波罗的海南部表层水体中经过粒径分级处理的悬浮颗粒物的光学性质和成分分析

《Journal of Marine Systems》：Optical properties and composition of size-fractionated suspended particulate matter samples from the surface waters of the southern Baltic Sea

　　斯拉沃米尔·B·沃兹尼亚克|尤斯蒂娜·梅勒|乔安娜·斯通-埃吉尔特
波兰科学院海洋学研究所，索波特，波兰

**摘要**
在波罗的海南部不同季节采集的原水样品和经过粒度分选的表层水样品中，测量了悬浮颗粒的固有光学特性（IOPs）和各种整体组成特征。测量的IOPs包括颗粒的光谱衰减系数（cp(λ)）、光谱散射系数（bp(λ)）、颗粒的光谱吸收系数（ap(λ)），以及去色素化（非藻类）颗粒（ad(λ)）和浮游植物的光谱吸收系数（aph(λ)）。通过测量悬浮颗粒物质（SPM）、颗粒有机物质（POM）、颗粒无机物质（PIM）以及浮游植物色素（包括叶绿素a（Chla）的质量浓度，来表征悬浮颗粒混合物的整体组成。所有光学和生物地球化学测量都是在原始（即未过滤的）海水样品以及使用尼龙网和膜过滤器组合进行过滤得到的粒度分选海水样品上同时进行的。这使我们能够确定三种主要颗粒尺寸组分——非常小（VS）、小（S）和中大（ML）颗粒——对整体SPM和Chla浓度以及所分析的各种光学系数的贡献。我们的原始样品显示出整体颗粒物质组成的较大变异性，不同主要颗粒尺寸组分之间存在明显的组成差异。获得的生物地球化学数据还间接表明，研究区域内的各个样品之间的颗粒尺寸分布存在显著差异。通过进行的光学测量，我们记录到VS、S和ML组分对所分析光学系数的贡献在各个样品之间存在很大变化；然而，在大多数情况下，S组分的贡献最高。我们还记录了不同颗粒尺寸组分在系数cp,X(λ)的平均光谱斜率以及SPM特定系数bp,X*(λ)和ad,X*(λ)和Chla特定系数aph,X*(Chla)(λ)的平均值之间的明显差异（下标X象征所选的颗粒尺寸组分——VS、S或ML）。此外，还确定了悬浮物质的光学特性与描述颗粒尺寸组分之间比例和组成变化的选定生物地球化学比率之间的一些近似（最佳拟合）统计关系。例如，我们记录了SPMML/SPM（表示ML组分对悬浮物质整体质量浓度的贡献）与cp(λ)的光谱斜率之间的关系，或者对于选定的光波长λi，系数bp*(λi)或ad*(λi)的值之间的关系。我们还展示了ChlaML/Chla（表示ML组分对水中叶绿素a整体浓度的贡献）与系数aph*(Chla)(λi)的值之间的关系。

**引言**
考虑到世界海洋和海域的多样性，即开阔水域以及沿海和内陆地区，海水自然变化的微观组成与其各种光学特性之间的关系可能非常复杂。提高对这些复杂关系的理解并开发准确且实用的定量描述是海洋光学中的一个重要且仍然相关的任务。这一具体任务可以被视为基础科学研究的一个基本问题，也是海洋科学应用领域的一个重要问题——用于海洋颜色的遥感。
在海水的光学显著组分中，通常区分三个主要类别：1）含有溶解无机盐的化学纯净水；2）有色溶解有机物质（CDOM）；3）悬浮颗粒物质，即组成和来源各异的悬浮颗粒组合。鉴于这最后一个非常广泛的类别的作用，众所周知，光在海水中的传播会受到悬浮颗粒浓度、它们组成的物质、颗粒的大小、形状和内部结构变化的影响。过去许多研究人员研究了悬浮颗粒物质在海水中的光学各个方面。关于颗粒在海水中的光吸收和散射的基本知识的进展可以在经典海洋光学专著中找到，例如Jerlov（1976）、Kirk（1994）、Mobley（1994）、Jonasz和Fournier（2007）、Wo?niak和Dera（2007）的研究成果，以及Mobley（2022）的最新综述。另一方面，被动光学遥感的许多应用方面在海洋颜色遥感协调组（IOCCG）的一系列报告中得到了充分记录（参见IOCCG，2021年及更早的报告）。
海洋颗粒光学的一个重要方面是理解构成海水中自然组合的不同大小颗粒的作用，以及颗粒尺寸分布（PSD）与海水整体光学特性之间的关系。以下是过去二十五年中发表的关于这一主题的重要研究和综述文章的非详尽列表：Boss等人，2001年；Bowers等人，2009年；Bricaud等人，2004年；Briggs等人，2013年；Ciotti等人，2002年；Dall'Olmo等人，2009年；Davies等人，2014年；Koestner等人，2020年；Organelli等人，2018年；Reynolds等人，2016年；Slade和Boss，2015年；Slade等人，2011年；Stramski等人，2004年；或Twardowski等人，2001年。我们团队的成员也过去参与了数据收集工作，以增进对这一主题的理解。以下是我们自己的一些重要研究示例：Wo?niak和Stramski，2004年；Wo?niak等人，2010年；Wo?niak等人，2018年；Wo?niak等人，2022年；Wo?niak等人，2024年。
如上述引用示例所示，过去进行了许多关于不同大小颗粒在塑造海水整体光学特性中所起作用的建模和实验研究。然而，迄今为止很少有实验研究同时包括对水体IOPs和表征悬浮颗粒物质的各种生物地球化学参数的广泛测量。我们目前的工作旨在为专注于全面理解光学和生物地球化学特性与海洋环境中自然存在的不同大小悬浮颗粒之间关系的综合性实验现场研究做出有价值的贡献。
在这项研究中，我们重点研究了波罗的海的水质特性。总体而言，波罗的海是一个半封闭的、相对较浅的半咸水盆地，受到流入其中的许多河流的强烈影响，这些河流通常携带高浓度的溶解和悬浮的陆源物质。关于这一海洋环境的广泛海洋学特征可以在Voipio（1981年）、Lepp?ranta和Myrberg（2009年）或Kuliński和Pempkowiak（2012年）等研究中找到。波罗的海也是海洋光学文献中提到的光学复杂海洋环境的一个很好的例子（参见IOCCG，2000年）。许多研究人员对其光学特性进行了深入研究。关于颗粒在海水中的光吸收和散射的基本知识的进展可以在经典海洋光学专著中找到，例如Jerlov（1976年）、Kirk（1994年）、Mobley（1994年）、Jonasz和Fournier（2007年）、Wo?niak和Dera（2007年）的研究，以及Mobley（2022年）的最新综述。另一方面，被动光学遥感的许多应用方面在海洋颜色遥感协调组（IOCCG）的一系列报告中得到了充分记录（见IOCCG，2021年及更早的报告）。
海洋颗粒光学的一个重要方面是理解构成海水中自然组合的不同大小颗粒的作用，以及颗粒尺寸分布（PSD）与海水整体光学特性之间的关系。以下是过去二十五年中发表的关于这一主题的重要研究和综述文章的非详尽列表：Boss等人，2001年；Bowers等人，2009年；Bricaud等人，2004年；Briggs等人，2013年；Ciotti等人，2002年；Dall'Olmo等人，2009年；Davies等人，2014年；Koestner等人，2020年；Organelli等人，2018年；Reynolds等人，2016年；Slade和Boss，2015年；Slade等人，2011年；Stramski等人，2004年；或Twardowski等人，2001年。我们团队的成员也过去参与了数据收集工作，以扩展我们对这一主题的理解。以下是我们自己的一些重要研究成果示例：Wo?niak和Stramski，2004年；Wo?niak等人，2010年；Wo?niak等人，2018年；Wo?niak等人，2022年；Wo?niak等人，2024年。

如上述引用示例所示，过去已经进行了许多关于不同大小颗粒在塑造海水整体光学特性中所起作用的建模和实验研究。然而，迄今为止很少有实验研究包括对水体IOPs和表征悬浮颗粒物质的各种生物地球化学参数的广泛同时测量。我们目前的工作旨在为关注全面理解光学和生物地球化学特性与海洋环境中自然存在的不同大小悬浮颗粒之间关系的综合性实验现场研究做出有价值的贡献。
在这项研究中，我们重点研究了波罗的海的水质特性。总体而言，波罗的海是一个半封闭的、相对较浅的半咸水盆地，受到许多流入其中的河流的强烈影响，这些河流通常携带高浓度的溶解和悬浮的陆源物质。关于这一海洋环境的广泛海洋学特征可以在Voipio（1981年）、Lepp?ranta和Myrberg（2009年）或Kuliński和Pempkowiak（2012年）等人的研究中找到。波罗的海也是海洋光学文献中所谓的光学复杂海洋环境的一个好例子（参见IOCCG，2000年）。许多研究人员对其光学特性进行了深入研究。适当的引用列表可以在Dera和Wo?niak（2010年）的研究中找到，而以下示例可以说明这一环境的特殊和独特的光学特性：Kowalczuk（1999年）——记录了通常在波罗的海中高浓度存在的CDOM的特性；Darecki和Stramski（2004年）——记录了为波罗的海特定环境建立准确的叶绿素a浓度光学遥感算法的复杂性；以及Wo?niak等人（2011年）——记录了在这一海域观察到的IOPs的高度变异性。
为了实现本研究的目标，我们计划使用一种相对简单的水体悬浮物质物理分选技术，通过一系列具有定义孔径的网和过滤器对海水样品进行级联过滤。此前Ciotti等人（2002年）和Koestner等人（2020年）等人也使用过这种技术。然而，与以往其他研究人员的工作不同，我们计划将这种技术应用于大量水样，并在海上采集后立即进行。此外，我们计划对物理分选后的大量水样进行广泛的光学测量以及各种生物地球化学分析。所有这些都是为了更好地理解自然发生的性质变化以及不同悬浮颗粒尺寸类别/组分对整体海水IOPs值及其整体生物地球化学特性的影响。
我们新实验努力的一些结果（但仅考虑到颗粒对光的吸收，并且仅使用有限的颗粒生物地球化学信息）已经由Meler等人（2023年）提出和讨论。然而，与之前的工作不同，在本文中，我们使用了在过去几年在波罗的海收集的数据集的扩展版本，并同时讨论了不同大小悬浮颗粒组分的各种光学特性。具体来说，我们讨论了颗粒的光谱衰减系数、颗粒的光谱散射系数，以及非藻类颗粒和浮游植物的光谱吸收系数。

**采样区域和时期**
出于研究目的，我们在波罗的海南部的选定区域、开阔海域、格但斯克湾和普克湾采集了海水样品。所有采样站的位置如图1所示。采样是在r/v Oceania号四次短途研究航行期间进行的，时间分别为2021年的2月、4月和9月，以及2023年5月。在本文中，我们展示并分析了21个样品的性质数据。

**执行的程序**
在研究区域不同时间采集的悬浮颗粒物质样品的生物地球化学特性通常表现出显著的变异性。这一点从表1中的统计数据得到了证实。该表格涵盖了所有21个采集的样品。对于这些样品，我们能够展示原始样品的主要生物地球化学特性以及两种主要悬浮颗粒尺寸组分的特性。

**总结和最终评论**
在本文中，我们展示了一组在波罗的海南部光学复杂海洋环境的不同时间和地点采集的粒度分选表层水样品上进行的光学和生物地球化学测量结果。关于不同颗粒尺寸组分的特性和作用，最重要的发现总结如下：
关于生物地球化学特性，所呈现的结果证实了……

**作者声明**
斯拉沃米尔·B·沃兹尼亚克：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、方法论、研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。
尤斯蒂娜·梅勒：研究。
乔安娜·斯通-埃吉尔特：研究。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

**致谢**
数据收集以及初步和最终数据分析得到了波兰科学院海洋学研究所（IOPAN）的法定研究计划的支持。我们感谢Dagmara Litwicka、IOPAN的其他同事以及r/v Oceania号的船员在准备和进行现场研究方面提供的帮助。