藻源性湖泛發生過程CDOM變化對水色的影響*

李佐琛，段洪濤，申秋實，張玉超，馬榮華

(中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環境國家重點實驗室，南京 210008)

藻源性湖泛發生過程CDOM變化對水色的影響*

李佐琛，段洪濤*，申秋實，張玉超，馬榮華

(中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環境國家重點實驗室，南京 210008)

摘要：利用Y-型沉積物再懸浮發生裝置模擬湖泛發生過程，分析其中有色可溶性有機物(CDOM)的變化特征及其對水色的影響.結果表明，藻類死亡過程消耗大量的氧氣，水中溶解氧在短時間內消失殆盡，形成厭氧環境；并同時分解產生大量CDOM，使得水中CDOM顯著增多.前期階段，CDOM濃度隨時間一直升高，第6 d時CDOM濃度達到峰值，CDOM在443 nm處的吸收系數ag(443)為4.48 m-1.水體黑度值(FeS濃度)呈先增大后減小的趨勢，最大值0.35mmol/L同樣出現在第6 d，整個過程中，CDOM濃度和黑度值變化趨勢一致，ag(443)與水體黑度呈顯著正相關.利用Hydrolight和CIE顏色匹配函數模擬不同梯度的CDOM對水色的影響，發現隨ag(443)增大，水體顏色也逐漸由綠色轉為棕色，整體向長波方向移動，水色逐漸變暗.因此，可以認為CDOM濃度變化是引起湖泛水體發黑的重要原因之一，可作為定量監測湖泛強度的指示性參數.

關鍵詞：湖泛；光學特性；CDOM；水色

*國家自然科學基金項目(41171271)和國家水污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07103-002， 2012ZX07103-005)聯合資助.2014-12-01收稿；2015-02-08收修改稿.李佐琛(1988~)，男，碩士研究生； E-mail：lizuochen88@163.com.

藻源性湖泛是指湖泊富營養化水體在藻類大量暴發、積聚和死亡后，在適宜的氣象、水文條件下，與底泥中的有機物在缺氧和厭氧條件下產生生化反應，釋放硫化物、甲烷和二甲基三硫等硫醚類物質，形成褐黑色伴有惡臭的“黑水團”，從而導致水體水質迅速惡化、生態系統受到嚴重破壞的現象[1].湖泛是藍藻水華暴發的嚴重后果之一，相對于藍藻水華本身的危害，湖泛對于水體水質，特別是水源地飲用水安全影響更為直接，危害更大[2].

水體發黑是湖泛區別于自然水體最顯著的特征.目前對于水體水色變化的研究主要集中在理化性質方面，認為非晶態硫化亞鐵是導致黑色水體發黑的主要原因[3]. Fe2+和∑S2-被證實是湖泛發生過程中的敏感因子[4]，其濃度升高是湖泛水體發黑的原因[5].而湖泛水體顏色變化實質上是一種光學變化過程，更應從水色光學角度給予解釋，而非單從理化性質方面進行說明.而在水體光學方面，對于黑水的研究最早始于1993年，但僅是通過遙感分辨出黑水區域[6].隨后不同學者針對不同區域的“黑水團”水體光學參數進行研究，結果表明不同區域“黑水團”水體致黑原因不同，如佛羅里達礁群(Florida Keys)[7]水體中有色可溶性有機物濃度(CDOM)普遍偏高，而我國長江口東南海域黑水區域CDOM濃度相對于其它水體增高并不顯著，但其顆粒后向散射系數值極小[9].而對太湖湖泛的遙感研究發現，湖泛發生時水體除CDOM濃度顯著高于普通水體，無機顆粒物濃度也普遍偏低，并認為二者的共同貢獻造成水體的“低散射、高吸收”，導致湖泛水體反射率顯著低于周邊正常水體而呈現黑色[10].另外，對湖泛發生整個過程中的光學特性持續變化研究發現，各吸收系數都在發生變化，但只有CDOM吸收系數ag隨水體發黑而不斷增大，其他參數都呈不規律性變化[11].因此，水體中CDOM濃度顯著升高可能是導致湖泛水體發黑的主要原因之一.

目前，雖然已有研究證實CDOM的存在會使水體顏色發黑，但對于湖泛引起的“黑水團”現象，特別是從大量藻顆粒聚集的綠色水體，到湖泛形成后水體呈現黑色，這一生態過程中CDOM的連續變化特性研究還比較欠缺.本文通過模擬湖泛發生過程，分析水體的基本理化指標和CDOM變化及其變化對水色的影響，揭示水體發黑的主要原因.該研究對于湖泛水體定量遙感監測和早期預報具有重要的科學意義和實際應用價值.

1 材料與方法

1.1 采樣地點與方法

實驗所需的底泥沉積物、湖水以及藍藻顆粒， 于2014年4月在太湖竺山灣水域(31.38°N，120.04°E)同步采集.通過25#浮游生物網采集藍藻顆粒，湖水用25L聚乙烯桶收集；使用重力式沉積物采泥器(Rigo Co.內徑110mm×長50cm)采集30cm左右沉積物柱狀樣，并帶原位上覆水約20cm，用橡膠塞將柱狀樣塞緊保存.在整個采集過程中要保證沉積物界面無擾動.

1.2 實驗方法及模擬條件控制

在無擾動的條件下，將采集的沉積物柱狀樣上半部分20cm和湖水分別裝入模擬裝置的模擬柱中(圖1)，水深達到180cm，待水體平靜后再在每柱中加入47.5g(約5000g/m2)采集的藍藻顆粒.控制環境溫度為29±1℃，每天下午模擬3.2m/s的風浪并持續4h，整個過程保持自然光照.實驗開始后，每天進行溶解氧(DO)、色度的監測.同時，將采集后的水樣過濾后冷凍保存，統一進行分析.由于造成水體散發異味的原因較多，且并非所有散發異味氣味的水體都發生了湖泛現象，因此從光學角度，將實驗過程中水體最終變黑作為判斷湖泛發生的依據.

圖1 Y-型沉積物再懸浮發生裝置及湖泛模擬Fig.1 Y-shape apparatus used for the black water simulation

1.3 樣品測定與分析

CDOM吸收系數(ag)的測定：用孔徑22 μm的Minipore膜過濾水樣，在UV-2600上測定濾液的吸光度，用空白作對比，然后根據Bricaud等[12]提出的方法對散射效應進行校正，并計算得到ag(λ).

葉綠素a濃度(Chl.a)的測定：用GF/C膜(孔徑1.2μm)過濾水樣，將濾膜反復凍融進行細胞破碎，用90%丙酮溶液提取葉綠素，依次測定750、664、647、630 nm波長處的吸光度，最后計算出Chl.a濃度.懸浮物(SS)濃度采用GB/T 11901-1989的烘干稱重法進行測定.DO濃度利用溶解氧儀進行測定.水體黑度值則采用分析FeS濃度的方法來指示[13].

1.4 水色推演

首先，應用Hydrolight模擬出由于CDOM濃度變化(0、0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5 m-1)而改變的水體離水輻亮度(Lw)、遙感反射比(Rrs)等.在此模擬過程中，水色參數Chl.a濃度(25.22 μg/L)、無機懸浮顆粒物(SPIM)濃度(10.83 mg/L)采用其在實驗過程中的均值，比吸收系數和比散射系數取太湖夏季野外測量的均值，風速(3.2m/s)、水深(1.8 m)和太陽天頂角(30、60、90°)等均取固定值.結合CIE標準色度學，將光譜信息轉化為CIE XYZ坐標，轉化方程如下：

(1)

(2)

(3)

再將XYZ信息轉換為人眼可見的RGB值.

(4)

此過程通過Dierssen[14]提出的Matlab代碼來實現，再量化為顏色.

2 結果與討論

2.1 水體DO濃度的變化

2.2 湖泛發生過程中水體中Chl.a濃度的變化

湖泛是湖泊富營養化水體在藻類大量暴發、積聚和死亡后形成的一種水環境污染問題.通過實驗得知，加入藻類的實驗組水體出現了湖泛，而未加入藻類的對照組水體沒有發生湖泛現象.這也證實藻類是引發湖泛發生的最主要原因.湖泛發生過程中，水體中Chl.a濃度變化較為復雜(圖2b)，整體呈現先增大后減小、再增大再減小的規律.這是由于在前期，水體條件適宜藻類生長，藻類暴發生長使得水中Chl.a濃度迅速增加.隨著水體DO濃度下降，水體環境由好氧狀態轉為缺氧狀態，藻類大量死亡，水體中Chl.a濃度急劇下降.藻類死亡分解會產生有機物，大量的有機物為藻類生長提供營養.在充足的營養物質下，未死亡的藻出現再暴發，水中Chl.a濃度出現小幅度增加.最后，終因水體處于厭氧狀態，藻類絕大部分將死亡，Chl.a濃度較小.

圖2 水體中DO(a)和Chl.a(b)濃度變化Fig.2 The changes of DO (a) and chlorophyll-a(b) concentrations in the water

2.3 CDOM吸收系數的變化

CDOM作為水體中的一個重要的光吸收物質，其濃度和組成能改變水下光場[16].由于CDOM吸收系數在短波處差異較大，通常用443 nm波長處的吸收系數ag(443)來表征CDOM濃度[17].實驗組的ag(443)普遍大于對照組的ag(443)，實驗組的ag(443)在第 6 d出現最大值，之后ag(443)都遠大于實驗第1 d的ag(443)初始值(圖3a).

圖3 ag(443)(a)和水體黑度(b)變化Fig.3 Changes of absorption spectral of CDOM(a) and blackness(b)

自然界水體中，CDOM的來源主要有兩種類型：一種是浮游植物自身降解帶來的產物，另一種來源于陸地地表.內源型的CDOM主要來自土壤和水生植物降解產物，由腐質酸和富里酸等物質組成[18].在模擬實驗過程中，沒有外源性污染有機物的輸入，也無其他水生植物的存在，屬于內源型，CDOM主要來自實驗水體中藻類的降解.在厭氧條件下，藍藻可被微生物分解成分子結構復雜的腐殖質類物質[19].伴隨實驗組水體好氧-缺氧-厭氧的狀態，水中藻類出現死亡分解.分解過程中產生大量腐殖質，導致水體中CDOM增加，ag(443)變大.

2.4 水體水色的變化

水體發黑、發臭是湖泛發生的兩大主要特征[20].湖泛發生時，可以觀察到此區域水體與周圍正常水體形成強烈的色差對比，水體發黑是湖泛發生的顯著特征[21].本研究也已證實，實驗組的水體黑度明顯高于對照組(圖3b).對照組水體的水色隨時間的變化不大，說明在正常條件下水體的水色趨于穩定.而實驗組的水體水色在湖泛發生過程中水體黑度相對于第1 d的初始水色都在變大，在湖泛發生時達到最大值，而后出現減小的趨勢.湖泛水色變化可能與藻類死亡分解導致CDOM濃度增加有關.

2.5 CDOM對水色的影響

2.5.1 CDOM與水色變化的關系因為水體中的黃色物質不會散射光線，CDOM高度集中的水域會顯示出黑色，如佛羅里達礁群(Florida Keys)[7-8]、圣約翰河(the Lower St. Johns River)[20]和波羅的海[21]因為有著很高濃度的CDOM而呈現黑色.因此，高濃度的CDOM會形成黑色或棕色的水面.通過實驗組可以發現，CDOM與水體黑度呈現一定的正相關(R2=0.631)(圖4). CDOM的最大值(4.48 m-1)出現在第6 d，而在第6 d時黑度值也最大.第6 d之后，黑度值開始下降，而ag(443)也呈現出減小的趨勢.因此，湖泛過程水色變化主要受水體中CDOM濃度變化的影響.

圖4 ag(443)與水體黑度相關性Fig.4 Relationship between blackness and ag(443)

2.5.2 單影響因素CDOM對表觀光學特性的影響水體的表觀光學特性是指受光場角分布以及受水體中物質性質和數量影響的那些光學特性，其中離水輻亮度(Lw)和遙感反射比(Rrs)能直接反映水色信息.通過Hydrolight模擬不同梯度ag(443)下的Lw和Rrs，當模擬梯度變化時SPIM和Chl.a取固定均值.不同CDOM濃度(0~5.0 m-1)下Lw和Rrs的光譜曲線見圖5.隨著CDOM濃度增大，水體對光的吸收增強，光反射減小，因此水體比周圍正常水體發暗發黑.

2.5.3 CDOM影響下的色彩推演水色變化受多種因素的影響，但在相同背景下，水體顏色變化是由于離水輻亮度的直接變化引起的.由Dierssen提出的Matlab代碼，可將Lw轉換為RGB顏色，此顏色為不受太陽耀斑和明亮天空作對比的影響下，人眼正面朝下觀測到的水色.人眼的觀察角度不同，看到的水體顏色也不盡相同，這就是為什么我們從遠處看湖泛水體發黑，但實際走近之后發現水體真實顏色并不黑的原因.太陽角為30°和60°時，隨ag(443)由0增至5 m-1，水體顏色逐漸由綠色轉為棕色；當太陽角為90°時，水體顏色逐漸由藍綠色轉為棕色(圖6).因此，隨水體中ag(443)增加，水體顏色由短波向長波方向移動.

圖5 不同梯度ag(443)下Lw和Rrs的光譜曲線Fig.5 Spectral curves of Lw and Rrs under different gradient of ag(443)

圖6 不同梯度ag(443)下水色模擬Fig.6 Surface color based on water-leaving radiance using the CIE color matching functions

3 結論

通過對湖泛發生過程中水體理化性質和光學特性進行分析，利用Hydrolight和CIE顏色匹配函數模擬出水體顏色，分析其水色變化規律.結果表明：(1)水體由好氧狀態變為缺氧、厭氧狀態，水體的黑度在前期逐漸增大而后期又將慢慢消失，Chl.a濃度變化比較復雜，總體呈現先增加后減少的趨勢.(2)由于藻類死亡分解，水中藻類殘體降解導致ag(443)不斷增大.(3)ag(443)變化與水體黑度變化相似，先增大后減小，且ag(443)與水體黑度呈正相關(R2=0.631，P<0.05).(4)隨ag(443)的增大，Lw和Rrs相應不斷變小，水體顏色也逐漸由綠色轉為棕色.

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?2015 byJournalofLakeSciences

The changes of water color induced by chromophoric dissolved organic matter(CDOM) during the formation of black blooms

LI Zuochen， DUAN Hongtao， SHEN Qiushi， ZHANG Yuchao & MA Ronghua

(StateKeyLaboratoryofLakeScienceandEnvironment，NanjingInstituteofGeographyandLimnology，ChineseAcademyofSciences，Nanjing210008，P.R.China)

Abstract：In this study， we developed a laboratory scale mesocosm to study the conditions that favour the formation of black water blooms. Using water samples and sediment from an eutrophic lake， we analyzed the daily transformation of physical， biological and chemical conditions over several weeks. The results showed that a transformation of oxic-hypoxic-anoxic conditions characterized the formation of the black bloom. In anaerobic conditions， chromophoric dissolved organic matter (CDOM) increased due to the production of degradation products from decaying algae. CDOM reached a maximum on day 6 with the value of 4.48 m-1. The blackness (FeS concentration) increased initially， then decreased to a constant concentration of 0.35mmol/L. CDOM values were significantly correlated with the blackness of water color. Water-leaving radiance was simulated under different CDOM conditions by Hydrolight and transposed using the CIE color matching functions. This showed a transition from green to brown which closely followed the increase in CDOM absorption. Results above clearly show that CDOM is a major factor leading to the formation of black blooms， and can be used to monitor their dynamics over time.

Keywords：Black bloom； absorption characteristics； CDOM； water color

通信作者**； E-mail：htduan@niglas.ac.cn.

DOI10.18307/2015.0408