CN103954747B - 一种同时测定河流浮游藻类和附生藻类初级生产力的装置和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同时测定河流浮游藻类和附生藻类初级生产力的装置和应用。所述装置包括样品光反应单元、环境模拟单元和测量控制单元；所述样品光反应单元为若干组藻类光反应器，每一组藻类光反应器包括至少一个浮游藻光反应器和至少一个附生藻光反应器。所述环境模拟单元为光照、水温和水流环境模拟，其中光照环境为设计同一光源环境下不同组的藻类光反应器采用不同的遮光度；水温与水流环境模拟为采用设置于样品光反应单元外部的水流槽，所述水流槽设有进水口和出水口；所述测量控制单元包括溶解氧传感器和控制面板，其中溶解氧传感器探头深入藻类光反应器水样中。本发明有适用于河流藻类初级生产力测定，操作简单，能同时获得浮游藻类和附生藻类的初级生产力和光合作用参数，提高实验效率。

Description

一种同时测定河流浮游藻类和附生藻类初级生产力的装置和应用

技术领域

本发明涉及一种初级生产力的检测装置，更具体地，涉及一种同时测定河流浮游藻类和附生藻类的初级生产力的装置和应用。

背景技术

藻类是河流生态系统中主要生产者，一般分为浮游藻类和底栖藻类，其初级生产力是食物网结构的能量和物质的主要来源，是鱼类和其它水生动物的饵料。在大型河流中，不同河段浮游藻类和底栖藻类因生境差异对生态系统初级生产力的贡献不同。藻类的初级生产力可以用单位时间单位面积的产氧量表示，也可以用单位时间单位面积的有机碳产量表示。目前测定藻类初级生产力的方法主要有测氧法和测碳法，前者通过测量藻类光合作用的产氧量，后者计算其合成的有机碳量。

测氧法又称黑白瓶法，主要测量透明玻璃瓶（白瓶）和不透光玻璃瓶（黑瓶）中浮游藻类培养前后的溶解氧变化量来计算其初级生产力。在测量中，将含有浮游藻的水样分别装入3个玻璃瓶中，包括用于培养浮游植物的白瓶和黑瓶，另一个为测定浮游植物培养前溶解氧浓度的零时间瓶。在注入水样后，将初始时间瓶的溶解氧固定，带回实验室测定；将用于培养浮游藻类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的溶解氧固定，再带回实验室测定培养后溶解氧浓度，并根据培养前后溶解氧浓度变化计算产氧量表示光合作用速率。

测碳法又称碳14C示踪法，是把已知数量的14C加入已知二氧化碳浓度水样中，经过一段时间培养后，过滤浮游藻类并固定有机碳的含量，在带回实验室测定浮游植物细胞内有机碳14C的量，即可计算浮游藻类通过光合作用合成有机碳的总量。

上述测量浮游藻类光合作用速率的测氧法和测碳法，具有相同的培养步骤，且都只适用于流速较小或者静止的生态水体，比如海洋、湖泊、水库，不适用于流速较大的河流生态系统。上述两种方法仅适用于浮游藻类的初级生产力测定，不能同时完成河流浮游藻和附生藻类初级生产力的测量，也不能得出藻类光合作用参数，从而无法了解藻类的光合作用机制。目前未见同时测定河流浮游藻类和附生藻类的初级生产力的技术报道。

发明内容    

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种结构简单、操作方便、运行成本低、且能够同时完成大型河流浮游藻类和附生藻类初级生产力测定的装置。

本发明要解决的另一技术问题是提供所述装置的应用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种同时测定河流浮游藻类和附生藻类初级生产力的装置，包括样品光反应单元、环境模拟单元和测量控制单元；

所述样品光反应单元为若干组藻类光反应器，每一组藻类光反应器包括至少一个浮游藻光反应器和至少一个附生藻光反应器，所述浮游藻光反应器充满水样，所述附生藻光反应器装有基质并充满水样；

所述藻类光反应器包括箱体、盖板以及保证箱体和盖板密封的结构，箱体底部置于水流槽底部；所述盖板上设有注水孔，注水孔配有孔塞；所述保证箱体和盖板密封的结构包括贴设于盖板四周的硅胶垫以及夹住盖板和箱体边缘的密封夹。测定试验时，用密封夹夹住盖板和箱体边缘并在注水空处盖上硅胶塞可使整个光反应器密封。所述密封夹可以采用常规的长尾夹或其他类似的夹子。

所述环境模拟单元为为光照、水温和水流环境模拟，其中光照环境为设计同一光源环境下不同组的藻类光反应器采用不同的遮光度；水温与水流环境模拟为采用设置于样品光反应单元外部的水流槽，所述水流槽设有进水口和出水口；

所述测量控制单元包括溶解氧传感器和控制面板，其中溶解氧传感器探头深入藻类光反应器水样中，且探头前部设有搅拌头，而控制面板体内装有单片机和电源，单片机与溶解氧传感器相连。

优选地，所述藻类光反应器有机玻璃材料制成。所述水流槽也可以采用有机玻璃、玻璃或者其他可用的材料制成。

所述若干组藻类光反应器为5组，每一组包括一个浮游藻光反应器和一个附生藻光反应器，那么所述样品光反应单元由10个藻类光反应器组成，可以实现不同光照环境模拟条件下的测定。

优选地，所述5组藻类光反应器的遮光度分别为100%、70%、50%、30%、0%。

优选地，所述每个藻类光反应器是体积为3.375L的带盖正方体，盖板边沿贴有2cm宽的硅胶片，板上设有直径为2.5cm的注水孔。

本发明同时提供所述装置的应用，具体应用于应用于大型河流或远距离野外实验研究中对藻类初级生产力或光合作用的参数测定方面。

应用所述装置检测藻类初级生产力或光合作用的参数时，操作方法包括以下步骤：

S1.构建本发明所述的装置；

S2.采集水样和附有附生藻的基质，将基质装入附生藻类光反应器中，密封附生藻类光反应器和浮游藻光反应器，从浮游藻光反应器和附生藻类光反应器的注水孔中分别注满水样，盖上硅胶塞；

S3.向水流槽中连续不断注入水样，待水流槽中水样的流速稳定后，测定初始溶解氧浓度；

S4.将装置置于光照下培养，培养结束后测量终止溶解氧浓度；

S5.根据初始溶解氧浓度和终止溶解氧浓度、浮游藻类光反应器水样的体积、附生藻类光反应器基质上附着藻类的面积和培养时间计算不同遮光条件下单位体积浮游藻类初级生产力、单位面积附生藻类初级生产力和光合作用的参数。

本发明具有以下有益效果：

本发明首次提供了一种可以同时完成河流浮游藻类和附生藻类的初级生产力以及其光合作用情况的测定研究的装置，一次性完成浮游藻类和附生藻类两种重要初级生产者光合作用速率的测量，弥补了现有只能测定其中一种藻类初级生产力的缺陷，提高了光合作用速率测量的工作效率。

本发明所设计的藻类初级生产力检测装置制作方法简单，价格低廉，操作简单，无需专业的电力设备，适用于远距离野外实验，并解决了大型河流中传统黑白瓶法难操作、附生藻类初级生产力难测量等困难。

附图说明

图1本发明装置的结构示意图。

附图1中：1为水流槽；2为附生藻类光反应器；3为浮游藻类光反应器；4为注水孔和硅胶塞；5为带搅拌头的溶解氧传感器和控制面板，控制面板内装有单片机和电源；6为附生藻光反应器中的基质；7为进水口，8为出水口；ABCDE表示5组不同遮光度有机玻璃制成光反应器。

图2浮游藻类和附生藻类光合-光度拟合曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。除非特别说明，本发明实施例采用的原料和设备为本技术领域常规的原料和设备。

实施例1

如附图1所示，本实施例提供一种同时测定河流浮游藻类和附生藻类初级生产力的装置，包括样品光反应单元、环境模拟单元和测量控制单元；

本实施例中所述样品光反应单元为5组藻类光反应器（附图1中所示A、B、C、D、E组），每一组藻类光反应器包括一个浮游藻光反应器和一个附生藻光反应器，例如A组藻类光反应器包括浮游藻光反应器3和附生藻光反应器2。所述浮游藻光反应器3充满水样，所述附生藻光反应器2装有基质6并充满水样；本实施例中基质6为待测试河流附着有藻类的石头（本领域技术人员也可以采用来源于测试河床或者河岸的其他基质，基质种类不对本发明发生限定）。

所述藻类光反应器为有机玻璃材料，形状为带盖的正方体。包括箱体、盖板以及保证箱体和盖板密封的结构，箱体底部置于水流槽1底部；所述盖板上设有注水孔4（注水孔配有硅胶塞）；所述保证箱体和盖板密封的结构包括贴设于盖板四周的硅胶垫以及夹住盖板和箱体边缘的密封夹。测定试验时，用密封夹夹住盖板和箱体边缘并在注水空处盖上硅胶塞可使整个光反应器密封。所述密封夹可以采用常规的长尾夹或其他类似的夹子。所述藻类光反应器在测试过程中是封闭的，很好地保证反应器中的溶解氧只受到反应器中藻类的光合作用和呼吸作用的影响，而不受外界的干扰；将光反应器放入流水槽中，并保证流水槽中的河水循环流动，一方面是为了方便在实验中向藻类光反应器中注水，另一方面主要是为了保证光反应器的温度与现场河流河水的水温一致。

所述环境模拟单元为为光照、水温和水流环境模拟，其中光照环境为设计同一光源环境下不同组的藻类光反应器采用不同的遮光度，附图1中所示A、B、C、D、E组藻类光反应器采用不同遮光度的有机玻璃材料制成，遮光度分别为0%、30%、50%、70%、100%，试验时，每组光反应器可接受不同梯度的现场光照。

水温与水流环境模拟为采用设置于样品光反应单元外部的水流槽1，所述水流槽1设有进水口7和出水口8；

所述测量控制单元包括溶解氧传感器和控制面板5，其中溶解氧传感器探头深入藻类光反应器水样中，且探头前部设有搅拌头，而控制面板体内装有单片机和电源，单片机与溶解氧传感器相连。

为了方便说明，本实施例提供各单元结构尺寸如下，但并不因此限定本发明：浮游藻光反应器3和附生藻光反应器2的体积分别为3.375L，可分别培养浮游藻类和附生藻类，在培养附生藻类的箱体中放入附有附生藻的基质，基质主要以石头为主。本实施例流槽1为体积100cm×50cm×18cm的无盖长方体，两端分别设有直径为2.5cm的进水口7和出水口8，两者安装位置错开，距槽底部14cm左右。

应用本发明装置的操作步骤为：首先采集水样和附有附生藻的石头，将石头放入附生藻类光反应器2中，盖上所有光反应器的盖板，用长尾夹将盖和箱体边缘加紧，用虹吸法从注水孔4中注入河水，以排除箱内空气，箱内注满水后盖上硅胶塞；再通过人工或用水泵从水流槽1进水口处连续不断注入现场河水，确保出水口处水流在实验结束前不停止；然后待水流槽中流速稳定后，在控制面板5上打开溶解氧传感器5的测量开关，探头处搅拌头旋转使水体溶解氧均匀，并利用单片机设置溶解氧传感器每20秒自动测定一次溶解氧，然后将前6次的溶解氧值自动储存在单片机5中，作为初始溶解氧浓度，结束后将装置置于日最强光照时段培养2～3小时（10:00～15:00）。培养结束后，继续设置每20秒自动测量一次，将测量6次数据自动储存在单片机中，作为终止溶解氧浓度。最后根据单片机记录的溶解氧起始值和结束值、浮游藻类光反应器河水的体积、附生藻类光反应器基质上附着藻类的面积以及培养时间等数据计算不同光照下单位体积浮游藻类初级生产力和单位面积附生藻类初级生产力。

浮游藻类初级生产力计算：

NP₀=（O₂-O₁）/T，CR₀=（O₃-O₄）/T，GPP₀=NP₀+CR₀

附生藻类初级生产力计算：

NP1=（（O₀₂-O₀₁）- NP₀*(V-V₁)*T/V）/(T*M)，CR1=（O₀₃-O₀₄）- CR₀*(V-V₁)*T/V )/(T*M) ，GPP₁=NP₁+CR₁

光合-光度曲线方程：P^B = P^B _maxtanh (α^B E/P^B _max)，P^B=(NP+CR)/B

式中：O₁和O₂分别为0%遮光度下浮游藻类光反应器溶解氧的开始值和终止值；O₃和O₄分别为100%遮光度下浮游藻类光反应器溶解氧的开始值和终止值；NP₀为浮游藻类群落净初级生产力，CR₀为浮游藻类群落呼吸率，GPP₀为浮游藻类总初级生产力，三者单位为mgO2.L^-1.h^-1；O₀₁和O₀₂分别为0%遮光度下附生藻类光反应器溶解氧的开始值和终止值；O₀₃和O₀₄为100%遮光度下附生藻类光反应器溶解氧的开始值和终止值；V为藻类光反应器的体积（L），V₁为附生藻附着基质的体积（L），M为附生藻附着的面积（m²）；NP₁为附生藻类群落净初级生产力，CR₁为附生藻类群落呼吸率，GPP₁为附生藻类总初级生产力，三者单位为mgO2.m^-2.h^-1；T为培养的小时数；NP为每种遮光度下浮游藻或附生藻的群落净初级生产力，CR为100%遮光度下浮游藻或附生藻的呼吸速率，B为浮游藻（μg/L）或附生藻（mg/m²）的生物量。P^B为光合作用速率；P^B _max 是指无光抑制现象出现时，此光合作用速率的最大值(理论值)；α^B 为曲线的起始切线斜率；E代表的是光度，饱和光度E_k= P^B _max/α^B，两者单位为μmol photons .m^-2.s^-1。将不同遮光度下浮游藻类和附生藻类的P^B和E带入光合-光度曲线方程（见附图2所示），可以得到浮游藻类和附生藻类的现场光合作用理论值、饱和光度等光合作用参数。

通过以上计算方法可获得浮游藻类和附生藻类总初级生产力、净初级生产力、呼吸量以及光合作用参数。

本发明与传统的初级生产力系统相比，可通过不同遮光度和水流环境模拟，还原河道原始的水流、水温和光照衰减环境，使获得的数据更加准确，且能同是完成浮游藻类和附生藻类的初级生产力测定，并获取两者光合作用参数，提高了工作效率。

实施例2应用实验

本实施例装置同实施例1。将本装置应用与广州市某河流藻类初级生产力和光合作用参数的测定。

浮游藻类初级生产力计算：

NP₀=（O₂-O₁）/T，CR₀=（O₃-O₄）/T，GPP₀=NP₀+CR₀

附生藻类初级生产力计算：

NP1=（（O₀₂-O₀₁）- NP₀*(V-V₁)*T/V）/(T*M)，CR1=（O₀₃-O₀₄）- CR₀*(V-V₁)*T/V )/(T*M) ，GPP₁=NP₁+CR₁

光合-光度曲线方程：P^B = P^B _maxtanh (α^B E/P^B _max)，P^B=(NP+CR)/B

实验测得和计算的结果如下：

O₁为4.02 mg/L，O₂为4.33 mg/L，O₃为4.26 mg/L，O₄为4.17 mg/L，浮游藻类群落净初级生产力NP₀为0.10 mgO2.L^-1.h^-1；培养的小时数T为3h，浮游藻类群落呼吸率CR₀为0.03 mgO2.L^-1.h^-1；

浮游藻类总初级生产力GPP₀为0.13 mgO2.L^-1.h^-1，三者单位为mgO2.L^-1.h^-1。

O₀₁为3.99 mgO2.L^-1.h^-1，O₀₂为9.02 mgO2.L^-1.h^-1，O₀₃为4.71 mgO2.L^-1.h^-1，O₀₄为4.29 mgO2.L^-1.h^-1，V₁为0.5L，M为0.047 m²，V为3L，附生藻类群落净初级生产力NP₁为33.90mgO₂.m^-2.h^-1，附生藻类群落呼吸率CR₁为2.45 mgO₂.m^-2.h^-1，附生藻类总初级生产力GPP₁为36.35 mgO₂.m^-2.h^-1，三者单位为mgO2.m^-2.h^-1。同理算出70%、50%、30%的NP和CR。

现场100%光照为650μmol photons .m^-2.s^-1，按P^B=(NP+CR)/B算法得出浮游藻类100%、70%、50%、30%、0%的P^B分别为9.81、9.76、8.52、4.02、0 mg[O2].mg^-1 Chl a.hr^-1，附生藻类100%、70%、50%、30%、0%的P^B分别为1.98、1.97、1.56、0.93、0 mg[O2].mg^-1 Chl a.hr^-1。经光合-光度曲线拟合后得到浮游藻类和附生藻类P^B _max分别为10.0和2.10 mg[O2].mg^-1 Chl a.hr^-1，α^B起始斜率为0.029和0.0058，饱和光度E_K= P^B _max/α^B为345和362 μmol photons .m^-2.s^-1。

Claims (11)

1.一种同时测定河流浮游藻类和附生藻类初级生产力的装置，其特征在于，包括样品光反应单元、环境模拟单元和测量控制单元；

所述样品光反应单元为若干组藻类光反应器，每一组藻类光反应器包括至少一个浮游藻光反应器和至少一个附生藻光反应器，所述浮游藻光反应器充满水样，所述附生藻光反应器装有基质并充满水样；

每个藻类光反应器包括箱体、盖板以及保证箱体和盖板密封的结构，箱体底部置于水流槽底部；所述盖板上设有注水孔，注水孔配有孔塞；所述保证箱体和盖板密封的结构包括贴设于盖板四周的硅胶垫以及夹住盖板和箱体边缘的密封夹；

所述环境模拟单元为光照、水温和水流环境模拟，其中光照环境为设计同一光源环境下不同组的藻类光反应器采用不同的遮光度；水温与水流环境模拟为采用设置于样品光反应单元外部的水流槽，所述水流槽设有进水口和出水口；

所述测量控制单元包括溶解氧传感器和控制面板，其中溶解氧传感器探头深入藻类光反应器水样中，且探头前部设有搅拌头，而控制面板体内装有单片机和电源，单片机与溶解氧传感器相连。

2.根据权利要求1所述同时测定河流浮游藻类和附生藻类初级生产力的装置，其特征在于，所述藻类光反应器采用有机玻璃材料制成。

3.根据权利要求1所述同时测定河流浮游藻类和附生藻类初级生产力的装置，其特征在于，所述若干组藻类光反应器为5组。

4.根据权利要求3所述同时测定河流浮游藻类和附生藻类初级生产力的装置，其特征在于，5组藻类光反应器的遮光度分别为100％、70％、50％、30％、0％。

5.根据权利要求1至4任一项所述同时测定河流浮游藻类和附生藻类初级生产力的装置，其特征在于，每个藻类光反应器是体积为3.375L的带盖正方体，盖板边沿贴有2cm宽的硅胶片，板上设有直径为2.5cm的注水孔。

6.权利要求5所述装置的应用，其特征在于，应用于大型河流或远距离野外实验研究中对藻类光合作用的参数测定方面。

7.权利要求6所述的应用，其特征在于，所述藻类光合作用的参数为藻类初级生产力。

8.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，应用所述装置检测藻类光合作用的参数的方法包括以下步骤：

S1.构建权利要求5所述的装置；

S2.采集水样和附有附生藻的基质，将基质装入附生藻类光反应器中，密封附生藻类光反应器和浮游藻光反应器，从浮游藻光反应器和附生藻类光反应器的注水孔中分别注满水样，盖上硅胶塞；

S3.向水流槽中连续不断注入水样，待水流槽中水样的流速稳定后，测定初始溶解氧浓度；

S4.将装置置于光照下培养，培养结束后测量终止溶解氧浓度；

S5.根据初始溶解氧浓度和终止溶解氧浓度、浮游藻类光反应器水样的体积、附生藻类光反应器基质上附着藻类的面积和培养时间计算不同遮光条件下光合作用的参数，所述光合作用的参数为单位体积浮游藻类初级生产力和单位面积附生藻类初级生产力。

9.权利要求1至4任一项所述装置的应用，其特征在于，应用于大型河流或远距离野外实验研究中对藻类光合作用的参数测定方面。

10.权利要求9所述装置的应用，其特征在于，所述藻类光合作用的参数为藻类初级生产力。

11.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，应用所述装置检测藻类光合作用的参数的方法包括以下步骤：

S1.构建权利要求1至4任一项所述的装置；

S2.采集水样和附有附生藻的基质，将基质装入附生藻类光反应器中，密封附生藻类光反应器和浮游藻光反应器，从浮游藻光反应器和附生藻类光反应器的注水孔中分别注满水样，盖上硅胶塞；

S3.向水流槽中连续不断注入水样，待水流槽中水样的流速稳定后，测定初始溶解氧浓度；

S4.将装置置于光照下培养，培养结束后测量终止溶解氧浓度；

S5.根据初始溶解氧浓度和终止溶解氧浓度、浮游藻类光反应器水样的体积、附生藻类光反应器基质上附着藻类的面积和培养时间计算不同遮光条件下光合作用的参数，所述光合作用的参数为单位体积浮游藻类初级生产力和单位面积附生藻类初级生产力。