CN101029891A - 浮游植物初级生产力测量仪及测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浮游植物初级生产力测量仪及测定方法，测量仪包括由光生物反应器和溶解氧检测器组成的测量单元，光生物反应器由集光器、光电板、控温系统和搅拌系统构成，可以提供模拟现场水温和照度的海水环境条件。测定方法包括海水样品采集、现场环境模拟、溶解氧检测和光合作用速率计算。利用浸入光生物反应器内水样的溶解氧传感器测量明反应器中溶解氧浓度值和暗反应器中溶解氧浓度值，并由单片机进行光合作用速率即初级生产力的计算。本发明所涉及的浮游植物初级生产力测量仪具有体积小、重量轻、操作简便等特点，测量方法自动化程度高，提高了时效性，满足了海洋监测、预报的需要。

Description

浮游植物初级生产力测量仪及测定方法

技术领域

本发明涉及水体中浮游植物初级生产力(primary production)的测量仪器和测定方法。

背景技术

浮游植物位于水体中生态系食物链的第一级，是鱼类和其他经济动物的直接或间接的饵料基础，是水域初级生产者，也是水体生态环境的重要因子。浮游植物在决定水域生产性能上具有重要意义，尤其在海洋中，浮游植物与渔业生产以及海洋环境保护均有十分密切的关系。

浮游植物通过光合作用，利用太阳能将无机物、二氧化碳和水，合成具有高能量的有机物，同时放出氧气。因此，植物光合作用速率(photosynthesis)是植物光合作用中生产有机物能力的表征，也称为初级生产力。

植物光合作用速率既可以用单位时间单位体积的产氧量表示，也可以用单位时间单位体积的有机碳产量表示。

现有的浮游植物初级生产力测定方法有测氧法和测碳法两种，分别通过测量和计算浮游植物光合作用的产氧量以及合成有机碳的总量来表示光合作用速率。

测氧法是通过测量透明的玻璃瓶(白瓶)和不透光的棕色玻璃瓶(黑瓶)内培养浮游植物的海水样品中溶解氧浓度的变化来计算浮游植物光合作用速率，又称黑白瓶测氧法。在测量中，将含有浮游植物的水样注入3个玻璃瓶，包括用于浮游植物培养的透明白瓶和不透光黑瓶，另外一个是用于测定培养前溶解氧浓度的零时间瓶。在注入水样后，将零时间瓶中的溶解氧固定，等待回实验室测定；将用于浮游植物培养的黑瓶和白瓶系于绳索上放回原取水样处进行一段时间培养。然后将黑瓶和白瓶中溶解氧固定，再带回实验室测定培养后的溶解氧浓度，并根据培养前、后溶解氧浓度的变化计算由产氧量表示的光合作用速率。

测碳法是把一定数量的放射性碳¹⁴C加入到已知二氧化碳总浓度的海水样品中，经过一段时间的培养后，过滤浮游植物并固定有机碳的含量，再带回实验室测定浮游植物细胞内有机碳¹⁴C的量，即可计算浮游植物通过光合作用合成有机碳的总量。测碳法又称碳¹⁴C示踪法。

上述测量浮游植物光合作用速率的测氧法和测碳法，具有相同的培养步骤，即需要在现场温度和光照条件下进行浮游植物的培养。在培养过程中调查船就不能离开现场，限制和降低了海洋监测的工作效率。此两种方法的培养时间一般在2～24小时，即浮游植物密度大、营养盐丰富的水样和光照、温度适宜的天气条件下，培养时间可能短一些，否则培养时间要长一些。上述两种方法均不能做到连续实时检测，只能凭测量经验确定培养时间。为了有较好的测量精度，往往将培养时间设定得长一些，从而延长了测定时间。而且，上述方法均需要在现场培养，培养后将样品固定，再回实验室检测，检测仪器不能在现场使用，不能一次完成浮游植物光合作用速率的测量。

为了提高光合作用速率测量的工作效率，解决调查船不能离开现场的问题，近年来，出现了采用模拟现场光照强度和温度的方法进行测量。如，根据水下照度计测定取样处的光照强度，将培养瓶罩上相应的培养罩并置于阳光下，以模拟水下光照强度条件下进行浮游植物光合作用培养；采用抽取表层海水为培养瓶水浴的方式，力争保持培养期间温度的恒定，以模拟现场海水温度条件下进行浮游植物光合作用培养。这种模拟与实际环境状况相差甚远，因为常备培养罩的光透过率仅为有限的几种，对水下光照强度不能连续模拟，对水下光照强度的模拟只作到粗略的近似。另外，用表层海水为培养瓶水浴只能达到恒温的作用，模拟不了水下现场温度，特别是，初级生产力测量通常在表层水温与下层水温相差较大的夏季进行，与实际状况相差就更大了。

总之，浮游植物光合作用速率的测量方法和技术尚处于不断进步中，但是，现有的测量方法和技术不能一次完成测量，测量时间较长，时效性差，对环境的模拟粗糟，测量的精度差，不能满足海洋环境监测、预报的需要；而且，测量操作复杂，自动化程度低，依然存在的大量手工操作增加了海洋调查和监测人员的劳动强度。

发明内容

针对上述浮游植物初级生产力现有测量技术所存在的问题，本发明推出测量浮游植物光合作用速率的专用仪器，实现在模拟海上现场温度和光照条件下浮游植物的自动培养和光合作用速率的自动测量。

本发明所涉及的浮游植物初级生产力测量仪是基于测氧法的原理而设计的。系统由进样单元、测量单元和计算控制单元组成。进样单元执行将待测样品或清洗水注入测量单元的功能；测量单元执行反应、测量过程的检测功能；计算控制单元执行检测结果的计算和测量过程控制。

进样单元由进样泵和输水管组成，输水管将进样泵与测量单元的光生物反应器内部连通。测量单元由光生物反应器和溶解氧检测器组成。溶解氧检测器与计算控制单元的单片机连接，计算控制单元由单片机及其外围设备(存储器、液晶显示器、键盘)组成。

光生物反应器是为待测浮游植物提供培养和检测条件的装置，由集光器、光电板、控温系统和搅拌系统构成，可以提供模拟现场水温和照度的海水环境条件。

集光器是光生物反应器的主体，为有机玻璃材料制成的方柱形壳体，用作盛待测海水水样并使水样中浮游植物在模拟现场环境下接收光照培养的密闭容器。集光器结构设计上采取了组合方式，即底座与方柱形上部分体设计，便于集光器内部清洗。集光器内设置有促使水样循环流动的搅拌系统以及控温系统的温度传感器，集光器侧壁上安装布排发光二极管阵列的光电板和控温系统的半导体加热/制冷器。

搅拌系统由微型磁力搅拌泵和循环管路组成，使集光器内的海水流动。磁力搅拌泵置于集光器底座上，可以直接提供水平方向的流速。集光器外侧设置上下安装的循环管路，循环管路的两端分别通过集光器下部和上部的侧壁与集光器内部连通。在磁力搅拌泵动力作用下水样沿循环管路上下循环流动，从而使水样在水平方向流动的同时实现垂直方向上的循环混合。搅拌系统采用水平加垂直复合的搅拌方式，使搅拌更加均匀和流速稳定，满足了溶解氧测量的要求。

光电板有两块，分别安装在方柱形集光器对称的两侧壁外面。光电板上设置发光二极管阵列作为模拟光源，可以发射出近似太阳光谱的平行光，光照强弱可连续调节，可模拟太阳光在水下任意深度的光照强度。

控温系统包括温度传感器、控温器和半导体加热/制冷器。温度传感器浸没在集光器所盛的海水水样中，可连续测量水样的温度。两块半导体加热/制冷器紧贴方柱形集光器对称的两侧壁外面安装，可以加热也可以制冷，以调节集光器内海水水样的温度。控温器是控温系统的控制装置，外侧面板上有显示屏和操作键，内部设置控制电路。温度传感器和半导体加热/制冷器与控温器连接，控温系统使集光器内的水样实现现场海水温度的模拟。

溶解氧检测器用于测量集光器内含有浮游植物的海水水样的溶解氧浓度，检测器的溶解氧传感器设置在集光器内的水样中。传感器的测量信号在检测器的控制面板上以溶解氧浓度形式显示出来，控制面板上有对检测器进行操作和校准的按钮。溶解氧检测器与计算控制单元的单片机连接。

计算控制单元由单片机及其外围设备组成，单片机与溶解氧检测器、控温系统、发光二极管阵列相连。计算控制单元执行检测结果的计算和测量过程控制。

利用本发明涉及的上述测量仪进行浮游植物初级生产力的测定方法包括：海水样品采集、现场环境模拟、溶解氧检测和光合作用速率计算。

海水样品采集

利用进样单元的进样泵，将两个光生物反应器的集光器注满海水水样。所取海水水样来自含有浮游植物的待测现场水体。

现场环境模拟

对两个光生物反应器集光器内注满的水样进行现场环境模拟，模拟海上现场的水温和水下光照。通过集光器内光电板上的发光二极管阵列和控温系统的半导体加热/制冷器以及促使水样循环流动的搅拌系统，使一个光生物反应器模拟现场海水温度，另一个光生物反应器同时模拟现场海水温度和光照强度。只模拟现场海水温度的光生物反应器称为暗反应器，同时模拟现场海水温度和光照强度的光生物反应器称为明反应器。

浮游植物培养和溶解氧检测

待温度、光照和流速稳定后，进入培养和检测阶段，利用浸入光生物反应器内水样的溶解氧传感器测量明反应器中溶解氧浓度值和暗反应器中溶解氧浓度值，并传递给单片机。仪器开始检测时，单片机记录初始时刻t₀，同时记录明反应器的初始溶解氧值DO₁₀和暗反应器的初始溶解氧值DO₂₀；然后，连续测量反应器内水样的溶解氧。溶解氧传感器对于水样溶解氧的测定为连续无损检测，待反应信号足以计算初级生产力时，计算控制单元立即完成测量计算，并终止测量。

光合作用速率计算

单片机根据培养初始和终止的溶解氧浓度变化计算初级生产力。明反应器培养前后的溶解氧差值除以培养时间即为净光合作用速率，光合作用中所放出氧的一部份被浮游植物藻体细胞自身代谢消耗了，暗反应器培养前后的溶解氧差值除以培养时间即为呼吸速率。光合作用所放出的总氧量即总光合作用速率是净光合作用速率与呼吸速率的和，即为浮游植物初级生产力。

本发明所涉及的浮游植物初级生产力测量仪的生物反应器容积小，满足测量传感器小型化的要求，使仪器具有体积小、重量轻、操作简便等特点。本发明所涉及的应用上述浮游植物初级生产力测量仪的测量方法自动化程度高，采用模拟现场条件的培养方式，测量中无需调查船在现场停泊等待，极大地提高了工作效率。本发明对初级生产力的测量可在现场一次完成，测量时间较传统方法有较大缩短，提高了时效性，满足了海洋监测、预报的需要。本发明对环境的准确模拟和应用单片机对自动测量中的各步骤时间精确计量，使得对初级生产力的测量比传统方法有更好的精度。

附图说明

图1为浮游植物初级生产力测量仪结构框图。

图2为浮游植物初级生产力测量仪的光生物反应器结构示意图。

图3为浮游植物初级生产力测定方法流程图。

图中标记说明：

1、集光器            2、光电板

3、方柱形上部        4、底座

5、搅拌泵            6、循环管路

7、控温器            8、溶解氧传感器

9、温度传感器        10、半导体加热/制冷器

U₁、进样单元        U₂、测量单元

U₃、计算控制单元    S₁、海水样品采集

S₂、现场环境模拟    S₃、浮游植物培养和溶解氧检测

S₄、光合作用速率计算

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。

图1显示本发明所涉及的浮游植物初级生产力测量仪组成结构框图。如图1所示，本发明所涉及的浮游植物初级生产力测量仪由进样单元U₁、测量单元U₂和计算控制单元U₃组成。进样单元U₁由进样泵和输水管组成，输水管将进样泵与测量单元U₂的光生物反应器内部连通。测量单元U₂由光生物反应器和溶解氧检测器组成。两个光生物反应器分别为明反应器和暗反应器，并各自配置一个溶解氧检测器。光生物反应器和溶解氧检测器均与计算控制单元U₃的单片机连接。

图2显示本发明所涉及的浮游植物初级生产力测量仪的光生物反应器结构简图。

如图2所示，光生物反应器由集光器1、光电板2、控温系统和搅拌系统构成。

集光器1是盛待测海水水样的密闭容器，结构设计上采取了组合方式，即方柱形上部3与底座4分体设计。搅拌系统的微型磁力搅拌泵5设置在集光器的底座4内，集光器1外侧上下安装的循环管路6的两端分别通过集光器下部和上部的侧壁与集光器内部连通。控温系统的温度传感器9和溶解氧检测器的传感器8从上部插入集光器1内。温度传感器9为Pt100铂电阻温度传感器。集光器1侧壁上安装布排发光二极管阵列的光电板2和控温系统的半导体加热/制冷器10，两块光电板2分别安装在集光器相对的两侧壁外面，两块半导体加热/制冷器10安装在集光器另外相对的两侧壁外面，光电板2与半导体加热/制冷器10在集光器侧壁上相间设置。每个光电板2上排布有30个高光强发光二极管(LED)组成6×5的发光二极管阵列。

设置在集光器外部的控温器7与半导体加热/制冷器10、温度传感器9组成的控温系统调节集光器内海水水样的温度，控温范围2～30℃，实现现场海水温度的模拟。

溶解氧传感器的测量信号在检测器的控制面板上以溶解氧浓度形式显示出来，控制面板上有对检测器进行操作和校准的按钮。溶解氧检测器与计算控制单元的单片机连接。单片机与溶解氧检测器、控温系统、发光二极管阵列相连。计算控制单元执行检测结果的计算和测量过程控制。

图3为浮游植物初级生产力测定方法流程图。

如图3所示，利用本发明涉及的上述测量仪进行浮游植物初级生产力的测定方法包括：海水样品采集S₁、现场环境模拟S₂、浮游植物培养和溶解氧检测S₃以及光合作用速率计算S₄。

海水样品采集S₁

首先用采水器从要求的水层采集海水样品，同时用水下照度计和温度计分别测定现场的照度和温度。将本仪器的进样管放入待测水样中，开启进样泵，为两个光生物反应器的集光器灌注海水水样，待有水样从集光器溢水口溢出后，关闭进样泵。

现场环境模拟S₂

对两个光生物反应器集光器内注满的水样进行现场环境模拟。开启溶解氧检测器，开启搅拌泵，开启控温器，根据现场温度和照度测定值，设定明、暗两反应器的控制温度值和明反应器控制光照强度，通过集光器内光电板上的发光二极管阵列和控温系统的半导体加热/制冷器以及促使水样循环流动的搅拌系统，使暗反应器模拟现场海水温度，明反应器同时模拟现场海水温度和光照强度。

浮游植物培养和溶解氧检测S₃

在温度、光照和流速稳定后(3分钟)，进入自动培养和检测阶段，利用浸入光生物反应器内水样的溶解氧传感器测量明反应器中溶解氧浓度值和暗反应器中溶解氧浓度值，并传递给单片机。仪器开始检测时，单片机记录初始时刻t₀，同时记录明反应器的初始溶解氧值DO₁₀和暗反应器的初始溶解氧值DO₂₀；然后，溶解氧检测器每5秒测定一次反应器中的溶解氧，同时传送给单片机。溶解氧检测器对于水样溶解氧的测定为连续无损检测，待反应信号足以计算初级生产力时，计算控制单元立即完成测量计算，并终止测量。

光合作用速率计算S₄

单片机根据培养初始和终止的溶解氧浓度变化计算初级生产力。单片机在测量初始时刻15分钟后，根据明反应器溶解氧当前检测值DO₁₁、暗反应器的溶解氧当前检测值DO₂₁和当前时刻进行第一次初级生产力P的测定计算，计算公式如下：

$P=\frac{({\mathrm{DO}}_{11}-{\mathrm{DO}}_{10})+({\mathrm{DO}}_{20}-{\mathrm{DO}}_{21})}{t_1-t_0}$

以后每5分钟进行一次初级生产力P的测定计算，当(DO₁₁-DO₁₀)+(DO₂₀-DO₂₁)≥0.10mgO₂/dm³·h并且最后两次初级生产力P的测定计算结果的差值≤0.02mgO₂/dm³·h，便终止测量，并显示最后一次初级生产力P的测定计算结果，否则继续测量下去；如果测量已经进行了2小时，仍然(DO₁₁-DO₁₀)+(DO₂₀-DO₂₁)＜0.10mgO₂/dm³·h或虽然(DO₁₁-DO₁₀)+(DO₂₀-DO₂₁)≥0.10mgO₂/dm³·h但最后两次初级生产力P的测定计算结果的差值＞0.02mgO₂/dm³·h，也终止测量，并显示最后一次初级生产力P的测定计算结果。

Claims (8)

1、一种浮游植物初级生产力测量仪，包括由进样泵和输水管组成的进样单元、由单片机及其外围设备组成的计算控制单元，其特征在于，还包括由光生物反应器和溶解氧检测器组成的测量单元，光生物反应器由集光器、光电板、控温系统和搅拌系统构成，可以提供模拟现场水温和照度的海水环境条件；集光器为有机玻璃材料制成的用作盛待测海水水样的方柱形密闭容器，输水管将进样泵与光生物反应器的集光器内部连通，溶解氧检测器与计算控制单元的单片机连接。

2、根据权利要求1所述的浮游植物初级生产力测量仪，其特征在于，控温系统包括温度传感器、控温器和半导体加热/制冷器，温度传感器浸没在集光器所盛的海水水样中，两块半导体加热/制冷器紧贴方柱形集光器对称的两侧壁外面安装，温度传感器和半导体加热/制冷器与控温器连接。

3、根据权利要求1所述的浮游植物初级生产力测量仪，其特征在于，集光器内设置的搅拌系统由微型磁力搅拌泵和循环管路组成，磁力搅拌泵置于集光器底座内，可以直接提供水平方向的流速；集光器外侧设置上下安装的循环管路，循环管路的两端分别通过集光器下部和上部的侧壁与集光器内部连通，在磁力搅拌泵动力作用下水样沿循环管路上下循环流动，从而使水样在水平方向流动的同时实现垂直方向上的混合。

4、根据权利要求1所述的浮游植物初级生产力测量仪，其特征在于，光电板有两块，分别安装在方柱形集光器对称的两侧壁外面。

5、根据权利要求4所述的浮游植物初级生产力测量仪，其特征在于，每个光电板上排布有30个高光强发光二极管(LED)组成6×5的发光二极管阵列。

6、一种利用权利要求1所述浮游植物初级生产力测量仪的浮游植物初级生产力测定方法，其特征在于包括：海水样品采集、现场环境模拟、溶解氧检测和光合作用速率计算；海水样品采集是利用进样单元的进样泵，将两个光生物反应器的集光器注满海水水样；现场环境模拟是对两个光生物反应器集光器内注满的水样进行现场环境模拟，通过集光器内光电板上的发光二极管阵列和控温系统的半导体加热/制冷器以及促使水样循环流动的搅拌系统，使一个光生物反应器模拟现场海水温度，另一个光生物反应器同时模拟现场海水温度和光照强度；浮游植物培养和溶解氧检测是在温度、光照和流速稳定后，进入培养和检测阶段，利用浸入光生物反应器内水样的溶解氧传感器测量明反应器中溶解氧浓度值和暗反应器中溶解氧浓度值，并传递给单片机；光合作用速率计算是由单片机根据培养初始和终止的溶解氧浓度变化计算初级生产力。

7、根据权利要求6所述的浮游植物初级生产力测定方法，其特征在于，仪器开始检测时，单片机记录初始时刻t₀，同时记录明反应器的初始溶解氧值DO₁₀和暗反应器的初始溶解氧值DO₂₀；然后，溶解氧检测器每5秒测定一次反应器中的溶解氧，同时传送给单片机。

8、根据权利要求6所述的浮游植物初级生产力测定方法，其特征在于，单片机根据培养初始和终止的溶解氧浓度变化计算初级生产力，单片机在测量初始时刻15分钟后，根据明反应器溶解氧当前检测值DO₁₁、暗反应器的溶解氧当前检测值DO₂₁和当前时刻进行第一次初级生产力P的测定计算，计算公式如下：

$P=\frac{({\mathrm{DO}}_{11}-{\mathrm{DO}}_{10})+({\mathrm{DO}}_{20}-{\mathrm{DO}}_{21})}{t_1-t_0}$

以后每5分钟进行一次初级生产力P的测定计算，当(DO₁₁-DO₁₀)+(DO₂₀-DO₂₁)≥0.10mgO₂/dm³·h并且最后两次初级生产力P的测定计算结果的差值≤0.02mgO₂/dm³·h，便终止测量，并显示最后一次初级生产力P的测定计算结果，否则继续测量下去；如果测量已经进行了2小时，仍然(DO₁₁-DO₁₀)+(DO₂₀-DO₂₁)＜0.10mgO₂/dm³·h或虽然(DO₁₁-DO₁₀)+(DO₂₀-DO₂₁)≥0.10mgO₂/dm³·h但最后两次初级生产力P的测定计算结果的差值＞0.02mgO₂/dm³·h，也终止测量，并显示最后一次初级生产力P的测定计算结果。

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