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赤潮光谱特征及形成机制

赤潮是海水中的浮游生物在一定条件下过度增殖或聚集致使海水变色的一种生态异常现象。近年来,我国沿海赤潮灾害的发生呈现出次数增加、规模扩大、有毒赤潮种比例上升等趋势;赤潮已经成为我国和世界的一大海洋灾害,引起了各国政府及科学界的高度重视。2001年,开展了围隔培养实验进行不同优势种赤潮的培养,辅以实验海域附近的赤潮现场捕获,以此方式获取了不同优势种赤潮水体的现场遥感反射率光谱数据。本文对于赤潮光谱特征进行了分析研究,尤其侧重于对于不同种赤潮间光谱差异以及赤潮光谱反射峰、吸收峰成因的探讨。

 

1、赤潮与正常海水的光谱差异

从光谱形态上看,在400~900 m波段区间,不同种类的赤潮光谱均呈明显的双峰形态分布,尤其,位于687~728m的第二反射峰,是赤潮水体光谱区别于正常海水光谱的特征反射峰,这一点已成功地被用于基于航空高光谱遥感的赤潮检测算法之中。

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图1 不同种类的赤潮光谱

2、赤潮种类间光谱特征的差异

利用光谱微分法提取不同种类赤潮光谱的第二反射峰波长信息,结果如表1所示。

表1 不同种类赤潮光谱的第二反射峰波长

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可见,红色中缢虫赤潮第二反射峰峰值波长大于720 m,与其他三种赤潮光谱具有显著差别,该反射峰在我国近海赤潮光谱研究未见报道。中肋骨条藻与丹麦细柱藻的第二反射峰波长范围基本一致,并且与赵冬至等观测的叉角藻赤潮以及黄韦艮等观测的裸甲藻赤潮光谱特征峰范围基本吻合。海洋褐胞藻赤潮光谱数据的数量有限,考虑到现场观测中可能存在的多种影响因素,待该种类赤潮光谱数据丰富后再行确定其第二反射峰波长范围会更有意义。第二反射峰波长信息,可用以将红色中缢虫赤潮与其他种类赤潮区别开来,但进行其他赤潮种类识别时,应谨慎利用这一信息。一个有趣的现象是:与其他三种浮游植物赤潮光谱相比,红色中缢虫赤潮光谱整体上红移了20~25 nm,而这四种赤潮光谱曲线的第一与第二反射峰之间的波长间隔却基本一致。

 

三、浮游植物赤潮光谱特征的成因

洋褐胞藻、中肋骨条藻、丹麦细柱藻是三种引发赤潮的浮游植物,我们将其归为一类进行分析。浮游植物色素(主要为叶绿素、胡萝卜素及其他附属色素)、无机悬浮颗粒物、有色溶解有机物是决定海水光学性质的三大要素,共同影响着海洋的离水辐射信息(如:遥感反射率光谱),综合考虑这三种水色要素的光谱性质,我们对于实验测定的赤潮光谱反射峰、吸收峰的成因有如下认定。

1、  相对较高浓度的无机悬浮物是570~585 nm第一反射峰产生的主要原因,由于其对光的强散射作用湮没了叶绿素在550 nm的反射峰,使之无法从光谱曲线中明显地表现出来,较高浓度的无机悬浮物的出现与实验海域在近岸有直接关系。

2、  藻蓝蛋白(Phycocyanin)这一附属色素在615~630nrn的吸收作用形成了640 nm波长附近的反射光谱肩峰。

3、  位于670 m附近的吸收峰源自叶绿素的强吸收作用。

4、  赤潮水体光谱第二反射峰,与黄色物质和悬浮泥沙的存在及其含量无关,归因于叶绿素在该波段的荧光特性。以往的海洋光学研究中,一般认为叶绿素的荧光峰在685nm,而近年来的实验观测与光谱模拟研究均表明,随着叶绿素a浓度的升高,在荧光峰强度增大的同时,荧光出射波长也会随之红移。

5、  光谱曲线在800 nm附近的微小反射峰的产生,是因为纯水在该波段具有吸收的极小值。

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4、红色中缢虫赤潮光谱特征的成因

红色中缢虫是目前唯一的有报道的能形成赤潮的原生动物,本身无色,以浮游植物为食。有研究表明,红色中缢虫体内还共生着藻类,这就意味着由红色中缢虫这种原生动物引发的赤潮与色素浓度的异常升高并导致水色异常有关,而这部分色素源于红色中缢虫体内的共生藻类和浮游植物色素碎屑。由于缺乏同步的现场生物观测资料,这种可能性还有待进一步确认:从另一方面来讲,藻类色素是否具备出射波长大于720 nm荧光的能力呢?传统的海洋光学理论将叶绿素作为浮游植物的唯一代表性色素,仅考虑该种色素的吸收和荧光特性,难以对于原生动物的赤潮给出合理的解释。所以,有必要从光合作用机制出发,将藻类的所有光合作用色素作为一个有机体进行综合的考虑。在藻类叶绿体内,光合作用通过光系统 I (PS I)和光系统Ⅱ(PS Ⅱ)的协同工作得以进行;我们注意到,有研究表明,褐藻PS I复合物的低温荧光发射一般位于720~728 m之间。如果了解了常温下该藻的荧光发射特性,那么这种推断才可能得以成立。红色中缢虫的摄食偏好及与藻类的共生特性研究将有助于解释这一现象,此外,这些藻类的光合作用特征尤其是常温下的荧光发射特性是另外一个关键问题。

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红色中缢虫

5、结论

借助多种方式获取了不同优势种赤潮水体的现场遥感反射率光谱数据。经分析发现,赤潮与正常海水的光谱差异在于687~728 nm波段的特征反射峰,浮游植物赤潮与原生动物赤潮间具有显著的光谱差异,可据此进行某些赤潮种类的遥感识别。给出了浮游植物赤潮光谱反射峰、吸收峰成因;红色中缢虫这一原生动物引起的水色异常,与其体内的共生藻类及浮游植物色素碎屑有关;其摄食偏好、与藻类的共生特性研究以及藻类常温下的荧光发射特性研究,将有助于加深对于红色中缢虫赤潮光谱成因的认识。

 

 

 

 

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