěn)定，可用指數(shù)函數(shù)近似表示（張運林等，2006；柳彩霞等，2011）。對太原市不同類型水體30個樣點非色素顆粒物吸收光譜在400—700 nm波段范圍利用最小二乘法進行非線性擬合，得到指數(shù)函數(shù)斜率Sd的變化范圍為8.03—12.83 μm?1，均值為(10.79±0.97) μm?1，非線性擬合決定系數(shù) R2均值為0.9916，均方根誤差RMSE的均值為0.0377。與國內(nèi)外其他研究相比，本研究與太湖梅梁灣400—700 nm的指數(shù)斜率Sd接近9.4—12.0 μm?1（張運林等，2006），小于珠江口（10.1—17.1 μm?1）（曹文熙等，2003）和昆明湖（9.7—18.3 μm?1）（劉劍等，2015），大于官廳水庫（5.2—8.3 μm?1）（雷霞等，2013）。

非色素顆粒物與水質(zhì)參數(shù)的相關(guān)性分析表明（表3），ad(440)、ad(675)與TSM、ISM、OSM、TP和 TN均存在顯著的相關(guān)性，但與 Chla沒有相關(guān)性。為了進一步分析太原市不同類型水體非色素顆粒物的來源，本研究對特征波段處的非色素顆粒物吸收系數(shù)和TSM、Chla進行回歸分析，結(jié)果如圖8所示。ad(675)與Chla的相關(guān)性強于ad(440)，但決定系數(shù)R2僅為0.053，主要是因為675 nm是Chla的吸收峰，且非色素顆粒物吸收較弱。440nm處的非色素顆粒物吸收較強，掩蓋了色素顆粒物的吸收光譜。ad(440)與TSM的相關(guān)性強于ad(675)，決定系數(shù)R2達到0.891，主要是因為675 nm處Chla的吸收影響了非色素顆粒物與 TSM 的相關(guān)性。這說明太原市不同類型水體中非色素顆粒物中生物降解產(chǎn)物較多，產(chǎn)生大量有機懸浮顆粒物，而浮游植物的降解作用非常小。該結(jié)果與太湖梅梁灣非色素顆粒物的組成和來源有明顯區(qū)別，太湖梅梁灣非色素顆粒物中生物降解產(chǎn)物較少，基本上為無機物（張運林等，2006）。昆承湖和興凱湖水體中非色素顆粒物主要來源于陸源性的無機質(zhì)輸入，浮游植物的降解產(chǎn)物較少，因此與Chla也不存在相關(guān)性（柳彩霞等，2011；李思佳等，2015）。但官廳水庫中ad(440)、ad(675)與懸浮物濃度基本不存在相關(guān)性，但與Chla具有較高相關(guān)性，并且ad(675)與Chla的相關(guān)性明顯高于 ad(440)，該水體中浮游植物的降解產(chǎn)物對非色素顆粒物的貢獻較大，陸源輸入的無機懸浮物貢獻不大（雷霞等，2013）。也有一些研究的相關(guān)性分析表明，ad(440)與TSM、ISM、OSM和Chla均存在很好的相關(guān)性，說明該類水體中非色素顆粒物主要來源于浮游植物降解和陸源無機顆粒物的輸入（李思佳等，2016）?？傮w來說，太原市不同類型水體非色素顆粒物的主要來源是陸源性輸入，浮游植物的降解對非色素顆粒物的吸收影響不大。

圖8 ad(440)、ad(675)與葉綠素a、總懸浮顆粒物濃度的相關(guān)性Fig. 8 Correlation between ad(440) and ad(675), and chlorophyll a and total suspended particles concentration

2.4 CDOM吸收光譜

晉陽湖和排洪渠、汾河二庫和汾河太原城區(qū)段水體CDOM吸收光譜曲線如圖9所示。從圖9可知，太原市不同類型水體 CDOM 吸收系數(shù)隨波長增加呈近似指數(shù)衰減的規(guī)律，短波長處差異較為明顯（除汾河二庫外）。太原市不同類型水體 CDOM吸收系數(shù)在250—290 nm之間未出現(xiàn)吸收肩，說明太原市不同類型水體 CDOM 組成與太湖（趙巧華等，2008；黃昌春等，2009）、巢湖（施坤等，2010）、珠江口（王珊珊等，2014）等湖泊河口水體具有顯著差異。440 nm處CDOM吸收系數(shù)ag(440)的變化范圍為（0.28—1.2 m?1），均值為 (0.67±0.23) m?1。與國內(nèi)其他區(qū)域湖泊水體相比，太原市 CDOM 吸收系數(shù)小于昆承湖（1.4739—2.3333 m?1）（柳彩霞等，2011）、興凱湖（0.37—2.17 m?1）（李思佳等，2015），但大于昆明湖（0.24—0.37 m?1）（劉劍等，2015）。254 nm處 CDOM吸收系數(shù)ag(254)的變化范圍為（8.58—27.61 m?1），均值為 (15.34±4.75)m?1。與長春市不同水體相比，太原市不同類型水體ag(254)顯著小于長春市各類水體（17.3—49.2 m?1）（俞曉琴等，2021），其中長春市城市河流水體ag(254)的均值為 (27.3±7.4) m?1，公園湖泊為(22.0±2.8) m?1，水庫水體為 (22.5±1.8) m?1。

圖9 太原市不同類型水體CDOM吸收光譜曲線Fig. 9 Absorption spectral curves of CDOM for different types of water in Taiyuan city

CDOM指數(shù)函數(shù)曲線斜率Sg可以反映CDOM含量的高低（Binding et al.，2008），但不同波段范圍擬合得到的Sg值差異較大（馬榮華等，2005）。本研究選取280—500 nm范圍對所有樣本進行指數(shù)函數(shù)曲線斜率的非線性擬合，指數(shù)斜率Sg的變化范圍為 15.60—22.76 μm?1，均值為 (18.06±1.30) μm?1，非線性擬合的決定系數(shù) R2均值為 0.9983，均方根誤差 RMSE的均值為 0.0875。與國內(nèi)其他區(qū)域水體對比分析發(fā)現(xiàn)，太原市各類水體Sg值均大于太湖草、藻型湖區(qū)（均值為 14.37±0.73 μm?1）（張運林等，2005）、三峽壩區(qū)（10.8—18.8 μm?1）（蓋利亞等，2010）、淀山湖（11.70—14.80 μm?1）（宋玲玲等，2007）和昆承湖（11.2—14.6 μm?1）（柳彩霞等，2011）。這說明太原市不同類型水體CDOM組成以腐殖酸為主，相對分子質(zhì)量較大。

CDOM的相對分子質(zhì)量大小可以通過250 nm和365 nm處的吸收系數(shù)比值M值進行示蹤，M值越大，CDOM的相對分子質(zhì)量越小。相對分子質(zhì)量可以反映 CDOM 中腐殖酸和富里酸的相對含量，腐殖酸的相對分子質(zhì)量較大，而富里酸則較?。◤堖\林等，2007）。太原市各類水體M值的變化范圍為（5.62—10.74），均值為 (7.01±1.18)，其中晉陽湖A1點M值最大，達到10.74。太原市各類水體M值與國內(nèi)其他類型水體相比（表4），本研究M值相對較小，說明太原市各類水體 CDOM 中腐殖酸含量較高，相對分子質(zhì)量較大，陸源性物質(zhì)的輸入占據(jù)主導(dǎo)地位。晉陽湖水體相對太原市其他各類水體而言，M值較大，說明晉陽湖水體CDOM中富里酸的相對含量較高，相對分子質(zhì)量較小。對太原市不同類型水體所有樣本Sg和M值進行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖10所示。Sg和M值呈現(xiàn)極顯著的線性正相關(guān)（P<0.001），決定系數(shù)R2為0.814，相關(guān)系數(shù)r為0.902。Sg和M值的線性正相關(guān)表明，M值越大，Sg值越大，CDOM 中富里酸的相對含量越高，CDOM相對分子質(zhì)量越??；相反，M值越小，Sg值越小，CDOM中腐殖酸的相對含量越高，CDOM相對分子質(zhì)量越大。另外，Sg和M值的顯著正相關(guān)表明，CDOM 中腐殖酸和富里酸的相對含量對光譜斜率Sg值的影響比較顯著。其他研究者對不同區(qū)域水體Sg和M值的相關(guān)性分析也表明，Sg和M值呈現(xiàn)較強的線性相關(guān)性（施坤等，2010；李思佳等，2016）。

圖10 Sg和M值的相關(guān)性Fig. 10 Correlation between Sg and M values

表4 不同水體M值統(tǒng)計結(jié)果Table 4 Statistic results of M values in different waters

相關(guān)分析結(jié)果表明，ag(440)與 TSM、ISM、OSM、TP和TN均存在很好的相關(guān)性，但與Chla沒有相關(guān)性（表 3），說明太原市不同類型水體CDOM主要來源不是浮游植物的自身降解產(chǎn)物，陸源輸入的CDOM占據(jù)主導(dǎo)作用。采樣前期，太原市出現(xiàn)幾次強降雨天氣，大量雨水和城市生活污水匯入河道，攜帶大量有機污染物和無機營養(yǎng)鹽進入河流水體。

2.5 水體各組分吸收貢獻

水體總吸收系數(shù)是影響水體吸收系數(shù)的各個組分吸收系數(shù)的和，即：

式中：

aw(λ)——純水的吸收系數(shù)。

由于純水的吸收系數(shù)是固定的，本研究以非色素顆粒物、色素顆粒物和 CDOM 吸收系數(shù)為總吸收系數(shù)，計算350—650 nm范圍內(nèi)不同組分吸收系數(shù)的平均貢獻率，結(jié)果如圖11所示。太原市不同類型水體非色素顆粒物、色素顆粒物和 CDOM 吸收貢獻率在不同波段處差異顯著。CDOM吸收貢獻率在350—650 nm范圍內(nèi)呈不斷下降的趨勢，貢獻率在為2.42%—41.12%之間，在短波波段處貢獻率最高，達到41.12%左右。非色素顆粒物吸收貢獻率呈震蕩下降的趨勢，貢獻率在25.30%—50.49%之間，550 nm后迅速下降，650 nm處貢獻率最小。色素顆粒物吸收貢獻率在 350—440 nm范圍內(nèi)迅速上升，440—580 nm范圍呈振蕩態(tài)勢，580 nm后迅速升高，貢獻率在9.74%—71.54%，650 nm附近達到最高?？傮w上看，非色素顆粒物對總吸收作用的貢獻最大，平均貢獻率達到42.38%；其次為色素顆粒物，均值為40.92%；CDOM的吸收貢獻率最小，均值僅為16.69%。這說明太原市不同類型水體非色素顆粒物的吸收作用占據(jù)主導(dǎo)地位，是影響水體吸收系數(shù)的主導(dǎo)因子。

圖11 各采樣點水體組分平均吸收貢獻率（350—650 nm）Fig. 11 The average absorption contribution rate of water components for all samples (350-650 nm)

為了進一步分析水體組分的吸收貢獻，計算了各樣點非色素顆粒物、色素顆粒物和 CDOM 吸收的貢獻率，結(jié)果如圖12所示。汾河太原段城區(qū)段樣點 A13、A22、A23、A24、A28、A29 和 A30，色素顆粒物的吸收貢獻率較大。綜合分析上述樣點的水質(zhì)參數(shù)特征發(fā)現(xiàn)（表3），Chla濃度均比較高，而總懸浮物濃度均較低。其中，樣點A13色素顆粒物吸收在所有樣點中達到最大，貢獻率為 67.13%，Chla濃度達到375.95 mg·m?3。主要是因為該樣點位于柴村橋附近的汾河濕地，水環(huán)境質(zhì)量較好，水中浮游植物生長茂盛。汾河太原城區(qū)段樣點 A22、A23、A24、A28、A29和A30的Chla濃度分別為111.17、332.71、265.71、114.27、137.98 和 113.89 mg·m?3。汾河二庫樣點 A25、A26和 A27，總懸浮物濃度含量均較低（3.33—4.67 mg·L?1），Chla濃度相對較高（12.14—14.81 mg·m?3），因此色素顆粒物的吸收貢獻率也比較大。汾河太原段城區(qū)段樣點A18色素顆粒物吸收貢獻率最低，Chla濃度僅為2.55 mg·m?3，總懸浮物濃度達到 137.14 mg·L?1。主要是因為該樣點位于北沙河入汾河交匯處，大量城市生活污水和工業(yè)廢水匯入，水體發(fā)黃發(fā)臭，水中攜帶大量陸源有機和無機污染物進入汾河，導(dǎo)致水體懸浮顆粒物濃度很高，水體透明度很低，浮游植物生長受限。排洪渠水體樣點A5和A6的CDOM吸收貢獻率均比較高，分別為54.07%和52.87%。主要是因為排洪渠水體受人類活動影響強烈，陸源輸入的CDOM含量較高?？傮w上，太原市不同類型水體非色素顆粒物、色素顆粒物和 CDOM 吸收貢獻差異顯著，不同采樣點水體吸收特性的主導(dǎo)影響因素各異。晉陽湖水體吸收特性的主要因素是色素顆粒物，非色素顆粒物和CDOM的影響較小；排洪渠水體由于受周邊環(huán)境因素的影響，水體吸收特性的主要影響因素為非色素顆粒物和CDOM；汾河太原段城區(qū)段水體吸收特性的主要影響為色素和非色素顆粒物；汾河二庫水體吸收特性的主要影響因素為色素顆粒物和CDOM。

圖12 各采樣點水體組分吸收貢獻率Fig. 12 Absorption contribution rate of water components for different samples

3 結(jié)論

（1）晉陽湖和汾河二庫水體夏季總顆粒物吸收特征為色素顆粒物主導(dǎo)類型；排洪渠水體和汾河太原城區(qū)段夏季水體總顆粒物吸收特征為非色素顆粒物主導(dǎo)類型。

（2）色素顆粒物吸收系數(shù)aph(440)、aph(675)與Chla濃度均存在顯著線性正相關(guān)，但675 nm處的相關(guān)性強于440 nm。非色素顆粒物對色素顆粒物吸收系數(shù)的影響主要在短波波段，而675 nm處Chla的影響發(fā)揮主要作用。

（3）非色素顆粒物的來源主要是陸源性物質(zhì)的輸入，浮游植物的降解作用對非色素顆粒物的吸收影響不大。

（4）太原市不同類型夏季水體 CDOM 組成與太湖、巢湖、珠江口等湖泊河口水體具有顯著差異。

（5）太原市不同類型夏季水體非色素顆粒物、色素顆粒物和CDOM吸收貢獻率在不同波段處差異顯著，不同采樣點水體吸收特性的主導(dǎo)影響因素各異。