高生产力区LISST－100和OBS对悬浮颗粒物测量的比较研究＊

凡仁福，魏 皓，赵 亮＊

（1.天津科技大学 海洋与环境学院，天津300457；2.天津大学 海洋科学与技术学院，天津300072）

陆架海中悬浮颗粒物的浓度及粒径信息是极其重要的环境参数，广泛用在颗粒物沉降速率和通量的计算、河口地区絮凝机理的探讨等研究中［1－3］。LISST－100（Laser In－Situ Scattering and Transmissometry－100）和OBS（Optical Backscatter Sensor）是现场测量悬浮颗粒物体积分数和浊度的主要光学仪器，它们能够获取具有较高时空分辨率的悬浮颗粒物资料［4－6］。LISST－100能够区分32个呈对数分布的粒级，C型有效粒径测量范围为2.5～500.0μm，通过区分不同粒径颗粒物对激光束的前向散射角度，设置32个接收光环，获得不同粒径悬浮颗粒物的体积分数［3，7］。OBS是通过接收红外辐射光的后向散射强度获得水体浊度值（NTU），以此推算悬浮物浓度，一般认为浊度高则表征悬浮物浓度高［8－9］。其中OBS价格较低、体积小、耗电低，使用方便、多用于锚系或海床基平台长期观测。LISST－100价格昂贵、体积大，不适合长期观测，但在剖面观测中同时可以获得粒径信息，有其优越性。Sutherland等［10］以及张文祥和杨世伦［11］指出，颗粒物粒径大小是影响OBS观测精度的主要因素，生物及水色等因素也会对测量结果产生一定影响，Bunt等［12］发现在颗粒物浓度特高水域OBS观测会产生较大的误差，魏晓等［13］发现光学仪器易受到生物污垢的影响，LISST－100可获得悬浮颗粒物粒径信息从而可剔除粒径的影响。两者测量、推算的悬浮物浓度对不同环境有何响应，仪器的适用性如何还需深入讨论。

本研究基于2013－07于浙江外海高生物生产力区设立的周日观测站由LISST－100（C型）、OBS得到的悬浮颗粒物资料，结合同步观测的叶绿素质量浓度和该区域浮游生物类群特征，分析两仪器观测的悬浮颗粒物剖面随时间的变化规律，探讨在高生物量水体和无机颗粒物占优条件下LISST－100（C型）和OBS测量悬浮颗粒物的适用性。

1 观测方法

2013－07－13—08－02乘“东方红2号”科研考察船在黄、东海开展了夏季航次的综合调查，在此期间，于07－29T12：00起在浙江外海中陆架区（122°34′48″E，28°43′48″N）执行了一个定点周日观测（图1，ME3站），站位平均水深为63m，该站位于上升流海域易形成高生物生产力区，浮游生物活动十分活跃［14－15］。我们采用 LISST－100（C型）和OBS同步进行悬浮颗粒物测量，同时采用SBE 911plus CTD 携带的 Seapoint Chl－a传感器对叶绿素质量浓度进行观测。每小时投放一次仪器获得垂直剖面，取下行观测数据进行质量控制，得到垂向1m平均的各要素数据。表层数据取在水深2m处。

图1 观测站位和水深（m）图Fig.1 Map of grid station with water isobaths contoured in meters

2 结果

2.1 LISST－100测量的总体积分数和OBS测量的浊度

观测时间为2013－07－29T12：00—2013－07－30T11：00，观测结果见图2。LISST－100获得的悬浮颗粒物总体积分数（图2a）变化呈现出分层结构，3个总体积分数高值中心分别位于：2～20m，30～35m，50～60 m，依此将水柱分为上层、中层和近底层水体。上层水体中呈现出白天（12：00—18：00和07：00—11：00）颗粒物总体积分数低（5～20μL／L），夜间（20：00—06：00）高（15～50μL／L）的现象，中层水体中一直存在着一层较薄的颗粒物总体积分数高值层（20～40μL／L），近底层水体中颗粒物总体积分数最高，基本上＞30μL／L，13：00—18：00和03：00—08：00甚至出现颗粒物总体积分数特高（＞40μL／L）时段，与再悬浮有关，这2个时段都处于从涨急、涨憩到落急阶段，对应潮流流速比较大的时段，强的流速变化有利于再悬浮发生（关于沉积物再悬浮详细的动力过程另文介绍，此处略）。

OBS获得的浊度（图2b）变化也呈现出显著的分层现象：2～35m左右的水层为浊度低值区（＜7 NTU），19：00—20：00和03：00—11：00 2～11m水体中浊度为3～5NTU，12：00—06：00 20m水深附近出现浊度最低值水体（＜1NTU），且随时间的推移，浊度最低值水体范围逐渐减小。浊度高值（＞13NTU）分布于45m以深水体中，在近底层水体中出现2个浊度特高（＞19NTU）时段，分别是13：00—18：00和03：00—08：00，与LISST－100的近底层高悬浮颗粒物总体积分数分布趋势相似。

总的说来，LISST－100和OBS测量反映的悬浮颗粒物浓度虽然都存在垂直分层，但各层随时间的变化过程两者反应的各有不同。在50～60m左右的近底层水体中，两者变化趋势基本一致，总体积分数和浊度发生特高时段均相同。上中层水体中两者反映的总体积分数和浊度随时间变化过程不同，LISST－100反映出悬浮物总体积分数在夜间时段（20：00—06：00）显著增加，OBS反映的高浊度时段与此不同，在21：00—02：00的午夜时段反而降低，在20m水深附近呈现浊度最低；30～35m左右的中层水体中LISST－100测量的悬浮物持续维持着较高的总体积分数，是水柱中的极大值，浊度在相应水层未呈现较高值。LISST－100总体积分数与OBS浊度的散点图（图3）同样支持以上结果，2～20m左右的上层水体（蓝色点）中总体积分数在夜间增加，白天降低，浊度始终维持在较低的平稳变化，30～35m左右的中层水体（粉红色点）中浊度低时，总体积分数较高，浊度略有增高时，总体积分数有降低趋势，50～60m左右的近底层水体（黑色点）中总体积分数与浊度为显著的线性关系。两仪器对于悬浮颗粒物的测量反映出的总体积分数及浊度变化过程底层基本相同、中上层不同的原因还需深入分析。

图2 LISST－100总体积分数和OBS浊度的深度－时间剖面图Fig.2 Time－depth variations of LISST－100total volume fraction and OBS turbidity

图3 不同层次LISST－100总体积分数与OBS浊度的散点图Fig.3 LISST－100total volume fraction versus OBS turbidity in the different water layers

2.2 不同粒径颗粒物体积分数和叶绿素质量浓度

通过悬浮颗粒物总体积分数的深度－时间剖面可知，总体积分数高值中心分别位于上层、中层及近底层水体中，而每层水体中颗粒物总体积分数高值区都存在占优粒径谱峰（图4），据此我们将谱峰粒径范围大约在17＜d＜28μm和280＜d＜390μm的颗粒划分为小粒径颗粒物和大粒径颗粒物。

上层水体中小粒径颗粒物体积分数（图5a）变化与总体积分数（图2a）变化趋势基本一致，但更加凸显了夜间时段小粒径颗粒物的增加，且在20～25m水深处夜间时段有极大值，30～35m左右的中层水体没有高值，50～60m左右的近底层水体中同样反映出小粒径颗粒物与总颗粒物体积分数变化趋势的一致性，发生的较高时段也基本一致。

大粒径颗粒物体积分数（图5b）在2～11m左右的水层中较低（＜3μL／L），15～20m左右的水层中夜间时段存在颗粒物体积分数增加现象，30～35m左右的水体中存在颗粒物体积分数最高值（6～30μL／L），与总体积分数相应水层变化趋势一致，大粒径颗粒物一直聚集于此，反映了该水层大粒径颗粒物占优，50～60m左右的近底层水体中在16：00—18：00，21：00—22：00，07：00—09：00颗粒物体积分数较高（7～10μL／L），与总体积分数变化趋势不完全一致。

叶绿素质量浓度（图5c）表层高于中下层，2～11m水深附近存在叶绿素质量浓度最高值（1.0～3.5μg／L），18：00—01：00和10：00—11：00出现叶绿素质量浓度较高（＞2.5μg／L）时段。30m以深水体中叶绿素质量浓度较低（＜0.6μg／L），在01：00—11：00 40～60m左右的水体中叶绿素质量浓度甚至＜0.2μg／L。

图4 不同层次悬浮颗粒物体积分数高值区典型粒径谱图Fig.4 Typical particle size distribution in the different water layers

图5 LISST－100小粒径、大粒径颗粒物体积分数和叶绿素质量浓度的深度－时间剖面图Fig.5 Time－depth variations of small and large particle volume fractions and chl－a mass concentration

3 讨论

海水中悬浮颗粒物通常主要包括有机颗粒和无机颗粒两部分，有机颗粒主要有浮游生物及其尸体、残渣和粪便等；无机颗粒主要有黏土、矿物碎屑等［16–17］。叶绿素质量浓度常用作浮游植物现存量的表征，因此叶绿素质量浓度变化特征能够反应出浮游植物分布特征。根据以往调查知，浙江外海夏季浮游植物以粒径较小的藻类（如中肋骨条藻）占优［18］，LISST－100测出的小粒径颗粒物中应该包含微型浮游植物。夏季浮游动物类群丰富，小型浮游动物纤毛虫、中型浮游动物中华哲水蚤及大型浮游动物肥胖剑虫处于不同水团中［19－21］，LISST－100（C型）的测量范围不能包括大型浮游动物变化，但从前述不同粒径昼夜分布的不同和中层高值可以推测，纤毛虫和中华哲水蚤是分别包含于小粒径和大粒径颗粒物中的。

3.1 高生物量水体LISST－100和OBS测量悬浮颗粒物的比较

2～11m左右的水体中叶绿素质量浓度较高，该层大粒径颗粒物体积分数低，小粒径颗粒物体积分数明显占优（图5），说明该层颗粒物以小粒径的浮游植物为主，小粒径颗粒物体积分数主要是反映了浮游植物生物量的变化；将该层小粒径颗粒物体积分数与对应观测时刻叶绿素质量浓度做散点图（图6），也可以清晰看出两者存在显著相关关系。20～25m左右的水体中浮游植物生物量低，但小粒径颗粒物体积分数夜间时段存在极大值，推测是存在纤毛虫类等小型浮游动物夜间移动到此处摄食饵料而形成颗粒物体积分数极大值现象（图5a）；在15～20m左右的水体中则在夜间时段存在大粒径颗粒物体积分数极大值，说明存在中华哲水蚤等中型浮游动物此处摄食。可知上层水体中以浮游生物颗粒占优，LISST－100和OBS对悬浮颗粒物的测量反映出的总体积分数和浊度随时间变化过程不同（图2）。30～35m左右的中层水体中叶绿素质量浓度低，小粒径颗粒物体积分数低，但是存在大粒径颗粒物体积分数的最大值，推测是大粒径颗粒中华哲水蚤等中型浮游动物聚集于此，何德华等［22］在邻近海域的调查中也发现次表层中型浮游动物丰度高值区，说明此处中型浮游动物颗粒占优，LISST－100能够较为理想地测量出颗粒物体积分数变化过程，OBS未能完全反映出浊度变化；由图7可见大粒径颗粒物体积分数与LISST－100总体积分数呈线性关系，与OBS浊度线性关系不显著。通过上述分析可知，上中层水体浮游生物颗粒占优，LISST－100测量出了颗粒物体积分数变化过程，OBS未能完全反映出浊度变化过程，LISST－100通过激光前向散射原理测量颗粒物的体积分数，由于颗粒物体积与其粒径成立方关系，因此其对大颗粒物质比较敏感。OBS采用后向散射原理通过接收后向散射量强度测量水体浊度，后向散射量强度取决于颗粒物截面面积（后向散射截面）的影响，相同体积分数的悬浮物，粒径大的横截面要小于粒径小的横截面，在高生物量水体中OBS能反映其浊度变化，但是对大粒径浮游生物变化不敏感。

图6 上层（2～11m）叶绿素质量浓度与小粒径颗粒物体积分数的散点图Fig.6 Scatter plot of Chl－a mass concentration and small particle volume fraction in the upper layer（2～11m）

3.2 无机颗粒占优水体LISST－100和OBS测量悬浮颗粒物的比较

50～60m左右的近底层水体中叶绿素质量浓度低，小粒径颗粒物占优，叶绿素质量浓度与小粒径颗粒物体积分数无关（图8），因此判断此处颗粒物中无机颗粒占优。近底层小粒径颗粒物在13：00—18：00和02：00—10：00出现体积分数较高时段，LISST－100总体积分数和OBS浊度在相应时段均分布着较高的体积分数和浊度，说明两仪器在无机小颗粒占优水体中对于悬浮颗粒物的测量均有较好的反映。从小粒径颗粒物体积分数与LISST－100总体积分数及OBS浊度的散点图（图9）看来，LISST－100总体积分数和OBS浊度与小粒径颗粒物体积分数均呈显著的正相关关系，在95%置信度下相关系数分别达到R＝0.89和R＝0.94，OBS浊度更集中于拟合直线。通过上述分析表明，在无机小颗粒占优的水体中LISST－100和OBS对悬浮颗粒物的测量均较为理想，两仪器均能正常观测情况下，使用OBS测量更经济。

图9 近底层（50～60m）小粒径颗粒物体积分数与总体积分数及浊度的散点图Fig.9 Small particle volume fration in the near－bottm layer（50～60m）total volume fraction and turbidity

4 结论

通过使用LISST－100和OBS对浙江外海中陆架区ME3连续站进行周日变化的悬浮颗粒物测量结果分析及比较研究，得出以下主要结论：

浮游生物高生物量水体中，LISST－100能够测量出颗粒物体积分数的变化，OBS未能完全体现出颗粒物浓度的变化。OBS对于小颗粒悬浮物更为敏感，对于高生物量水体OBS虽能反映浓度的变化，但对变化不敏感；LISST－100通过激光前向散射原理测量颗粒物体积分数，颗粒物体积与其粒径成立方关系，因此对于大颗粒物质比较敏感，表现为大粒径颗粒物体积分数变化相对剧烈。无机小颗粒占优水体中LISST－100和OBS对于悬浮颗粒物的测量均较为理想，建议在底层悬浮物长期观测中使用OBS测量浊度，并用称重法获得现场悬浮物质量浓度－浊度曲线进行校正。在悬浮颗粒物组分复杂的水体中，采用LISST－100有其优势，它可以获得不同粒径组分的体积分数，而OBS则适用于更小粒径范围的水体。

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