CN107219203A - 一种海水叶绿素传感器测量的悬浮颗粒物影响校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海水叶绿素传感器测量的悬浮颗粒物影响校准方法，属于传感器校正领域。本发明通过藻液实验，基于悬浮物的遮蔽效应随藻液浓度的变化规律，将悬浮物的荧光效应和遮蔽效应融合到同一校准公式中，促使校准方法达到从理论分析到实际应用的转变。

Description

一种海水叶绿素传感器测量的悬浮颗粒物影响校准方法

技术领域

本发明属于传感器领域，具体涉及一种海水叶绿素传感器测量的悬浮颗粒物影响校准方法。

背景技术

叶绿素是浮游植物细胞内的主要色素，海水中叶绿素含量能直接揭示海域浮游植物数量和初级生产力水平，因此叶绿素在预测海洋赤潮暴发和估算海水富营养化程度等海洋生态环境研究方面具有重要作用。当前海水叶绿素已经被列为我国海洋调查监测的主要参数。

基于活体荧光测定原理的叶绿素传感器能够原位获取水体中的叶绿素浓度，这些叶绿素传感器搭载在多参数水质仪、浮标、潜标等平台上进行长期应用，为海洋科学研究获取了大量的原位数据。然而目前叶绿素传感器测量数据的准确度仍受到诸多环境影响因素的制约，水体中悬浮颗粒物就是其中之一。特别是在某些近岸高浑浊度水体中，悬浮颗粒物的影响甚至是叶绿素传感器测量偏差的主要因素。

近年来已有一些研究者开展了悬浮颗粒物对叶绿素传感器测量的影响研究，如吕鹏翼认为当水体浊度较大时，会使叶绿素测定结果偏高；刘建华则认为浊度会使叶绿素的荧光强度下降。赵洋甬认为浊度能引起水样中叶绿素测值的增加，并提出使用线性公式进行浊度影响修正。郑旻辉根据福尔马肼溶液试验提出了浊度的“荧光效应”和“遮蔽效应”两种影响方式，并分别提出了两者的校准公式。

由上可见，目前对叶绿素传感器测量的悬浮颗粒物影响规律探讨大多停留在定性描述阶段，因采用的实验条件不同得出的结论存在明显差异，少数提出的校准方法也由于缺乏对悬浮颗粒物影响的机理分析而显得过于笼统，导致在区别于特定实验条件的现场环境下使用时校准效果不理想。因此建立一种能够适用于不同海洋环境下的统一校准方法，对于海水叶绿素原位测定过程中准确修正悬浮颗粒物的影响有着重要意义。

参考文献

吕鹏翼.荧光法测定水体中叶绿素的影响因素研究[D].河北科技大学,2014.

刘建华.荧光法测定水体中叶绿素含量影响因素的研究[D].河北科技大学,2014.

赵洋甬,沈碧君,胡建林,等.浊度对荧光法测定叶绿素a的影响[C]//2013中国环境科学学会学术年会论文集(第四卷).2013.

郑旻辉.硅藻生长过程中活体荧光变化规律及其对叶绿素测量的影响[D].中国地质大学,2016.

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有叶绿素传感器测量中悬浮颗粒物影响校准方法适用范围窄的缺点，提供一种基于悬浮颗粒物对藻类活体荧光测量影响机理而构建的悬浮颗粒物影响校准方法，使得同一个方法可以适用于不同浓度范围的悬浮颗粒物影响校准。

本发明所采用的具体技术方案如下：

海水叶绿素传感器测量的悬浮颗粒物影响校准方法，包括以下步骤：

S1：将叶绿素传感器和浊度传感器置于装有清水的容器中，记录初始叶绿素传感器荧光值Flu_A0，逐步将经预处理的泥质海洋表层沉积物添加进容器内水体中，形成若干个悬浮颗粒物浓度梯度，在每个悬浮颗粒物浓度梯度下，记录叶绿素传感器荧光值Flu_Ai和浊度传感器测定值Tu_Ai；将每个Flu_Ai值分别扣除Flu_A0值后，得到ΔFlu_Ai；以ΔFlu_Ai作为因变量，Tu_Ai作为自变量进行直线拟合，得到拟合公式的斜率A₁和截距A₀；

S2：将叶绿素传感器和浊度传感器置于装有藻类溶液的容器中，记录初始叶绿素传感器荧光值Flu_B0，逐步将经预先处理的泥质海洋表层沉积物添加进容器内水体中，形成若干个悬浮颗粒物浓度梯度，在每个悬浮颗粒物浓度梯度下，记录叶绿素传感器荧光值Flu_Bi和浊度传感器测定值Tu_Bi；计算不同悬浮颗粒物浓度梯度下的叶绿素传感器荧光差值变化率ΔFlu_Bi，其中ΔFlu_Bi＝[Flu_Bi-Flu_B0-(A₁×Tu_Bi+A₀)]/Flu_B0；以ΔFlu_Bi作为因变量，Tu_Bi作为自变量进行直线拟合，得到拟合公式的斜率B₁和截距B₀；

S3：根据浊度传感器测得的水体中浊度值Tu，对叶绿素传感器测量的荧光值Flu_测进行悬浮颗粒物影响校准，得到校准后的的荧光值Flu_校，校准公式为：

Flu_校＝(Flu_测–A₁×Tu–A₀)/(1+B₁×Tu+B₀)。

经过研究发现，悬浮颗粒物荧光效应会使测量结果偏大，需要扣除该影响值；而悬浮颗粒物遮蔽效应会使测量结果偏小，需要加上该影响值。上述校准公式正是根据这一原理推导得到的，具体推导过程如下：

a)在实际测量时，无悬浮颗粒物影响时的叶绿素传感器荧光值，即叶绿素传感器荧光校准值Flu_校，即为藻液悬浮物影响实验过程中的初始叶绿素传感器荧光值Flu_B0；

b)根据ΔFlu_Bi的定义：ΔFlu_Bi＝(Flu_测–Flu_校–ΔFlu_Ai)/Flu_校；

将其进行变换可得：Flu_测–Flu_校–ΔFlu_Ai＝Flu_校×ΔFlu_Bi；

再次进行变换可得：Flu_测–ΔFlu_Ai＝Flu_校×ΔFlu_Bi+Flu_校；

再次进行变换可得：Flu_校＝(Flu_测–ΔFlu_Ai)/(1+ΔFlu_Bi)；

c)将拟合公式ΔFlu_A＝A₁×Tu+A₀和拟合公式ΔFlu_B＝B₁×Tu+B₀代入上述公式，即可得到：Flu_校＝(Flu_测–A₁×Tu–A₀)/(1+B₁×Tu+B₀)，即上述校准公式。

作为优选，S2中泥质海洋表层沉积物的预处理方法如下：采集泥质海洋表层沉积物后冷冻保存，使用前加入丙酮搅拌后静置，离心后用纯水洗涤沉淀若干次。进一步的，丙酮静置时间优选为24小时，离心后纯水洗涤沉淀次数优选为3次。悬浮颗粒物浓度梯度优选为10个。

本发明的海水叶绿素传感器测量的悬浮颗粒物影响校准方法，将悬浮物的荧光效应和遮蔽效应进行区分，具有以下有益效果：

(1)本发明采用的是一种贴近于海洋实际环境的悬浮物模拟物质，即经预先处理的泥质海洋表层沉积物。不同物质如福尔马肼、泥沙等在叶绿素测量中的荧光效应影响差异显著。海水中悬浮物主要成分是被能够被搅动到水体中的泥质海洋表层沉积物，其成分与经预先处理的泥质海洋表层沉积物非常类似，因此将其用于悬浮物荧光效应模拟实验能够最大限度地体现海洋实际环境。经过大量实验验证，经过处理的不同海域泥质海洋表层沉积物在叶绿素测量中的荧光效应影响基本一致，因此可用于悬浮物荧光效应影响修正。

(2)本发明提出了适用于不同藻类浓度下悬浮颗粒物遮蔽效应影响的统一校准公式。此前已有研究提出不同藻液浓度下悬浮物的遮蔽效应不同，并提出了根据藻液浓度采用不同的校准公式。本发明通过大量的藻液实验，总结出悬浮物的遮蔽效应随藻液浓度的变化规律，提出了叶绿素传感器荧光差值变化率的概念，并据此将悬浮物的荧光效应和遮蔽效应融合到同一公式中，促使校准方法达到从理论分析到实际应用的转变。本发明提出的方法能够适用于不同荧光强度，既可适用于不同浓度的同一藻液，也可适用于不同藻种的溶液，不需要考虑藻种差异。

附图说明

图1为不同种类悬浮颗粒物的荧光性差异；

图2为悬浮颗粒物荧光效应影响拟合公式；

图3为悬浮颗粒物遮蔽效应影响拟合公式；

图4为悬浮颗粒物对叶绿素荧光测量的影响校准效果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。

实施例1

为了校准悬浮颗粒物对叶绿素测量的影响，用于模拟浊度的物质必须跟海洋实际环境中悬浮颗粒物接近，性状稳定，并且能够大量获取和保存的物质。以福尔马肼溶液、海水过滤悬浮颗粒物、泥质表层沉积物等多种悬浮颗粒物质进行不同浊度下的荧光测定实验。本发明中所采用的泥质海洋表层沉积物可使用抓斗等常规表层沉积物取样设备获取，一般可以采取距表层10cm以内的泥质沉积物层。实验中，分别采取了大量海域的样本(本实施例中选取A、B、C海域为代表，其余类同)，每个样本分为两部分：一部分不进行预处理，另一部分进行下列预处理：采集后冷冻保存，使用前加入少量丙酮搅拌后静置24小时，离心后用纯水洗涤沉淀3次。不同悬浮颗粒物的实验结果如图1所示，福尔马肼溶液、海水过滤悬浮颗粒物、泥质表层沉积物等不同物质的荧光性存在较大差异，不同海域未经处理的泥质表层沉积物之间也存在荧光性差异，而经预先处理的不同海域泥质海洋表层沉积物则具有基本一致的荧光性，由此表明可以将其用于本发明的悬浮颗粒物影响校准方法。

实施例2

本实施例中使用美国Seapoint叶绿素传感器为例(该叶绿素传感器荧光值为电压值，单位为mV)，对本发明中的海水叶绿素传感器测量的悬浮颗粒物影响校准方法作进一步说明，具体包括以下步骤：

(1)将叶绿素传感器和浊度传感器置于装有清水的容器中，记录初始叶绿素传感器荧光值Flu_A0和浊度传感器测定值Tu_A0，依次将经实施例1中预处理的泥质海洋表层沉积物添加进容器水体中，形成10个悬浮颗粒物浓度梯度，在每个悬浮颗粒物浓度梯度下，记录叶绿素传感器荧光值Flu_Ai和浊度传感器测定值Tu_Ai(表1)，以获取悬浮颗粒物荧光效应影响校准系数。

表1清水中不同悬浮物浓度梯度的叶绿素传感器荧光值和浊度传感器测定值

获取悬浮颗粒物荧光效应影响校准系数的具体方法如下：

1>将每个悬浮颗粒物浓度梯度下的叶绿素传感器荧光值Flu_Ai减去初始叶绿素传感器荧光值Flu_A0，获得每个悬浮颗粒物浓度梯度下的叶绿素传感器荧光差值ΔFlu_Ai；

2>将每个悬浮颗粒物浓度梯度下的ΔFlu_Ai与对应浊度值Tu_Ai进行形式为ΔFlu_A＝A₁×Tu+A₀的直线拟合(图2)，获得拟合公式：

ΔFlu_A＝0.0944×Tu+0.0483 (公式Ⅰ)

式中ΔFlu_A为叶绿素传感器荧光差值(因变量)；Tu为水体中浊度值(自变量)，单位为NTU；斜率A₁和截距A₀作为悬浮颗粒物荧光效应影响校准系数。

(2)以含有叶绿素的藻类加入水中配成藻类溶液，将叶绿素传感器和浊度传感器置于含有藻类溶液的容器中，记录初始叶绿素传感器荧光值Flu_B0和浊度传感器测定值Tu_B0，依次将经实施例1中预处理的泥质海洋表层沉积物添加进容器水体中，形成10个悬浮颗粒物浓度梯度，在每个悬浮颗粒物浓度梯度下，记录叶绿素传感器荧光值Flu_Bi和浊度传感器测定值Tu_Bi(表2)，以获取悬浮颗粒物遮蔽效应影响校准系数。

表2藻液中不同悬浮物浓度梯度的叶绿素传感器荧光值和浊度传感器测定值

获取悬浮颗粒物遮蔽效应影响校准系数的具体方法如下：

1>将每个悬浮颗粒物浓度梯度下的叶绿素传感器荧光值Flu_Bi减去初始叶绿素传感器荧光值Flu_B0，获得每个悬浮颗粒物浓度梯度下的叶绿素传感器荧光差值，再将其减去对应悬浮颗粒物浓度下根据公式I计算所得的ΔFlu_A，再除以初始叶绿素传感器荧光值Flu_B0，获得每个悬浮颗粒物浓度梯度下的叶绿素传感器荧光差值变化率ΔFlu_Bi，即ΔFlu_Bi＝[Flu_Bi-Flu_B0-(A₁×Tu_Bi+A₀)]/Flu_B0。

2>将每个悬浮颗粒物浓度梯度下的ΔFlu_Bi与对应浊度值Tu_Bi进行形如

ΔFlu_B＝B₁×Tu+B₀的拟合(图3)，获得拟合公式：

ΔFlu_B＝–0.002×Tu–0.019 (公式Ⅱ)

式中ΔFlu_B为叶绿素传感器荧光差值变化率(因变量)；Tu为水体中浊度值(自变量)，单位为NTU；B₁、B₀作为悬浮颗粒物遮蔽效应影响校准系数。

(3)根据浊度传感器测得的水体中浊度值Tu，对叶绿素传感器测量的荧光值Flu_测进行悬浮颗粒物影响校准，得到校准后的的荧光值Flu_校，校准公式形式为：Flu_校＝(Flu_测–A₁×Tu–A₀)/(1+B₁×Tu+B₀)。最终本实施例中建立的悬浮颗粒物对叶绿素荧光测量的影响校准公式为：

Flu_校＝(Flu_测–0.0944*Tu–0.0483)/(1–0.002*Tu–0.019) (公式Ⅲ)

式中Flu_校为叶绿素传感器荧光校准值，Flu_测为叶绿素传感器荧光测量值；Tu为水体中浊度值，单位为NTU；A₁、A₀为悬浮颗粒物荧光效应影响校准系数；B₁、B₀为悬浮颗粒物遮蔽效应影响校准系数。

通过以上步骤获得悬浮物影响校准公式以后，使用该公式进行了不同藻液浓度的随机验证。从随机验证结果(表3)可以看出，经过本方法校准后，叶绿素荧光偏差绝对值大幅减小(图4)，表明使用该方法能够较大限度地对悬浮物浓度的影响进行校准。

表3藻液中不同悬浮物浓度梯度的叶绿素传感器荧光值和浊度传感器测定值

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种海水叶绿素传感器测量的悬浮颗粒物影响校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将叶绿素传感器和浊度传感器置于装有清水的容器中，记录初始叶绿素传感器荧光值Flu_A0，逐步将经预处理的泥质海洋表层沉积物添加进容器内的水体中，形成若干个悬浮颗粒物浓度梯度，在每个悬浮颗粒物浓度梯度下，记录叶绿素传感器荧光值Flu_Ai和浊度传感器测定值Tu_Ai；将每个Flu_Ai值分别扣除Flu_A0值后，得到ΔFlu_Ai；以ΔFlu_Ai作为因变量，Tu_Ai作为自变量进行直线拟合，得到拟合公式的斜率A₁和截距A₀；

S2：将叶绿素传感器和浊度传感器置于装有藻类溶液的容器中，记录初始叶绿素传感器荧光值Flu_B0，逐步将经预先处理的泥质海洋表层沉积物添加进容器内的水体中，形成若干个悬浮颗粒物浓度梯度，在每个悬浮颗粒物浓度梯度下，记录叶绿素传感器荧光值Flu_Bi和浊度传感器测定值Tu_Bi；计算不同悬浮颗粒物浓度梯度下的叶绿素传感器荧光差值变化率ΔFlu_Bi，其中ΔFlu_Bi＝[Flu_Bi-Flu_B0-(A₁×Tu_Bi+A₀)]/Flu_B0；以ΔFlu_Bi作为因变量，Tu_Bi作为自变量进行直线拟合，得到拟合公式的斜率B₁和截距B₀；

S3：根据浊度传感器测得的水体中浊度值Tu，对叶绿素传感器测量的荧光值Flu_测进行悬浮颗粒物影响校准，得到校准后的的荧光值Flu_校，校准公式为：Flu_校＝(Flu_测–A₁×Tu–A₀)/(1+B₁×Tu+B₀)。

2.如权利要求1所述的海水叶绿素传感器测量的悬浮颗粒物影响校准方法，其特征在于，S2中泥质海洋表层沉积物的预处理方法如下：采集泥质海洋表层沉积物后冷冻保存，使用前加入丙酮搅拌后静置，离心后用纯水洗涤沉淀若干次。

3.如权利要求2所述的海水叶绿素传感器测量的悬浮颗粒物影响校准方法，其特征在于，所述的丙酮静置时间为24小时，离心后纯水洗涤沉淀次数为3次。

4.如权利要求1所述的海水叶绿素传感器测量的悬浮颗粒物影响校准方法，其特征在于，所述的悬浮颗粒物浓度梯度为10个。