左新宇 程帥 徐浩 劉陳飛 黃昱

摘要：為了研究自動(dòng)監(jiān)測(cè)與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)是否具有可比性，2018年1-6月在三峽庫(kù)區(qū)支流4個(gè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)開展每月1次的葉綠素比對(duì)監(jiān)測(cè)，對(duì)獲得的24對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)性分析、顯著性檢驗(yàn)和偏差分析。結(jié)果表明，自動(dòng)監(jiān)測(cè)和傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)顯著性相關(guān)，但同時(shí)也存在顯著性差異，偏差大部分在15%以內(nèi)。造成該差異性的主要原因有方法原理的不同和雜質(zhì)干擾等。因此葉綠素自動(dòng)監(jiān)測(cè)尚無(wú)法取代傳統(tǒng)常規(guī)監(jiān)測(cè)，但其具有較好的時(shí)效性、可比性以及高靈敏度，在應(yīng)急監(jiān)測(cè)、在線監(jiān)測(cè)等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。自動(dòng)監(jiān)測(cè)可與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)相互配合和補(bǔ)充，以更好地服務(wù)于水環(huán)境水生態(tài)的監(jiān)測(cè)管理和保護(hù)。

關(guān)鍵詞：葉綠素監(jiān)測(cè);自動(dòng)監(jiān)測(cè);比對(duì)監(jiān)測(cè);比對(duì)分析

中圖法分類號(hào)：X832

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.08.011

1 研究背景

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展，采取每月定期或不定期的人工采樣方式對(duì)水環(huán)境和水生態(tài)質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，已難以滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的對(duì)數(shù)據(jù)量以及數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求。自動(dòng)監(jiān)測(cè)是通過(guò)自動(dòng)化儀器完成機(jī)械的采集和分析工作，可降低人工成本，提高工作效率。自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器可通過(guò)設(shè)置監(jiān)測(cè)頻次實(shí)現(xiàn)逐日監(jiān)測(cè)、每小時(shí)監(jiān)測(cè)，甚至不間斷監(jiān)測(cè)，從而采集到頻次更密集、更詳細(xì)的數(shù)據(jù)，并且能及時(shí)傳送至數(shù)據(jù)管理中心，極大提高了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的完整性和時(shí)效性，有助于掌握水體總體情況，提高對(duì)突發(fā)狀況的認(rèn)識(shí)程度和應(yīng)急反應(yīng)能力，從而更好地服務(wù)于水環(huán)境水生態(tài)的分析評(píng)價(jià)和管理保護(hù)。

水體中的藻類種類和生物量是影響水質(zhì)的重要因素之一，也是表征水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況的重要指標(biāo)之一。葉綠素廣泛存在于植物體中，葉綠素a是所有浮游植物門類均含有的葉綠素類型[1]。葉綠素的含量作為估算浮游植物生物量的重要指標(biāo)，其含量的測(cè)定也是研究水體初級(jí)生產(chǎn)力和富營(yíng)養(yǎng)化水平的有效方法。

目前，實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行葉綠素監(jiān)測(cè)的主要方法有分光光度法、高效液相色譜法和熒光光度法等[2-4]。采取以上方法提取藻類葉綠素都需要經(jīng)過(guò)樣品采集、濃縮、破碎、浸提等前處理過(guò)程，需要實(shí)驗(yàn)室提供相應(yīng)的設(shè)備[5]，且采樣、送樣、提取、測(cè)量過(guò)程步驟多、耗時(shí)較長(zhǎng)，難以滿足水資源、水環(huán)境、水生態(tài)監(jiān)測(cè)與管理對(duì)效率和時(shí)效性的要求。

葉綠素受光激發(fā)后會(huì)發(fā)射熒光，基于該性質(zhì)，可采用活體熒光分析法（即體內(nèi)熒光法）在水體原位測(cè)量葉綠素的含量。測(cè)量?jī)x器通過(guò)自帶的光源釋放一定波長(zhǎng)的光，水中的葉綠素吸收該光后，受到激發(fā)，釋放出波長(zhǎng)更長(zhǎng)的熒光。通過(guò)測(cè)量所釋放光的強(qiáng)度，來(lái)測(cè)量水中葉綠素的含量。該方法無(wú)需前處理，操作簡(jiǎn)單，靈敏度高，量程大，適用于葉綠素的應(yīng)急監(jiān)測(cè)和在線監(jiān)測(cè)。目前已有多款多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀采用該方法進(jìn)行測(cè)量[5]。

已有學(xué)者對(duì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)能否能替代傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)等問(wèn)題進(jìn)行了研究，并得出了不同的結(jié)論[6-7]。對(duì)于兩種監(jiān)測(cè)方法得出數(shù)據(jù)產(chǎn)生差異的原因，還需要進(jìn)一步的比對(duì)研究和探討。

基于2018年布設(shè)在三峽庫(kù)區(qū)支流的4個(gè)野外自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)，每月開展1次自動(dòng)監(jiān)測(cè)與采用傳統(tǒng)分光光度法測(cè)量葉綠素的比對(duì)監(jiān)測(cè)。分析了自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器野外條件下的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)其與實(shí)驗(yàn)室傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性、差異性以及差異產(chǎn)生成因進(jìn)行了討論，以期為水環(huán)境、水生態(tài)的監(jiān)測(cè)管理和保護(hù)提供參考。

2 斷面布設(shè)及監(jiān)測(cè)方法

2.1 斷面測(cè)點(diǎn)及時(shí)間

選擇三峽庫(kù)區(qū)澎溪河（小江）、草堂河、大寧河和香溪河等4條重要支流，在其人河口上游約3 km處分別設(shè)置4個(gè)比對(duì)監(jiān)測(cè)斷面。斷面處設(shè)置浮標(biāo)船，自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝于浮標(biāo)船上。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)斷面采樣點(diǎn)位于自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備3m的范圍內(nèi)。監(jiān)測(cè)時(shí)間為2018年1～6月，每月1次，共6次。

2.2 監(jiān)測(cè)方法及儀器

（1）傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)。在距離監(jiān)測(cè)平臺(tái)3m范圍以內(nèi)，采集平臺(tái)周圍水面下0.5 m混合樣。為了盡可能減少誤差，現(xiàn)場(chǎng)抽濾采集水樣，并將濾膜立即置于4 cC冰盒中，放人車載冰箱冷藏運(yùn)輸并及時(shí)送回實(shí)驗(yàn)室分析。分析方法采用SL 88-2012《水質(zhì)葉綠素的測(cè)定分光光度法》[8]。實(shí)驗(yàn)室所用的量器及分光光度計(jì)均經(jīng)過(guò)檢定或校準(zhǔn)。

（2）自動(dòng)監(jiān)測(cè)。自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器為英國(guó)AquareadAP-7000多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀，采用熒光分析法在監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行原位觀測(cè)。儀器安裝前經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，每月采樣時(shí)進(jìn)行維護(hù)校準(zhǔn)，所選用的AP-7000葉綠素光學(xué)電極的主要參數(shù)見表1。

3 結(jié)果分析

3.1 數(shù)據(jù)結(jié)果

4個(gè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站2018年1～6月共24組的對(duì)比對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表2。圖l為葉綠素濃度變化曲線。初步判斷得出，自動(dòng)監(jiān)測(cè)與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)較為一致。

3.2 相關(guān)性分析

將24組數(shù)據(jù)按傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法和自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法分為兩組，進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，得到其相關(guān)系數(shù)為0.994（ P

將自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法和傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法測(cè)得結(jié)果作為相關(guān)量，進(jìn)行回歸分析，結(jié)果表明兩組方法測(cè)得的結(jié)果數(shù)據(jù)顯著相關(guān)，見圖2。

3.3 差異性分析

對(duì)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法和自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法得到的兩組結(jié)果分別進(jìn)行均值和標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算，并在此基礎(chǔ)上，針對(duì)同一監(jiān)測(cè)指標(biāo)的兩組結(jié)果進(jìn)行配對(duì)和樣本t檢驗(yàn)。假設(shè)兩組數(shù)據(jù)不存在顯著差異性，得到的t值和Sig.值見表3。t=-2.413，Sig.為0.024∈（0.01，0.05），表明配對(duì)的兩組數(shù)據(jù)存在顯著差異性。

3.4 偏差分析

對(duì)上述存在顯著差異性的配對(duì)數(shù)據(jù)組進(jìn)行偏差分析，以檢驗(yàn)差異大小是否在允許范圍內(nèi)。

因測(cè)量數(shù)據(jù)有限，無(wú)法確定樣品的絕對(duì)真值，難以進(jìn)行絕對(duì)誤差的分析，因此將兩組數(shù)據(jù)單位進(jìn)行換算后，通過(guò)相對(duì)偏差的計(jì)算，進(jìn)行精密度分析。相對(duì)偏差計(jì)算公式為

計(jì)算結(jié)果見表4，平均偏差為7.1%。

根據(jù)SL219-2013《水環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范》中關(guān)于兩個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)間分析精密度的允許差規(guī)定，一般理化指標(biāo)通常情況下，分析精密度偏差不超過(guò)15 %[9]，

比對(duì)結(jié)果表明，自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法和傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法測(cè)得的數(shù)據(jù)顯著性相關(guān)，但兩組數(shù)據(jù)也存在顯著性差異，24組數(shù)據(jù)中，有3對(duì)出現(xiàn)了偏差大于15%，占比12.5%，其余均處于可接受的范圍內(nèi)。

4 數(shù)據(jù)差異成因分析

（1）方法原理不同。自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器基于體內(nèi)熒光法，探頭釋放一定波長(zhǎng)的光線，水中的葉綠素吸收光線后，釋放出波長(zhǎng)685 nm左右的熒光，通過(guò)測(cè)量熒光強(qiáng)度得出水中葉綠素的含量。水體中能被激發(fā)而產(chǎn)生熒光的物質(zhì)，除浮游植物體內(nèi)的葉綠素外，水體中化學(xué)狀態(tài)的葉綠素以及其他能產(chǎn)生熒光的物質(zhì)均被算作是葉綠素。熒光法測(cè)定的是不同形式下總?cè)~綠素的值[6-7]，但無(wú)法區(qū)分不同形式的葉綠素。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法的主要對(duì)象是葉綠素a。由于測(cè)量多個(gè)波長(zhǎng)的信息，對(duì)葉綠素a和葉綠素b進(jìn)行了區(qū)分，甚至對(duì)脫鎂葉綠素進(jìn)行了校準(zhǔn)。由于兩種方法的原理不同，適用對(duì)象也有所不同，且自動(dòng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)量通常較傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量大，因此兩種方法原理不同導(dǎo)致了系統(tǒng)誤差。

（2）泥沙雜質(zhì)和雜光的干擾。由于自動(dòng)監(jiān)測(cè)是基于光信號(hào)的監(jiān)測(cè)方式，而野外自動(dòng)監(jiān)測(cè)的樣品未經(jīng)過(guò)前處理，很容易因?yàn)楣獾纳⑸?、反射等，受到水體中泥沙等雜質(zhì)的干擾[10]。汛期和雨天水體泥沙含量大，導(dǎo)致一些季節(jié)性或偶然性差異。而在野外原位測(cè)量同樣也可能會(huì)因?yàn)闀円沟裙饩€強(qiáng)弱的不同，而受到雜光干擾[6]。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)浸提離心等前處理，可以基本消除雜質(zhì)和雜光的干擾。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室浸提法結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確。

（3）樣品的性質(zhì)不同。即使傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法測(cè)得兩份樣品結(jié)果相同，也不能保證自動(dòng)監(jiān)測(cè)能得到相同的結(jié)果。尤其是當(dāng)樣品藻類形態(tài)和大小不同時(shí)，其均勻度也會(huì)不同，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果存在差異。尤其是存在團(tuán)藻、多甲藻、微囊藻等較大的個(gè)體或群體時(shí)，其樣品本身并不均勻，與實(shí)驗(yàn)室浸提的較均勻的葉綠素溶液有很大不同。

（4）分析時(shí)間的差異。自動(dòng)監(jiān)測(cè)在原位可以很快地測(cè)出相應(yīng)數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)采樣涉及樣品采集運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程，在時(shí)間上會(huì)有差異。盡管運(yùn)輸過(guò)程中，溫度較低，但長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)輸可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室樣品和原位的樣品存在差異。即便是在采樣現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行抽濾，也仍然無(wú)法避免前處理過(guò)程耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)問(wèn)題。

（5）測(cè)量?jī)x器的校正和測(cè)量過(guò)程中的質(zhì)量控制。在對(duì)比試驗(yàn)過(guò)程中，室內(nèi)使用的分光光度計(jì)及相關(guān)的器具經(jīng)過(guò)周期檢定校準(zhǔn)，并且在有效期內(nèi)。現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器帶有自動(dòng)清洗功能，并且每月由工作人員進(jìn)行一次清洗、人工維護(hù)和校準(zhǔn)。然而，由于磨損程度和藻類種類不同，自動(dòng)清洗效果也存在一些差異;儀器校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)品保質(zhì)期短，標(biāo)準(zhǔn)品和待測(cè)水體中葉綠素存在的狀態(tài)和均一性有較大差異[11]。實(shí)驗(yàn)室測(cè)量人員的經(jīng)驗(yàn)和操作方式不同，也可能帶來(lái)偶然誤差。

5 結(jié)語(yǔ)與展望

由于數(shù)據(jù)量較少，可能導(dǎo)致此次比對(duì)分析結(jié)果存在一定的不足。而通過(guò)本次樣品比對(duì)的數(shù)據(jù)分析可知，葉綠素測(cè)量值的變化范圍較小，最大值為62.13μg/L。不同的樣品濃度，可能導(dǎo)致其結(jié)果相對(duì)偏差等差異性也會(huì)有所不同[6]。因此，未來(lái)在對(duì)自動(dòng)和傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)進(jìn)行比對(duì)時(shí)，還需增大樣品容量，擴(kuò)大樣品濃度范圍，才能更加準(zhǔn)確地分析兩者間的差異。

由于自動(dòng)監(jiān)測(cè)靈敏度高，且具有較好的時(shí)效性和可比性，因而在應(yīng)急監(jiān)測(cè)、在線監(jiān)測(cè)等方面具有良好的應(yīng)用前景。即使自動(dòng)監(jiān)測(cè)葉綠素結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室手工方法結(jié)果存在一定的偏差，葉綠素自動(dòng)監(jiān)測(cè)依然具有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。由于自動(dòng)監(jiān)測(cè)測(cè)量葉綠素的數(shù)據(jù)相關(guān)性良好，即使自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器示值變化不能保證絕對(duì)準(zhǔn)確，但是其變化趨勢(shì)依然具有參考價(jià)值。尤其是在突發(fā)應(yīng)急監(jiān)測(cè)和在線監(jiān)測(cè)中，自動(dòng)監(jiān)測(cè)能定時(shí)或不間斷的記錄水體待測(cè)物濃度，并能夠快速及時(shí)的傳遞出變化的信號(hào)。在全變化過(guò)程中，由于自動(dòng)監(jiān)測(cè)頻次高，可以更完整地記錄變化過(guò)程。而自動(dòng)監(jiān)測(cè)的快速響應(yīng)優(yōu)勢(shì)為水華等應(yīng)急風(fēng)險(xiǎn)事件實(shí)時(shí)預(yù)警預(yù)報(bào)和實(shí)時(shí)監(jiān)控提供了可行性。

除自動(dòng)監(jiān)測(cè)和傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)外，目前還可以運(yùn)用遙感等方法進(jìn)行水體富營(yíng)養(yǎng)化和葉綠素的監(jiān)測(cè)[12-13]。這些監(jiān)測(cè)方式都各有優(yōu)缺點(diǎn)，可與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法相互配合，形成互補(bǔ)，更好地為水資源、水環(huán)境、水生態(tài)監(jiān)測(cè)管理和保護(hù)工作提供服務(wù)和支撐。

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