太阳辐射在水中的传输与分布主要受到纯水、藻类颗粒物、非藻类颗粒物及有色可溶性有机物(CDOM)等水体组分的共同影响.由于所有水体中纯水对太阳辐射的吸收和散射作用是相同的，因此，藻类颗粒物、非藻类颗粒物与CDOM共同决定了水体的固有光学特性(IOP)，也就是不受外界光场影响仅受水体组分影响的水体光学特性.通过研究不同水体的固有光学特性，将有利于从固有光学量的变化特征探索不同水体的构成，进而探索内陆水体生态环境、水动力环境的状态及演化，还可以为遥感反演水质参数提供先验知识.

国内外很多关于水体固有光学特性的研究都将焦点放在了海洋、大型湖泊和河流上.例如，张运林等(2006)对太湖梅梁湾水体悬浮颗粒物和CDOM的吸收特性进行了全面的研究与分析；乐成峰等(2008)对太湖梅梁湾水体不同季节的吸收特性差异进行了研究；曹文熙等(2003)对珠江口悬浮颗粒物吸收光谱进行了探讨；Sasaki等(2001)对北太平洋及南白令海海水生物光学特性进行了分析；Yacobi等(2003)对美国Georgia州若干条河流中可溶性有机碳(DOC)和CDOM的吸收特性进行了分析.这些研究工作分析了各研究区水体固有光学特性的时空分布规律，讨论了影响不同水体固有光学特性的主要因素，为进一步分析水体生态环境及水质参数遥感反演提供了先验知识.

然而针对城市水体固有光学特性的研究却很少见.事实上，城市水体(小型湖泊和河流)在城市生态系统中扮演着重要角色，并直接影响到市民的生活.近年来，随着我国的城市化进程的快速发展，城市水体受到越来越多的人为污染影响，城市饮用水源地、城市景观水体的水质不断恶化.研究城市水体的固有光学特性，除了可以探索水体生态环境状态并为遥感监测提供先验知识外，还可以进一步分析人为因素的影响.

昆明湖是北京市最负盛名的旅游景点之一，位于北京颐和园内，原为北京西北郊众多泉水汇聚成的天然湖泊，后经人工修浚，至清朝成为皇家园林颐和园的一部分.然而，近几年来昆明湖水体出现了富营养化趋势，特别是湖泊南部已经出现过藻类爆发式生长的现象.因此，本文通过实验室测量的方法得到昆明湖水中悬浮颗粒物与CDOM的吸收光谱及叶绿素a浓度等水质参数，对昆明湖水体固有光学特性进行分析.

2011年9月23日在昆明湖均匀布设10个采样点(图 1)，水样当天运回实验室，保存在0~4 ℃冰箱中.颗粒物吸收与CDOM吸收，以及叶绿素a与悬浮颗粒物浓度在水样采集后4 d内全部测量完毕.

图 1(Fig. 1)

图 1 昆明湖采样点分布图 Fig. 1 Sampling sites in Kunming Lake

总颗粒物吸收系数使用定量滤膜法(Quantitative Filter Technique，QTF)进行测量.用直径25 mm、孔径0.7 μm的GF/F滤膜过滤水样，以同型号湿润的空白滤膜作为参比，在岛津UV-2550分光光度计中测量吸光度.测量吸光度的波长区间为400~700 nm，每隔1 nm进行1次测定，用各波长原始吸光度减去700 nm处吸光度，并使用式(1)(Cleveland et al., 1993)进行光程放大因子校正，颗粒物吸收系数按照式(2)(Cleveland et al., 1993)计算得到.

使用次氯酸钠对滤膜上的总颗粒物进行漂白，得到非藻类颗粒物.测量非藻类颗粒物吸收系数的方法与总颗粒物相同，此处不再赘述.总颗粒物吸收系数a_p(λ)减去非藻类颗粒物吸收系数a_d(λ)即得到藻类颗粒物吸收系数a_ph(λ)：

CDOM吸收系数测量时先用孔径为0.22 μm的Millipore滤膜过滤水样，然后测定其吸光度，并由下式(Bricaud et al., 1981)计算得到CDOM吸收系数：

非藻类颗粒物与CDOM吸收光谱可以用负指数函数近似表达：

叶绿素a浓度(Chl-a)采用热乙醇法测量(陈宇炜等，2006).首先用直径47 mm、孔径0.7 μm的GF/F滤膜过滤水样，将滤膜在-18 ℃环境中冷冻至少48 h，然后用90%纯度的热乙醇进行叶绿素a萃取.用GF/F滤膜对萃取液进行过滤后测定滤液的吸光度，由吸光度计算得到叶绿素a浓度.

将GF/F空白滤膜放入程控箱式炉中，设定温度为550 ℃灼烧4 h，烧去滤膜中的水分和有机物；记录灼烧后空白滤膜的质量，再用空白滤膜过滤一定体积的水样，接着将载有悬浮物的滤膜放入鼓风干燥箱，在105 ℃温度下烘干4 h，取出后冷却称重；用烘干后的滤膜质量减去空白滤膜质量即可得到总悬浮颗粒物质量，再除以过滤的水样体积就得到总悬浮物浓度(TSS).

将载有悬浮物的干燥滤膜放入程控箱式炉，在550 ℃温度下灼烧4 h，以去除悬浮物中的有机物.滤膜冷却后称重得到的质量减去空白滤膜的质量就是无机物质量，再除以过滤水样体积就是无机悬浮物浓度(ISS).

总悬浮物浓度减去无机悬浮物浓度就是有机悬浮物浓度(OSS).

均值、标准差、线性与非线性拟合均使用Origin 8.0软件进行计算与分析.

图 2给出了昆明湖10个采样点总颗粒物吸收、非藻类颗粒物吸收、藻类颗粒物吸收和CDOM吸收的光谱.从总颗粒物吸收光谱中可以看到，不同采样点间总颗粒物吸收系数差异较大，a_p(440)在0.47~1.02 m^-1范围内变化，均值为(0.73±0.20)m^-1.从曲线形状大致可以看出，吸收系数随波长增加呈现出不断下降的趋势，而440 nm和675 nm附近的两个吸收峰则与叶绿素a在这两个波段的强吸收作用有关.

图 2(Fig. 2)

图 2 所有采样点总颗粒物(a)、非藻类颗粒物(b)、藻类颗粒物(c)及CDOM(d)吸收光谱 Fig. 2 Absorption spectra of ap(a), ad(b), aph(c), ag(d)on all sampling sites

图 3为10个采样点总悬浮颗粒物、藻类颗粒物与非藻类颗粒物吸收系数均值光谱，所有采样点的总颗粒物、藻类颗粒物与非藻类颗粒物的吸收光谱均符合图 3所示的类型，即总颗粒物吸收系数光谱形状与藻类颗粒物吸收系数光谱相似.藻类颗粒物对于总颗粒物吸收系数的贡献很大；非藻类颗粒物的吸收作用较弱，在400~500 nm的蓝光波段对总颗粒物吸收有所贡献，而随着波长增大，非藻类颗粒物的吸收系数迅速降低.这种光谱类型主要出现在叶绿素浓度较高、无机颗粒物浓度较低的水体(Sasaki et al., 2001; Sosik et al., 1995; Dupouy et al., 1997).本次实验开展时正处于藻类大量生长的夏秋之交，实验当天湖面无风，水中泥沙沉积在湖底，悬浮物浓度很低，符合这一类型光谱出现的条件.

图 3(Fig. 3)

图 3 昆明湖颗粒物典型吸收模式 Fig. 3 Spectral features of absorption of particulates in Kunming Lake

对a_p(440)、a_p(675)与叶绿素a浓度进行线性相关性分析(表 1)发现，a_p(440)与叶绿素a浓度几 乎没有相关性(r=0.33)，而a_p(675)与叶绿素a浓度具有显著的线性相关性(r=0.96).这说明440 nm附近的总颗粒物吸收系数受非藻类颗粒物的影响很大，藻类颗粒物的吸收作用被非藻类颗粒物掩盖.而到了675 nm附近，非藻类颗粒物的吸收系数很小，藻类颗粒物吸收峰非常明显，藻类颗粒物吸收作用占主导地位，a_p(675)与叶绿素a浓度之间的相关系数达到0.96.另外，a_p(440)、a_p(675)与a_ph(440)、a_ph(675)之间均具有显著线性相关性，r都大于0.97，p值都小于0.001.这证明440 nm和675 nm处的吸收峰与藻类颗粒物在这两个波长处的强吸收作用有关.

表1(Table 1)

表1 颗粒物吸收系数、悬浮物及叶绿素a浓度之间的线性相关关系 Table 1 Linear relationship between absorption of particulates，concentrations of suspended matter and chlorophyll-a

表1 颗粒物吸收系数、悬浮物及叶绿素a浓度之间的线性相关关系 Table 1 Linear relationship between absorption of particulates，concentrations of suspended matter and chlorophyll-a ap(440) ad(440) aph(440) ap(675) ad(675) aph(675) TSS ISS OSS Chl-a ap(440) 1.00                   ad(440) 0.14 1.00                 aph(440) 0.99 0.37 1.00               ap(675) 0.98 0.00 0.97 1.00             ad(675) 0.00 0.00 0.00 0.00 1.00           aph(675) 0.98 0.00 0.97 0.99 0.00 1.00         TSS 0.45 0.52 0.52 0.28 0.00 0.28 1.00       ISS 0.00 0.00 0.53 0.65 0.00 0.65 0.00 1.00     OSS 0.89 0.64 0.82 0.68 0.00 0.69 0.89 0.00 1.00   Chl-a 0.33 0.17 0.94 0.96 0.00 0.96 0.33 0.53 0.67 1.00

非藻类颗粒物吸收系数a_d(λ)随波长的增大而减小，a_d(440)在0.07~0.16 m^-1范围内变化，均值为(0.12±0.03)m^-1.许多研究表明，非藻类颗粒物较为稳定的吸收光谱可以用负指数函数进行近似表示(朱建华等，2004；柳彩霞等，2011).通过建立非藻类颗粒物吸收系数随波长变化的函数关系，就能通过任意波长已知的吸收系数计算其他波长的吸收系数，这对于降低生物光学模型的复杂程度具有重大意义.对所有10个采样点非藻类颗粒物吸收光谱在400~700 nm波长范围内进行拟合，得到的指数斜率S_d的变化范围是9.7~18.3 μm^-1，均值为(14.3±2.9)μm^-1，非线性拟合决定系数(R²)均值为0.82.其中，决定系数最高的4号点的结果如图 4所示.与国内外其他研究相比(张运林等，2006；曹文熙等，2003；Bricaud et al., 1990；Pierson et al., 2001)，本次实验得到的S_d变化范围和均值都比较大(表 2).

图 4(Fig. 4)

图 4 非藻类颗粒物吸收光谱实测值与模拟值对比 Fig. 4 Comparison between measured and modeled values of ad

表2(Table 2)

表2 不同水体非藻类颗粒物Sd值比较 Table 2 Comparison of the values of Sd in different water bodies

表2 不同水体非藻类颗粒物Sd值比较 Table 2 Comparison of the values of Sd in different water bodies 研究区域 波段/nm 参考波长/nm Sd值范围/μm-1 Sd均值/μm-1 文献来源 太湖 400~700 440 9.4~12.0 10.9±2.0 张运林等，2006 珠江口 400~700 400 10.1~17.1 12.0±0.6 曹文熙等，2003 黄东海 380~600 440 8.2~12.0 10.3±0.9 朱建华等，2004 Sargasso Sea 380~750 440 8.0~15.0 10.9±1.9 Bricaud and et al., 1990 Lake Malaren 400~750 400 9.0~13.0 11.3±1.5 Pierson et al., 2001 昆明湖 400~700 440 9.7~18.3 14.3±2.9 本研究

藻类颗粒物吸收光谱的特征表现为440 nm和675 nm附近的叶绿素a吸收峰.虽然光谱特征一致，但不同采样点藻类颗粒物吸收系数的值差异很大，这主要是因为不同采样点叶绿素a浓度差异大.a_ph(440)和a_ph(675)的变化范围分别是0.34~0.91 m^-1和0.14~0.42 m^-1，均值分别为(0.61±0.21)m^-1和(0.27±0.10)m^-1.各采样点a_ph(440)和a_ph(675)与叶绿素a浓度均成正相关关系，且采样点越靠南，叶绿素a浓度越高.这可能是因为昆明湖水由北侧流入从南侧流出，且北京秋季盛行北风，湖中的藻类颗粒物易向南漂移，导致湖泊南部藻类聚集，叶绿素a浓度高，藻类颗粒物吸收系数也高.

从表 1中可以看到，a_ph(440)和a_ph(675)与叶绿素a浓度之间均具有显著的线性关系(图 5). a_ph(675)与叶绿素a的线性关系略好于a_ph(440)，这是由于非藻类颗粒物在440 nm附近吸收作用较强，对藻类颗粒物吸收影响较大；而非藻类颗粒物在675 nm附近的吸收系数已经非常接近于0，对藻类颗粒物吸收的影响很小，因此，675 nm处藻类颗粒物吸收系数与叶绿素a浓度的线性关系要好于440 nm处.很多研究也都证明了藻类颗粒物吸收系数和叶绿素a浓度之间具有线性或非线性关系.例如，Gallegos(2003)对LowerSt. Johns河口的研究证明两者具有线性关系；曹文熙等(2003)在珠江口的研究表明两者具有幂函数关系；Bricaud等(1995)对地中海、大西洋等的研究显示，两者具有指数函数关系.

图 5(Fig. 5)

图 5 藻类颗粒物吸收系数aph(440)、aph(675)与叶绿素a浓度的线性关系 Fig. 5 Linear relationship between aph(440)，aph(675)， and Chl-a

CDOM的吸收系数随波长增大而逐渐降低，在650 nm附近接近于0.a_g(440)的变化范围是0.24~0.37 m^-1，均值为(0.30±0.04)m^-1.由于CDOM浓度很难测量，一般用特征波长400 nm或440 nm处的吸收系数表征其浓度，吸收系数越高则CDOM浓度越大.相比于太湖梅梁湾a_g(440)夏季均值(1.37±0.23)m^-1(张运林等，2006)，昆承湖a_g(440)春季均值为(1.80±0.26)m^-1(柳彩霞等，2011)，说明昆明湖的CDOM吸收很低.

与非藻类颗粒物相似，CDOM的吸收系数光谱也能够用负指数函数进行定量表示.对10个采样点CDOM吸收光谱在300~650 nm范围内进行拟合，指数斜率S_g的变化范围是14.9~18.1 μm^-1，均值为(16.7±1.2)μm^-1，非线性拟合决定系数均大于0.99.这一结果与国内外其他学者得到的CDOM吸收系数光谱指数斜率相差不大(表 3).

表3(Table 3)

表3 不同水体有色可溶性有机物Sg值比较 Table 3 Comparison of the values of Sg in different water bodies

表3 不同水体有色可溶性有机物Sg值比较 Table 3 Comparison of the values of Sg in different water bodies 研究区域 波段/nm 参考波长/nm Sg值范围/μm-1 Sg均值/μm-1 文献来源 太湖 280~500 440 14.7~16.4 15.52±0.4 张运林等，2006 黄东海 380~500 440 14.7~19.8 17.5±1.2 朱建华等，2004 Georgia rivers 300~450 440 13.0~22.0 16.0±0.8 Yacobi et al., 2003 昆明湖 300~650 440 14.9~18.1 16.7±1.2 本研究

浮游植物死亡后的降解作用是CDOM的来源之一，很多研究结果都表明，叶绿素a浓度与CDOM特征波段吸收系数之间存在特定关系.Rochelle-Newall等(2002)发现，Chesapeake湾中叶绿素a浓度与CDOM吸收系数之间存在显著的正相关性.

张运林等(2006)发现，太湖梅梁湾水体叶绿素a浓度与a_g(440)之间的关系可以用幂函数表示.本次实验也进行了相关研究，对a_g(440)和叶绿素a浓度进行了线性、指数、幂函数拟合，结果显示，两者并不存在特定函数关系，最高的决定系数出现在指数拟合中，但也只有0.11.考虑到该季节昆明湖南部湖区藻类聚集，因此，不能排除藻类来源的贡献也不小.a_g(440)和叶绿素a浓度不存在显著的相关关系，可能跟藻类分布的不均匀有关系.此外，密云水库是昆明湖的水源地，京密引水渠将库区水体经怀柔水库引入北京市区并最终汇入昆明湖.因此，外源也是CDOM的来源之一.

本文将光合有效辐射(PAR)波段(400~700 nm)范围内的藻类颗粒物、非藻类颗粒物和CDOM吸收系数的平均值(分别用_ph、_d、_g表示)之和作为每个采样点的总吸收系数_total，即：

以藻类颗粒物、非藻类颗粒物和CDOM吸收系数的平均值与总吸收系数的比值作为藻类颗粒物、非藻类颗粒物和CDOM对总吸收作用的贡献(分别用w_ph、w_d、w_g表示)，得到各组分吸收贡献率如表 4所示.

表4(Table 4)

表4 水体各组分吸收贡献率 Table 4 Contribution percentage by different water constitutes

表4 水体各组分吸收贡献率 Table 4 Contribution percentage by different water constitutes 采样点 ph/m-1 d/m-1 g/m-1 total wph wd wg P01 0.303 0.066 0.103 0.472 0.642 0.140 0.218 P02 0.164 0.051 0.125 0.340 0.482 0.150 0.368 P03 0.194 0.044 0.145 0.383 0.506 0.115 0.379 P04 0.209 0.066 0.100 0.375 0.557 0.176 0.267 P05 0.217 0.068 0.113 0.398 0.550 0.171 0.284 P06 0.200 0.048 0.103 0.351 0.570 0.137 0.293 P07 0.432 0.040 0.106 0.578 0.747 0.069 0.183 P08 0.337 0.028 0.144 0.509 0.662 0.055 0.283 P09 0.386 0.039 0.105 0.530 0.728 0.074 0.198 P10 0.423 0.036 0.150 0.609 0.695 0.059 0.246

整体来看，藻类颗粒物对总吸收作用的贡献最大，平均贡献率达到61.4%，最高达到74.7%；其次是CDOM，贡献率在18.3%~37.9%之间，均值为27.2%；非藻类颗粒物的吸收份额最低，在5.5%~17.6%之间，均值为11.5%.这说明秋季的昆明湖中，藻类颗粒物吸收在水体总吸收中占有优势从而成为吸收作用的主导因子.图 6是各采样点吸收贡献率曲线，从图中可以看出，各采样点不同组分对总吸收的贡献大小关系比较一致，即藻类颗粒物>CDOM>非藻类颗粒物.

图 6(Fig. 6)

图 6 水体各组分对吸收贡献率曲线 Fig. 6 Contribution percentages curves by different water constitutes

本研究表明，各采样点均表现出相似的吸收模式，即总颗粒物吸收光谱与藻类颗粒物类似，且藻类颗粒物吸收作用强于非藻类颗粒物.非藻类颗粒物与CDOM吸收系数随波长增大接近指数衰减规律.通过与相关研究进行比较发现，昆明湖非藻类颗粒物和CDOM的指数斜率S与已有研究相差不大，但CDOM吸收系数很小，表明CDOM浓度很低.同时，并未发现a_g(440)与叶绿素a浓度间具有特定的函数关系，可能与藻类分布不均匀有关系.藻类颗粒物吸收光谱在440 nm和675 nm附近的吸收峰明显，藻类颗粒物吸收与叶绿素a浓度具有显著的线性相关性.a_ph(440)和a_ph(675)与叶绿素a浓度正相关，且湖泊南部藻类颗粒物吸收系数与叶绿素a浓度均大于北部.各采样点不同组分对总吸收的贡献不同，但都表现为同一类型，即藻类颗粒物所占比例最大，CDOM次之，非藻类颗粒物最低.