悬浮颗粒物(SS)的光谱吸收是水体的固有光学特性，是水色遥感的生物—光学模型、光辐射传输、初级生产力估算和生态过程模拟的基本参数，该参数的准确测量对于水体生物光学、水色遥感等诸多研究领域有着重要意义^[1-2].从传统的无机有机组成来分，悬浮颗粒物可以分为无机悬浮颗粒物(ISS)和有机悬浮颗粒物^[3].由于在自然水体中悬浮颗粒物的浓度通常较低，难以对其吸收系数进行直接测量，因此研究者们通常采用定量化过滤技术将水体中的颗粒富集到滤膜上，然后利用分光光度计进行其光吸收系数的测定，Mitchell将该方法定为定量化过滤技术，既QFT技术(Quantitative Filter Technique)^[4].QFT技术根据具体操作的不同可分为Yentsch在1962年创立的T方法(Transmittance method)^[5]和Tassan等在1995年建立的T-R方法(Transmittance-Reflectance method)^[6]，其中T方法是美国NASA(National Aeronautics and Space Administration)发布的生物光学测量方法协议中建议的标准方法.

国内关于水体吸收系数的研究相对于国外起步较晚，常用的两种颗粒物吸收系数测定方法均始于国外，引入国内水体吸收系数研究后，被研究者们广泛使用.目前我国水体颗粒物吸收系数测定方法多采用T方法^[7-9]，由于T-R方法测量和计算步骤较为复杂、对测量仪器要求较高，在我国水体颗粒物吸收系数的测量中运用较少^[10].由于水体理化性质的差异，不同的实验分析方法的测量精度也存在一定差异^[11].在我国水体光学研究中，仅限于具体方法的使用，关于两种颗粒物吸收系数测定方法在具体使用条件和测量精度方面的研究较少.

由于长江中下游流域湖泊多为浅水湖泊，易受风浪影响引起底泥的再悬浮，从而导致悬浮物中泥沙含量较高^[12-13].选择适合悬浮物较高水体的颗粒物吸收系数测定方法，能够提高悬浮颗粒物吸收系数的精度，更好地反映水体的固有光学特性.本文根据国外学者提出的两种悬浮颗粒物吸收系数测定方法，选择取自长江中下游典型浅水湖泊(太湖)的底泥及长江中下游湖泊的优势藻种，对两种测定方法在实验室控制条件下的测定精度进行分析，确定适合长江中下游浅水湖泊水体悬浮颗粒物的测定方法，以期为长江中下游湖泊悬浮颗粒物吸收系数的精确测定提供一定的理论依据.

1 材料与方法 1.1 样品制备方法

在实验室条件下培养长江中下游流域富营养化湖泊优势藻种铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)和斜生栅藻(Scenedesmus obliquus)，取太湖底泥，风干后进行研磨，过100目的筛网.在实验室取100L容器，在混合培养的藻中分别加入研磨的底泥，ISS浓度梯度分别为5、15、30、45、60、90、250、500mg/L，每次取3个平行样，分别利用两种方法进行测定.

1.2 两种方法测量及计算过程 1.2.1 T方法测量及计算

T方法^{[4, 14-15]}测定过程中，颗粒的散射作用导致测量过程中的实际光程大于颗粒样品在悬浮状态下的几何光程，因此产生光程放大效应，故由QFT方法得到的结果需要采用光程放大系数β进行校正，计算公式为：

$ \beta = {\rm{O}}{{\rm{D}}_{\rm{f}}}/{\rm{O}}{{\rm{D}}_{{\rm{sus}}}} $

(1)

式中，OD_f为QFT方法所测得的滤膜上颗粒物的吸光度，OD_sus为悬浮液中颗粒的吸光度.

对QFT所得结果进行光程放大系数校正后，即将OD_f值转换成OD_sus值，颗粒体积吸收系数a即可通过式(2)计算求得：

$ a = 2.303{\rm{O}}{{\rm{D}}_{{\rm{sus}}}}\cdot S/V $

(2)

式中，S为颗粒在滤膜上所占的实际面积，V为过滤水样的体积.

在采用T方法进行光程放大系数的研究过程中，一些研究者假定β值为常数，即β值不随OD_f、波长变化而变化，经实验测定β值介于2.43~4.71之间^[16]；Roesler在一些假定条件下经过理论推导认为β值为2^[17]；但更多研究者发现β值并不恒定，Sozik等^[18]通过对Mitchell等^[19]的数据进行分析后，认为OD_sus与OD_f存在着较好的幂函数关系.

本研究悬浮颗粒物的吸收采用QFT测定，用直径25mm的GF/F(Whatman公司)滤膜过滤水样(根据水里悬浮物浓度决定过滤的体积)，在UV-2250型分光光度计下测定滤膜上悬浮颗粒物的吸光度，用同样湿润程度的空白滤膜做参比，为减少散射误差，被测滤膜尽量靠近分光光度计的接受窗口，在350~800nm间每隔1nm测定一次吸光度，用各波段的吸光度减去750nm波长的吸光度，采用Cleveland等^[14]提出的公式进行放大因子校正：

$ {\rm{O}}{{\rm{D}}_{\rm{s}}} = 0.378{\rm{O}}{{\rm{D}}_{\rm{f}}} + 0.523{\rm{OD}}_{_{\rm{f}}}^{^{\rm{2}}}\;\;\;\;{\rm{O}}{{\rm{D}}_{\rm{f}}} \le 0.4 $

(3)

式中，OD_s为校正后的滤膜上悬浮颗粒物吸光度.

滤膜上悬浮颗粒物的光谱吸收系数计算公式为：

$ {a_{\rm{p}}}\left( \lambda \right) = 2.303{\rm{O}}{{\rm{D}}_{\rm{s}}}(\lambda )\cdot S/V $

(4)

式中，V为被过滤水样的体积.

1.2.2 T-R方法测量及计算

T-R法测定样品的光学密度采用以下公式计算：

$ {\rm{O}}{{\rm{D}}_{{\rm{fp - TR}}}}\left( \lambda \right) = - {\rm{lg}}\left( {1 - \frac{{1 - {\rho _{\rm{T}}} + {R_{\rm{f}}}\left( {{\rho _{\rm{T}}} - {\rho _{\rm{R}}}} \right)}}{{1 + {R_{\rm{f}}}\cdot {\rho _{\rm{T}}}\cdot \tau }}} \right) $

(5)

式中，ρ_T为透射测量模式下测量得到的通过样品与参比的光谱通量的比值，ρ_R为反射测量模式下测得的样品与参比的光谱通量的比值，R_f为空白GF/F滤纸的反射比，τ为1^[20]，OD_fp-TR(λ)为样品滤纸的吸光度.

$ \beta = {\left[ {0.423 + 0.479{\rm{O}}{{\rm{D}}_{{\rm{fp - TR}}}}\left( \lambda \right)} \right]^{ - 1}} $

(6)

$ {a_{\rm{p}}}\left( \lambda \right) = \frac{{2.303S}}{{\beta \cdot {V_{\rm{f}}}}}{\rm{O}}{{\rm{D}}_{{\rm{fp - TR}}}}\left( {\rm{ \mathsf{ λ} }} \right) $

(7)

式中，a_p(λ)为悬浮颗粒物吸收系数，OD_fp(λ)为T-R法测量获得的样品滤纸的吸光度，S为根据滤纸上富集有悬浮颗粒物部分的滤纸直径(D_r)计算得到的净面积^[20].

2 结果与讨论 2.1 两种方法在纯藻测定中的对比研究

对培养的两类藻利用两种方法进行光谱测定，得到其悬浮颗粒物吸收系数，利用有效光合辐射(PAR)波段(400~700nm)吸收系数的平均值与叶绿素a(Chl.a)浓度进行相关性分析.从图 1还可以发现，利用T方法和T-R方法分别测定同一组藻时，T-R方法所测得PAR波段的平均吸收系数与Chl.a的相关性系数略大于T方法的测定结果，说明T-R方法的测定结果更接近真实值.对T-R方法和T方法在有效光合辐射波段的吸收系数进行标准偏差分析，结果分别为：铜绿微囊藻：3.097、3.227，斜生栅藻：1.259、1.400，说明T-R方法在纯藻测定中的稳定性要略高于T方法.

分析其悬浮颗粒物吸收系数光谱(图 2)发现，随着藻类浓度的增加，各波段吸收系数均明显增加，铜绿微囊藻和斜生栅藻吸收光谱在谱型上较为相似，在440、675nm叶绿素特征吸收波长处，存在两个明显的特征吸收峰.两类藻在450、625nm处存在微弱的差异，这可能是藻蓝素的吸收引起的.

利用T方法和T-R方法，分别对铜绿微囊藻和斜生栅藻进行光谱测定，对测定结果进行分析得到表 1.两种方法所测得的悬浮颗粒物吸收系数有效光合辐射波段(400~700nm)的平均结果差别不大，平均差异分别为4.34 % (铜绿微囊藻)和4.92 % (斜生栅藻)，T方法略高于T-R方法.由于T方法无法消除滤膜上颗粒后向散射及颗粒与滤膜之间多次反射而导致测定过程中对颗粒吸收的高估，从而引起颗粒物吸收系数的放大.T方法在测定后进行计算时，根据纯藻在750nm处的吸收系数接近0的特点，通常在750nm处进行校正.而T-R方法则是利用积分球，经过一次透射和一次反射测定消除了后向散射的影响，通过相关校正计算后测定结果与真实的吸收系数值也比较接近.对比两种方法在测定两种藻类的测量结果差异时发现，两者存在一定差异，但差异不大，因此两种方法在测定纯藻颗粒物吸收系数时均可以使用.

2.2 两种方法在测定含泥沙悬浮颗粒物时的结果对比

由于两种藻类在单独测量时吸收系数谱线差异不大，为更好地模拟自然状况，取实验配制藻类和太湖沉积物混合水样，每次取3个平行样.将所取样品通过两种悬浮颗粒物测量方法分别进行测定.对比混合藻光谱和加入底泥的测量结果可知，在加入底泥量较少时仍具有混合藻光谱类似的特征，在440、675nm处有两个明显的叶绿素吸收峰.随着泥沙量不断加大，混合泥沙样品与纯样品出现了明显的差异，440nm处叶绿素的特征吸收峰逐渐消失，这主要是因为泥沙悬浮颗粒物样品吸收光谱呈指数衰减，随着样品泥沙含量的不断增加，在短波部分吸收系数不断增加，440nm处原有的叶绿素吸收峰被泥沙光谱的吸收系数所掩盖.由光谱图也能发现，随着泥沙量的不断增加，在短波部分吸收系数增长得非常快，而在长波部分增长得相对较慢，因此在675nm处仍具有一个明显的叶绿素吸收峰(图 3).

对比分析不同浓度梯度的无机悬浮颗粒物水样，发现当无机悬浮颗粒物含量为5mg/L时，两种测定方法的差异不大，在整个PAR波段T方法略高于T-R方法，当无机悬浮颗粒物含量为30mg/L时，两种方法的测定结果已经出现明显差异(图 4).随着无机悬浮颗粒物浓度的增加，在各波长处吸收系数的差异均有所增大.分析原因，主要是因为T方法认为在750nm处浮游藻类的吸收系数几乎为0，因此在750nm处做相应的校正，而T-R方法未在750nm处进行归0校正.相关研究表明^[21-22]，无机悬浮颗粒物在750nm处仍具有一定的吸收系数，并且随着无机悬浮颗粒物浓度的增大而增大，由T-R方法的测量结果(图 4)也能看出.虽然散射会增大T方法的研究结果，但直接利用750nm处吸收系数为0进行校正，在无机悬浮颗粒物存在时，由于将750nm处无机悬浮颗粒物的吸收系数也视为0，会低估其吸收系数，特别是当无机悬浮颗粒物浓度较高时由于忽略无机悬浮颗粒物在750nm处的吸收引起的吸收系数，低估将远高于散射引起的吸收系数升高.因此，通过对比可以发现，当所测量目标的组成成分发生变化时，两种测量方法校正因子的差别是影响测量结果的主要因素，特别是T方法在750nm处的直接归0校正，由于忽略了无机悬浮颗粒物在长波段的吸收系数特点，会对测量结果产生较大影响.

由表 2可知，通过对藻类混合泥沙后吸收系数的测定结果在400~700nm处积分对比，在加入泥沙量相对较少的时候，两种方法测量的结果差异不大，随着泥沙的不断加入，两种方法测定结果的差异由-0.76 %增大到38.95 %，并且T-R方法的测定结果在无机悬浮颗粒物含量较大时，明显高于T方法的测定结果.上文中已阐述这主要是因为悬浮泥沙样品或者含悬浮泥沙的混合液在750nm附近对光仍有一定的吸收作用，且随着无机悬浮颗粒物浓度的增加而增大，而T方法利用浮游植物在750nm附近波段吸收系数为0的OD_sus假设，在计算时进行光谱数据的校正，因此在泥沙含量过高时，由于忽略了无机悬浮颗粒物在750nm处的吸收，在进行校正时，有效光合辐射波段各波长处的吸收系数将减小，且减小的数值将高于短波高散射引起的增大，而T-R方法不需要在750nm处进行校正，所以测定结果高于T方法的测定结果，且更接近于真实值.

对不同浓度梯度无机悬浮颗粒物两种测定方法之间的差异进行分析，随着无机悬浮颗粒物浓度的不断增大，两种方法测定的吸收系数结果的差异也在不断增加，当无机悬浮颗粒物浓度达到30mg/L时，两种测定方法之间的差异达到8.85 %.由于T-R方法是在积分球中进行的测定，结果受到散射的影响较小，不用进行散射校正，避免了因校正而引起的误差.因此在对无机悬浮颗粒物含量较高的水样进行吸收系数测定中，当无机悬浮颗粒物含量超过30mg/L时，两种方法的测定结果已经产生较大差异，应尽量选用T-R方法进行测定，从而提高吸收系数的测定精度.

3 结论

1) 通过对比不同浓度藻类颗粒物吸收系数与叶绿素之间的关系可知，T-R方法的测量稳定性要好于T方法.

2) 通过对比两种悬浮颗粒物吸收系数的测定方法，在纯藻或者泥沙含量较少的水体进行悬浮颗粒物吸收系数光谱测定时两种测定方法均可以采用，并且均具有较高的测定精度.

3) 在泥沙含量相对较高的长江中下游浅水湖泊，应尽量选取T-R方法进行悬浮颗粒物吸收光谱的测定，以提高测定精度.