葉綠素自動監(jiān)測法與傳統(tǒng)監(jiān)測法比對分析研究

左新宇 程帥 徐浩 劉陳飛 黃昱

摘要：為了研究自動監(jiān)測與傳統(tǒng)監(jiān)測所得數(shù)據(jù)是否具有可比性，2018年1-6月在三峽庫區(qū)支流4個自動監(jiān)測站點開展每月1次的葉綠素比對監(jiān)測，對獲得的24對數(shù)據(jù)進行了相關(guān)性分析、顯著性檢驗和偏差分析。結(jié)果表明，自動監(jiān)測和傳統(tǒng)監(jiān)測所得數(shù)據(jù)顯著性相關(guān)，但同時也存在顯著性差異，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。因此葉綠素自動監(jiān)測尚無法取代傳統(tǒng)常規(guī)監(jiān)測，但其具有較好的時效性、可比性以及高靈敏度，在應(yīng)急監(jiān)測、在線監(jiān)測等方面具有獨特優(yōu)勢。自動監(jiān)測可與傳統(tǒng)監(jiān)測相互配合和補充，以更好地服務(wù)于水環(huán)境水生態(tài)的監(jiān)測管理和保護。

關(guān)鍵詞：葉綠素監(jiān)測;自動監(jiān)測;比對監(jiān)測;比對分析

中圖法分類號：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)濟和社會發(fā)展，采取每月定期或不定期的人工采樣方式對水環(huán)境和水生態(tài)質(zhì)量進行監(jiān)測，已難以滿足人們?nèi)找嬖鲩L的對數(shù)據(jù)量以及數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求。自動監(jiān)測是通過自動化儀器完成機械的采集和分析工作，可降低人工成本，提高工作效率。自動監(jiān)測儀器可通過設(shè)置監(jiān)測頻次實現(xiàn)逐日監(jiān)測、每小時監(jiān)測，甚至不間斷監(jiān)測，從而采集到頻次更密集、更詳細(xì)的數(shù)據(jù)，并且能及時傳送至數(shù)據(jù)管理中心，極大提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性和時效性，有助于掌握水體總體情況，提高對突發(fā)狀況的認(rèn)識程度和應(yīng)急反應(yīng)能力，從而更好地服務(wù)于水環(huán)境水生態(tài)的分析評價和管理保護。

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)，其含量的測定也是研究水體初級生產(chǎn)力和富營養(yǎng)化水平的有效方法。

目前，實驗室進行葉綠素監(jiān)測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)過樣品采集、濃縮、破碎、浸提等前處理過程，需要實驗室提供相應(yīng)的設(shè)備[5]，且采樣、送樣、提取、測量過程步驟多、耗時較長，難以滿足水資源、水環(huán)境、水生態(tài)監(jiān)測與管理對效率和時效性的要求。

葉綠素受光激發(fā)后會發(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）在水體原位測量葉綠素的含量。測量儀器通過自帶的光源釋放一定波長的光，水中的葉綠素吸收該光后，受到激發(fā)，釋放出波長更長的熒光。通過測量所釋放光的強度，來測量水中葉綠素的含量。該方法無需前處理，操作簡單，靈敏度高，量程大，適用于葉綠素的應(yīng)急監(jiān)測和在線監(jiān)測。目前已有多款多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀采用該方法進行測量[5]。

已有學(xué)者對自動監(jiān)測能否能替代傳統(tǒng)監(jiān)測等問題進行了研究，并得出了不同的結(jié)論[6-7]。對于兩種監(jiān)測方法得出數(shù)據(jù)產(chǎn)生差異的原因，還需要進一步的比對研究和探討。

基于2018年布設(shè)在三峽庫區(qū)支流的4個野外自動監(jiān)測站的數(shù)據(jù)，每月開展1次自動監(jiān)測與采用傳統(tǒng)分光光度法測量葉綠素的比對監(jiān)測。分析了自動監(jiān)測儀器野外條件下的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對其與實驗室傳統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的相關(guān)性、差異性以及差異產(chǎn)生成因進行了討論，以期為水環(huán)境、水生態(tài)的監(jiān)測管理和保護提供參考。

2 斷面布設(shè)及監(jiān)測方法

2.1 斷面測點及時間

選擇三峽庫區(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個比對監(jiān)測斷面。斷面處設(shè)置浮標(biāo)船，自動監(jiān)測設(shè)備安裝于浮標(biāo)船上。傳統(tǒng)監(jiān)測斷面采樣點位于自動監(jiān)測設(shè)備3m的范圍內(nèi)。監(jiān)測時間為2018年1～6月，每月1次，共6次。

2.2 監(jiān)測方法及儀器

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

（2）自動監(jiān)測。自動監(jiān)測儀器為英國AquareadAP-7000多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀，采用熒光分析法在監(jiān)測斷面進行原位觀測。儀器安裝前經(jīng)過校準(zhǔn)，每月采樣時進行維護校準(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個自動監(jiān)測站2018年1～6月共24組的對比對監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2。圖l為葉綠素濃度變化曲線。初步判斷得出，自動監(jiān)測與傳統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化趨勢較為一致。

3.2 相關(guān)性分析

將24組數(shù)據(jù)按傳統(tǒng)監(jiān)測方法和自動監(jiān)測方法分為兩組，進行配對樣本t檢驗，得到其相關(guān)系數(shù)為0.994（ P

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

3.3 差異性分析

對傳統(tǒng)監(jiān)測方法和自動監(jiān)測方法得到的兩組結(jié)果分別進行均值和標(biāo)準(zhǔn)差計算，并在此基礎(chǔ)上，針對同一監(jiān)測指標(biāo)的兩組結(jié)果進行配對和樣本t檢驗。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），表明配對的兩組數(shù)據(jù)存在顯著差異性。

3.4 偏差分析

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

因測量數(shù)據(jù)有限，無法確定樣品的絕對真值，難以進行絕對誤差的分析，因此將兩組數(shù)據(jù)單位進行換算后，通過相對偏差的計算，進行精密度分析。相對偏差計算公式為

計算結(jié)果見表4，平均偏差為7.1%。

根據(jù)SL219-2013《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》中關(guān)于兩個監(jiān)測系統(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15 %[9]，

比對結(jié)果表明，自動監(jiān)測方法和傳統(tǒng)監(jiān)測方法測得的數(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。自動監(jiān)測儀器基于體內(nèi)熒光法，探頭釋放一定波長的光線，水中的葉綠素吸收光線后，釋放出波長685 nm左右的熒光，通過測量熒光強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。熒光法測定的是不同形式下總?cè)~綠素的值[6-7]，但無法區(qū)分不同形式的葉綠素。傳統(tǒng)監(jiān)測方法的主要對象是葉綠素a。由于測量多個波長的信息，對葉綠素a和葉綠素b進行了區(qū)分，甚至對脫鎂葉綠素進行了校準(zhǔn)。由于兩種方法的原理不同，適用對象也有所不同，且自動監(jiān)測的數(shù)據(jù)量通常較傳統(tǒng)監(jiān)測數(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。由于自動監(jiān)測是基于光信號的監(jiān)測方式，而野外自動監(jiān)測的樣品未經(jīng)過前處理，很容易因為光的散射、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。而在野外原位測量同樣也可能會因為晝夜等光線強弱的不同，而受到雜光干擾[6]。傳統(tǒng)監(jiān)測方法在實驗室經(jīng)過浸提離心等前處理，可以基本消除雜質(zhì)和雜光的干擾。從這個角度來說，傳統(tǒng)的實驗室浸提法結(jié)果相對準(zhǔn)確。

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

（4）分析時間的差異。自動監(jiān)測在原位可以很快地測出相應(yīng)數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)采樣涉及樣品采集運輸?shù)冗^程，在時間上會有差異。盡管運輸過程中，溫度較低，但長時間運輸可能會導(dǎo)致實驗室樣品和原位的樣品存在差異。即便是在采樣現(xiàn)場進行抽濾，也仍然無法避免前處理過程耗時過長問題。

（5）測量儀器的校正和測量過程中的質(zhì)量控制。在對比試驗過程中，室內(nèi)使用的分光光度計及相關(guān)的器具經(jīng)過周期檢定校準(zhǔn)，并且在有效期內(nèi)?，F(xiàn)場自動監(jiān)測儀器帶有自動清洗功能，并且每月由工作人員進行一次清洗、人工維護和校準(zhǔn)。然而，由于磨損程度和藻類種類不同，自動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)品和待測水體中葉綠素存在的狀態(tài)和均一性有較大差異[11]。實驗室測量人員的經(jīng)驗和操作方式不同，也可能帶來偶然誤差。

5 結(jié)語與展望

由于數(shù)據(jù)量較少，可能導(dǎo)致此次比對分析結(jié)果存在一定的不足。而通過本次樣品比對的數(shù)據(jù)分析可知，葉綠素測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)果相對偏差等差異性也會有所不同[6]。因此，未來在對自動和傳統(tǒng)監(jiān)測進行比對時，還需增大樣品容量，擴大樣品濃度范圍，才能更加準(zhǔn)確地分析兩者間的差異。

由于自動監(jiān)測靈敏度高，且具有較好的時效性和可比性，因而在應(yīng)急監(jiān)測、在線監(jiān)測等方面具有良好的應(yīng)用前景。即使自動監(jiān)測葉綠素結(jié)果與實驗室手工方法結(jié)果存在一定的偏差，葉綠素自動監(jiān)測依然具有其獨特優(yōu)勢。由于自動監(jiān)測測量葉綠素的數(shù)據(jù)相關(guān)性良好，即使自動監(jiān)測儀器示值變化不能保證絕對準(zhǔn)確，但是其變化趨勢依然具有參考價值。尤其是在突發(fā)應(yīng)急監(jiān)測和在線監(jiān)測中，自動監(jiān)測能定時或不間斷的記錄水體待測物濃度，并能夠快速及時的傳遞出變化的信號。在全變化過程中，由于自動監(jiān)測頻次高，可以更完整地記錄變化過程。而自動監(jiān)測的快速響應(yīng)優(yōu)勢為水華等應(yīng)急風(fēng)險事件實時預(yù)警預(yù)報和實時監(jiān)控提供了可行性。

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

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