山東半島近岸海帶養殖活動對水體光學吸收特性的影響

姜珊珊, 黃海軍, 董玉國, 劉艷霞, 嚴立文, 王啟飛, 李 冰

山東半島近岸海帶養殖活動對水體光學吸收特性的影響

姜珊珊1, 2, 黃海軍1, 董玉國3, 劉艷霞1, 嚴立文1, 王啟飛4, 李 冰4

(1. 中國科學院海洋研究所 海洋地質與環境重點實驗室, 山東 青島 266071; 2. 中國科學院大學, 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殖活動對水體光學特性的影響, 本文選取山東半島黑泥灣海域為典型研究區, 利用2021年4月和8月在該區的9站同步觀測數據, 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的貢獻率, 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, 結合實測數據獲得了黑泥灣水體吸收特性的季節變化情況。結果表明, 有海帶養殖季節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明顯大于無海帶養殖季節, 且春季海帶養殖區水體的總吸收系數大于無海帶養殖區; 海底表層沉積物的再懸浮造成底層吸收系數較大, 而在春季成熟期的海帶匯聚較大量的有機物質導致中層藻類顆粒物吸收系數相對較高; 參考波長向紅波移動, QAA_v5算法能夠較好地估算該區表層水體吸收系數, 且在海帶養殖季節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殖對水體各組分濃度和分布、碳循環以及水生生態系統的結構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; 海帶養殖; 吸收特性; Quasi-analytical algorithm; 季節變化

水體的吸收系數在海洋光學研究中應用非常廣泛, 它是水色遙感進行生物-光學模型、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、初級生產力估算、海洋動力學研究和生態環境評價的關鍵參數[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], 提高水質參數的遙感反演精度[5]。Montecino等[6]對智利附近海域研究發現, 不同水動力條件下藻類和非藻顆粒物吸收系數具有明顯差異。朱建華等[7]發現在黃東海海區葉綠素的濃度越高, 藻類顆粒物吸收系數越大。王桂芬等[8]在廣東沿岸水體中發現, 非藻類顆粒物在440 nm處的吸收系數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]通過研究發現在海草床生態系統中, 海草床海草的釋放、河流的輸入及網箱養殖區浮游植物的降解是CDOM的主要來源。廖珊等[10]通過對湛江灣有色溶解有機物(CDOM)光譜吸收特性進行研究, 發現葉綠素濃度和溶解氧含量與CDOM吸收系數密切相關。魏蘭蘇等[11]對東中國海懸浮顆粒物的吸收光譜進行研究發現, 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現海帶養殖活動是桑溝灣CDOM的主要貢獻者之一。中國是世界第一海水養殖大國, 其中海帶養殖屬于我國海藻養殖的第一大種類[13], 海帶在生長過程中能夠起到氣候調節、緩解水體富營養化、凈化環境的作用[14], 也會引起水體各組分光學特性的變化, 對初級生產力、近岸水體碳循環和水生生態系統的結構和功能等都會產生影響。

目前眾多學者已經基于實測數據對黃渤海海區的吸收特性開展研究, 并結合固有光學特性算法估算較長時空尺度水體光學特性的變化。Cui等[15]利用遙感數據和實測數據采用Quasi-analytical algorithm(QAA)對黃海和東海渾濁水體的吸收系數進行反演, 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數據產品對渤海水體吸收系數進行反演, 得到了渤?？偽障禂档臅r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算法進行改進, 使用QAA-RGR反演了中國東部海域的吸收系數; Zhan等[19]利用IOCCG數據集比較了QAA_v4、QAA_V5、QAA_v6反演水體吸收系數的精度。

山東半島東南端的黑泥灣是我國重要的海帶生產基地, 灣內養殖種類僅有海帶一種, 物質來源單一, 相比于附近貝藻混養的桑溝灣, 黑泥灣更適合研究海帶養殖對水體吸收特征的影響[20-22]。自20世紀80年代以來, 黑泥灣就開始規?；B殖海帶, 海帶養殖為該區域極為活躍的人類活動之一, 多年來, 眾多學者對黃渤海大空間尺度范圍內光學特性進行了研究[23], 但對近岸小空間尺度海帶養殖區內光學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殖對水體水質情況、光學組分濃度、初級生產力、近岸碳循環等的影響。

結合前人的研究, 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行了研究, 并計算了各組分對總吸收的貢獻率, 利用QAA算法對MODIS數據進行反演, 將反演結果與實測數據對比, 得到有海帶養殖季節和無海帶養殖季節水體吸收系數的空間分布和數值變化情況, 分析海帶養殖對水體吸收特征的影響。

1 數據和方法

1.1 研究區域

黑泥灣位于山東半島東南側, 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80年代海帶養殖大規模發展以來, 研究區海底表層沉積物中已經形成了6 cm厚的沉積物, 說明海帶養殖活動增加了海水中有機組分的含量, 海帶養殖歷史悠久[22]。與其他近岸養殖水體相比, 研究區域內的養殖種類單一[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, 物質來源單一[20]。通過遙感影像反演得到的總吸收系數分布特征發現, 黃海沿岸流并沒有對黑泥灣吸收特征產生較大影響。因此, 黑泥灣是研究海帶養殖活動對水體吸收特性影響較理想區域。

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

注: 黑色三角表示采樣站位

1.2 數據采集

依據海帶每年的養殖周期[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行同步重復采樣, 共布設采樣點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來表達這4個典型時刻), 使用標準采水器在表層、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]。為了避免水樣變質對后續參數測量的影響, 采集到的水樣在接近現場水溫的陰暗處保存并迅速送至實驗室進行處理和分析。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吸收系數的測定分析工作在中國海洋大學完成, 按照《我國近海海洋光學調查技術規程》[26]規定的方法進行?？傤w粒物吸收系數p(λ)的測定采用定量濾膜技術(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, 然后根據式(1)計算總顆粒物的吸收系數:

其中,p()為處總顆粒物的吸收系數,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的計算與公式(1)相同。浮游植物的吸收系數ph()則是通過總顆粒物吸收系數減去非藻類顆粒物吸收系數得到。

黃色物質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, 根據式(2)計算黃色物質吸收系數:

其中,g()為黃色物質吸收系數,為比色皿長度, 此處采用10 cm比色皿,S()為黃色物質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 衛星影像數據處理

研究選用MODIS-terra level-1B數據(http://ladsweb. nascom.nasa.gov), 根據實測數據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果進行平均, 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數據的預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, 作為后續反演表層水體吸收系數的輸入數據。

2 基于QAA算法的總吸收系數反演

2.1 QAA_v5算法

LEE等[29]開發了QAA算法用于反演水體的固有光學參量, 該算法通過7個步驟利用遙感反射率得到吸收系數, 其中包含兩個經驗模型、兩個分析方法和三個半分析模型[30], 并針對不同類別的水體進行了多次的改進, 提出了QAA_v4, QAA_v5和QAA_v6[31-33]?；诖舜蠖鄶笛芯恳呀浉鶕端w特征改進了QAA_v5算法, 在黃渤海水體中反演吸收系數時通常將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組成信息的復雜性[34]。

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

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

根據式(3), 我們繪制了研究區春季和夏季水體總吸收系數和純水吸收系數隨波長的變化曲線(圖2), 發現隨著波長的增加, 總吸收系數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可以近似等于純水的吸收系數, 該波長在春季為678 nm, 夏季為667 nm。而在黃渤海地區, 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選取相應的長波波段估算吸收系數并與555 nm處作為參考波長進行了對比(見3.2部分)。

圖2 春、夏季水體總吸收系數和純水吸收系數光譜曲線

2.2 QAA算法的精度評價指標

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

3 結果和討論

3.1 實測水體吸收系數的季節特征

3.1.1 藻類顆粒物吸收系數空間分布特征的季節變化

春季和夏季表層水體中藻類顆粒物實測吸收系數曲線顯示[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相當。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)]進行對比發現, 春季水柱中藻類顆粒物吸收系數呈現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, 無法對樣品進行萃取, 因此夏季0.2、0.4、0.6層藻類顆粒物吸收系數數據缺失, 而0.8層藻類顆粒物吸收系數有效數據僅有一個, 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)]進行分析發現, 夏季表層和底層藻類顆粒物吸收系數近似相等。

春季表層水體中藻類顆粒物的吸收系數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相當, 說明海帶養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致, 440 nm處的吸收是葉綠素和其他輔助色素共同作用的結果[35]。然而本研究區水體在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光的物質。前人研究顯示造成這種現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, 當其大量存在時, 會使得藻類顆粒物的吸收峰值向藍光方向移動。2)懸浮泥沙的影響。研究區為近岸水域, 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較大可能是成熟期的海帶匯聚了較大量的有機物質在水體中所致。通過對海帶養殖季節水體垂向葉綠素特征進行分析發現, 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的影響。夏季表層和底層水體藻類顆粒物吸收系數相當表明在無海帶養殖期, 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空間分布特征的季節變化

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、退化的藻類細胞等)以及非藻類活性有機體[37]。研究區內春季和夏季非藻類顆粒物吸收系數曲線均呈指數變化[圖5(a)和圖6(a)], 圖5和圖6為排除無法萃取樣品數據和異常數據后的有效數據, 夏季僅有表層和底層非藻類顆粒物吸收系數數據, 其中0.2和0.8層由于數據較少, 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)]進行對比發現, 春季水柱中非藻類顆粒物吸收系數呈現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均大于夏季, 由于春季對海帶進行施肥、海帶自身擾動導致海底顆粒物的再懸浮以及海帶自身產生的大量碎屑[37-39], 使得水體中非藻類顆粒物含量顯著增加。根據已有研究, 黑泥灣海底沉積物鉆孔巖芯中, 自海帶養殖以來, 沉積物燒失量明顯增大, 顯示海帶養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], 因此海帶養殖會增加水體非藻類顆粒物的吸收, 這與我們測量結果相一致。從春季水體非藻類顆粒物吸收系數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值較大, 可能是由于海帶自身生長會產生碎屑, 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小于底層可能是受夏季風暴潮、季風和流等因素的影響, 使海底表層沉積物中的非藻類顆粒物再懸浮。

3.1.3 總顆粒物吸收系數空間分布特征的季節變化

圖7和圖8給出了春季和夏季總顆粒物吸收系數曲線, 從圖中可以看出, 不同季節總顆粒物吸收系數的光譜特征相似, 但曲線數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, 而且異常數據較少, 因此總顆粒物吸收系數的有效數據較多?？傤w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, 本研究區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, 未發現與藻類顆粒物吸收光譜曲線形態相似的站位。從p的數值大小來看, 春季所有層總顆粒物吸收系數數值均大于夏季。春季各站位間表層吸收系數大小波動范圍較大, 夏季則差異較小。從春季水體總顆粒物吸收系數的垂直分布特征[圖7(a)—(f)]來看, 春季研究區域水柱中除表層外, 總顆粒物吸收系數都分布均勻, 整體數值較大。夏季水柱中總顆粒物吸收系數從表層到底層逐漸增大, 其中表層總顆粒物吸收系數明顯小于底層, 0.4層總顆粒物吸收系數略大, 0.6、0.8、層總顆粒物吸收系數差別不大。

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相似; 與非藻類顆粒物吸收光譜曲線形態相似[40]。本研究區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者。在無機顆粒物濃度較高的河流、湖泊、河口和沿岸帶經常會出現這種類型的總顆粒物吸收曲線[40]。形成不同季節總顆粒物吸收系數數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, 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復雜, 因此海區各站位的吸收系數有顯著的差異。夏季水體在0.4層略大可能是受到春季海帶碎屑殘留的影響, 表層總顆粒物吸收系數較小可能是因為無海帶養殖時, 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曲線

3.1.4 有色溶解有機物吸收系數空間分布特征的季節變化

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, 在水色遙感領域一般用CDOM在355 nm處的吸收系數g(355)代表其濃度[41-42]。本研究主要側重于對水體中CDOM濃度季節變化的研究, 因此本文通過對g(355)進行分析來了解黑泥灣水體中CDOM吸收系數的季節變化特征。從實測數據可知(表1), 春季水柱中g(355)的平均值為0.96 m–1; 夏季水柱中g(355)的平均值為0.82 m–1。通過對比垂向g(355)的值發現, 春季水柱在0.2層出現g(355)最大值, 整體分布呈現上層水體小于下層水體; 夏季水柱中g(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, 與分子組成有關, 光譜斜率的差異可表征分子組成的差異。275-295值大, 表示海源有機質較多[43-45]。對實測數據光譜斜率數值進行計算發現黑泥灣水柱中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, 可能是由于該區域高密度、規?；暮юB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物組成的腐殖酸和富里酸; 自生的主要在遠離沿岸流影響的近海和開闊大洋, 主要由現場生物活動產生, 如浮游植物、細菌、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數值較大, 說明水體中海源有機質較多, CDOM來源主要為自生的, 春夏季自生CDOM來源無法準確判斷。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

黑泥灣水體藻類顆粒物和非藻類顆粒物在400～ 700 nm波段內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占主導, 此時非藻類顆粒物對總吸收的貢獻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曲線有兩個葉綠素吸收峰相對應, 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數據反演

利用3.1中的QAA_v5算法, 將校正后的MODIS數據估算得到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(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的貢獻率

圖10 QAA_v5算法在410, 443, 490和550 nm處實測數據與反演數據的比較(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處實測數據與反演數據的比較(夏季)

注:0為參考波長

春、夏季實測和反演的總吸收系數在各波段具有較好的相關性, 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。整體來看, QAA_v5算法在春季對吸收系數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的空間分布圖(圖12和圖13)顯示, 春季水體的總吸收系數要明顯大于夏季, 春季近岸海帶養殖區的水體總吸收系數明顯大于遠岸無海帶養殖區, 這與我們實測水體總吸收系數趨勢相同, 說明海帶養殖能引起水體光學性質的改變。而且隨著波長的增加, 總吸收系數呈現出減小的趨勢, 與實測數據(圖2)一致。夏季近岸水體總吸收系數的值遠小于春季, 沒有顯著的空間差異, 整個空間范圍內的總吸收系數變化不大, 不同波段間也無明顯差異, 呈現出自然水體的特征。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高值區的影響, 圖12顯示, 雖然吸收系數高值區出現在沿岸地區, 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), 吸收系數高值區的出現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殖)的影響。由于8月份在該地區的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行了反演。

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

4 結論

(1)春季海帶養殖季節黑泥灣表層水體各光學組分的實測吸收系數均大于夏季無海帶養殖季節。通過MODIS影像反演的黑泥灣表層水體總吸收系數呈現出與實測數據相同的特征, 而且從總吸收系數的空間分布特征可以看到海帶養殖區的總吸收系數明顯大于外海區, 表明海帶養殖會增加水體中各光學組分的濃度并對其分布產生影響, 引起水體光學性質的變化。

(2)海底表層沉積物的再懸浮可能是造成底層吸收系數大于表層的原因。春季水柱中藻類顆粒物的吸收系數主要由水柱內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大于其他層, 可能是成熟期的海帶匯聚了有機物質造成。

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

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

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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遙感與地理信息系統, 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調查、海岸岸灘穩定性研究、海洋遙感與GIS應用及數模分析工作, E-mail: hjhuang@qdio.ac.cn

(本文編輯: 叢培秀)