浮游植物粒級(jí)結(jié)構(gòu)分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種水體狀況分析方法，具體涉及一種海水的浮游植物粒級(jí)結(jié)構(gòu)的分 析方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 浮游植物是指在水中以浮游生活的微小植物，通常浮游植物就是指浮游藻類，包 括硅藻、甲藻、綠藻、藍(lán)藻、金藻、黃藻等，也包括自養(yǎng)性細(xì)菌。浮游植物在地球上分布很廣， 是水域生態(tài)系統(tǒng)中最重要的初級(jí)生產(chǎn)者，啟動(dòng)了水域生態(tài)系統(tǒng)的食物網(wǎng)，在能量流動(dòng)、物質(zhì) 循環(huán)和信息傳遞中起著至關(guān)重要的作用。
[0003] 浮游植物的粒級(jí)結(jié)構(gòu)研究對(duì)了解不同粒級(jí)大小的浮游植物在生態(tài)系統(tǒng)中的功能 具有重要意義，對(duì)浮游植物的粒級(jí)劃分一般參照Sieburth等（1978)的標(biāo)準(zhǔn)，按照個(gè)體大小 可分為以下幾種類型：
[0004] (1)超微型（pico_) :〈2 μ m ;
[0005] (2)微型（nano-) : 2-20 μ m ;
[0006] (3)小型（micro-) : 20-200 μ m ;
[0007] 通常的測(cè)量方法是采用"葉綠素a粒級(jí)分離法"，即測(cè)量不同粒級(jí)的浮游植物所含 的葉綠素a濃度來描述生物量在各個(gè)粒級(jí)的分布情況。受所用濾膜孔徑的限制，也有研究 采用3 μ m作為超微型和微微型的分界；也有研究采用5 μ m或8 μ m，對(duì)微型浮游植物進(jìn)行 更為細(xì)致的劃分。這種方法簡(jiǎn)單易行，但由于浮游植物的形態(tài)多種多樣，用網(wǎng)篩和濾膜進(jìn)行 粒級(jí)分離時(shí)勢(shì)必會(huì)造成誤差。
[0008] 此外，浮游植物粒級(jí)結(jié)構(gòu)的研究方法還有電子粒度分析儀法和顯微鏡粒徑分析 法、流式細(xì)胞儀法、特征色素表征法等。
[0009] 電子粒度分析儀法不能區(qū)分單個(gè)細(xì)胞和細(xì)胞群體，而是將樣品中各種不同形狀的 物質(zhì)測(cè)出體積后，均等效為球體，再根據(jù)推算得到的等效直徑來劃分粒徑；這樣雖然對(duì)于個(gè) 體細(xì)胞可行，但當(dāng)大量細(xì)胞結(jié)成群體時(shí)則會(huì)產(chǎn)生誤差。對(duì)于不規(guī)則的非球體細(xì)胞，該方法的 測(cè)量結(jié)果可能偏低。目前商業(yè)化的庫爾特計(jì)數(shù)儀的粒徑測(cè)量范圍一般為l_120um，已在海洋 浮游植物和浮游植物動(dòng)物等粒徑測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用。
[0010] 顯微鏡粒徑分析法，是在顯微鏡下分別測(cè)量藻細(xì)胞樣品的長(zhǎng)、寬、高等線性參數(shù)， 然后根據(jù)相關(guān)的幾何公式計(jì)算細(xì)胞的體積、表面積和等效直徑或半徑等。由于浮游植物細(xì) 胞的幾何形態(tài)不規(guī)則，而且種間差異很大，所以選擇合適的幾何形狀計(jì)算公式是準(zhǔn)確計(jì)算 細(xì)胞體積等的關(guān)鍵。更重要的是，盡管同一種浮游植物有相同的幾何形狀，但細(xì)胞大小差異 很大，因此測(cè)量足夠數(shù)量的細(xì)胞不僅是得到準(zhǔn)確并具有統(tǒng)計(jì)意義的粒徑數(shù)據(jù)的關(guān)鍵，也是 測(cè)量浮游植物粒徑分布所必需的。這種方法具有直觀的優(yōu)點(diǎn)，但其工作量大、耗時(shí)多，難以 消除細(xì)胞光暈的干擾以及由此導(dǎo)致的粒徑測(cè)量偏差。
[0011] 流式細(xì)胞法主要是根據(jù)在流體作用下，細(xì)胞散射光和角度差異確定浮游植物粒 徑?？赏瑫r(shí)測(cè)量單個(gè)細(xì)胞的幾何形狀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、熒光特性和DNA組成等，并據(jù)此進(jìn)行種類 檢定。商業(yè)化的流式細(xì)胞儀自20世紀(jì)80年代已在水生生物學(xué)研究中得到了應(yīng)用，但目前一 般只能測(cè)量50um以下的細(xì)胞，而且存在不同種類浮游植物所需不同染色劑之間相互干擾、 前期處理中會(huì)損失部分細(xì)胞、且儀器價(jià)格昂貴等問題。
[0012] 特征色素表征法，基于不同種類浮游植物在色素組成上的差異性，采用特征色素 組分對(duì)不同粒級(jí)浮游植物的相對(duì)含量進(jìn)行推算。采用高效液相色譜技術(shù)（HPLC)可測(cè)定浮 游植物所含的主要色素成分。利用色素進(jìn)行分類學(xué)研究的主要方法是"矩陣因子化"方法， 標(biāo)志性的成果是CHEMTAX軟件。到目前為止，不僅在門類水平上能夠準(zhǔn)確的測(cè)定浮游植物 群落組成，而且部分種屬已經(jīng)可以被準(zhǔn)確的識(shí)別測(cè)定；但色素分析方法需要高效液相色譜 儀，試劑消耗量大，樣品前處理繁瑣；值得注意的是，這種方法并不能嚴(yán)格地反映浮游植物 群落的真實(shí)粒徑，一些診斷色素可能會(huì)同時(shí)在多種浮游植物群落中；因此該方法推算的結(jié) 果具有更強(qiáng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而不能指示單個(gè)藻類細(xì)胞的粒徑大小。
[0013] 采用上述方法對(duì)浮游植物粒徑結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量，僅限于采集的水樣，因此在水平或 垂向尺度上的空間覆蓋程度上還存在很多限制。
[0014] 現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，浮游植物粒徑大小與其吸收、衰減特性之間具有緊密的聯(lián)系，是決 定浮游植物光學(xué)特性變化的主要因素之一。鑒于此，本發(fā)明人提出一種根據(jù)水體的光譜衰 減、吸收來分析水體中浮游植物的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 本發(fā)明的第一個(gè)目的在于：提供一種基于海水吸收光譜分析的海水浮游植物粒級(jí) 結(jié)構(gòu)的分析方法，即擬原位測(cè)量水體吸收光譜，通過分解方法提取浮游植物吸收光譜貢獻(xiàn)， 采用生物光學(xué)反演算法，進(jìn)一步提取藻類的平均粒徑和浮游植物粒級(jí)結(jié)構(gòu)信息。該方法的 優(yōu)勢(shì)在于可實(shí)現(xiàn)原位、高頻及高垂向分辨率的測(cè)量，對(duì)于快速查明浮游植物生物量的粒級(jí) 結(jié)構(gòu)及時(shí)空分布具有重要意義。
[0016] 本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0017] -種浮游植物粒級(jí)結(jié)構(gòu)分析方法，其包括以下步驟：
[0018] 步驟1、原位測(cè)量海水吸收光譜；
[0019] 所述步驟1包括以下步驟：
[0020] 步驟11、將同一光源發(fā)出的光分為三路；
[0021] 步驟12、同時(shí)進(jìn)行下述測(cè)量：
[0022] 將第一路光信號(hào)輸入至吸收通道中再通過待測(cè)水體后產(chǎn)生第一反饋光信號(hào)，接收 該第一反饋光信號(hào)作為吸收通道測(cè)量結(jié)果；
[0023] 將第二路光信號(hào)輸入至衰減通道中再通過待測(cè)水體后產(chǎn)生第二反饋光信號(hào)，接收 該第二反饋光信號(hào)作為衰減通道測(cè)量結(jié)果；
[0024] 將第三路光信號(hào)直接輸出第三反饋光信號(hào)，接收該第三反饋光信號(hào)作為參考光路 測(cè)量結(jié)果；
[0025] 步驟13、根據(jù)所述吸收通道測(cè)量結(jié)果獲取海水的光譜吸收系數(shù)a( λ );
[0026] 步驟2、通過分解方法從所述海水的光譜吸收系數(shù)a( λ )中提取浮游植物吸收系 數(shù)；
[0027] 步驟3、根據(jù)所述浮游植物吸收光譜貢獻(xiàn)，采用生物光學(xué)反演算法，提取浮游植物 的平均粒徑或粒級(jí)結(jié)構(gòu)信息。
[0028] 所述原位測(cè)量海水吸收光譜的方法通過水體光吸收衰減系數(shù)測(cè)量?jī)x實(shí)現(xiàn)，所述水 體光吸收衰減系數(shù)測(cè)量?jī)x包括發(fā)光單元、采樣單元、探測(cè)單元和信號(hào)采集分析單元，其中：
[0029] 所述發(fā)光單元包括主通道以及在主通道的后端分成的三路分通道，所述主通道和 分通道之間相互連通，所述主通道內(nèi)設(shè)置有產(chǎn)生光信號(hào)的光源組件，在主通道與分通道的 連通處設(shè)置有用于將所述光信號(hào)分成三束的分束器，使光信號(hào)被分成三束后分別進(jìn)入三路 分通道；在三路分通道中，其中第一分通道和第二分通道的終端分別開有封閉的第一窗口 和第二窗口；
[0030] 所述探測(cè)單元包括三路接收通道，其中，第一接收通道和第二接收通道的始端分 別開有封閉的第三窗口和第四窗口，第三接收通道與第二接收通道相連通；
[0031] 所述采樣單元包括用于連接第一窗口和第三窗口的第一水樣通道以及用于連接 第二窗口和第四窗口的第二水樣通道；
[0032] 所述信號(hào)采集分析單元設(shè)有光譜分析儀；
[0033] 第三分通道的終端通過光纖與第三接收通道的終端相連，在第三接收通道與第二 接收通道的連通處安裝一合束器，所述合束器用于將第三分通道中的光信號(hào)經(jīng)第三接收通 道后與第二分通道中的光信號(hào)經(jīng)第二接收通道后進(jìn)行合分，然后再傳送至第二接收通道的 終端，所述第一分通道中的光信號(hào)傳送至第一接收通道的終端；所述第一接收通道的終端 以及第二接收通道的終端均通過光纖與光譜分析儀連接；
[0034] 所述第一至三分通道為吸收通道、衰減通道和參考通道，所述第一至三接收通道 分別為吸收接收通道、衰減接收通道和參考接收通道，所述第一至四窗口分別為第一吸收 窗口、第一衰減窗口、第二吸收窗口和第二衰減窗口；
[0035] 所述第一水樣通道的內(nèi)壁上涂覆有反射膜層，所述第二水樣通道的內(nèi)壁經(jīng)過發(fā)黑 處理。
[0036] 所述主通道的后端延伸形成衰減通道，所述參考通道與衰減通道直接連通，所述 吸收通道與主通道直接連通，所述分束器包括設(shè)置于吸收通道與主通道的連通處的第一分 束器、以及設(shè)置于參考通道與衰減通道的連通處的第二分