不同水文情形下巢湖有色可溶性有机物来源及分布特征

于2018年1月(枯水)、4月(平水)、7月(丰水)对巢湖开展野外观测,探讨不同水文条件下有色可溶性有机物(CDOM)的光谱组成结构及分布特征.结果表明丰水期巢湖溶解性有机碳(DOC)均值(3.90±0.40)mg·L-1与枯水期均值(3.89±0.19)mg·L-1无显著差异(t-test,p>0.05),丰水期S2...     

厦门湾有色溶解有机物光漂白的三维荧光光谱研究

利用荧光激发-发射矩阵光谱(excitation-emission matrix spectroscopy,EEMs)研究了厦门湾九龙江河口中、低盐度区表层水样中有色溶解有机物在秋季天然太阳辐照下的光化学漂白。结果表明,光漂白未引起水样中类腐殖质(C, A, M)和类蛋白质(T,B)荧光峰位置的移动。5个峰的荧光强度均随辐照时间的增加而减少,其中低盐度水样的降低幅度更大,并以指示陆源河流输入的特征荧光峰C的光漂白程度最大。根据漂白速率可将各荧光团区分出易漂白和难漂白两类组分。光漂白导致T、C峰及A、C峰之间的荧光强度比值增加,说明光漂白可引起海水中溶解有机物性质的明显改变,并且也是近海类蛋白质荧光相对类腐殖质荧光占优势的一个重要控制因素。研究结果对于探究陆源有机物在近海的转化及去除过程以及海洋光学有一定的参考价值。     

基于三维荧光光谱结合平行因子分析对春季北黄海有色溶解有机物的研究

利用三维荧光光谱(EEMs)结合平行因子分析(PARAFAC),对我国春季北黄海海水样品的荧光光谱进行了研究和分析。结果表明,北黄海有色溶解有机物(CDOM)中的荧光溶解有机物(FDOM)可分为四个组分,其中两组为类腐殖荧光组分c1(260,315/425)和c2(295,355/490),两组为类蛋白荧光组分c3(275/310)和c4(230,290/345)。四个组分之间不同程度的线性相关性说明了它们同源相似性,类腐殖质两组分之间的相关性最高,类蛋白质两组分次之。四个荧光组分和总荧光强度在平面分布和垂直分布都呈现近岸高,远岸低的趋势,同时除去陆源输入影响,海洋自身的水团运动和生物活动也影响着北黄海CDOM的分布。聚类分析进一步说明了北黄海不同区域的总荧光强度分布特征,也体现了整体上CDOM的均一性。荧光指数FI、腐殖化指数HIX和生源指数BIX在一定程度上指示了北黄海CDOM的来源,说明近岸区域陆源的影响较大,而向海一侧则受生物活动的作用影响较大,此结论与前述荧光组分的分布规律吻合。     

不同水体中有色可溶性有机物质荧光光谱定量分析研究

有色可溶性有机物(CDOM)是指水体中对紫外及可见光均有光吸收的溶解有机物,能对水色产生影响,是自然生态系统、水色光学遥感、水体碳循环研究中必不可少的环境因素。由于CDOM具有荧光特性,荧光光谱技术已成为开展CDOM研究的重要手段,被用于CDOM的来源、分布及其变化规律的研究。文章主要利用荧光检测技术,研究了不同水体CDOM的发射荧光光谱峰面积、荧光峰强度与其浓度间的变化关系,发现在低浓度范围内,发射光谱峰面积和荧光强度与CDOM浓度具有良好的线性关系(r2＞0.98);不同浓度的CDOM水溶液的发射光谱峰面积及其荧光强度随浓度的变化趋势是一致的。文章首次利用低浓度下CDOM的发射光谱峰面积与浓度间的线性关系,建立了适合于水体中组成复杂的CDOM的定量分析方法,拓展了荧光分析技术在CDOM研究中的应用。     

不同水文情景下洪泽湖、骆马湖有色可溶性有机物生物可利用性特征

运用三维荧光-平行因子分析(EEMs-PARAFAC)和室内生物培养实验,分析了洪泽湖和骆马湖有色可溶性有机物(CDOM)生物降解特征对不同水文情景的响应。结果表明,(1)平行因子分析得到3类荧光组分,类腐殖质C1、类色氨酸C2和类酪氨酸C3。(2)经28天生物培养后,枯水期洪泽湖、骆马湖溶解性有机碳DOC生物可利用性(BDOC,分别为17%±4%, 15%±4%)高于丰水期(分别为5%±5%, 10%±7%),且枯水期%BDOC高值主要分布于入湖口区域。(3)枯水期两湖泊比紫外吸收系数SUVA254和类腐殖质C1荧光强度显著高于培养前,即ΔSUVA254和ΔC1为负值,而类酪氨酸荧光强度显著低于培养前,即ΔC3为正值,表明了枯水期类酪氨酸生物可利用性较高,产生了较为稳定的类腐殖质,增加了样品的腐殖化程度。(4)BDOC和%BDOC分别与ΔSUVA254有较好的负相关性, BDOC及%BDOC与ΔC3,%ΔC3均有较好的正相关性。这意味着两个湖泊CDOM组成直接影响其生物可利用性。     

基于固有光学量的高光谱数据反演城市河网水质

水体辐射传输模型是水体光谱特性分析的理论基础,水体固有光学量由水体组成决定,与水体表面光场无关。基于统计的半经验算法虽然能获取指定区域水质参数反演结果,但是缺乏物理意义;基于生物光学模型的分析算法,针对城市河网内陆Ⅱ类水体光学特性复杂、空间分布异质性强、水体细小、流动性大等特点,利用高光谱数据,研究基于固有光学量的城市河网水质参数反演模型,对内陆城市浑浊水体光谱特性研究具有重大意义。提出了适用于内陆城市河网水体的改进QAA算法,以获取水体固有光学量,改进包括后向散射估计模型调整和参考波段优化两个方面;计算参考波段总吸收系数、颗粒物后向散射系数等固有光学量,得到浮游植物吸收系数和剔除纯水吸收系数;对浮游植物吸收系数最优波段比值与叶绿素a浓度进行线性回归分析,构建叶绿素a水质浓度反演模型,对剔除纯水吸收系数最优波段比值与悬浮物浓度线性回归分析,构建悬浮物水质浓度反演模型。针对内陆河网Ⅱ类水体,以典型的河网城市嘉兴市为研究区域,获取了研究区域航空高光谱数据,以及水质采样化验数据和水面以上光谱数据等地面准同步测量数据;利用QAA算法和IIMIW算法对实测水面以上光谱进行固有光学量反演,对比分析两个算法并结合城市河网水体特点,提出改进QAA算法;利用改进的QAA算法实现了研究区域水体的固有光学量反演,基于反演的水体固有光学量建立了叶绿素a浓度和悬浮物浓度两项水色参数定量反演模型,反演模型决定系数R2分别为0.64和0.71;并用航空高光谱数据同步区域的4个地面样点实测数据,对反演结果进行验证分析。通过水质参数浓度反演值与实测值的对比,叶绿素a和悬浮物水质浓度反演的平均相对误差分别为9.2%和9.4%,反演得到的叶绿素a和悬浮物浓度分布图,也与城市河网的特点和实际情况相符,为城市河网水质监测提供方法和模型参考。     

藻类内源产生有色溶解有机物的吸收和三维荧光特性研究

利用吸收光谱和三维荧光光谱-平行因子分析(EEM-PARAFAC) 方法,研究了海洋中常见的四种硅藻、两种甲藻藻液的CDOM的光吸收性质和三维荧光特性。吸收光谱测定结果表明在六种藻类生长过程中,旋链角毛藻、三角褐指藻、小新月菱形藻和盐生舟行藻四种硅藻以及东海原甲藻和裸甲藻两种甲藻的α(355)分别增加了64.8%,242.3%,535.1%,903.2%,836.0%和196.4%。表征CDOM分子量和类腐殖质组分比例的Sg呈下降趋势,分别降低了8.7%, 34.6%, 39.4%, 53.1%, 46.7%和35.7%。在三维荧光光谱测定中检测出小新月菱形藻和盐生舟行藻两种硅藻藻滤液的CDOM包括三种类腐殖质组分和一种类蛋白质组分：C1(Ex/Em=350(260) nm/450 nm),C2(Ex/Em=260(430) nm/525 nm),C3(Ex/Em=325 nm/400 nm)和C4(Ex/Em=275 nm/325 nm)。随着藻类的生长,小新月菱形藻和盐生舟行藻藻滤液的CDOM荧光强度分别增加了8.68,24.9,7.19,39.8倍和2.64,0.07,4.39,12.4倍,经过相关性分析表明各组分的荧光强度与α(355)和Sg之间均表现为良好的相关性。综上研究结果表明不论是甲藻还是硅藻,在生长过程中藻类内源所产生的CDOM的含量及分子量均表现为上升趋势,且硅藻类相比甲藻增长变化更为明显。在CDOM的组成中,类腐殖质成分随藻类生长所占比重同步增大,类蛋白质组分增长缓慢。另外通过该研究可以发现不同种类的藻所产生的CDOM的吸收光谱有明显差异,由三维荧光光谱得到的不同荧光组分强度也因藻种不同而不同,说明不同藻种在天然海水中对CDOM的贡献有很大区别。     

千岛湖有色可溶性有机物的生物可利用性特征及其环境指示意义

千岛湖水质优良,具有较低的初级生产力和较高的透明度(SDD),探究该湖有色可溶性有机物(CDOM)的微生物降解特征对探究清洁水体有机物迁移转化规律具有重要意义.通过对室内微生物培养实验前后CDOM吸收和荧光光谱的对比分析,探究该湖有色可溶性有机物生物降解特征及指示意义.结果表明,经28 d微生物降解培养后CDOM吸收系...     

厦门湾溶解有机物的三维荧光光谱特征及其来源解析

利用三维荧光光谱-平行因子分析(EEM-PARAFAC)技术,研究了2009年春、秋季厦门湾有色溶解有机物(CDOM)的荧光组分特征,并利用主成分分析方法对影响该海域CDOM分布的主控因素及其相对贡献进行了解析。厦门湾CDOM中含有3个类腐殖质荧光组分(C1,C2和C5)及2个类蛋白质组分(C3和C4)。所有类腐殖质组分之间、以及所有类蛋白质组分之间均有很好的相关性,表明同一类型的荧光组分具有相似的来源属性及地球化学行为。类腐殖质组分的高值区分布在九龙江河口区上游,而类蛋白质组分的高值区则位于厦门西海域北部,低值区都位于东部的厦金海域。排污口附近的局部海域存在污染输入的贡献。对荧光组分进行的主成分分析结果显示,陆源径流输入是厦门湾水体中CDOM荧光组分的主要来源;海区现场生物活动的贡献不大。这表明对PARAFAC识别的荧光组分进行主成分分析,有助于实现对水环境中CDOM的不同来源及其相对贡献率的定量解析。     

高光谱与多光谱遥感影像反演地表不透水面的对比——以Hyperion和TM/ETM+为例

不透水面遥感信息的反演是近十年来遥感领域的一个热门课题,但是利用高光谱影像反演不透水面信息的研究较少,高光谱和多光谱影像反演不透水面的对比研究也少有报道。重点研究了高光谱EO-1 Hyperion和多光谱Landsat TM/ETM+数据在反演不透水面信息方面的特点,首先在福州、广州和杭州选取了三个实验区,利用线性光谱混合分析模型反演Hyperion和TM/ETM+影像的不透水面信息。对于多达242个波段的Hyperion影像,进一步利用判别分析从中选取了11个特征波段构成新的Hyperion’影像,以考察是否可用缩减波段的方法来取得较好的反演效果。结果表明,Hyperion高光谱影像反演不透水面的能力优于多光谱影像TM/ETM+,而利用特征波段构成的Hyperion’的反演精度最高,这主要得益于Hyperion具有更高的光谱分辨率和辐射分辨率,使其可以更有效地区别不同地物在光谱特征和辐射特征上的微细变化,从而可以更好地区分不同地物。而由特征波段构成的Hyperion’影像由于大幅减少了高光谱影像波段的冗余度,所以获得了更高的反演精度。     

大型丝状绿藻生长过程中有色溶解有机质光谱特征的变化

通过室外模拟实验研究崇明岛北湖滩涂大型丝状绿藻常见种-刚毛藻在生长过程中有色溶解有机质(CDOM)的光谱特征变化。利用三维荧光光谱(EEMS)检出的类蛋白和类腐殖酸荧光峰在对照实验中变化不大,而在培养实验中明显增加。采用平行因子模型(PARAFAC)结合三维荧光激发-发射矩阵数据分析得到的CDOM的4个组分: C₁, C₂, C₃, C₄,分别与类腐殖酸荧光峰A(C),M和类蛋白荧光峰B和T有关。培养实验中,4组分分别增加了211.5%,255.8%,75.3%和129.3%;对照实验中除C₁降低34.3%外,其他组分无明显变化。吸收系数a(355)在培养实验中增加了92.9%,并且与4组分显著正相关(P<0.01);对照实验中a(355)降低了59.8%,仅与C₁显著相关(P<0.05)。此外对表征分子量和组成的M值和S值进行比较发现,培养实验中M值和S值均低于对照实验。这说明在刚毛藻生长过程中可能有大分子和较强芳香性的CDOM产生。所有结果表明,刚毛藻的生长过程能够引起CDOM含量和组成结构的变化。     

基于EEMs及PARAFAC的洪湖、东湖与梁子湖CDOM组成特征分析

国内外关于长江中下游地区如洪湖、东湖及梁子湖等大中型浅水湖泊DOM组成特征的分析较少,本文基于2007年9月—10月洪湖、东湖与梁子湖34个站点野外实地采样数据,运用三维荧光图谱(EEMs)与平行因子分析(PARAFAC)模型,着重分析了三个湖泊CDOM吸收荧光特性及组成特征。结果表明,CDOM在350 nm处吸收系数a(350)在三个湖泊表现为洪湖极显著高于东湖与梁子湖(p<0.001);三个湖泊CDOM光谱斜率S_280～500与a(350)呈极显著负相关(R2=0.781, p<0.001)且洪湖S_280～500值极显著低于东湖与梁子湖(p<0.01);光谱斜率比值S_R值也表现为洪湖显著低于东湖与梁子湖(p<0.05)。PARAFAC模型解析得到两个类腐殖质组分(C1, C2),两个类蛋白质组分(C3,C4),其中组分C1与C2呈极显著正相关(R2=0.884,p<0.001),组分C3与C4亦为极显著正相关(R2=0.677,p<0.001),这表明三个湖泊CDOM组分C1与C2,C3与C4来源相似,然而统计结果并未发现四个荧光组分与DOC及Chl-a浓度之间存在任何显著性相关关系。三个湖泊荧光指数FI₂₅₅(HIX),FI₂₆₅,FI₃₁₀(BIX)与FI₃₇₀值均表现为东湖显著高于梁子湖(p<0.05),极显著高于洪湖(p<0.01),这意味着东湖富营养化程度高于洪湖与梁子湖。     

基于CDOM光学特性的近海环境富营养化监测

富营养化是河口港湾一个重要的生态环境问题。传统的富营养化监测与评价需要依靠费时费力的人工采样、实验室分析测定,周期较长,难以实现现场实时快速监测与评价。本文依据2009年2月、5月、8月和10～11月在厦门湾海域的有色溶解有机物(CDOM)与主要环境要素的调查资料,探讨了利用CDOM的光学性质反演COD,TN,TP等富营养化参数的可行性。结果表明：(1)厦门湾表层水体CDOM存在明显的空间和季节性变化,九龙江河口区的丰度最高;(2)陆源输入及浮游植物的现场生产是水体中CDOM的主要来源,因此可建立利用盐度和叶绿素a浓度估算厦门湾CDOM丰度的经验算法,该经验算法的相关系数达0.96,经验算法估算值与实测CDOM之间的相对误差为11.1%±0.71%,精度较高;(3)厦门湾各个季节COD,TN,TP与CDOM吸收系数、荧光组分之间有很好的相关性,总体表现春夏较高、秋季次之、冬季最差;(4)结合上述研究成果,利用厦门湾已建立的水质自动监测系统实时获取的盐度、叶绿素a以及经验公式推导出的CDOM荧光资料,有望克服COD,TN和TP等富营养化指标只能通过人工采样和实验室分析获取的缺点;实现对海域富营养化程度的快速监测与评价。     

用特征光谱荧光标记技术分析水中溶解有机物特性

讨论了一种自然水体中有机物的快速诊断分析方法。介绍了总荧光光谱(TLS)和特征光谱荧光标记(SFS)技术;以激光诱导荧光(LIF)方法测量了水体的总荧光光谱,利用特征光谱荧光标记技术对水体中溶解有机物(DOM)及叶绿素a(Chla)进行了分析,并给出了不同浓度腐殖酸的归一化荧光强度与浓度的关系曲线．结果表明,利用特征光谱荧光标记技术对水体总荧光光谱的分析,可以进行水体污染物的快速、实时和在线监测。