殷高方 ,趙南京* ,董 鳴 ,馬明俊 ,甘婷婷 ,覃志松 ,王 翔,黃 朋,胡 翔

(1.中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所 中國(guó)科學(xué)院環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥,230031;2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院,安徽 合肥,230026;3.桂林電子科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息安全學(xué)院,廣西 桂林,541004;4.安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院,安徽 蕪湖,241000)

0 引言

海洋浮游植物的初級(jí)生產(chǎn)力(gross primary productivity,GPP)是海洋生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié),其光合固碳量占全球總固碳量40%以上,是海洋中最重要的生物碳匯,從根本上影響著全球生物地球化學(xué)循環(huán)與氣候變化[1-3]。海洋GPP 觀測(cè)是目前全球海洋生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(global ocean ecosystem dynamics,GLOBEC)研究、全球海洋通量聯(lián)合研究(joint global ocean flux study,JGOFS)、海岸帶陸海相互作用(landocean interactions in the coastal zone,LOICS)等重大研究計(jì)劃的核心課題,也是全球海洋觀測(cè)系統(tǒng)(global ocean observing system,GOOS)、地轉(zhuǎn)海洋學(xué)實(shí)時(shí)觀測(cè)陣(array for real-time geostrophic oceanography,ARGO)以及我國(guó)“透明海洋”科學(xué)計(jì)劃和海洋碳匯評(píng)估工作的重要任務(wù)[4-5]。

海洋GPP 是浮游植物葉綠體利用光能將H2O和CO2轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)碳的能力。海洋GPP 測(cè)量方法包括黑白瓶法、14C 示蹤法以及葉綠素?zé)晒夥ǖ?。其?黑白瓶法和14C 示蹤法等傳統(tǒng)氣體交換法是通過(guò)測(cè)量浮游植物光合作用過(guò)程的光合放氧速率或光合固碳速率評(píng)估GPP,需要進(jìn)行“現(xiàn)場(chǎng)采樣-離線溫育”,取樣培養(yǎng)過(guò)程繁瑣、測(cè)量周期長(zhǎng)、時(shí)效性差,難以滿足現(xiàn)代海洋生態(tài)環(huán)境觀測(cè)需求。葉綠素?zé)晒夥ㄊ且怨夂献饔眠^(guò)程產(chǎn)生的葉綠素?zé)晒鉃樘结?探測(cè)光合作用的電子傳遞過(guò)程,獲得浮游植物光合電子傳遞速率,以此表征GPP 的方法,具有測(cè)量快速靈敏、無(wú)需樣品預(yù)處理、無(wú)污染和無(wú)破壞性等特點(diǎn),是極具發(fā)展?jié)摿Φ暮Ｑ驡PP 快速傳感方法。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在GPP 葉綠素?zé)晒夥治龇椒ㄅc技術(shù)方面開(kāi)展了大量工作。Strasserf[6]和Falkowski[7]等基于生物膜能流理論建立了光合電子傳遞速率的生物-光學(xué)分析模型(bio-optical model);Schreiber 等[8]提出光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)的光合電子傳遞速率測(cè)量技術(shù);Suggett 等[9]實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)法測(cè)得的光合電子傳遞速率與傳統(tǒng)氣體交換法測(cè)得的光合放氧速率、光合固碳速率的一致性。但受浮游植物種類和生長(zhǎng)環(huán)境等因素影響,熒光動(dòng)力學(xué)法測(cè)得的GPP 存在較大偏差和不確定性,如Corno 等[10]對(duì)北太平洋副熱帶環(huán)流GPP 觀測(cè)結(jié)果顯示,在貧營(yíng)養(yǎng)水中,葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)法和14C 示蹤法的測(cè)量值具有較好相關(guān)性,而表層測(cè)量結(jié)果存在較大偏差,隨深度變化差異逐漸減小;Melrose 等[11]對(duì)海灣樣品GPP 對(duì)比結(jié)果表明,相同浮游植物樣本光合電子傳遞速率與光合固碳速率之間具有良好的線性關(guān)系,但不同浮游植物樣本的回歸斜率存在明顯差異。為了準(zhǔn)確測(cè)量光合電子傳遞速率,熒光動(dòng)力學(xué)技術(shù)持續(xù)更新,發(fā)展形成了脈沖振幅調(diào)制、高速重復(fù)脈沖、多相瞬態(tài)熒光等多種類型葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)測(cè)量技術(shù),獲得更多的光合電子傳遞過(guò)程信息[12-13],隨著熒光動(dòng)力學(xué)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展,GPP 計(jì)算模型也在不斷更新,葉綠素?zé)晒夥y(cè)量 GPP 的準(zhǔn)確性和魯棒性持續(xù)提升。

針對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境和海洋碳匯快速監(jiān)測(cè)和評(píng)估需求,在現(xiàn)有葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)上,文中提出基于多波段可變光脈沖誘導(dǎo)熒光動(dòng)力學(xué)的浮游植物GPP 快速傳感新技術(shù),研發(fā)海洋GPP 原位傳感器,并在典型海洋開(kāi)展海試應(yīng)用。

1 測(cè)量原理與技術(shù)

1.1 測(cè)量原理

浮游植物光合作用能流過(guò)程如圖1 所示。在光能驅(qū)動(dòng)下,浮游植物光合組織裂解水分子產(chǎn)生氧氣和電子,電子經(jīng)反應(yīng)中心和多級(jí)電子受體形成還原力參與固碳過(guò)程,主要過(guò)程包括捕光色素吸收光能、反應(yīng)中心裂解水分子釋放氧氣、類囊體膜電子傳遞、三磷酸腺苷(ATP)合成、卡爾文循環(huán)以及CO2固定等。

圖1 浮游植物光合作用能流及光合電子傳遞過(guò)程示意圖Fig.1 Photosynthetic energy flow and photosynthetic electron transfer process of phytoplankton

理論上,光合作用過(guò)程每裂解2 mol H2O 分子可釋放1 mol O2,產(chǎn)生4 mol 電子,固定1 mol CO2,因此光合放氧速率、光合電子傳遞速率和光合固碳速率在評(píng)估浮游植物GPP 時(shí)是等效的。根據(jù)生物-光學(xué)模型[14],光合電子傳遞速率Pe可分解為入射光強(qiáng)度、入射光吸收效率和光驅(qū)動(dòng)光化學(xué)效率三部分的乘積

式中:E為入射光的光子輻射度;為光適應(yīng)下光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)光化學(xué)量子效率;aLHⅡ?yàn)镻SⅡ 捕光色素光吸收系數(shù),是利用暗適應(yīng)下 PSⅡ 光化學(xué)量子效率進(jìn)行歸一化后的光化學(xué)吸收系數(shù)aPSⅡ,如式(2)所示;aPSⅡ定義為PSⅡ功能性反應(yīng)中心濃度[RCⅡ]和PSⅡ的功能吸收截面σPSⅡ的乘積,如式(3)所示;[RCⅡ]定義為光合尺寸單元nPSⅡ和葉綠素濃度[chla]乘積,如式(4)所示。

由此可得,光合電子傳遞速率Pe計(jì)算模型為

1.2 測(cè)量技術(shù)

葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)技術(shù)是利用一束飽和光脈沖激發(fā)浮游植物細(xì)胞,誘導(dǎo)光合反應(yīng)中心裂解水分子釋放大量電子,阻塞電子傳遞鏈,通過(guò)跟蹤葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)變化,獲得光合電子傳遞過(guò)程信息,根據(jù)式(5)計(jì)算獲得光合電子傳遞速率Pe?；谏鲜鲈?文中采用多波段可變光脈沖誘導(dǎo)熒光動(dòng)力學(xué)技術(shù)設(shè)計(jì)了如圖2 所示的海洋GPP 快速原位傳感器[15-17],該傳感器主要由光合有效輻射(photosynthetically active radiation,PAR)測(cè)量模塊、激發(fā)光源和熒光檢測(cè)模塊三部分組成。

圖2 海洋GPP 原位傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of marine GPP in-situ sensor

1) PAR 測(cè)量模塊

PAR 測(cè)量模塊用于測(cè)量水下400～700 nm 光合有效輻射強(qiáng)度,即獲得水下環(huán)境光強(qiáng)度E。

2) 激發(fā)光源模塊

激發(fā)光源模塊主要由多波段激發(fā)光源、飽和激發(fā)光源和仿真環(huán)境光源組成,其中多波段激發(fā)光源采用6 波段LED 激發(fā)光源,用于產(chǎn)生葉綠素激發(fā)熒光光譜,實(shí)現(xiàn)葉綠素濃度[chla]測(cè)量;飽和激發(fā)光源采用3 顆470 nm 激光二極管,用于誘導(dǎo)產(chǎn)生熒光動(dòng)力學(xué)過(guò)程,實(shí)現(xiàn)PSⅡ光化學(xué)量子產(chǎn)率фPSⅡ和PSⅡ的功能吸收截面σPSⅡ測(cè)量;仿真環(huán)境光源采用3 顆超高亮白光LED,根據(jù)PAR 測(cè)量模塊獲得水下環(huán)境光強(qiáng)度E產(chǎn)生等效環(huán)境光強(qiáng),結(jié)合飽和激發(fā)光源,實(shí)現(xiàn)光適應(yīng)下PSⅡ光化學(xué)量子效率測(cè)量。

3) 熒光檢測(cè)模塊

以光電倍增管為探測(cè)器,采用雙通道熒光探測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)熒光動(dòng)力學(xué)過(guò)程和葉綠素激發(fā)熒光光譜測(cè)量,其中熒光動(dòng)力學(xué)探測(cè)通道采用5 MHz 快速采集電路,確保200 μs 單周轉(zhuǎn)快速熒光動(dòng)力學(xué)過(guò)程無(wú)失真探測(cè);葉綠素激發(fā)熒光光譜探測(cè)通道采用高靈敏檢測(cè)電路,實(shí)現(xiàn)0.01 μg/L 以上葉綠素濃度準(zhǔn)確測(cè)量。

為滿足海洋痕量葉綠素原位監(jiān)測(cè)需求,傳感器光學(xué)結(jié)構(gòu)采用激發(fā)與發(fā)射同軸端窗式設(shè)計(jì),使用大數(shù)值孔徑非球面透鏡,增大光源光束準(zhǔn)直性,減小照明區(qū)彌散光斑,提升光源激發(fā)效率;通過(guò)增加準(zhǔn)直、聚焦透鏡焦距比和聚焦鏡口徑,增大熒光接收數(shù)值孔徑角,提升熒光收集效率;通過(guò)設(shè)置消雜光光闌和消光螺紋減少光源雜散光;三者優(yōu)化平衡設(shè)計(jì),形成藻類葉綠素?zé)晒飧咝Ъぐl(fā)與探測(cè)光學(xué)結(jié)構(gòu),如圖3 所示。該結(jié)構(gòu)光學(xué)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、具有較強(qiáng)抗震性能。

圖3 海洋GPP 原位傳感器測(cè)量系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.3 Optical structure of marine GPP in-situ sensor

在上述技術(shù)基礎(chǔ)上,研發(fā)海洋GPP 原位傳感器如圖4 所示,該傳感器能夠在1.6 min 內(nèi)實(shí)現(xiàn)GPP 快速測(cè)量,檢測(cè)限為0.138 nmol(e)/(m3s),測(cè)量上限達(dá)1 000 nmol(e)/(m3s),核心指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果如圖5 所示。

圖4 海洋GPP 原位傳感器Fig.4 Marine GPP in-situ sensor

圖5 海洋GPP 原位傳感器性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果Fig.5 Performance index test results of marine GPP insitu sensor

2 海試及應(yīng)用

2019—2020 年,海洋GPP 原位傳感器分別在北極、黃渤海和南海等典型海域參與了多次科學(xué)考察工作(如圖6 所示),實(shí)現(xiàn)了高/中/低不同緯度下海洋GPP 走航快速觀測(cè),獲取了我國(guó)黃海近海、渤海灣、南海島礁周邊,以及太平洋及北冰洋部分海域表層海水的GPP 空間分布情況,為海洋生態(tài)環(huán)境調(diào)查和科學(xué)研究提供了大量實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)。

圖6 海洋GPP 傳感器應(yīng)用海域Fig.6 Application sea area of marine GPP in-situ sensor

2.1 北極科考

2019 年8 月11 日—9 月18 日,海 洋GPP 原位傳感器搭載于“向陽(yáng)紅1 號(hào)”科考船進(jìn)行了北極航線走航觀測(cè),從山東省青島出發(fā),途徑黃海、朝鮮海峽、宗谷海峽、太平洋、白令海、白令海峽、楚科奇海至北冰洋。期間海洋GPP 原位傳感器安裝在海水交換水槽中進(jìn)行在線監(jiān)測(cè),累計(jì)監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)144 h,獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)1 407 條,GPP監(jiān)測(cè)結(jié)果和空間分布如圖7 和圖8 所示。

圖7 北極科考期間海洋GPP 監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.7 Monitoring results of marine GPP during Arctic scientific expedition

圖8 北極科考航線上GPP 空間分布圖Fig.8 Spatial distribution map of GPP on Arctic scientific expedition route

從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上看,白令海域(8 月26 日—28日)和楚科奇海域(8 月 30 日)2 個(gè)海域GPP 明顯高于其他海域,最高GPP 達(dá)112 nmol(e)/(m3s);勘察加半島周邊海域(8 月23 日—25 日)、北冰洋海域(9 月1 日—3 日)GPP 較低。此觀測(cè)結(jié)果與海區(qū)GPP 調(diào)查結(jié)果吻合。

2.2 黃渤海海試

2019 年8 月18 日—23 日,海洋GPP 原位傳感器搭載于“海監(jiān)101 號(hào)”科考船在黃渤海開(kāi)展了示范應(yīng)用。期間傳感器安裝在海水交換水槽中進(jìn)行在線監(jiān)測(cè),航次共航行806 n mile,獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)1 200 余條。GPP 監(jiān)測(cè)結(jié)果和空間分布如圖9和圖10 所示。

圖9 黃渤海海試期間海洋GPP 監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.9 Monitoring results of marine GPP during Yellow Sea and Bohai Sea trials

圖10 黃渤海海試航線上GPP 空間分布圖Fig.10 Spatial distribution map of GPP on Yellow Sea and Bohai Sea trials route

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明: 黃海近海和渤海海域的GPP較高且變化幅度較大,在100～550 nmol(e)/(m3s)范圍內(nèi),渤海海域GPP 明顯高于黃海近海,約為黃海近海海域的2 倍。對(duì)比同期(2019 年8 月18 日—23 日)北極航次的監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出,黃渤海航線GPP 是太平洋和北冰洋海域航線GPP 的10 倍以上。

2.3 南海島礁科考

2020 年9 月25 日—11 月19 日,海洋GPP 原位傳感器搭載于“實(shí)驗(yàn)1 號(hào)”科考船,在南海海域進(jìn)行了走航觀測(cè),累積在線監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)852 h,共獲得有效數(shù)據(jù)4 328 條,監(jiān)測(cè)結(jié)果和空間分布如圖11和圖12 所示。

圖11 南海島礁科考期間海洋GPP 監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.11 Monitoring results of marine GPP during South China Sea scientific expedition

圖12 南海島礁科考航線上GPP 的空間分布圖Fig.12 Spatial distribution map of GPP on South China Sea scientific expedition route

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明,珠江-瓊州海峽海域附近GPP高于南沙島礁附近海域,并且越靠近海岸GPP 越高;對(duì)比珠江-瓊州海峽海域和南沙群島海域單日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖13 所示,珠江-瓊州海峽GPP 在15～60 nmol(e)/(m3s)范圍,變化幅度大;南沙群島海域GPP 在4～7 nmol(e)/(m3s)范圍,變化幅度小。

圖13 珠江-瓊州海峽和南沙群島附近海域GPP 對(duì)比Fig.13 Comparison of GPP between the Pearl River Qiongzhou Strait and sea area near the Nansha Islands

3 結(jié)束語(yǔ)

海洋GPP 是評(píng)價(jià)海洋生態(tài)環(huán)境狀況的重要指標(biāo)之一,海洋GPP 快速監(jiān)測(cè)可為海洋生態(tài)環(huán)境調(diào)查和海洋碳匯評(píng)估提供科學(xué)的觀測(cè)數(shù)據(jù)。文中以葉綠素?zé)晒庾鳛楦∮沃参锕夂献饔眠^(guò)程探針,采用多波段可變光脈沖誘導(dǎo)熒光動(dòng)力學(xué)技術(shù),自主研發(fā)了海洋GPP 快速原位傳感技術(shù)及儀器,解決了傳統(tǒng)氣體交換法需要“現(xiàn)場(chǎng)采樣-離線溫育”,測(cè)量過(guò)程繁瑣、周期長(zhǎng)、時(shí)效性差的難題,將GPP 測(cè)量周期由24 h 縮短至1.6 min,為海洋生態(tài)環(huán)境調(diào)查和海洋碳匯評(píng)估提供了先進(jìn)技術(shù)手段;研發(fā)的海洋GPP 原位傳感器在北極、黃渤海和南海等參與了多次科學(xué)考察觀測(cè)工作,實(shí)現(xiàn)了高/中/低不同緯度下海洋GPP 走航快速觀測(cè),獲取了我國(guó)黃海近海、渤海灣、南海島礁周邊,以及太平洋及北冰洋部分海域表層海水GPP 的空間分布情況,為海洋生態(tài)環(huán)境調(diào)查和科學(xué)研究提供了大量實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)。

致謝:感謝自然資源部第二海洋研究所、中國(guó)科學(xué)院島礁綜合研究中心、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“海洋環(huán)境安全保障”重點(diǎn)專項(xiàng)“重點(diǎn)聲學(xué)類和近海海洋生態(tài)類儀器設(shè)備規(guī)范化海上試驗(yàn)”課題(20l6 YFCl401304)等提供的海試平臺(tái)支持。