山東半島近岸海帶養(yǎng)殖活動對水體光學(xué)吸收特性的影響

姜珊珊, 黃海軍, 董玉國, 劉艷霞, 嚴(yán)立文, 王啟飛, 李 冰

山東半島近岸海帶養(yǎng)殖活動對水體光學(xué)吸收特性的影響

姜珊珊1, 2, 黃海軍1, 董玉國3, 劉艷霞1, 嚴(yán)立文1, 王啟飛4, 李 冰4

(1. 中國科學(xué)院海洋研究所 海洋地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室, 山東 青島 266071; 2. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 3. 華能霞浦核電有限公司, 福建 寧德 352000; 4. 華能山東石島灣核電有限公司, 山東 威海 264312)

為了研究近岸海帶養(yǎng)殖活動對水體光學(xué)特性的影響, 本文選取山東半島黑泥灣海域為典型研究區(qū), 利用2021年4月和8月在該區(qū)的9站同步觀測數(shù)據(jù), 分析其總懸浮顆粒物、藻類顆粒物、非藻類顆粒物以及有色溶解有機物的吸收特性, 并計算各組分對總吸收系數(shù)的貢獻(xiàn)率, 同時采用Quasi-analytical algorithm(QAA)算法借助MODIS影像反演了水體總吸收系數(shù), 結(jié)合實測數(shù)據(jù)獲得了黑泥灣水體吸收特性的季節(jié)變化情況。結(jié)果表明, 有海帶養(yǎng)殖季節(jié)表層水體藻類顆粒物、非藻類顆粒物、總顆粒物和有色溶解有機物的吸收系數(shù)明顯大于無海帶養(yǎng)殖季節(jié), 且春季海帶養(yǎng)殖區(qū)水體的總吸收系數(shù)大于無海帶養(yǎng)殖區(qū); 海底表層沉積物的再懸浮造成底層吸收系數(shù)較大, 而在春季成熟期的海帶匯聚較大量的有機物質(zhì)導(dǎo)致中層藻類顆粒物吸收系數(shù)相對較高; 參考波長向紅波移動, QAA_v5算法能夠較好地估算該區(qū)表層水體吸收系數(shù), 且在海帶養(yǎng)殖季節(jié)水體組分會影響到更長的波段特征。本研究可為深入了解海帶養(yǎng)殖對水體各組分濃度和分布、碳循環(huán)以及水生生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能的影響提供參照, 并有助于提高近岸水體組分的遙感反演精度。

黑泥灣; 海帶養(yǎng)殖; 吸收特性; Quasi-analytical algorithm; 季節(jié)變化

水體的吸收系數(shù)在海洋光學(xué)研究中應(yīng)用非常廣泛, 它是水色遙感進(jìn)行生物-光學(xué)模型、輻射傳輸方程、熱流密度計算、地下光強度研究、水體類型分類、初級生產(chǎn)力估算、海洋動力學(xué)研究和生態(tài)環(huán)境評價的關(guān)鍵參數(shù)[1-3], 對其精確估算有利于了解水體各組分的濃度和分布情況[4], 提高水質(zhì)參數(shù)的遙感反演精度[5]。Montecino等[6]對智利附近海域研究發(fā)現(xiàn), 不同水動力條件下藻類和非藻顆粒物吸收系數(shù)具有明顯差異。朱建華等[7]發(fā)現(xiàn)在黃東海海區(qū)葉綠素的濃度越高, 藻類顆粒物吸收系數(shù)越大。王桂芬等[8]在廣東沿岸水體中發(fā)現(xiàn), 非藻類顆粒物在440 nm處的吸收系數(shù)隨海水鹽度的增大而減小, 隨總懸浮顆粒物濃度增大而增大。吳云超等[9]通過研究發(fā)現(xiàn)在海草床生態(tài)系統(tǒng)中, 海草床海草的釋放、河流的輸入及網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)浮游植物的降解是CDOM的主要來源。廖珊等[10]通過對湛江灣有色溶解有機物(CDOM)光譜吸收特性進(jìn)行研究, 發(fā)現(xiàn)葉綠素濃度和溶解氧含量與CDOM吸收系數(shù)密切相關(guān)。魏蘭蘇等[11]對東中國海懸浮顆粒物的吸收光譜進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn), 東海、渤海和黃海的總懸浮顆粒物吸收光譜與藻類顆粒物光譜具有相似特征。吳文廣等[12]通過對桑溝灣CDOM吸收光譜特性和空間分布特征研究發(fā)現(xiàn)海帶養(yǎng)殖活動是桑溝灣CDOM的主要貢獻(xiàn)者之一。中國是世界第一海水養(yǎng)殖大國, 其中海帶養(yǎng)殖屬于我國海藻養(yǎng)殖的第一大種類[13], 海帶在生長過程中能夠起到氣候調(diào)節(jié)、緩解水體富營養(yǎng)化、凈化環(huán)境的作用[14], 也會引起水體各組分光學(xué)特性的變化, 對初級生產(chǎn)力、近岸水體碳循環(huán)和水生生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能等都會產(chǎn)生影響。

目前眾多學(xué)者已經(jīng)基于實測數(shù)據(jù)對黃渤海海區(qū)的吸收特性開展研究, 并結(jié)合固有光學(xué)特性算法估算較長時空尺度水體光學(xué)特性的變化。Cui等[15]利用遙感數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)采用Quasi-analytical algorithm(QAA)對黃海和東海渾濁水體的吸收系數(shù)進(jìn)行反演, 得到春季t(555)大于夏季t(555)的特征。Qing等[16]利用QAA-685, QAA-715和MERIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品對渤海水體吸收系數(shù)進(jìn)行反演, 得到了渤?？偽障禂?shù)的時空變化特征; Huang等[17]驗證了QAA算法在黃海和東海的適用性; Chen等[18]對QAA算法進(jìn)行改進(jìn), 使用QAA-RGR反演了中國東部海域的吸收系數(shù); Zhan等[19]利用IOCCG數(shù)據(jù)集比較了QAA_v4、QAA_V5、QAA_v6反演水體吸收系數(shù)的精度。

山東半島東南端的黑泥灣是我國重要的海帶生產(chǎn)基地, 灣內(nèi)養(yǎng)殖種類僅有海帶一種, 物質(zhì)來源單一, 相比于附近貝藻混養(yǎng)的桑溝灣, 黑泥灣更適合研究海帶養(yǎng)殖對水體吸收特征的影響[20-22]。自20世紀(jì)80年代以來, 黑泥灣就開始規(guī)?；B(yǎng)殖海帶, 海帶養(yǎng)殖為該區(qū)域極為活躍的人類活動之一, 多年來, 眾多學(xué)者對黃渤海大空間尺度范圍內(nèi)光學(xué)特性進(jìn)行了研究[23], 但對近岸小空間尺度海帶養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)光學(xué)特性及遙感探測還較少涉及, 研究吸收特性的變化有助于通過遙感手段了解海帶養(yǎng)殖對水體水質(zhì)情況、光學(xué)組分濃度、初級生產(chǎn)力、近岸碳循環(huán)等的影響。

結(jié)合前人的研究, 本文對總懸浮顆粒物、藻類顆粒物、非藻類顆粒物和有色溶解有機物的吸收特性進(jìn)行了研究, 并計算了各組分對總吸收的貢獻(xiàn)率, 利用QAA算法對MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行反演, 將反演結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比, 得到有海帶養(yǎng)殖季節(jié)和無海帶養(yǎng)殖季節(jié)水體吸收系數(shù)的空間分布和數(shù)值變化情況, 分析海帶養(yǎng)殖對水體吸收特征的影響。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)域

黑泥灣位于山東半島東南側(cè), 桑溝灣以南, 石島灣以北, 是一個小型開敞海灣(圖1)。自20世紀(jì)80年代海帶養(yǎng)殖大規(guī)模發(fā)展以來, 研究區(qū)海底表層沉積物中已經(jīng)形成了6 cm厚的沉積物, 說明海帶養(yǎng)殖活動增加了海水中有機組分的含量, 海帶養(yǎng)殖歷史悠久[22]。與其他近岸養(yǎng)殖水體相比, 研究區(qū)域內(nèi)的養(yǎng)殖種類單一[21], 每年11月份開始夾幼苗, 至次年4月中旬收割, 近岸無大型河流注入, 物質(zhì)來源單一[20]。通過遙感影像反演得到的總吸收系數(shù)分布特征發(fā)現(xiàn), 黃海沿岸流并沒有對黑泥灣吸收特征產(chǎn)生較大影響。因此, 黑泥灣是研究海帶養(yǎng)殖活動對水體吸收特性影響較理想?yún)^(qū)域。

圖1 研究區(qū)地理位置和采樣點位置[根據(jù)審圖號魯SG(2021)026號的地圖制作]

注: 黑色三角表示采樣站位

1.2 數(shù)據(jù)采集

依據(jù)海帶每年的養(yǎng)殖周期[24], 我們分別于2021年4月(海帶基本長成)和2021年8月(海帶收割完畢)2個時間對黑泥灣沿岸水體相同站位進(jìn)行同步重復(fù)采樣, 共布設(shè)采樣點9個(圖1, 后文用L1—L9表示站位), 分別在漲急、漲憩、落急和落憩(后文圖中在站位之后用1, 2, 3, 4來表達(dá)這4個典型時刻), 使用標(biāo)準(zhǔn)采水器在表層、0.2(為水深)、0.4、0.6、0.8及底層采集水樣, 用干凈的聚乙烯管將水樣從采水器中立即轉(zhuǎn)移到干凈的樣品瓶中, 最終將采集的水樣保存在1 L聚乙烯采樣瓶中[25-26]。為了避免水樣變質(zhì)對后續(xù)參數(shù)測量的影響, 采集到的水樣在接近現(xiàn)場水溫的陰暗處保存并迅速送至實驗室進(jìn)行處理和分析。過濾后的樣品均保存在–80 ℃冷庫或液氮中。

1.3 吸收系數(shù)的測定

水樣中總懸浮顆粒物、藻類顆粒物、非藻類顆粒物和CDOM吸收系數(shù)的測定分析工作在中國海洋大學(xué)完成, 按照《我國近海海洋光學(xué)調(diào)查技術(shù)規(guī)程》[26]規(guī)定的方法進(jìn)行?？傤w粒物吸收系數(shù)p(λ)的測定采用定量濾膜技術(shù)(quantitative filter technique, QFT) 測定[27], 在低真空度(約166.25 hPa)下, 過濾0.5 L的海水到GF/F玻璃纖維濾紙上, 得到總顆粒物樣品濾紙, 將濾紙保存到滴有純凈水的無菌樣品盒中, 用錫紙包裹無菌樣品盒, 及時將無菌樣品盒冷凍避光保存, 最終利用分光光度計測量總顆粒物濾紙和參比濾紙在400～700 nm處的吸光度, 然后根據(jù)式(1)計算總顆粒物的吸收系數(shù):

其中,p()為處總顆粒物的吸收系數(shù),f為濾紙上富有顆粒物的濾紙面積,f為過濾水樣的體積,fp()為樣品濾紙測得的吸光度,bf()為完全水合濾紙的空白吸光度,null()為顆粒吸收在近紅外波段的殘余校正, 此處采用700 nm處吸光度作為平均吸光度,為光程放大因子。

總顆粒物樣品測量完后, 采用甲醇提取法[28]制作非色素顆粒物樣品, 在樣品濾紙和參比濾紙上分別加入甲醇, 讓濾紙在甲醇中保持大約1 h, 將濾紙上的色素溶解, 然后用備用純凈海水將甲醇清洗干凈, 得到非色素顆粒物濾紙和參比濾紙的吸光度, 非藻類顆粒物吸收系數(shù)的計算與公式(1)相同。浮游植物的吸收系數(shù)ph()則是通過總顆粒物吸收系數(shù)減去非藻類顆粒物吸收系數(shù)得到。

黃色物質(zhì)CDOM樣品是利用0.2 μm的聚碳酸酯濾紙過濾0.25 L的水樣并取0.05 L到樣品瓶, 樣品瓶中水樣需保存在至少–20 ℃條件下, 冷凍時水不能過滿, 以防凍裂。將樣品運送至中國海洋大學(xué)實驗室, 使用紫外-可見分光光度計(日本島津UV-2450), 采用10 cm石英比色皿在200～800 nm范圍內(nèi)測量CDOM溶液相對于純水的吸光度和純水空白相對于純水的吸光度, 根據(jù)式(2)計算黃色物質(zhì)吸收系數(shù):

其中,g()為黃色物質(zhì)吸收系數(shù),為比色皿長度, 此處采用10 cm比色皿,S()為黃色物質(zhì)相對于純水的吸光度,bS()為純水空白相對于純水的吸光度。

1.4 衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)處理

研究選用MODIS-terra level-1B數(shù)據(jù)(http://ladsweb. nascom.nasa.gov), 根據(jù)實測數(shù)據(jù)的采樣時間選擇晴朗無云的MODIS遙感影像用于表層水體總吸收系數(shù)的反演, 為了更好地反映采樣月份的吸收特征, 在春季和夏季分別選取兩景結(jié)果進(jìn)行平均, 其中春季MODIS影像的獲取時間為2021年4月17日03: 10和4月5日02: 35, 夏季MODIS影像的獲取時間為2021年8月11日02: 35(格林威治時間)。本研究MODIS數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要涉及遙感影像的幾何校正和大氣校正, 最終得到410 nm, 443 nm, 490 nm, 550 nm波段的遙感反射率影像, 作為后續(xù)反演表層水體吸收系數(shù)的輸入數(shù)據(jù)。

2 基于QAA算法的總吸收系數(shù)反演

2.1 QAA_v5算法

LEE等[29]開發(fā)了QAA算法用于反演水體的固有光學(xué)參量, 該算法通過7個步驟利用遙感反射率得到吸收系數(shù), 其中包含兩個經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀蓚€分析方法和三個半分析模型[30], 并針對不同類別的水體進(jìn)行了多次的改進(jìn), 提出了QAA_v4, QAA_v5和QAA_v6[31-33]?；诖舜蠖鄶?shù)研究已經(jīng)根據(jù)近岸水體特征改進(jìn)了QAA_v5算法, 在黃渤海水體中反演吸收系數(shù)時通常將555 nm作為參考波長[15-17, 19], 但在更渾濁的水體中參考波長往往需要向長波方向移動[29, 34], 延長參考波長既有利于大氣校正, 又減小了短參考波長處包含水體光學(xué)組成信息的復(fù)雜性[34]。

在任一波長處水體的總吸收系數(shù)是純水吸收系數(shù)、總懸浮物吸收系數(shù)和黃色物質(zhì)吸收系數(shù)之和, 我們可以把上述關(guān)系用式(3)表達(dá):

其中,()為水體總吸收系數(shù),w()為純水的吸收系數(shù),ph()是藻類顆粒物吸收系數(shù),d()是非藻類顆粒物吸收系數(shù),g()是有色溶解有機物吸收系數(shù)[29]。

根據(jù)式(3), 我們繪制了研究區(qū)春季和夏季水體總吸收系數(shù)和純水吸收系數(shù)隨波長的變化曲線(圖2), 發(fā)現(xiàn)隨著波長的增加, 總吸收系數(shù)和純水吸收之間的差距越來越小, 在某一波長處水體總吸收系數(shù)可以近似等于純水的吸收系數(shù), 該波長在春季為678 nm, 夏季為667 nm。而在黃渤海地區(qū), 已有研究確定在555 nm處水體各組分的吸收非常弱, 可以忽略, 以此推斷可能由于本研究區(qū)接近岸邊, 受近岸泥沙再懸浮及人類活動等的影響, 水體成分較為復(fù)雜, 水體的吸收在長波段仍然較為顯著。因此我們在不同的季節(jié)選取相應(yīng)的長波波段估算吸收系數(shù)并與555 nm處作為參考波長進(jìn)行了對比(見3.2部分)。

圖2 春、夏季水體總吸收系數(shù)和純水吸收系數(shù)光譜曲線

2.2 QAA算法的精度評價指標(biāo)

比較QAA反演吸收系數(shù)與實測吸收系數(shù)的統(tǒng)計參數(shù)采用均方根誤差(root-mean-square error, RMSE, 記為RMS)、平均相對誤差(mean relative error, MRE, 記為MR)和相關(guān)系數(shù)(2), 各參數(shù)計算公式見式(4)—(6):

3 結(jié)果和討論

3.1 實測水體吸收系數(shù)的季節(jié)特征

3.1.1 藻類顆粒物吸收系數(shù)空間分布特征的季節(jié)變化

春季和夏季表層水體中藻類顆粒物實測吸收系數(shù)曲線顯示[圖3(a)和圖4(a)], 春季表層水體藻類顆粒物的吸收系數(shù)明顯大于夏季。春季所有站位和夏季小部分站位僅在675 nm處有吸收峰存在, 在440 nm處吸收峰不存在或者不明顯, 而夏季部分采樣點在440 nm和675 nm處有吸收峰存在。春季和夏季底層水體中藻類顆粒物實測吸收系數(shù)曲線顯示[圖3(e)和圖4(b)], 春季和夏季底層藻類顆粒物吸收系數(shù)相當(dāng)。將春季表層、0.2(為水深)、0.4、0.6、0.8及底層水體的藻類顆粒物吸收曲線[圖3(a)—(e)]進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn), 春季水柱中藻類顆粒物吸收系數(shù)呈現(xiàn)出從表層到底層先增大后減小的趨勢, 在0.4和0.6層值較大; 由于水體太渾濁, 無法對樣品進(jìn)行萃取, 因此夏季0.2、0.4、0.6層藻類顆粒物吸收系數(shù)數(shù)據(jù)缺失, 而0.8層藻類顆粒物吸收系數(shù)有效數(shù)據(jù)僅有一個, 不具有代表性, 因此只分析了夏季表層和底層藻類顆粒物吸收光譜特征。對夏季表層和底層藻類顆粒物吸收光譜曲線[圖4(a)—(b)]進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn), 夏季表層和底層藻類顆粒物吸收系數(shù)近似相等。

春季表層水體中藻類顆粒物的吸收系數(shù)明顯大于夏季說明春季表層水體中藻類顆粒物的含量大于夏季, 而春夏季底層水體中藻類顆粒物吸收系數(shù)相當(dāng), 說明海帶養(yǎng)殖對表層水體藻類顆粒物的影響大于底層。一般來說, 藻類顆粒物會在440 nm和675 nm波段附近存在兩個吸收峰, 675 nm的吸收峰主要是由葉綠素導(dǎo)致, 440 nm處的吸收是葉綠素和其他輔助色素共同作用的結(jié)果[35]。然而本研究區(qū)水體在440 nm處吸收峰不顯著(圖3), 可能是由于水體中存在某種具有比葉綠素更強的吸收藍(lán)光的物質(zhì)。前人研究顯示造成這種現(xiàn)象的原因可能有三種: 1)脫鎂色素的作用。海帶碎屑中會形成大量的脫鎂色素, 脫鎂色素在410～420 nm有強吸收, 當(dāng)其大量存在時, 會使得藻類顆粒物的吸收峰值向藍(lán)光方向移動。2)懸浮泥沙的影響。研究區(qū)為近岸水域, 較強的水動力造成水體中懸浮泥沙含量較高, 而藻類顆粒物的含量很少, 非藻類顆粒物的吸收在總顆粒物吸收中占有絕對優(yōu)勢[35]。3)有色溶解有機物(CDOM)的影響。過濾水樣時, 會有部分CDOM吸附在顆粒上, 從而使得藻類顆粒物具有和CDOM類似的吸收光譜[36]。水體吸收特征垂向變化顯示, 底層藻類顆粒物吸收系數(shù)大于表層可能是由海底表層沉積物再懸浮引起, 中層藻類顆粒物吸收系數(shù)較大可能是成熟期的海帶匯聚了較大量的有機物質(zhì)在水體中所致。通過對海帶養(yǎng)殖季節(jié)水體垂向葉綠素特征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn), 隨水深的增加, 葉綠素濃度逐漸增大, 可排除藻類最大層對藻類吸收系數(shù)的影響。夏季表層和底層水體藻類顆粒物吸收系數(shù)相當(dāng)表明在無海帶養(yǎng)殖期, 水體表層和底層藻類顆粒物含量接近。

圖3 春季0H、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H、H層浮游藻類吸收光譜曲線

圖4 夏季0H、H層浮游藻類吸收光譜曲線

3.1.2 非藻類顆粒物吸收系數(shù)空間分布特征的季節(jié)變化

水體中非藻類顆粒物主要包括礦物、非活性有機體(如排泄物、退化的藻類細(xì)胞等)以及非藻類活性有機體[37]。研究區(qū)內(nèi)春季和夏季非藻類顆粒物吸收系數(shù)曲線均呈指數(shù)變化[圖5(a)和圖6(a)], 圖5和圖6為排除無法萃取樣品數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)后的有效數(shù)據(jù), 夏季僅有表層和底層非藻類顆粒物吸收系數(shù)數(shù)據(jù), 其中0.2和0.8層由于數(shù)據(jù)較少, 不具有代表性, 因此不予以考慮。春季表層水體的非藻類顆粒物吸收系數(shù)和曲線斜率明顯大于夏季, 春季底層水體的非藻類顆粒物吸收系數(shù)也略大于夏季。將春季表層、0.2(為水深)、0.4、0.6、0.8及底層水體的非藻類顆粒物吸收曲線[圖5(a)—(e)]進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn), 春季水柱中非藻類顆粒物吸收系數(shù)呈現(xiàn)出先增大后減小再增大的特征。夏季表層水體的非藻類顆粒物系吸收系數(shù)小于底層[圖6(a)—(b)]。

圖5 春季0H、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H、H層非藻類顆粒物吸收光譜曲線

圖6 夏季0H、H層非藻類顆粒物吸收光譜曲線

春季表層和底層非藻類顆粒物吸收系數(shù)均大于夏季, 由于春季對海帶進(jìn)行施肥、海帶自身擾動導(dǎo)致海底顆粒物的再懸浮以及海帶自身產(chǎn)生的大量碎屑[37-39], 使得水體中非藻類顆粒物含量顯著增加。根據(jù)已有研究, 黑泥灣海底沉積物鉆孔巖芯中, 自海帶養(yǎng)殖以來, 沉積物燒失量明顯增大, 顯示海帶養(yǎng)殖能增加水體中有機物的含量[22]。從非藻類顆粒物的組成來看, 有機物和礦物顆粒物是水體中非藻類顆粒物吸收特性的決定因素[35], 因此海帶養(yǎng)殖會增加水體非藻類顆粒物的吸收, 這與我們測量結(jié)果相一致。從春季水體非藻類顆粒物吸收系數(shù)的垂直分布特征來看, 春季表底層存在差異的原因可能是沿岸人類活動影響造成的, 0.4和0.6層非藻類顆粒物吸收系數(shù)值較大, 可能是由于海帶自身生長會產(chǎn)生碎屑, 使得海帶生長層附近深度(0.4, 0.6)水域中含有較多的非藻類顆粒物。夏季表層水體非藻類顆粒物吸收系數(shù)小于底層可能是受夏季風(fēng)暴潮、季風(fēng)和流等因素的影響, 使海底表層沉積物中的非藻類顆粒物再懸浮。

3.1.3 總顆粒物吸收系數(shù)空間分布特征的季節(jié)變化

圖7和圖8給出了春季和夏季總顆粒物吸收系數(shù)曲線, 從圖中可以看出, 不同季節(jié)總顆粒物吸收系數(shù)的光譜特征相似, 但曲線數(shù)值大小和范圍存在較大的差異。由于只在少部分站位未采集樣品, 而且異常數(shù)據(jù)較少, 因此總顆粒物吸收系數(shù)的有效數(shù)據(jù)較多。總顆粒物吸收是藻類顆粒物和非藻類顆粒物吸收的總和, 從p曲線的形狀來看, 無論是在哪個季節(jié), 本研究區(qū)的總顆粒物吸收光譜曲線更接近于非藻類顆粒物的吸收特征, 未發(fā)現(xiàn)與藻類顆粒物吸收光譜曲線形態(tài)相似的站位。從p的數(shù)值大小來看, 春季所有層總顆粒物吸收系數(shù)數(shù)值均大于夏季。春季各站位間表層吸收系數(shù)大小波動范圍較大, 夏季則差異較小。從春季水體總顆粒物吸收系數(shù)的垂直分布特征[圖7(a)—(f)]來看, 春季研究區(qū)域水柱中除表層外, 總顆粒物吸收系數(shù)都分布均勻, 整體數(shù)值較大。夏季水柱中總顆粒物吸收系數(shù)從表層到底層逐漸增大, 其中表層總顆粒物吸收系數(shù)明顯小于底層, 0.4層總顆粒物吸收系數(shù)略大, 0.6、0.8、層總顆粒物吸收系數(shù)差別不大。

已有研究將總顆粒物吸收光譜曲線分為2種典型類型: 與浮游藻類吸收光譜曲線形態(tài)相似; 與非藻類顆粒物吸收光譜曲線形態(tài)相似[40]。本研究區(qū)的光譜曲線類型則屬于后者?？赡苡捎诤谀酁辰逗Ｓ蛩w懸浮泥沙含量較高, 非藻類顆粒物成為水體吸收的主要貢獻(xiàn)者。在無機顆粒物濃度較高的河流、湖泊、河口和沿岸帶經(jīng)常會出現(xiàn)這種類型的總顆粒物吸收曲線[40]。形成不同季節(jié)總顆粒物吸收系數(shù)數(shù)值和空間分布差異的主要原因是水體組分含量和空間分布的變化[5]。在本研究區(qū), 春季采樣時海帶生長最為茂盛, 夏季海帶基本收割完畢, 因此春季總顆粒物吸收系數(shù)大于夏季。春季受水體中基本成熟的海帶葉子的影響, 水動力條件比其他兩個季節(jié)復(fù)雜, 因此海區(qū)各站位的吸收系數(shù)有顯著的差異。夏季水體在0.4層略大可能是受到春季海帶碎屑?xì)埩舻挠绊? 表層總顆粒物吸收系數(shù)較小可能是因為無海帶養(yǎng)殖時, 表層水體受人類活動影響較小。

圖7 春季0H、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H、H層總顆粒物吸收系數(shù)曲線

圖8 夏季0H、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H、H層總顆粒物吸收系數(shù)曲線

3.1.4 有色溶解有機物吸收系數(shù)空間分布特征的季節(jié)變化

春季和夏季黑泥灣實測CDOM吸收光譜曲線隨波長的增加逐漸減小, 在700 nm處趨近0。由于水體中CDOM的來源各異, 確定其濃度比較困難, 在水色遙感領(lǐng)域一般用CDOM在355 nm處的吸收系數(shù)g(355)代表其濃度[41-42]。本研究主要側(cè)重于對水體中CDOM濃度季節(jié)變化的研究, 因此本文通過對g(355)進(jìn)行分析來了解黑泥灣水體中CDOM吸收系數(shù)的季節(jié)變化特征。從實測數(shù)據(jù)可知(表1), 春季水柱中g(shù)(355)的平均值為0.96 m–1; 夏季水柱中g(shù)(355)的平均值為0.82 m–1。通過對比垂向g(355)的值發(fā)現(xiàn), 春季水柱在0.2層出現(xiàn)g(355)最大值, 整體分布呈現(xiàn)上層水體小于下層水體; 夏季水柱中g(shù)(355)除0層外, 其他層g(355)值相差不大, 趨于均勻分布, 春季所有層g(355)均大于夏季。光譜斜率數(shù)值的大小反映了CDOM的光密度隨波長增加而逐漸降低的程度, 與CDOM濃度無關(guān), 與分子組成有關(guān), 光譜斜率的差異可表征分子組成的差異。275-295值大, 表示海源有機質(zhì)較多[43-45]。對實測數(shù)據(jù)光譜斜率數(shù)值進(jìn)行計算發(fā)現(xiàn)黑泥灣水柱中275-295的值較大, 均在0.023左右。

表1 黑泥灣春、夏季垂向各層CDOM濃度

整體來看, 春季水柱中CDOM濃度大于夏季, 可能是由于該區(qū)域高密度、規(guī)模化的海帶養(yǎng)殖釋放了大量的CDOM。春夏季不同層CDOM吸收差異的可能原因有兩個: 1)CDOM的來源。CDOM的來源主要有２個: 外來的和自生的。外來的主要在靠近河口及近岸海域, 主要由陸地徑流輸入和生物降解產(chǎn)物組成的腐殖酸和富里酸; 自生的主要在遠(yuǎn)離沿岸流影響的近海和開闊大洋, 主要由現(xiàn)場生物活動產(chǎn)生, 如浮游植物、細(xì)菌、珊瑚、珊瑚礁、水下水生植物群、海帶等[43, 45]。黑泥灣所在海域周圍基本沒有陸源河流輸入, 而且春夏季整個水柱中光譜斜率275-295數(shù)值較大, 說明水體中海源有機質(zhì)較多, CDOM來源主要為自生的, 春夏季自生CDOM來源無法準(zhǔn)確判斷。2)CDOM的濃度。春季降雨量較夏季相對較少, 這可能是造成春季水體中CDOM濃度較高的原因[35]。另外, 春季和夏季0層g(355)值小于0.2層可能是由于表層光降解造成[45]。

3.1.5 水體中各組分的吸收貢獻(xiàn)

黑泥灣水體藻類顆粒物和非藻類顆粒物在400～ 700 nm波段內(nèi)的平均吸收占總顆粒物平均吸收的比例(圖9)顯示, 無論在春季還是夏季, 400～675 nm范圍內(nèi)非藻類顆粒物吸收占總顆粒物吸收的比例大于50%; 而在675 nm之后藻類顆粒物的吸收貢獻(xiàn)占主導(dǎo), 此時非藻類顆粒物對總吸收的貢獻(xiàn)隨波長增加逐漸降低。夏季水體中藻類顆粒物對總顆粒物吸收的貢獻(xiàn)要大于春季, 這與3.1.1中夏季大部分藻類顆粒物吸收系數(shù)曲線有兩個葉綠素吸收峰相對應(yīng), 說明夏季440 nm處的吸收峰沒有被非藻類顆粒物的吸收特征完全掩蓋。

3.2 MODIS數(shù)據(jù)反演

利用3.1中的QAA_v5算法, 將校正后的MODIS數(shù)據(jù)估算得到410 nm, 443 nm, 490 nm和550 nm處的春季和夏季黑泥灣水體總吸收系數(shù)(圖10、圖11和表2)。

圖9 春季(a)和夏季(b)ad、aph對總顆粒物吸收ap的貢獻(xiàn)率

圖10 QAA_v5算法在410, 443, 490和550 nm處實測數(shù)據(jù)與反演數(shù)據(jù)的比較(春季)

注: 實線表示1∶1的比例, 余同

圖11 QAA_v5算法在410, 443, 490和550 nm處實測數(shù)據(jù)與反演數(shù)據(jù)的比較(夏季)

注:0為參考波長

春、夏季實測和反演的總吸收系數(shù)在各波段具有較好的相關(guān)性, 部分偏差可能與影像獲取時間與采樣時間差、參考波段的選擇有關(guān)。整體來看, QAA_v5算法在春季對吸收系數(shù)的反演精度隨波長逐漸降低, 而夏季則逐漸增加, 受水體組分變化影響較顯著。

不同波段的總吸收系數(shù)的空間分布圖(圖12和圖13)顯示, 春季水體的總吸收系數(shù)要明顯大于夏季, 春季近岸海帶養(yǎng)殖區(qū)的水體總吸收系數(shù)明顯大于遠(yuǎn)岸無海帶養(yǎng)殖區(qū), 這與我們實測水體總吸收系數(shù)趨勢相同, 說明海帶養(yǎng)殖能引起水體光學(xué)性質(zhì)的改變。而且隨著波長的增加, 總吸收系數(shù)呈現(xiàn)出減小的趨勢, 與實測數(shù)據(jù)(圖2)一致。夏季近岸水體總吸收系數(shù)的值遠(yuǎn)小于春季, 沒有顯著的空間差異, 整個空間范圍內(nèi)的總吸收系數(shù)變化不大, 不同波段間也無明顯差異, 呈現(xiàn)出自然水體的特征。此處, 對4月份影像擴大反演范圍是為了排除黃海沿岸流對吸收系數(shù)高值區(qū)的影響, 圖12顯示, 雖然吸收系數(shù)高值區(qū)出現(xiàn)在沿岸地區(qū), 但是在山東半島北部沒有明顯的流跡特征(可參考443, 490, 550 nm處總吸收系數(shù)), 吸收系數(shù)高值區(qū)的出現(xiàn)是受到近岸人類活動(黑泥灣近岸主要人類活動即為海帶養(yǎng)殖)的影響。由于8月份在該地區(qū)的MODIS影像基本都被云覆蓋, 而且夏季黃海沿岸流基本衰退, 因此在夏季僅對黑泥灣附近海域遙感影像進(jìn)行了反演。

圖12 黑泥灣海域春季反演總吸收系數(shù)(a)at(410), (b)at(443), (c)at(490), (d)at(550)空間分布圖

4 結(jié)論

(1)春季海帶養(yǎng)殖季節(jié)黑泥灣表層水體各光學(xué)組分的實測吸收系數(shù)均大于夏季無海帶養(yǎng)殖季節(jié)。通過MODIS影像反演的黑泥灣表層水體總吸收系數(shù)呈現(xiàn)出與實測數(shù)據(jù)相同的特征, 而且從總吸收系數(shù)的空間分布特征可以看到海帶養(yǎng)殖區(qū)的總吸收系數(shù)明顯大于外海區(qū), 表明海帶養(yǎng)殖會增加水體中各光學(xué)組分的濃度并對其分布產(chǎn)生影響, 引起水體光學(xué)性質(zhì)的變化。

(2)海底表層沉積物的再懸浮可能是造成底層吸收系數(shù)大于表層的原因。春季水柱中藻類顆粒物的吸收系數(shù)主要由水柱內(nèi)部浮游植物降解或微生物活動決定, 基本不受陸源輸入的影響, 水體中層藻類顆粒物吸收系數(shù)大于其他層, 可能是成熟期的海帶匯聚了有機物質(zhì)造成。

圖13 黑泥灣海域夏季反演總吸收系數(shù)(a)at(410), (b)at(443), (c)at(490), (d)at(550)空間分布圖

(3)受近岸水體光學(xué)組分的影響, QAA_v5算法中吸收系數(shù)的參考波長應(yīng)向紅波方向移動, 且在春季海帶養(yǎng)殖季節(jié)水體組分對吸收的影響較其他季節(jié)移動的波長更長。因此, 也造成春季隨波長增加估算精度越差, 而夏季則相反。

[1] LEE Z P, CARDER K L, STEWARD R G, et al. An empirical algorithm for light absorption by ocean water based on color[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 1998, 103(C12): 27967-27978.

[2] 樊杰. 近海水體浮游植物種群吸收特征及其反演研究[D]. 南京: 南京信息工程大學(xué), 2021. FAN Jie. Study on the absorption characteristics of phytoplankton population in offshore waters and its inversion[D]. Nanjing: Nanjing University of Informa-tion Science & Technology, 2021.

[3] 張運林, 秦伯強, 楊龍元. 太湖梅梁灣水體懸浮顆粒物和CDOM的吸收特性[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2006, 26(12): 3969-3979. ZHANG Yunlin, QIN Boqiang, YANG Yuanlong. Abso-rption characteristics of suspended particulate matter and CDOM in Meiliang Bay of Taihu Lake[J]. Journal of Ecology, 2006, 26(12): 3969-3979.

[4] 高峰, 陳曉玲, 楊文府, 等. 太原市不同類型夏季水體顆粒物與CDOM吸收特性研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2021, 30(7): 1455-1469.GAO Feng, CHEN Xiaoling, YANG Wenfu, et al. Study on the absorption characteristics of particulate matter and CDOM in different types of water bodies in Taiyuan in summer[J]. Journal of Ecological Environment, 2021, 30(7): 1455-1469.

[5] 樂成峰, 李云梅, 查勇, 等. 太湖梅梁灣水體組分吸收特性季節(jié)差異分析[J]. 環(huán)境科學(xué), 2008, 29(9): 2448-2455. LE Chengfeng, LI Yunmei, ZHA Yong, et al. Seasonal difference analysis on absorption characteristics of water components in Meiliang Bay of Taihu Lake[J]. Environmental Science, 2008, 29(9): 2448-2455.

[6] MONTECINO V, ASTORECA R, ALARCóN G, et al. Bio-optical characteristics and primary productivity during upwelling and non-upwelling conditions in a highly productive coastal ecosystem off central Chile (～36°S) [J]. Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, 2004, 51(20/21): 2413-2426.

[7] 朱建華, 李銅基. 黃東海海區(qū)浮游植物色素吸收系數(shù)與葉綠素濃度關(guān)系研究[J]. 海洋技術(shù), 2004, 23(4): 117-122. ZHU Jianhua, LI Tongji. Study on the relationship between phytoplankton pigment absorption coefficient and chlorophyllconcentration in the Yellow Sea and East China Sea[J]. Ocean Technology, 2004, 23(4): 117-122.

[8] 王桂芬, 曹文熙, 許大志, 等. 南海北部海區(qū)非藻類顆粒物吸收系數(shù)的變化特性[J]. 海洋技術(shù), 2007, 26(1): 45-49, 53. WANG Guifen, CAO Wenxi, XU Dazhi, et al. Variation characteristics of absorption coefficient of non algal particles in the northern South China Sea[J]. Ocean Technology, 2007, 26(1): 45-49, 53.

[9] 吳云超, 江志堅, 劉松林, 等. 海南新村灣海草床生態(tài)系統(tǒng)有色溶解有機物的分布、來源及光降解特性[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2015, 34(8): 2187-2194. WU Yunchao, JIANG Zhijian, LIU Songlin, et al. Distribution, source and photodegradation characteristics of colored dissolved organic matter in the seaweed bed ecosystem of Xincun Bay, Hainan[J]. Journal of Ecology, 2015, 34 (8): 2187-2194.

[10] 廖珊, 余果, 付東洋, 等. 湛江灣海域春季黃色物質(zhì)光學(xué)吸收特性及遙感探測[J]. 海洋技術(shù)學(xué)報, 2018, 37(2): 56-62. LIAO Shan, YU Guo, FU Dongyang, et al. Optical absorption characteristics and remote sensing detection of yellow matter in Zhanjiang Bay waters in spring[J]. Journal of Marine Technology, 2018, 37(2): 56-62.

[11] 魏蘭蘇, 孫德勇, 李楠. 東中國海水體懸浮顆粒物的光譜吸收特征研究[J]. 科技視界, 2018, 243(21): 58-61.WEI Lansu, SUN Deyong, LI Nan. Study on spectral absorption characteristics of suspended particulate matter in east China Sea water[J]. Science and Technology Horizon, 2018, 243(21): 58-61.

[12] 吳文廣, 張繼紅, 劉毅, 等. 桑溝灣春季有色溶解有機物(CDOM)吸收光譜特性及空間分布特征[J/OL]. 水產(chǎn)學(xué)報[2023-04-11].http://kns.cnki.net/kcms/detail/31. 1283.S.20220518.0835.002.html.WU Wenguang, ZHANG Jihong, LIU Yi, et al. Absor-p-tion spectral characteristics and spatial distribution cha-racteristics of colored dissolved organic matter (CDOM) in Sanggou Bay in spring[J/OL]. Journal of Fisheries[2023-04-11].http://kns.cnki.net/kcms/detail/31.1283.S.20220518.0835.002.html.

[13] 岳冬冬. 海帶養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)變動與海藻養(yǎng)殖碳匯量核算的情景分析[J]. 福建農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2012, 27(4): 432-436. YUE Dongdong. Scenario analysis on structural change of kelp farming and carbon sink accounting of seaweed farming[J]. Fujian Journal of Agriculture, 2012, 27(4): 432-436.

[14] 歐官用, 王鑫杰, 楊安強, 等. 大型海藻碳匯能力的種間差異[J]. 浙江農(nóng)業(yè)科學(xué), 2017, 58(8): 1436 -1439, 1443. OU Guanyong, WANG Xinjie, YANG Anqiang, et al. Interspecific differences in carbon sink capacity of macroalgae[J]. Zhejiang Agricultural Science, 2017, 58(8): 1436-1439, 1443.

[15] CUI T W, ZHANG J, TANG J W, et al. Satellite inversion of intrinsic optical parameters of turbid water in the Yellow Sea and East China Sea[J]. Chinese Optics Letters, 2010, 8(8): 721-725.

[16] QING S, TANG J W, CUI T W, et al. Retrieval of inherent optical properties of the Yellow Sea and East China Sea using a quasi-analytical algorithm[J]. Chinese Journal of Oceanology and Limnology, 2011, 29(1): 33-45.

[17] HUANG J, CHEN L Q, CHEN X L, et al. Validation of semi-analytical inversion models for inherent optical properties from ocean color in coastal Yellow Sea and East China Sea[J]. Journal of Oceanography, 2013, 69(6): 713-725.

[18] CHEN S G, ZHANG T L. Evaluation of a QAA-based algorithm using MODIS land bands data for retrieval of IOPs in the Eastern China Seas[J]. Optics Express, 2015, 23(11): 13953.

[19] ZHAN J, ZHANG D J, TAN L F, et al. Performance analysis of inverting optical properties based on quasi-analytical algorithms[J]. Multimedia Tools and Applications, 2021, 81(4): 4693-4709.

[20] LIU Y X, HUANG H J, YAN L W, et al. Particle size parameters of particulate matter suspended in coastal waters and their use as indicators of typhoon influence[J]. Remote Sensing, 2020, 12(16): 2581.

[21] 張澤華. 淺海筏式海帶養(yǎng)殖活動對水動力及沉積環(huán)境影響研究[D]. 青島: 中國科學(xué)院研究生院(海洋研究所), 2016. ZHANG Zehua. Study on the influence of raft kelp culture on hydrodynamics and sedimentary environment in shallow sea[D]. Qingdao: Graduate School of Chinese Academy of Sciences (Institute of Oceanology), 2016.

[22] 嚴(yán)立文. 淺海區(qū)海帶養(yǎng)殖的沉積環(huán)境效應(yīng)及動力機制[D]. 青島: 中國科學(xué)院研究生院(海洋研究所), 2008. YAN Liwen. Sedimentary environmental effects and dynamic mechanism of kelp aquaculture in shallow waters[D]. Qingdao: Graduate School of Chinese Academy of Sciences (Institute of Oceanology), 2008.

[23] WANG X M, TANG J W, SONG Q J, et al. A research on statistical retrieval algorithms and spectral characteristics of the total absorption coefficients in the Yellow Sea and the East China Sea[J]. Chinese Journal of Oceanology and Limnology, 2006, 24(3): 236-242.

[24] 劉曉. 黑泥灣海域沉降顆粒物通量及其影響因子研究[D]. 青島: 中國科學(xué)院研究生院(海洋研究所), 2012. LIU Xiao. Study on sedimentary particulate flux and its influencing factors in the sea area of Heini Bay[D]. Qingdao: Graduate School of Chinese Academy of Sciences (Institute of Oceanography), 2012.

[25] 戴永寧, 李素菊, 王學(xué)軍. 巢湖水體固有光學(xué)特性研究[J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2008, 21(5): 173-717.DAI Yongning, LI Suju, WANG Xuejun. Study on inherent optical characteristics of Chaohu Lake[J]. Environmental Science Research, 2008, 21(5): 173-717.

[26] 國家海洋局908專項辦公室. 海洋光學(xué)調(diào)查技術(shù)規(guī)程[M]. 北京: 海洋出版社, 2006. 908 Special Office of the State Oceanic Administration. Technical regulations for marine optical survey[M]. Beijing: Ocean Press, 2006.

[27] MITCHELL B G. Algorithms for determining the absor-ption coefficient for aquatic particulates using the quan-titative filter technique[J]. Proceedings of the Defense, Security, and Sensing, F, 1990, 1302: 137-148.

[28] KISHINO M, TAKAHASHI M, OKAMI N, et al. Estimation of the spectral absorption coefficients of phytoplankton in the sea[J]. Bulletin of Marine Science, 1985, 37(2): 634-642.

[29] LEE Z P, CARDER K, ARNONE R. Deriving inherent optical properties from water color: a multiband quasi-analytical algorithm for optically deep waters[J]. Applied Optics, 2002, 41(27): 5755-5772.

[30] LI S J, SONG K S, MU G Y, et al. Evaluation of the Quasi-Analytical Algorithm (QAA) for Estimating Total Absorption Coefficient of Turbid Inland Waters in Northeast China[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 2016, 9(9): 1-15.

[31] ZHAN J, ZHANG D J, ZHANG G Y, et al. Estimation of optical properties using QAA-V6 model based on MODIS data[J]. ISPRS-International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 2020, XLII-3/W10: 937-940.

[32] LEE Z P, WEIDEMANN A, KINDLE J, et al. Euphotic zone depth: Its derivation and implication to ocean-color remote sensing[J]. Journal of Geophysical Research, 2007, 112(C3): 1-11.

[33] YANG W. MATSUSHITA B, CHEN J. Retrical of inherent optical properties for turbid inland waters from remote- sensing reflectance[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2013, 51(6): 3761-3773.

[34] 李思佳. 內(nèi)陸水體光學(xué)活性物質(zhì)吸收特性與QAA反演[D]. 四平: 吉林師范大學(xué), 2015. LI Sijia. Absorption characteristics of optically active substances in inland waters and QAA inversion[D]. Siping: Jilin Normal University, 2015.

[35] 邵田田, 宋開山, 丁智, 等. 遼河水體光學(xué)吸收特性的季節(jié)變化[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2016, 36(7): 1861-1871. SHAO Tiantian, SONG Kaishan, DING Zhi, et al. Seasonal variation of optical absorption characteristics of Liaohe River[J]. Journal of Ecology, 2016, 36(7): 1861-1871.

[36] 吳璟瑜. 中國東南近海光吸收特性研究[D]. 廈門: 廈門大學(xué), 2006. WU Jingyu. Study on light absorption characteristics of Southeast China offshore[D]. Xiamen: Xiamen University, 2006.

[37] 張紅, 黃家柱, 李云梅, 等. 滇池水體光學(xué)物質(zhì)的吸收特性研究[J]. 環(huán)境科學(xué), 2011, 32(2): 4524-4563. ZHANG Hong, HUANG Jiazhu, LI Yunmei, et al. Study on absorption characteristics of optical materials in Dianchi Lake[J]. Environmental Science, 2011, 32(2): 452-463.

[38] 張海靈. 海帶的科學(xué)施肥[J]. 水產(chǎn)養(yǎng)殖, 2001(6): 17. ZHANG Hailing. Scientific fertilization of kelp[J]. Aquaculture, 2001(6): 17.

[39] KRUMHANSL K, SCHEIBLING R. Production and fate of kelp detritus[J]. Marine Ecology Progress Series, 2012, 467: 281-302.

[40] 孫德勇, 李云梅, 王橋, 等. 內(nèi)陸湖泊水體固有光學(xué)特性的典型季節(jié)差異[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2008, 19(5): 1117-1124. SUN Deyong, LI Yunmei, WANG Qiao, et al. Typical seasonal differences in the inherent optical properties of inland lakes[J]. Journal of Applied Ecology, 2008, 19 (5): 1117-1124.

[41] 郭衛(wèi)東, 程遠(yuǎn)月, 吳芳. 海洋熒光溶解有機物研究進(jìn)展[J]. 海洋通報, 2007, 26(1): 98-106.GUO Weidong, CHENG Yuanyue, WU Fang. Research progress of marine fluorescent dissolved organic matter[J]. Ocean Bulletin, 2007, 26(1): 98-106.

[42] 趙軍杰, 張婧, 楊桂朋. 秋季東、黃海有色溶解有機物(CDOM)的光學(xué)特性研究[J].海洋環(huán)境科學(xué), 2013, 32(6): 818-823. ZHAO Junjie, ZHANG Jing, YANG Guipeng. Study on optical properties of colored dissolved organic matter (CDOM) in the East and Yellow Seas in autumn[J]. Marine Environmental Science, 2013, 32(6): 818-823.

[43] 張永雨, 張繼紅, 梁彥韜, 等. 中國近海養(yǎng)殖環(huán)境碳匯形成過程與機制[J]. 中國科學(xué): 地球科學(xué), 2017, 47(12): 1414-1424. ZHANG Yongyu, ZHANG Jihong, LIANG Yantao, et al. Formation process and mechanism of carbon sink in China offshore aquaculture environment[J].Chinese Science: Earth Science, 2017, 47(12): 1414-1424.

[44] WILLMOTT C, MATSUURA K. Advantages of the mean absolute error (MAE) over the root mean square error (RMSE) in assessing average model performance[J]. Climate Research, 2005, 30(1): 79-82.

[45] 周倩倩. 黃渤海夏秋季有色溶解有機物(CDOM)的分布特征及季節(jié)變化的研究[D]. 青島: 中國海洋大學(xué), 2015. ZHOU Qianqian. Study on the distribution characteristics and seasonal changes of colored dissolved organic matter (CDOM) in summer and autumn in the Yellow Bohai Sea[D]. Qingdao: Ocean University of China, 2015.

Effects of coastal kelp farming on the absorption characteristics of water in the Shandong Peninsula

JIANG Shan-shan1, 2, HUANG Hai-jun1, DONG Yu-guo3, LIU Yan-xia1, YAN Li-wen1, WANG Qi-fei4, LI Bing4

(1. Key Laboratory of Marine Geology and Environment, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Huaneng Xiapu Nuclear Power Co., Ltd, Ningde 352000, China; 4. Huaneng Shandong Shidao Bay Nuclear Power Co., Ltd, Weihai 264312, China)

To study how nearshore kelp aquaculture affects the optical characteristics of water bodies, the Heini Bay of the Shandong Peninsula was selected as a research area. Using synchronous observation data from nine stations from April to August 2021, the absorption characteristics of the total suspended, algal, and nonalgal particulate matter, as well as colored dissolved organic matter (CDOM), were analyzed, and the contribution of each component to the total absorption coefficient was calculated. In addition, a quasi-analytical algorithm was used to invert the total absorption coefficient of water using MODIS images, and the seasonal variation in the absorption characteristics of water in Heini Bay was obtained based on the measured data. The results show that the absorption coefficients of algal, nonalgal, and total suspended particulate matter, as well as that of CDOM in the surface water, are considerably higher during the kelp aquaculture season than during the no-kelp aquaculture season, and the total absorption coefficient of water is greater in kelp aquaculture areas than in no-kelp aquaculture areas during spring. The resuspension of surface sediment on the seabed results in a higher absorption coefficient of the bottom layer during the ripening period (spring), and kelp accumulates a large amount of organic matter, resulting in a higher absorption coefficient of algae particles in the middle depth water body. The shift in the reference wavelength toward the red light better estimates the absorption coefficient of the surface water in the study area based on the QAA_v5 algorithm. In addition, the water components were observed to affect the longer band characteristics during the kelp farming season. This study can provide a reference for an in-depth understanding of the effects of kelp aquaculture on the concentration and distribution of water components, carbon cycling, and the structure and function of aquatic ecosystems. Moreover, the findings of this study could help improve the remote-sensing inversion accuracy of nearshore water components.

Heini Bay; kelp aquaculture; absorption properties; quasi-analytical algorithm; seasonal variation

Nov. 14, 2022

[The National Natural Science Foundation of China, No. 41976166; Huaneng Shidao Bay Nuclear Power Plant Site Hydrological Observation Topics, No. FWQT00029]

P7

A

1000-3096(2023)10-0010-15

10.11759/hykx20221114002

2022-11-14;

2023-04-14

國家自然科學(xué)基金項目(41976166); 華能石島灣核電廠址水文觀測專題(FWQT00029)

姜珊珊(1998—), 女, 漢族, 山東煙臺人, 碩士研究生, 主要研究方向為海洋地質(zhì)遙感與地理信息系統(tǒng), E-mail: 1774454824@ qq.com; 黃海軍(1963—),通信作者, 男, 漢族, 湖南湘潭人, 研究員, 主要研究方向為海岸帶及近海海洋地質(zhì)調(diào)查、海岸岸灘穩(wěn)定性研究、海洋遙感與GIS應(yīng)用及數(shù)模分析工作, E-mail: hjhuang@qdio.ac.cn

(本文編輯: 叢培秀)