CN113049767A - 基于微积分原理的浮游藻类初级生产力测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微积分原理的浮游藻类初级生产力测量装置及方法，涉及水体中浮游藻类初级生产力的快速、准确、便捷的测量装置，测量结果可应用于不同富营养化状态养殖湖库中渔业生产力的准确评估和水体生态系统服务功能科学评价。本发明的目的是在于发明一种基于微积分原理的浮游藻类初级生产力智能测量装置，本装置具有测量结果准确可靠、不受测量天气限制、操作方法简单易学、人力成本低、工作效率高等优点，尤其适应于对富营养化湖库浮游藻类初级生产力的测量，以确保准确、高效地获取初级生产力数据，科学地评估湖库渔业生产力和生态系统服务功能。
Description
技术领域
本发明涉及水体初级生产力测量技术领域，具体为一种基于微积分原理的浮游藻类初级生产力测量装置及方法。
背景技术
浮游藻类初级生产力是水体初级生产力的重要组成部分，在一些富营养化水体、深水型水库和海洋中，浮游藻类初级生产力可以占总初级生产力的90％以上。浮游藻类生产力对维持水域生态系统结构完整性和功能稳定性具有重要贡献，是水体生态系统服务功能的重要基础。水体中丰富的浮游藻类处于水域生态系统能量金字塔的基层，作为浮游动物、杂食性鱼虾和滤食性鱼类的主要食物源，决定了能量金字塔上各种经济鱼类的渔产潜力。因此，准确测量浮游藻类初级生产力对于科学估算水体渔产力和水体生态系统服务功能具有重要意义。
浮游藻类初级生产力测量方法主要是黑白瓶测量法，这种方法是将含有浮游藻类的水体分别注入黑色遮光和白色透明的密封玻璃瓶中，在水中放置24小时，再用高锰酸钾滴定法换算出水体中浮游藻类的初级生产力。这种方法在测量时效性和结果准确性上受到了很大的限制。封闭的反应瓶中，藻类24小时(白天长时间光照)生物量增长将持续吸收利用瓶中的营养盐并产生大量的氧气，很可能在光照后短短的几个小时后就开始出现氮磷营养限制和氧气饱和而二氧化碳不足。并且黑白瓶测量结果与当时天气密切相关，在阴雨天测量数值将显著低估了浮游藻类的初级生产力。此外，黑白瓶方法在采集水样、注水入瓶、水中现场挂瓶、取回黑白瓶、滴定溶氧等各个程序上耗费大量的时间和人力，严重增加了水体生态调查工作的难度和工作强度。
针对上述浮游藻类初级生产力传统测量方法的缺点和局限性，目前有一些研究提出了一些改进的测量方法。一些改进方法是基于藻类叶绿素荧光参数表示浮游藻类初级生产力，如中国专利(申请)号为CN201811561214.0和CN201610528083.0测量的指标实际是浮游藻类瞬时(非24小时)光合电子传递速率Pe，并不是真正意义上的以光合作用放氧或吸收二氧化碳为指标的初级生产力；还有一些改进方法是基于藻类叶绿素荧光参数FO换算成为藻类初级生产力，如中国专利(申请)号为CN201610100962.3，这种技术应用于室内单种藻类培养的生产力估算效果较好，但并不适用于估算野外湖泊复杂多样的藻类群落初级生产力。
另一些改进方法是利用溶解氧传感器测量封闭反应容器中溶解氧的实时变化，如中国专利(申请)号为CN200710057003.9和CN201610528083.0，同时配备特定光照和温度控制系统。这些初级生产力改进测量方法，虽然在测量时效性上有所提高，但是这些改进的方法也有很多技术缺陷，如(1)某一特定光强下的光合作用放氧速率并不能反映全天(24小时)太阳光辐照强度下的变化；(2)LED灯光强度普遍达不到太阳光辐照强度那么高，并且光线在水体中有很大的衰减，改进方法多数没有配备水中光量子探头，也没有考虑光线在水中的衰减偏差，更没有经过光衰减模型校正；(3)陆地上采用加热/冷却控温系统并不可靠，与水体中原位温度实时变化并不相符，改良方法并没有引入适当的参数修正方法。
因此，本申请公共了一种基于微积分原理的浮游藻类初级生产力测量装置及方法，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于微积分原理的浮游藻类初级生产力测量装置及方法，涉及水体中浮游藻类初级生产力的快速、准确、便捷的测量装置，测量结果可应用于不同富营养化状态养殖湖库中渔业生产力的准确评估和水体生态系统服务功能科学评价，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种基于微积分原理的浮游藻类初级生产力测量装置，所述测量装置包括反应器封闭箱、水样采集装置、数据检测装置、数据分析装置和控制终端，所述水样采集装置一端抽取水样，另一端与反应器封闭箱连通；
所述反应器封闭箱底部设有光照控制装置，用于设置不同梯度的光照强度；所述数据检测装置用于检测水样的光合放氧速率，所述数据分析装置根据不同梯度的光照强度和水样的光合放氧速率进行分析，计算得到测量点水样的总初级生产力，并通过控制终端显示。
较优化的方案，所述数据分析装置包括依次电连接的数据拟合模块、太阳辐照曲线建库模块、辐照强度放氧赋值模块和微积分处理模块：
数据拟合模块，用于接收数据检测装置检测的每个光照强度下水样的平均光合放氧速率，并根据不同梯度的光照强度进行非线性拟合，得到平均光合放氧速率对光照强度变化的响应曲线；
太阳辐照曲线建库模块，用于构建反应器封闭箱所处测量点的太阳光照强度变化曲线；
辐照强度放氧赋值模块，依据数据拟合模块拟合的响应曲线和太阳光照强度变化曲线，沿时间轴对测量点连续变化的光线强度进行光合放氧速率赋值；
微积分处理模块，对辐照强度放氧赋值模块处理得到的光合放氧速率进行微分、积分处理，计算并得到测量点水样的总初级生产力，通过控制终端显示。
较优化的方案，所述数据分析装置计算得到测量点水样的总初级生产力，传输至控制终端，通过控制终端进行温度校正、光衰减校正，得到校正后的总初级生产力，并进行显示。
较优化的方案，所述数据检测装置包括溶氧检测探头和数据记录芯片机，所述溶氧检测探头与数据记录芯片机电连接，所述数据记录芯片机与数据拟合模块无线连接。
较优化的方案，所述数据检测装置包括水下光量子照度计和水温检测探头，所述水下光量子照度计和水温检测探头分别与数据记录芯片机电连接。
较优化的方案，所述光照控制装置包括红外遥控芯片机和LED散光板，所述LED散光板位于反应器封闭箱底部，所述LED散光板与红外遥控芯片机电连接，所述红外遥控芯片机与控制终端无线连接。
较优化的方案，所述水样采集装置包括蠕动泵、取样管和进样管，蠕动泵驱动取样管抽取水样，水样通过进样管进入反应器封闭箱，所述反应器封闭箱侧壁设有出水止逆阀和紊流循环水泵，所述紊流循环水泵、蠕动泵分别与红外遥控芯片机电连接。
较优化的方案，所述反应器封闭箱上方设有漂浮气囊圈，所述漂浮气囊圈与反应器封闭箱顶端通过若干个可伸缩连接螺杆连接，并形成上端开口的倒圆台结构；相邻所述可伸缩连接螺杆之间设有遮光板。
本发明综合考虑初级生产力传统测量方法的局限性和目前改进方法的技术缺陷，致力于设计基于微积分原理的浮游藻类初级生产力测量装置，通过原位取样进样、原位反应测量、绘制精准“光合作用-光响应”曲线、光合放氧辐照强度微积分数据处理等过程，科学评估水体浮游藻类初级生产力。本发明方法相比于已有的方法具有显著的优越性，表现为维持了原位模拟测量的科学性，规避了营养和光照限制性，提高了测量仪器的时效性和易操作性，尤其是基于微积分的数据处理方法保障了测量结果的准确性和技术的先进性。
该装置包括反应器封闭箱、水样采集装置、数据检测装置、数据分析装置和控制终端，其中水样采集装置包括蠕动泵、取样管和进样管等组件，反应器封闭箱为研究水体的水样测量提供一定体积的封闭空间，反应器封闭箱顶面、底面和侧面为透光板材(测量期间在遮光板作用下进入暗适应处理)，整体可设计为可拆卸安装，透光板材便于观察和检修；操作时可通过蠕动泵向反应器封闭箱中注入原位水样，并在测量完成后可以抽空反应器中水样，便于重新进样；反应器封闭箱内还设有出水止逆阀和紊流循环水泵，紊流循环水泵的作用主要是使反应器内的水样呈紊流状态循环流动，使水样光照和溶氧分布更加均匀；出水止逆阀的作用是移出反应器封闭箱内多的水样，而外部水样无法通过出水止逆阀反向流入。
本申请还公开了数据检测装置，主要包括水下光量子照度计、溶氧检测探头、水温检测探头和数据记录芯片机等组件，其中水下量子照度计可以精确测量反应器封闭箱中浮游藻类接收的光照强度，在LED灯散光板提供的每个光照梯度时间段内进行光照强度测量，并通过数据记录芯片机实时记录储存结果；溶氧检测探头可以精确测量反应器封闭箱中的溶氧变化，在LED灯散光板提供的每个光照梯度时间段内进行溶氧测量，并通过数据记录芯片机实时记录储存结果；水温检测探头用于检测水样温度，其目的是通过检测到的水样温度与该测量点水域内水文部门记录发布的水域内水温变化进行对比参考，以确定水温差异，从而在后续进行温度校正。
本发明公开了数据分析装置，主要包括数据拟合模块、太阳辐照曲线建库模块、辐照强度放氧赋值模块和微积分处理模块，数据拟合模块用于接收数据检测装置检测的每个光照强度下水样的平均光合放氧速率，并根据不同梯度的光照强度进行非线性拟合，得到平均光合放氧速率对光照强度变化的响应曲线(P-I曲线)；
太阳辐照曲线建库模块，用于构建太阳光辐照强度曲线数据库，即不同地域、不同海拔、不同天气状况、不同季节月份的全天24小时太阳光辐照强度的变化曲线，该太阳光照强度变化曲线根据测量点所处的位置(经纬度)决定；
辐照强度放氧赋值模块，可依据数据拟合模块拟合的响应曲线和太阳光照强度变化曲线，沿时间轴(24h)对测量点连续变化的光线强度进行光合放氧速率赋值；辐照强度放氧赋值模块，依据数据拟合模块拟合的响应曲线和太阳光照强度变化曲线，沿时间轴对测量点连续变化的光线强度进行光合放氧速率赋值；微积分处理并计算得到测量点水样的总初级生产力。
本发明还公开了控制终端，控制终端包括操作控制面板和数据显示器，数据显示器的主要功能是实时显示进样反应系统中蠕动泵、LED散光板、紊流循环水泵、水下光量子照度计和溶氧检测探头的实测数值及运行状况，实时跟踪数据处理系统中数据曲线拟合、赋值及微积分处理过程，实现过程可控，误差可追溯的系统诊断的智能控制特性；操作控制面板可通过控制系统，向水样采集装置、光照控制装置发送指令，实现人工辅助修正测量程序的手动调控，并对数据模拟处理系统的结果进行校正参数输入，达到对测量结果的有效校正，增加测量结果的正确性。
本发明还公开了漂浮气囊圈、可伸缩连接螺杆和遮光板，实际操作时通过牵引船将反应器封闭箱牵引至测量位点，漂浮气囊圈通过可伸缩连接螺杆的对反应器封闭箱进行升降调节，使反应器封闭箱处于一定深度的水层(一般清水态养殖湖库设定水下0.5m，明显蓝藻水华湖泊设置水下0.2m)；再通过遮光板使反应器封闭箱处于暗适应状态，保证测量准确性。
一种基于微积分原理的浮游藻类初级生产力测量方法，具体包括以下步骤：
S1：选择测量点，并根据测量点的水样透明度确定所需计算的水层深度；
S2：将反应器封闭箱放置至测量点，采集水样并传输至反应器封闭箱，暗光适应一段时间，待溶氧值降低至1mg/L以下时，开启光照控制装置；
S3：光照控制装置梯度设置不同的光照强度，每个梯度的光照强度维持一段时间，并通过数据检测装置检测该光照强度下的平均光合放氧速率，记录并传输至数据分析装置；
S4：数据分析装置根据各个梯度的光照强度、每个光照强度下水样的平均光合放氧速率，进行非线性拟合，得到平均光合放氧速率对光照强度变化的响应曲线，再依据测量点的太阳光照强度变化曲线，沿时间轴对测量点连续变化的光线强度进行光合放氧速率赋值，再对得到的光合放氧速率进行微分、积分处理，计算出浮游藻类初级生产力；
计算时将所需计算的水层深度以1m为单位划分为多个区间水层，并通过上述方法计算每个区间水层的浮游藻类初级生产力，求和并计算测量点水样的总初级生产力，测量点水样的总初级生产力通过控制终端显示。
较优化的方案，具体包括以下步骤：
S1：选择测量点，并根据测量点的水样透明度确定所需计算的水层深度，若水层深度为H，则需要计算的水层深度为(H+1)；
S2：将反应器封闭箱放置至测量点，采集水样并传输至反应器封闭箱，暗光适应30-40min，待溶氧值降低至1mg/L以下时，开启LED散光板；
S3：红外遥控芯片机控制LED散光板梯度设置不同的光照强度，每个梯度的光照强度维持5min，检测该光照强度下的光合放氧速率，并根据第2分钟至第5分钟之间的光合放氧速率计算得到每个光照强度下水样的平均光合放氧速率，记录并传输至数据拟合模块；
S4：数据拟合模块根据不同梯度的光照强度、每个光照强度下水样的平均光合放氧速率，进行非线性拟合，得到平均光合放氧速率对光照强度变化的响应曲线；
太阳辐照曲线建库模块可构建保存测量点的太阳光照强度变化曲线，再根据平均光合放氧速率对光照强度变化的响应曲线、太阳光照强度变化曲线，沿时间轴对测量点连续变化的光线强度进行24h的光合放氧速率赋值；
再通过微积分处理模块将时间轴进行5min间隔单元微分处理，最后对微分单元所对应的光合放氧进行积分处理，计算出浮游藻类初级生产力；
计算时将所需计算的水层深度(H+1)以1m为单位划分为多个区间水层，并通过上述方法计算每个区间水层的浮游藻类初级生产力，求和并计算测量点水样的总初级生产力，测量点水样的总初级生产力通过控制终端显示。
较优化的方案，S3步骤中，数据拟合模块的计算计算公式为
微积分处理模块进行计算时，微积分方程为
其中A：净光合作用速率；
表观量子效率；Amax：最大光合作用速率；θ：非线性拟合方程曲角值；Rday：光照条件下呼吸速率；Q：不同曝光梯度下光照强度；P：初级生产力。
较优化的方案，步骤S3计算得到测量点水样的总初级生产力后，传输至控制终端，再进行温度校正、光衰减校正，具体步骤如下：
水下光量子照度计测量水样的光照强度，与LED散光板预设的光照强度进行比较，计算得到光衰减校正系数δ，再通过水温检测探头检测水样温度，与该水域内不同时段的水温进行比较，得出水温差异，再根据浮游藻类光合放氧速率与温度的关系曲线，确定温度校正参数ε；
控制终端录入光衰减校正系数δ、温度校正参数ε，并通过校正公式对每个区间水层的浮游藻类初级生产力进行校正，求和，得到校正后的总初级生产力；
校正公式为：
其中A：净光合作用速率；
表观量子效率；Amax：最大光合作用速率；θ：非线性拟合方程曲角值；Rday：光照条件下呼吸速率；Q：不同曝光梯度下光照强度；P：初级生产力；δ：光衰减校正系数；ε：温度校正参数。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
现有的浮游藻类初级生产力测量方法主要有黑白瓶测量法和溶解氧传感器测量法，这两种方法在目前的初级生产力调查中有明显的不足，具体可表现为：
(1)黑白瓶方法是将含有浮游藻类的水体分别注入黑色和透明的密封玻璃瓶中，在水中放置24小时，再用高锰酸钾滴定法和公式计算出水体中浮游藻类的初级生产力。这种方法需要耗费大量的人力去注水、挂瓶和滴定，并且还需要等待24小时的反应时间才能测定出结果；同时，藻类长时间封闭于玻璃瓶中，得不到沉积物释放营养的补充，藻类的生长吸收将在短时间内导致反应系统中的营养限制；此外，黑白瓶测量方法在很大程度上依赖于测量时间段内天气，在阴天将严重低估浮游藻类的初级生产力，不选择天气将使测量结果带有具有极大的随机性和不稳定性，选择天气又给调查时间采样安排上带来极大的困扰。
(2)溶解氧传感器方法，虽然可以在很大程度上可以降低人力成本和操作的复杂性，但是其短时间的测量并不能代表一天中所有的时间段的光合作用放氧速率，早晨、中午和晚上光照有很大差异，用溶解氧传感器方法测定的瞬时光合放氧速率并不能代表水体中实际的浮游藻类初级生产力。
因此，本装置结合测量装置硬件设计合理性和测量数据处理先进性，相比于以往的技术，具有如下的优点：
1、效率高：测量耗时短，节省野外工作时间，提高湖泊生态调查工作效率，比经典黑白瓶方法其时间效率提高了93.8％，人工成本得到降低；
2、测量更准确：本发明可以在水体中营养盐耗尽之前测量完初级生产力，避免营养盐耗尽后对测量结果的限制作用，尤其适用于浮游藻类生物量较大的水体，测量结果比现有测量方法更准确；同时可以避免浮游藻类在光合放氧过程中，其反应产物氧气过量积累对初级生产力反应的反馈抑制作用，尤其适用于富营养化水体。准确性比经典黑白瓶方法提高40.5％以上；
3、长时间模拟跟踪测量，数据更可信：模拟计算浮游植物光合作用效率在24小时时间轴上微积分，随早晚光线变化实时评估每个时间段浮游植物光合作用效率，与现有的初级生产力测量仪器(溶解氧传感器估算法、叶绿素荧光估算法等等)的结果相比，此发明装置长时间模拟跟踪测量结果更准确、更可信、更符合野外藻类生长的实际情况；
4、测量条件不受限：通过LED散光板为反应器封闭箱提供梯度增强光照，可以解除阴天光照不足造成的测量偏差，提高测量结果的准确性，基本不受阴雨天等测量条件的影响
5、节能环保：整个测量装置可以放入水中，并依据测量水体温度24小时变化规律对测量结果进行校正，测量过程中不必使用控温设备，与现有的初级生产力测量仪器的控温设备相比，不仅节约成本，而且测量结果更稳定、更准确；
6、消除人为实验误差：高精度溶氧检测探头可以规避初级生产力传统测量方法中滴定步骤造成的人为误差；
7、操作简便、勘误容易：仪器的自动取样、智能测量，可以节省大量的人力成本，且整个测量过程实现仪器的数字控制和测量结果实时同步可视化，操作简便易学，勘误容易，测量结果实时修正。
本发明的目的是在于发明一种基于微积分原理的浮游藻类初级生产力智能测量装置，本装置具有测量结果准确可靠、不受测量天气限制、操作方法简单易学、人力成本低、工作效率高等优点，尤其适应于对富营养化湖库浮游藻类初级生产力的测量，以确保准确、高效地获取初级生产力数据，科学地评估湖库渔业生产力和生态系统服务功能。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是基于微积分原理的浮游藻类初级生产力测量装置的具体结构示意图；
图2是夏季长江流域24小时太阳光辐照强度变化拟合曲线示意图；
图3是夏季长江流域24小时太阳辐照强度光合放氧赋值曲线示意图；
图4是本发明的夏季长江流域光合放氧赋值曲线二维平面投影微积分算法原理示意图；
图5是本发明的测量点得到平均光合放氧速率对光照强度变化的响应曲线示意图；
图中：1-蠕动泵、2-取样管固定环、3-取样管、4-进样管、5-进样口、6-反应器封闭箱、7-出水止逆阀、8-红外遥控芯片机、9-LED散光板、10-紊流循环水泵、11-无线数据传输、12-数据传输线、13-无线传输器、14-数据显示器、15-水温检测探头、16-溶氧检测探头、17-水下光量子照度计、18-数据记录芯片机、19-数据拟合模块、20-太阳辐照曲线建库模块、21-辐照强度放氧赋值模块、22-微积分处理模块、23-可伸缩连接螺杆、24-遮光板、25-漂浮气囊圈、26-操作控制面板、27-动力蓄电池、28-牵引船、29-牵引绳扣、30-动力控制封闭箱。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5，一种基于微积分原理的浮游藻类初级生产力测量装置，所述测量装置包括反应器封闭箱6，反应器封闭箱6上方设有漂浮气囊圈25，所述漂浮气囊圈25与反应器封闭箱6顶端通过若干个可伸缩连接螺杆23连接，并形成上端开口的倒圆台结构；相邻所述可伸缩连接螺杆23之间设有遮光板24；所述漂浮气囊圈25通过牵引绳扣29与牵引船28连接，通过牵引船28进行测量位点的移动；
反应器封闭箱6下方设有动力控制封闭箱30，动力控制封闭箱30内设有红外遥控芯片机8、动力蓄电池27、数据记录芯片机18和蠕动泵1，动力控制封闭箱30侧壁设有取样管3固定环2，用于固定取样管3；蠕动泵1驱动取样管3抽取水样，水样通过进样管4进入反应器封闭箱6，所述反应器封闭箱6侧壁设有出水止逆阀7和紊流循环水泵10，所述紊流循环水泵10、蠕动泵1分别与红外遥控芯片机8通过数据传输线12连接。
所述反应器封闭箱6底部设有LED散光板9，所述LED散光板9与红外遥控芯片机8通过数据传输线12连接，所述红外遥控芯片机8与控制终端通过无线传输器13无线连接；所述反应器封闭箱6内壁安装有水下光量子照度计17、溶氧检测探头16、水温检测探头15，所述水下光量子照度计17、溶氧检测探头16和水温检测探头15分别与数据记录芯片机18通过数据传输线12连接，所述数据记录芯片机18与数据分析装置通过无线传输器13无线连接。
所述控制终端包括通过数据传输线12连接的操作控制面板26和数据显示器14，所述数据显示器14与数据分析装置通过数据传输线12连接；所述蓄电池为红外遥控芯片机8、数据记录芯片机18供电，所述蓄电池分别与红外遥控芯片机8、数据记录芯片机18通过数据传输线12连接。
具体工作原理：开始检测时，向漂浮气囊圈25充气，通过可伸缩连接螺杆23将反应器封闭箱6上端与漂浮气囊圈25连接起来，并将遮光板24连接在漂浮气囊圈25上，使下面的反应器封闭箱6大部分处于弱光状态，反应器封闭箱6底端距水面合适距离(一般清水态养殖湖库设定水下0.5m,明显蓝藻水华湖泊设置水下0.2m)，此时开启牵引船28，拉拽牵引绳扣29将整个测量装置迁移至测量位点设定的经纬度，继续进行测量工作。
将取样管3通过取样管3固定环2固定在反应器封闭箱6上，通过操作控制面板26发出指令，红外遥控芯片机8装置接到指令后，开启蠕动泵1和紊流循环水泵10，通过取样管3从研究水体现场取样，测量水样通过进样管4流向进样口5，然后进入反应器封闭箱6，随着水样的泵入，反应器封闭箱6逐渐充满，过多的水样可以通过出水止逆阀7向外移出，而外部水样不能通过出水止逆阀7反向流入；同时红外遥控芯片机8还可将蠕动泵1进样速度、LED散光板9的光照强度和紊流循环水泵10运行流速等实时数据通过无线传输器13传送给数据显示器14；
静置一段时间后开启LED散光板9，灯光强度依据红外遥控芯片机8设定的程序逐渐增强，并在不同梯度光照下持续照射一段时间，该过程中水下光量子照度计17、溶氧检测探头16、水温检测探头15进行数据检测并记录，检测到的数据传输至数据分析装置中进行分析，并计算得到测量点水样的总初级生产力，在操作控制面板26上输入参数进行温度、光照校正，计算得到校正后的测量点水样的总初级生产力。
实地测验：
一种基于微积分原理的浮游藻类初级生产力测量方法，具体包括以下步骤：
S1：选择测量区域(三峡库区秭归江段)，并根据测量点的水样透明度确定所需计算的水层深度，若水层深度为H，则需要计算的水层深度为(H+1)；
本实施例中测量点为三峡库区秭归江段，实际测量三峡夏至日秭归江段支流的透明度为3.4m，则水层深度计算至4m。
S2：在夏至日三峡库区秭归江段进行测量，将反应器封闭箱放置至测量点(E110°46’31.96”，N31°5’1.42”)，反应器封闭箱位于水位下方0.5m，采集水样并传输至反应器封闭箱，暗光适应30min，光照强度小于20μmol photons·m-2·s-1)，待溶氧值降低至1mg/L以下时，开启光照控制装置；
S3：红外遥控芯片机控制LED散光板梯度设置不同的光照强度，每个梯度的光照强度维持5min，检测该光照强度下的光合放氧速率，并根据第2分钟至第5分钟之间的光合放氧速率计算得到每个光照强度下水样的平均光合放氧速率，记录并传输至数据拟合模块；
S3操作时共设置0、15、30、45、60、90、150、220、300、450、800、1200、2000μmolphotons·m-2·s-1共计13个光照强度梯度，每个光照梯度维持5分钟，根据第2分钟至第5分钟之间的光合放氧速率计算得到每个光照强度下水样的平均光合放氧速率。
光量子探头测量的实际光照强度和溶氧检测探头测量的光合作用放氧数值如下表所示(下表自左向右依次为预设光照强度、理论光合作用放氧数值(拟合值Fittedvalue)、实际光照强度(实测值Actual value)、实际光合作用放氧数值)：
| 预设光照强度 | Fitted value(X) | 实际光照强度 | Actual value(X) |
| 0 | -0.036991334 | 0 | -0.032644554 |
| 15 | -0.019118009 | 13 | -0.027066657 |
| 30 | -0.010932462 | 19 | 0 |
| 45 | 0.014702269 | 38 | 0.018044438 |
| 60 | 0.037237793 | 55 | 0.036088876 |
| 90 | 0.072148907 | 82 | 0.090222191 |
| 150 | 0.122729169 | 123 | 0.145897799 |
| 220 | 0.207518343 | 200 | 0.214990964 |
| 300 | 0.273850423 | 275 | 0.270666572 |
| 450 | 0.360838694 | 437 | 0.360888763 |
| 800 | 0.416594372 | 736 | 0.424044297 |
| 1200 | 0.438043206 | 1121 | 0.433066516 |
| 2000 | 0.451111111 | 1844 | 0.451110954 |
S4：(1)数据拟合模块根据不同梯度的光照强度、每个光照强度下水样的平均光合放氧速率，进行非线性拟合，得到平均光合放氧速率对光照强度变化的响应曲线(如图5)，计算公式为：
S3步骤中先根据上表数据进行非线性拟合，得到的响应曲线如附图5所示。
(2)太阳辐照曲线建库模块可构建保存测量点的太阳光照强度变化曲线，再根据平均光合放氧速率对光照强度变化的响应曲线、太阳光照强度变化曲线，沿时间轴对测量点连续变化的光线强度进行24h的光合放氧速率赋值；
其中夏至日三峡库区秭归江段的太阳光照强度变化曲线如附图2所示；夏至日的太阳光照强度随时间变化曲线的描述方程为：
根据平均光合放氧速率对光照强度变化的响应曲线(附图5)、太阳光照强度变化曲线(附图2)，沿时间轴(24h)对测量点的光合放氧速率进行赋值，具体得到的赋值曲线为如附图3所示。
(3)再通过微积分处理模块将时间轴进行5min间隔单元微分处理，最后对微分单元所对应的光合放氧进行积分处理，得到浮游藻类初级生产力，并通过控制终端显示；
微积分处理模块进行计算时，依据昼夜变化规律和太阳光辐照强度变化，将初级生产力微积分计算过程分成0:00-6:00(黎明前黑暗)、6:00-20:00(白天光照)和20:00-24:00(傍晚后黑暗)三个部分。其中，0:00-6:00和0:00-6:00是黑暗条件，植物不进行光合作用，只进行呼吸作用，因此，其积分函数分别为
和
白天光照条件下，按照上述公式计算测量点在不同时间点的光照强度为Q＝-40*(t-13)2+19700，再将此数值代入上面光照强度-光合放氧光响应曲线(P-I)，对白天每一个时间点的光照强度进行光合放氧进行赋值，得到白天条件(6:00-20:00)下积分函数。依据三个阶段的光合作用放氧积分函数分别进行积分，则浮游藻类初级生产力综合微积分方程为
具体计算原理示意图如附图4所示。
S4：水下光量子照度计测量水样的光照强度，与LED散光板预设的光照强度进行比较，计算得到光衰减校正系数δ(定义为测量深度光照强度占水-气界面光照强度的比率，以三峡水库秭归江段测量点为例，此案例中实测值为δ＝0.65，仅用于计算三个积分阶段中白天阶段光照的衰减情况)，再通过水温检测探头检测水样温度，与该水域内不同时段的水温进行比较，得出水温差异，再根据浮游藻类光合放氧速率与温度的关系曲线，确定温度校正参数ε。24小时的测量过程中主要温差在于光照阶段和黑暗阶段，ε定义为黑暗阶段平均温度(W黑暗)与光照阶段平均温度(W光照)比率的平方值，呼吸速率随温度变化极其复杂，此处简化计算方法为ε＝(W黑暗/W光照)2，此案例中实测值ε＝0.67。
控制终端录入光衰减校正系数δ、温度校正参数ε，并通过校正公式对每个区间水层的浮游藻类初级生产力进行校正，求和，得到校正后的总初级生产力；具体计算过程如下：
(1)先通过校正公式进行计算，得到校正后的浮游藻类表层水(0-1m深)初级生产力P0-1为3.72mg O2·m-2·d-1；
校正公式为：
(2)依据上述同样原理和公式，计算表层水以下各个水深的初级生产力，分别为P1-2、P2-3、P3-4：
由于不同水层光合作用效率主要由光衰减系数决定的，如计算1-2m深度水层的初级生产力P1-2的计算方法即为，首先计算光衰减系数，其平均水深1.5m深处的衰减系数ε1-2是在表层衰减系数ε的基础上连续衰减2次，因此ε1-2＝ε2，另外，默认真光层(可以进行光合作用，形成初级生产力的水层)以上的温度没有垂直分布差异，因此水柱中各水层中仅有光衰减参数校正，而没有温度校正。所以，1-2m深度水层的初级生产力P1-2的计算公式为：
同理，通过光衰减系数规律可以计算其他水层，具体计算过程为：
测量点水体总初级生产力P计算结果为上面1-4m各个不同深度水层的加和，具体计算过程为：
测量点水体水柱总初级生产力P总的计算结果为5.35mg O2·m-2·d-1。
结论：由上述计算过程可知，测量点(三峡库区秭归江段)水样的总初级生产力P总为5.35mg O2·m-2·d-1。
本发明的目的是在于发明一种基于微积分原理的浮游藻类初级生产力智能测量装置，并根据测量装置提供一种测量方法，本装置具有测量结果准确可靠、不受测量天气限制、操作方法简单易学、人力成本低、工作效率高等优点，尤其适应于对富营养化湖库浮游藻类初级生产力的测量，以确保准确、高效地获取初级生产力数据，科学地评估湖库渔业生产力和生态系统服务功能。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种基于微积分原理的浮游藻类初级生产力测量装置，其特征在于：所述测量装置包括反应器封闭箱(6)、水样采集装置、数据检测装置、数据分析装置和控制终端，所述水样采集装置一端抽取水样，另一端与反应器封闭箱(6)连通；
所述反应器封闭箱(6)底部设有光照控制装置，用于设置不同梯度的光照强度；所述数据检测装置用于检测水样的光合放氧速率，所述数据分析装置根据不同梯度的光照强度和水样的光合放氧速率进行分析，计算得到测量点水样的总初级生产力，并通过控制终端显示。
2.根据权利要求1所述的基于微积分原理的浮游藻类初级生产力测量装置，其特征在于：所述数据分析装置包括依次电连接的数据拟合模块(19)、太阳辐照曲线建库模块(20)、辐照强度放氧赋值模块(21)和微积分处理模块(22)：
数据拟合模块(19)，用于接收数据检测装置检测的每个光照强度下水样的平均光合放氧速率，并根据不同梯度的光照强度进行非线性拟合，得到平均光合放氧速率对光照强度变化的响应曲线；
太阳辐照曲线建库模块(20)，用于构建反应器封闭箱(6)所处测量点的太阳光照强度变化曲线；
辐照强度放氧赋值模块(21)，依据数据拟合模块(19)拟合的响应曲线和太阳光照强度变化曲线，沿时间轴对测量点连续变化的光线强度进行光合放氧速率赋值；
微积分处理模块(22)，对辐照强度放氧赋值模块(21)处理得到的光合放氧速率进行微分、积分处理，计算并得到测量点水样的总初级生产力，通过控制终端显示。
3.根据权利要求1所述的基于微积分原理的浮游藻类初级生产力测量装置，其特征在于：所述数据分析装置计算得到测量点水样的总初级生产力，传输至控制终端，通过控制终端进行温度校正、光衰减校正，得到校正后的总初级生产力，并进行显示。
4.根据权利要求1所述的基于微积分原理的浮游藻类初级生产力测量装置，其特征在于：所述数据检测装置包括溶氧检测探头(16)和数据记录芯片机(18)，所述溶氧检测探头(16)与数据记录芯片机(18)电连接，所述数据记录芯片机(18)与数据拟合模块(19)无线连接。
5.根据权利要求4所述的基于微积分原理的浮游藻类初级生产力测量装置，其特征在于：所述数据检测装置包括水下光量子照度计(17)和水温检测探头(15)，所述水下光量子照度计(17)和水温检测探头(15)分别与数据记录芯片机(18)电连接。
6.根据权利要求1所述的基于微积分原理的浮游藻类初级生产力测量装置，其特征在于：所述光照控制装置包括红外遥控芯片机(8)和LED散光板(9)，所述LED散光板(9)位于反应器封闭箱(6)底部，所述LED散光板(9)与红外遥控芯片机(8)电连接，所述红外遥控芯片机(8)与控制终端无线连接。
7.根据权利要求6所述的基于微积分原理的浮游藻类初级生产力测量装置，其特征在于：所述水样采集装置包括蠕动泵(1)、取样管(3)和进样管(4)，蠕动泵(1)驱动取样管(3)抽取水样，水样通过进样管(4)进入反应器封闭箱(6)，所述反应器封闭箱(6)侧壁设有出水止逆阀(7)和紊流循环水泵(10)，所述紊流循环水泵(10)、蠕动泵(1)分别与红外遥控芯片机(8)电连接。
8.根据权利要求1所述的基于微积分原理的浮游藻类初级生产力测量装置，其特征在于：所述反应器封闭箱(6)上方设有漂浮气囊圈(25)，所述漂浮气囊圈(25)与反应器封闭箱(6)顶端通过若干个可伸缩连接螺杆(23)连接，并形成上端开口的倒圆台结构；相邻所述可伸缩连接螺杆(23)之间设有遮光板(24)。
9.一种基于微积分原理的浮游藻类初级生产力测量方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
S1：选择测量点，并根据测量点的水样透明度确定所需计算的水层深度；
S2：将反应器封闭箱(6)放置至测量点，采集水样并传输至反应器封闭箱(6)，暗光适应一段时间，待溶氧值降低至1mg/L以下时，开启光照控制装置；
S3：光照控制装置梯度设置不同的光照强度，每个梯度的光照强度维持一段时间，并通过数据检测装置检测该光照强度下的平均光合放氧速率，记录并传输至数据分析装置；
S4：数据分析装置根据各个梯度的光照强度、每个光照强度下水样的平均光合放氧速率，进行非线性拟合，得到平均光合放氧速率对光照强度变化的响应曲线，再依据测量点的太阳光照强度变化曲线，沿时间轴对测量点连续变化的光线强度进行光合放氧速率赋值，再对得到的光合放氧速率进行微分、积分处理，计算出浮游藻类初级生产力；
计算时将所需计算的水层深度以1m为单位划分为多个区间水层，并通过上述方法计算每个区间水层的浮游藻类初级生产力，求和并计算测量点水样的总初级生产力，测量点水样的总初级生产力通过控制终端显示。
10.根据权利要求9所述的一种基于微积分原理的浮游藻类初级生产力测量方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
S1：选择测量点，并根据测量点的水样透明度确定所需计算的水层深度，若水层深度为H，则需要计算的水层深度为(H+1)；
S2：将反应器封闭箱(6)放置至测量点，采集水样并传输至反应器封闭箱(6)，暗光适应30-40min，待溶氧值降低至1mg/L以下时，开启LED散光板(9)；
S3：红外遥控芯片机(8)控制LED散光板(9)梯度设置不同的光照强度，每个梯度的光照强度维持5min，检测该光照强度下的光合放氧速率，并根据第2分钟至第5分钟之间的光合放氧速率计算得到每个光照强度下水样的平均光合放氧速率，记录并传输至数据拟合模块(19)；
S4：数据拟合模块(19)根据不同梯度的光照强度、每个光照强度下水样的平均光合放氧速率，进行非线性拟合，得到平均光合放氧速率对光照强度变化的响应曲线；
太阳辐照曲线建库模块(20)可构建保存测量点的太阳光照强度变化曲线，再根据平均光合放氧速率对光照强度变化的响应曲线、太阳光照强度变化曲线，沿时间轴对测量点连续变化的光线强度进行24h的光合放氧速率赋值；
再通过微积分处理模块(22)将时间轴进行5min间隔单元微分处理，最后对微分单元所对应的光合放氧进行积分处理，计算出浮游藻类初级生产力；
计算时将所需计算的水层深度(H+1)以1m为单位划分为多个区间水层，并通过上述方法计算每个区间水层的浮游藻类初级生产力，求和并计算测量点水样的总初级生产力，测量点水样的总初级生产力通过控制终端显示。
11.根据权利要求10所述的一种基于微积分原理的浮游藻类初级生产力测量方法，其特征在于：S3步骤中，数据拟合模块(19)的计算计算公式为
微积分处理模块(22)进行计算时，微积分方程为
其中A：净光合作用速率；
表观量子效率；Amax：最大光合作用速率；θ：非线性拟合方程曲角值；Rday：光照条件下呼吸速率；Q：不同曝光梯度下光照强度；P：初级生产力。
12.根据权利要求9所述的一种基于微积分原理的浮游藻类初级生产力测量方法，其特征在于：步骤S3计算得到测量点水样的总初级生产力后，传输至控制终端，再进行温度校正、光衰减校正，具体步骤如下：
水下光量子照度计(17)测量水样的光照强度，与LED散光板(9)预设的光照强度进行比较，计算得到光衰减校正系数δ，再通过水温检测探头(15)检测水样温度，与该水域内不同时段的水温进行比较，得出水温差异，再根据浮游藻类光合放氧速率与温度的关系曲线，确定温度校正参数ε；
控制终端录入光衰减校正系数δ、温度校正参数ε，并通过校正公式对每个区间水层的浮游藻类初级生产力进行校正，求和，得到校正后的总初级生产力；
校正公式为：
其中A：净光合作用速率；
表观量子效率；Amax：最大光合作用速率；θ：非线性拟合方程曲角值；Rday：光照条件下呼吸速率；Q：不同曝光梯度下光照强度；P：初级生产力；δ：光衰减校正系数；ε：温度校正参数。
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