2018, Vol. 30 
(2: 中国科学院遥感与数字地球研究所, 北京 100094)
(3: 中国科学院大学, 北京 100049)
(2: Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, P. R. China)
(3: University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, P. R. China)
进入水体的光会被吸收和散射，这些特性只与水体成分有关，所以被称为水体固有光学特性[1].影响水体固有光学特性的物质主要包括纯水、浮游植物、非色素悬浮物及有色可溶性有机物(CDOM)[2].光合有效辐射(Photosynthetically Active Radiation, PAR)指400~700 nm波长内能被绿色植物利用进行光合作用的太阳辐射部分.对于湖库水体，太阳辐射在进入水体后，会受到水中悬浮颗粒物、可溶性有机物以及浮游生物的影响而衰减[3]，因此为了表征PAR在水体中的衰减程度，一般通过测定不同深度水层的PAR值来计算光合有效辐射衰减系数(Kd(PAR))，对光线在水体中的垂直分布予以指示[4].水下光场分布决定了水体中浮游生物及沉水植物在湖泊中的分布情况，因此，Kd(PAR)对湖泊生态环境的评价具有重要意义，在湖泊生态修复和水质改善方面具有指导作用[5].近年来国内外学者在海洋和内陆水体进行了很多固有光学特性和光合有效辐射衰减系数的研究[6]，但是国内对于高海拔地区的湖泊光学特性的系统研究尚有空缺.
青藏高原是地球海拔最高、面积最大、形成最晚的高原，也是具有全球意义且非常脆弱的生态系统，从1960s以来，青藏高原地区的气温一直是逐渐升高的，相比气温，降水则复杂且空间变异大[7].加上青藏高原特殊的地形特征，青藏高原对周边地区乃至全球环境的影响受到了举世关注，所以对青藏高原的研究是科学研究和社会经济的双重需要[8].随着全球水体研究的不断发展，作为内陆环境变化、生态系统等研究的重要载体，对湖泊的研究得到越来越多研究者的重视.青藏高原地区分布有地球上海拔最高、数量最多、面积最大的高原湖泊[9]，湖泊面积约占全国湖泊面积的49.5 %，且湖泊成因复杂、类型多样，受人类活动影响较少，对各项环境变化响应敏感[10].湖泊水库的固有光学特性与表观光学特性是湖泊研究中重要的组成部分，由于青藏高原恶劣的自然因素限制、湖泊面积大、分布广、地处偏远，使得获取该地区湖泊水库的观测资料及实时数据变得异常艰难[11-12]，所以对青藏高原湖库的研究和认识不足，还需要开展大量和长时间的研究.
本文根据2014和2015年青藏高原地区13个典型的高海拔、大面积湖库水体实测数据和实验结果，对青藏高原湖库水体的光学活性物质特征进行了详尽的描述，此外，由于不同水体影响Kd(PAR)的主导因素不同：不同学者研究发现，Kd(PAR)与光学活性物质的关系在不同水体表现各异[13]，有学者利用Kd(PAR)与研究区相关性较强的光学物质参数建立模型，一定程度上实现了对Kd(PAR)的反演[14-17].本文研究分析了青藏高原典型湖泊中Kd(PAR)与光学活性物质之间的关系，为研究青藏高原湖库Kd(PAR)主导影响因素提供了重要依据，同时本研究采样湖库分布范围广，也为青藏高原湖库湖库研究提供了有力的数据积累.
1 数据与方法 1.1 研究区概况分别选取了分布在西藏自治区和青海省的13个典型的湖库，湖库水体面积均在100 km2以上，其中色林错的湖泊面积达到了2391 km2.分布高程从2500 m至5000 m不等，主要分布在西藏阿里，那曲、山南地区及青海海南和海西地区.湖泊盐度大类涵盖了咸水湖、淡水湖，其中主要包括拉昂错、当惹雍错等7个咸水湖，普莫雍错、可鲁克湖等5个淡水湖以及龙羊峡水库.
1.2 野外数据获取本文数据采集时间为2014年9月和2015年6-7月，对光合有效辐射数据采集工作共覆盖青藏高原地区13个湖泊(图 1)，采样点总数48个，测定指标主要包括：光合有效辐射、水质参数、透明度、采样点GPS点位.
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图 1 研究区地理位置及采样湖库分布 Fig.1 Location of study area and distribution of sampling sites |
每个采样点通常采集水面以下0.1 m的水体约2 L，水样带回实验室，放置于4℃的冰箱中贮藏，2~3 d内完成测定；现场用YSI水质仪自动获取水温、电导率、盐度、pH、浊度、总溶解固体(TDS)等水质参数.透明度(SD)采用塞氏盘测定.
1.2.2 Kd(PAR)选用Li-Cor 193SA水下光量子仪测定水下不少于5个水层深度的PAR值.
| $ PAR\left( Z \right) = PAR\left( {{0^ - }} \right)\cdot{\rm{exp}}[-{K_{\rm{d}}}{\rm{(PAR}}){\rm{ }}\cdot Z] $ | (1) |
通常利用不同深度的测量值，其中0-代表恰好在水面以下，Z代表水深，根据朗伯比尔定律，利用公式(1)进行指数拟合，得到Kd(PAR).要求测量深度数量N≥5、拟合系数R2≥0.95时，得到的拟合结果Kd(PAR)才能被接受.
1.3 实验室数据获取 1.3.1 叶绿素a浓度与总悬浮颗粒物浓度通过90 %的丙酮溶液萃取，并用UV-2600紫外分光光度计分别测定630、647、664和750 nm处的吸光度，进而计算出叶绿素a(Chl.a)浓度.总悬浮物浓度采用称重法进行测定.
1.3.2 CDOM吸收系数(aCDOM(λ))将水样经过0.22 μm的聚碳酸酯表面滤膜过滤后，利用紫外分光光度计测定滤液在200~800 nm的吸光度OD(λ)，再通过公式(2)计算各波长处的吸收系数为消除过滤液中残留细小颗粒物的散射，以λ0为700 nm的吸收值作为零值波段范围的参考值，利用公式(3)做校正.
| $ a\prime {_{{\rm{CDOM}}}}\left( \lambda \right) = 2.303\frac{{{\rm{OD}}\left( \lambda \right)}}{{L{\rm{ }}}} $ | (2) |
| $ {a_{{\rm{CDOM}}}}\left( \lambda \right) = a\prime {_{{\rm{CDOM}}}}\left( \lambda \right) - a\prime {_{{\rm{CDOM}}}}\left( {{\lambda _0}} \right){\rm{ }}\cdot\frac{\lambda }{{{\lambda _0}}} $ | (3) |
总悬浮颗粒物吸收系数(ap(λ))、非色素颗粒物吸收系数(ad(λ))和藻类颗粒物吸收系数(aph(λ))通过定量滤膜技术获得.利用0.7 μm的玻璃纤维微孔滤膜过滤水样，然后以空白滤膜作为参比，利用紫外分光光度计测定其在300~800 nm的吸光度，最后利用公式(4)~(6)计算吸收系数：
| $ {\rm{O}}{{\rm{D}}_{\rm{f}}}\left( \lambda \right) = {\rm{OD}}\left( \lambda \right) - \frac{1}{{11}}\sum\limits_{{\rm{ }}i = {\lambda _0} - 5}^{{\lambda _0} + 5} {{\rm{OD}}\left( i \right)} $ | (4) |
| $ {\rm{O}}{{\rm{D}}_{\rm{s}}}\left( \lambda \right) = 0.392{\rm{O}}{{\rm{D}}_{\rm{f}}}\left( \lambda \right) + 0.655{\rm{O}}{{\rm{D}}_{\rm{f}}}{\left( \lambda \right)^2} $ | (5) |
| $ {a_{\rm{p}}}\left( \lambda \right) = 2.303\frac{S}{V}\cdot{\rm{O}}{{\rm{D}}_{\rm{s}}}(\lambda ) $ | (6) |
计算时首先利用公式(4)对吸光度OD(λ)进行散射校正，得到吸光度ODf(λ)，λ0通常取750 nm；然后利用公式(5)对ODf(λ)做光程放大效应的校正得到ODs(λ)；最后通过公式(6)计算得到ap(λ)，其中S为沉积在滤膜上颗粒物的有效面积(单位为cm2)；V为过滤的水样体积(单位为ml).
用次氯酸钠(NaClO)将滤膜上的色素漂白、溶解.以空白滤膜作为参比，测量滤膜在300~800 nm的吸光度，可以得到ad(λ). aph(λ)为ap(λ)与ad(λ)的差值.
2 结果与分析 2.1 青藏高原典型湖库的Kd(PAR)特征采样的13个湖库Kd(PAR)计算结果(表 1)显示，青藏高原湖库的Kd(PAR)整体数值较低，说明该地区多数湖库对太阳辐射透射率高，湖水观感上非常清澈，水中吸光颗粒物也较少.采样湖库中，Kd(PAR)最小的前3个湖库分别是普莫雍错(0.110 m-1)、当惹雍错(0.120 m-1)和羊湖(0.120 m-1)，最大的3个采样湖库分别是达则错(0.260 m-1)、龙羊峡水库(0.400 m-1)和可鲁克湖(0.670 m-1)，其中有10个采样湖库的Kd(PAR)平均值在0.2 m-1以下；这个结果同已有研究结果的湖库(青藏地区之外)在数值上相比也是较小的(表 2)，青藏高原湖泊的Kd(PAR)与东北和华北地区的相比，数值明显较低.可见，不同地区Kd(PAR)的差异性较为明显.
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表 1 采样湖库的Kd(PAR)计算结果 Tab.1 Results of Kd(PAR) value in sampling sites |
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表 2 部分湖库Kd(PAR)的相关研究结果 Tab.2 Existing results of Kd(PAR) researches in several lakes and reservoirs |
Kd(PAR)平均值最高的可鲁克湖位于柴达木盆地东北缘德令哈盆地，与其外泄相连形成的托素湖周围是广阔的戈壁滩，而巴音河的水常年携带上游牧民生活用水，并裹挟着大量的牛羊粪等多种有机物注入湖内[18]，使湖底沉积物变得富含养分、泥质肥厚、杂草丛生，尤其是浮游生物极其丰富，而这些都是鱼类天然的饲料.可鲁克湖相关资料显示早在1973年，当地相关部门就开始对可鲁克湖进行渔业等水产资源的开发，受人类影响时间点较其他采样湖泊更早[19].可鲁克湖较高的Kd(PAR)值与这些有关. Kd(PAR)平均值最低的普莫雍错是13个采样湖库中海拔最高的湖泊，靠近喜马拉雅山主山嵴北坡，主要依靠南面山区库拉岗日雪山的溶雪补给，同时还包括地下水补给，常年入湖水量充沛[20]，又地处山南地区雨影地带，降水量并不匮乏，属于淡水湖[21].通往普莫雍错的主干道路省道307至2015年才全线贯通，在13个采样湖库中属于较晚通车的湖泊，因而旅游及各项资源开发还未成型，普莫雍错Kd(PAR)的较低值可能和这些有关.
2.2 青藏高原典型湖库的光学活性物质吸收特性 2.2.1 ap(λ)ap(λ)无显著的吸收峰、谷(图 2a).对已测定ap(λ)的11个湖库(龙羊峡水库与可鲁克湖数据空缺)，分别求出每个湖库ap(λ)的平均值(ap_avg(λ))(图 2b).总体来看，在400~700 nm波段内，西藏地区11个湖库的ap_avg(λ)皆在很低的范围中，最高值不超过0.14 m-1，同目前已有研究的其他湖库(吉林省湖库[26]、辽河水体[27]、东北湖库[22]、太湖[3, 5, 28]、巢湖[29]、兴凯湖[30]等)相比较低.此外，11个湖库中，除了格仁错的ap_avg(λ)在675 nm特征波段出现较小的吸收峰外，其余湖库的ap_avg(λ)在440和675 nm及其他波段都未观察到显著的吸收峰.
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图 2 采样点的总颗粒物吸收系数 Fig.2 Absorption coefficient of total suspended matter in sampling sites |
在不考虑人类因素影响的条件下，CDOM本身属于光合作用的副产物，在水环境中主要由腐殖物质产生.对于青藏高原地区大部分湖库来说，湖库中的CDOM主要由水体中的浮游生物产生.在前人研究中，通常用355 nm处CDOM的吸收系数代表CDOM含量[31].研究发现, 在355 nm处所有采样湖库的aCDOM(λ)都小于2 m-1(图 3). aCDOM(λ)大于1 m-1的分别是色林错(1.23±0.98 m-1)、龙羊峡水库(1.23±0.06 m-1)和可鲁克湖(1.09± 0.08 m-1)，其余由大到小依次是达则错、巴木错、错鄂湖、羊湖、普莫雍错、格仁错、班公错、拉昂错、当惹雍错和吴如错.值得注意的是，由于青藏高原地区水体整体清澈，CDOM含量较低，有些甚至微乎其微，导致个别湖库的CDOM过滤受到外界影响程度较大且吸收系数测定结果噪声较多.
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图 3 采样点的CDOM吸收系数 Fig.3 Absorption coefficient of CDOM in sampling sites |
在进行吸收系数实验室测定的过程中，由于野外采集水样总量少，故而在ad(λ)和aph(λ)测定中，只保存了巴木错、格仁错和班公错3个湖库的3个样本数据，所以此处为了与下文3个湖库的其他吸收系数特征进行对比分析，将这3个湖库对应采样点编号的ap(λ)和aCDOM(λ)数据提取出来(图 4a和图 4d). ap(λ)在440 nm处无明显吸收峰，说明藻类颗粒物吸收较少，非色素颗粒物吸收表现较为明显，ap(λ)由高至低依次为格仁错、巴木错和班公错；在675 nm处ap(λ)由高至低依次为格仁错、班公错和巴木错，存在轻微的吸收峰，表现出藻类贡献的吸收特征，其中班公错的吸收峰比格仁错更为明显，而巴木错不明显，说明三者之中，班公错中藻类颗粒物的吸收占总颗粒物吸收的比例更大，格仁错与巴木错依次次之.需要注意的是，尽管3个湖泊在675 nm处存在轻微的吸收峰，但整体来看，无论是在440 nm处，还是675 nm处，3个湖泊峰型并不明显，且在550 nm处无明显的吸收谷，说明非色素颗粒物在总颗粒物吸收中占有一定比例.吸收峰或吸收谷越不明显，则说明非色素颗粒物的吸收占总吸收的比例越大.
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图 4 巴木错、格仁错和班公错光学活性物质的吸收系数 Fig.4 Absorption coefficient of optically constituents in water of Bam Co, Gering Co and Pangong Co |
巴木错的aCDOM(λ)在300~700 nm波段内远远大于格仁错与班公错.在355 nm处，巴木错的aCDOM(λ)(0.46±0.09 m-1)最高，班公错(0.15±0.03 m-1)次之，格仁错(0.13±0.03 m-1)最小，这说明了巴木错的CDOM含量最高，格仁错最低(图 4d).
可以发现在特征波长400和440 nm处，格仁错的ad(λ)都要高于巴木错，班公错最小，说明三者之间格仁错的非色素颗粒物吸收占总颗粒物吸收的比例最大，班公错最小(图 4b).
3个湖泊样本在440和675 nm处aph(λ)均出现吸收峰：在440 nm处，aph(λ)由高到低分别为班公错、格仁错和巴木错；在675 nm处，aph(λ)由高到低分别为格仁错、班公错和巴木错(图 4c).班公错较格仁错在440 nm处的aph(λ)高，而在675 nm处低，而通常认为440 nm的吸收峰主要由叶绿素(a、b、c)和类胡萝卜素的吸收引起，而675 nm的吸收峰主要由Chl.a引起[30]，再对照两者在两处特征波长的峰值变化程度，特别是440 nm处，不难发现班公错的变化要大于格仁错，说明班公错的藻类颗粒物吸收占自身总吸收的比例较大，而Chl.a的吸收比格仁错少，这与ap(λ)的分析结果一致.巴木错的aph(λ)整体较低，说明其反射率较高，同时，在675 nm处吸收峰不明显，且440 nm的吸收峰向长波方向移动，说明藻类颗粒物在巴木错中所占比例较小，与其他两者相比，巴木错水体所含大分子颗粒物较多.
2.2.4 光学活性物质吸收对总吸收的贡献上文分析中发现不同光学活性物质的吸收特性在不同的采样湖泊表现出明显的空间差异.通过观察各个湖库的CDOM吸收系数(图 4d)，发现在常用的440 nm处许多湖库的吸收接近于0，吸收非常弱，为了更好地与其他光学活性物质的吸收特性进行对比分析，我们选取400 nm作为参考波长，对有完整测定数据的巴木错、格仁错和班公错样本进行分析，比较三者不同组分的吸收在总吸收中所贡献的比例(图 5)，寻求其影响总吸收的主导因素.比较分析发现，班公错属于非色素颗粒物吸收主导的类型，藻类颗粒物与CDOM吸收贡献次之，藻类颗粒物比CDOM贡献略高；格仁错属于非色素颗粒物吸收占绝对主导的类型，CDOM次之，藻类吸收较少；巴木错属于CDOM吸收占绝对主动的类型，非色素颗粒物次之，藻类颗粒物贡献最少，在400 nm处的吸收接近于0.这与之前对各光学活性物质吸收系数的单独分析结果相符.
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图 5 巴木错、格仁错和班公错水体中各光学活性物质对总吸收的贡献比例 Fig.5 Contribution of various optically active constituents to the total absorption in water of Bam Co, Gering Co and Pangong Co |
透明度是能够有效表示光在水中衰减的间接指标，一般透明度较高意味着光在水体中衰减较慢、衰减系数较小，而透明度较低，则意味着光在水体中衰减较快、衰减系数较大.该地区透明度为5.540±2.660 m.所以透明度与Kd(PAR)都受到水体中各种光学活性物质的影响，都能够表示光在水体中的衰减程度.透明度与Kd(PAR)的相关性经前人研究可以表示为[32]：
| $ {K_{\rm{d}}}({\rm{PAR}}) = f/{\rm{SD}} $ | (7) |
不同学者在研究时发现，针对不同的研究区，f可以有不同的取值，根据公式(7)建立所有采样点透明度与Kd(PAR)的关系(图 6a)，通过线性拟合结果发现透明度与Kd(PAR)的相关性良好，R2达到了0.9以上，拟合度良好，拟合得到f值为1.19.
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图 6 Kd(PAR)与透明度(a)、Chl.a (b)、TSM (c)和aCDOM(355) (d)的线性拟合 Fig.6 Correlations between Kd(PAR) and SD (a), Chl.a (b), TSM (c) and aCDOM(355)(d) |
建立所有采样点的Kd(PAR)与对应Chl.a浓度的关系.需要说明的是，虽然对单个湖库采样点数据进行平均求值一定程度上可以降低人为选点主观性因素和异常点的影响，但是由于采样湖库数量不多，为了避免由于样本数量不足造成的拟合收敛效果差，能够更加接近数据的真实分布情况，在本节分析中并未对每个湖泊的Kd(PAR)与其他光学活性物质参量进行平均求值.
Kd(PAR)与其Chl.a浓度进行线性拟合后发现R2达到0.5以上(图 6b)，采样点湖库的Kd(PAR)与Chl.a之间具有一定的相关性.
2.4.2 Kd(PAR)与总悬浮颗粒物的相关性分析Kd(PAR)与其总悬浮颗粒物浓度(TSM)进行线性拟合后发现，采样点的TSM与其Kd(PAR)并没有明显的相关性，R2只有0.23(图 6c).
2.4.3 Kd(PAR)与CDOM的相关性分析对Kd(PAR)与采样点CDOM在355 nm处的吸收系数aCDOM(355)进行线性拟合，发现Kd(PAR)与CDOM之间的相关性较强，R2达到了0.78(图 6d).综合Kd(PAR)与TSM、Chl.a的相关性分析，可以看出相较于TSM和Chl.a，Kd(PAR)与CDOM的相关性最强，与有学者对波罗的海的研究结果[33]一致，但这也并不表示影响所有湖库Kd(PAR)值高低的主要因素是CDOM.由于自然构造和人为因素等诸多影响，导致湖库之间水体光学特性有所差异，此次采样点分布于青藏高原多个地区，空间差异性更加明显，所以每个湖库的光学特性都会受到某一种或者多种光学活性物质的影响，不同湖库中占据主要贡献地位的物质都会有所差异.
3 结论由于本研究受到恶劣的自然环境条件和样本运输损失的影响，导致并未能完整测得所有样点的光学活性物质吸收特性及含量，但通过现有数据仍然得到以下结论：
1) 青藏高原地区受到人类活动影响相对较小，湖库水体整体呈现高透明度、低Kd(PAR)的特征.采样湖泊整体Kd(PAR)为0.260±0.197 m-1；透明度为5.540±2.660 m.
2) 采样湖库的光学活性物质吸收特性方面：总体没有呈现出显著的藻类吸收特性，在440、550和675 nm处吸收峰、谷不明显；非色素颗粒物与CDOM吸收特征较藻类颗粒物显著.巴木错、格仁错和班公错3个采样湖泊中，占据总颗粒物吸收主导地位的因素各不相同：班公错属于非色素颗粒物吸收主导的类型，藻类颗粒物与CDOM吸收贡献次之，藻类颗粒物比CDOM贡献略高；格仁错属于非色素颗粒物吸收占绝对主导的类型，CDOM次之，藻类吸收较少；巴木错属于CDOM吸收占绝对主动的类型，非色素颗粒物次之，藻类颗粒物贡献最少.
3) 采样湖库的Kd(PAR)实测值与透明度相关性高，拟合得到的常数f较其他水体小，为1.19.
4) Kd(PAR)与CDOM的相关性较强，即青藏高原采样湖库CDOM含量和分布情况对Kd(PAR)解释得更好，与Chl.a浓度的相关性次之，与TSM没有明显的相关性.
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