不同海水營養(yǎng)鹽現(xiàn)場連續(xù)觀測系統(tǒng)的比較研究*

王麗芳, 黃韜, 杜川軍, 郭香會

1. 廈門大學(xué)近海海洋環(huán)境科學(xué)國家重點(diǎn)實驗室, 福建 廈門 361102;

2. 廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院, 福建 廈門 361102

海水營養(yǎng)鹽自動觀測技術(shù)的廣泛應(yīng)用極大推動了海洋生態(tài)系統(tǒng)的研究向小尺度和高時空分辨率方向發(fā)展(Harris, 1980; Johnson et al, 1992; DeGrandpre et al, 1995; Glasgow et al, 2004; Johnes, 2007; Rusjan et al, 2008)。該技術(shù)的要點(diǎn)是現(xiàn)場、實時、連續(xù)性、準(zhǔn)確性和便利性。近20 年來, 海水營養(yǎng)鹽自動觀測技術(shù)在適用范圍、測樣精度、操作性、持續(xù)性等方面已取得了較大進(jìn)展(Le Bris et al, 2000; Johnson et al, 2002; Mills et al, 2004; Lacombe et al, 2008; Egli et al, 2009; Moscetta et al, 2009; Plant et al, 2009;Vuillemin et al, 2009; Etheridge et al, 2014; Frank et al, 2014; Barus et al, 2016), 同時已被廣泛應(yīng)用于河口及近海海域的定點(diǎn)或連續(xù)觀測(Gilbert et al, 2013;Snyder et al, 2014; Vincent et al, 2018)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

依據(jù)檢測原理, 營養(yǎng)鹽自動觀測技術(shù)主要分為三類。第一類是濕化學(xué)法, 是基于顯色反應(yīng)的分光光度法, 通過結(jié)合流動注射分析(flow injection analysis, FIA)和順序注射分析(sequential injection analysis, SIA)等技術(shù)進(jìn)行測量(Bris et al, 2000; Mills et al, 2004; Egli et al, 2009; Moscetta et al, 2009;Plant et al, 2009; Vuillemin et al, 2009)。目前國際上基于此原理的儀器主要有: 美國蒙特里安海洋研究所(Monterey Bay Aquarium Research Institute,MBARI)生產(chǎn)的OsmoAnalyxer 滲透泵硝酸鹽分析儀、德國ME 公司(Meerestechnik-Elektronik GmbH)研制的APP4004 型營養(yǎng)鹽自動分析儀、英國W.S 海洋系統(tǒng)有限公司的NAS-2E 型營養(yǎng)鹽分析儀、英國Chelsea 儀器有限公司的AOUA MARK Ⅲ營養(yǎng)鹽和化學(xué)成分監(jiān)測系統(tǒng)、美國Subchem 系統(tǒng)公司研制的營養(yǎng)鹽剖面分析儀(autonomous profiling nutrient analyzer, APNA)等?；趥鹘y(tǒng)濕化學(xué)法原理的儀器普遍存在集成度低、體積大、能耗高、試劑用量大等缺點(diǎn)。近年來, 微流控技術(shù)與液芯波導(dǎo)(liquid core waveguide, LCW)技術(shù)在營養(yǎng)鹽原位分析儀上的應(yīng)用, 一方面實現(xiàn)了“濕化學(xué)法”往體積小、功耗低、試劑用量低的方向發(fā)展, 另一方面極大地提高了濕化學(xué)法的靈敏度 (Steimle et al, 2002; Adornato et al,2007; Li et al, 2008; 孫兆華 等, 2008; Sieben et al,2010; 馬然 等, 2016)。另外, 熒光法在濕化學(xué)法儀器上的應(yīng)用, 提高了海水中銨鹽測定的靈敏度, 填補(bǔ)了大洋中極低濃度氨原位觀測的空白(Masserini et al, 2000)。

第二類是紫外光譜法, 是基于營養(yǎng)鹽對紫外光吸收的特征來測定物質(zhì)成分和含量的方法。此方法目前只適用于海水中硝酸鹽的測定(Johnson et al,2002; van den Broeke et al, 2006)?；谧贤夤庾V法原理的儀器主要有: 加拿大Satlantic 公司(現(xiàn)為美國Seabird 公司)的ISUSSUNA 硝酸鹽傳感器、德國Trios 公司的OPUS 水下高光譜分析儀、奧地利S∷Can 公司研發(fā)的Spectro∷lyser 便攜/在線式光譜傳感器等。紫外光譜法易受到NO-2、HS-、Br-等離子,以及部分氨基酸和鹽度、溫度等環(huán)境條件的影響(Finch et al, 1998; Collos et al, 1999; Johnson et al,2002; Sakamoto et al, 2009), 但通過對干擾物質(zhì)、溫度和鹽度的校正, 可以提高傳感器的準(zhǔn)確度(Sakamoto et al, 2009)。紫外光譜法技術(shù)已從單光譜檢測發(fā)展為連續(xù)光譜檢測, 有效解決了單光譜檢測技術(shù)相關(guān)性差、適用范圍窄、不適合復(fù)雜樣測量、精度低等問題。

第三類是離子選擇性電極法, 是利用特定的離子選擇性透過膜, 使待測離子透過膜與電極和電解液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng), 與參比電極產(chǎn)生電位差計算得到待測離子濃度(Hanrahan et al, 2004)。目前應(yīng)用較多有銨鹽(·)、硝酸鹽(NO-3)、亞硝酸鹽(NO-2)的電極。此類電極主要是搭載在多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀上, 例如美國YSI 公司的YSI 6820 型和6920 型多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀、HYDROLAB 公司的 Datasonde4 型和Min-isonde 型多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀。離子選擇性電極法一方面由于無法排除海水中大量存在的氯、鈉等離子的干擾, 另一方面, 在使用時, 電極漂移現(xiàn)象嚴(yán)重, 短時間內(nèi)就需要校正, 所以目前還無法應(yīng)用于海水營養(yǎng)鹽的在線監(jiān)測(Müller et al, 2003;Johnson et al, 2007; Worsfold, 2006)。微流體定制薄層平板電池技術(shù)或電鍍技術(shù)在離子電極上的應(yīng)用,可以有效降低樣品中氯離子(Cl-)的濃度, 有望應(yīng)用于原位海水的測量(Knust et al, 2013; Cuartero et al,2015)。目前已經(jīng)成功研發(fā)出海水磷酸鹽和硅酸鹽的電極(Barus et al, 2016, 2018)。上述營養(yǎng)鹽自動觀測技術(shù)通過與浮標(biāo)、起伏式拖曳體、潛標(biāo)等觀測平臺技術(shù)相結(jié)合, 實現(xiàn)了從河口到開闊大洋水體中營養(yǎng)鹽水平或垂直剖面的連續(xù)觀測(Gilbert et al, 2013;Snyder et al, 2014; Vincent et al, 2018)。

我國的海水營養(yǎng)鹽自動觀測技術(shù)起步較晚, 但在國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863 計劃)的支持下, 展開了一定的研究與應(yīng)用, 獲得了一系列的進(jìn)展。我國已研制出多臺營養(yǎng)鹽現(xiàn)場自動觀測的工程樣機(jī),實現(xiàn)了多種營養(yǎng)鹽的在線檢測(鄒常勝, 2001; 杜軍蘭 等, 2003; 肖靖澤 等, 2011; 郭翠蓮 等, 2018;李暉 等, 2018; 綦聲波 等, 2019)。馬然 等(2016)利用微流控技術(shù)加光電檢測技術(shù), 有效降低了原位分析儀的功耗與體積, 減少了試劑用量, 提高了儀器的運(yùn)行時間與穩(wěn)定性, 并通過原位海試與實驗室數(shù)據(jù)的比對, 取得了令人較為滿意的結(jié)果, 實現(xiàn)了營養(yǎng)鹽的原位監(jiān)測。我國也自主研發(fā)了基于紫外光譜法的海水硝酸鹽在線監(jiān)測系統(tǒng)(李丹 等, 2016)。對于極低濃度營養(yǎng)鹽及痕量元素的原位、在線測量技術(shù)的研究也取得了一定的進(jìn)展: 例如孫兆華 等(2008)率先設(shè)計了基于長光程液芯波導(dǎo)的海水極低濃度營養(yǎng)鹽在線檢測儀; 馬劍等人采用流動分析儀與在線固相萃取聯(lián)用, 首次成功實現(xiàn)了南海表層極低濃度磷酸鹽長時間連續(xù)走航觀測(Ma et al, 2017)。同國際上相對成熟的海水營養(yǎng)鹽自動觀測技術(shù)相比,我國研發(fā)的儀器的技術(shù)參數(shù)(靈敏度、檢測限、穩(wěn)定性等)還存在一定差距; 而且以上產(chǎn)品基本上都是科研樣機(jī), 沒有形成穩(wěn)定可靠的商業(yè)化產(chǎn)品, 我國營養(yǎng)鹽傳感器還主要依賴進(jìn)口。

盡管國際上商業(yè)化的營養(yǎng)鹽自動分析儀器在我國的海洋觀測上也發(fā)揮了重要作用(潘俊 等, 2017),但長期、連續(xù)、實時監(jiān)測所獲得的高精度、高頻率的營養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)卻鮮有報道, 定點(diǎn)連續(xù)觀測基本還是采用時間間隔式的人工采樣方式(潘明祥 等, 2000;方濤 等, 2012)。究其原因, 一是不同的營養(yǎng)鹽自動監(jiān)測設(shè)備所獲取的數(shù)據(jù)的質(zhì)量亟待提高; 二是設(shè)備的連續(xù)觀測時間相對較短, 需要經(jīng)常維護(hù), 且維護(hù)成本高; 三是不同類型的營養(yǎng)鹽自動分析儀器的適用范圍、測量精度、操作要求等都會有所不同, 缺乏實際應(yīng)用情況的參照。針對此問題, 本文介紹了基于紫外光譜法的ISUS 硝酸鹽傳感器、基于濕化學(xué)法的APNA 營養(yǎng)鹽剖面自動分析儀與QuAAtro 連續(xù)流動分析儀這三種設(shè)備在航次中的應(yīng)用結(jié)果, 結(jié)合各自瓶采的觀測結(jié)果, 比較了各儀器的優(yōu)缺點(diǎn),旨在為海洋現(xiàn)場自動監(jiān)測系統(tǒng)中儀器的選用與實踐操作提供參考。

2 儀器應(yīng)用結(jié)果與討論

2.1 紫外光譜法

美國蒙特里安海洋研究所和加拿大Satlantic 公司制造的ISUS 硝酸鹽傳感器是采用連續(xù)光譜檢測技術(shù)。Johnson 等(2002)基于海水在200～400nm 的紫外吸收特征, 利用光譜反卷積技術(shù)(spectral deconvolution techniques), 首次研制了硝酸鹽傳感器。應(yīng)用時, 將傳感器沒入水中即可迅速提供實時、高精度的硝酸鹽濃度數(shù)據(jù), 檢出限為2μmol·L-1。目前, ISUS 硝酸鹽傳感器在國際上已獲得廣泛應(yīng)用,加深了對海洋生態(tài)系統(tǒng)的認(rèn)識。例如, 在北太平洋副熱帶環(huán)流區(qū)的夏威夷海洋時間序列站, 通過ISUS對該站長達(dá)21 個月的連續(xù)剖面觀測, 發(fā)現(xiàn)硝酸鹽在水深100～250m 之間出現(xiàn)了季節(jié)性的虧損, 表明該站位的凈群落生產(chǎn)是消耗營養(yǎng)鹽的主要過程(Johnson et al, 2010)。此外, 通過硝酸鹽傳感器在河-海水混合區(qū)域的應(yīng)用, 可估算整個河口區(qū)硝酸鹽濃度與動力學(xué)過程(Sakamoto et al, 2009)。目前尚無基于類似原理的營養(yǎng)鹽其他參數(shù)的傳感器。ISUS 硝酸鹽傳感器在實際應(yīng)用時發(fā)現(xiàn), 雖然表征的是NO-3的數(shù)據(jù), 但NO-2對其干擾很大, 會產(chǎn)生等濃度的效應(yīng),實際測出的濃度是NO-3與NO-2兩者濃度之和, 所以后續(xù)文中ISUS 測定的結(jié)果統(tǒng)一用NO-3+NO-2表示。

本研究于2012 年12 月在珠江口航次調(diào)查中初次利用ISUS 硝酸鹽傳感器進(jìn)行走航觀測。ISUS 使用之前, 先在船上的實驗室內(nèi)作零點(diǎn)校驗和標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn), 再同步好儀器時間。由于珠江口水體中的濁度較高, 為減少顆粒物對 ISUS 的影響, 水樣進(jìn)入ISUS 的流動池之前, 對水樣進(jìn)行了在線過濾。應(yīng)用時, 航行速度控制在4 節(jié)左右, 將ISUS 儀器固定于甲板上, 把流量控制在約10L·min-1的潛水泵下放至約水下1m 處。泵到甲板的水樣經(jīng)分流和在線過濾后, 以約2L·min-1的流速進(jìn)入ISUS 的流動池中, 采樣頻率設(shè)為1Hz。為驗證ISUS 儀器測定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性, 把ISUS 測定的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場同步采集樣品的實驗室測定數(shù)據(jù)(德國Seal 公司生產(chǎn)的連續(xù)化學(xué)流動分析儀AA3 測定)進(jìn)行比對, 兩者測定結(jié)果的比較如圖1a 所示。為了更好地了解ISUS 走航觀測的結(jié)果, 把ISUS 走航的觀測結(jié)果與航次現(xiàn)場站位的觀測(CTD 采水瓶采樣)結(jié)果進(jìn)行比對, 兩者間的比對 如圖1b、c 所示。

圖1 珠江口NO-2 +NO-3 的平面分布圖a. ISUS 與AA3 測定比較; b. AA3 測量數(shù)據(jù)(每個點(diǎn)代表一個站位), 單位: μmol·L-1; c. 校正后的ISUS 走航觀測數(shù)據(jù)Fig. 1 Distribution of NO-2 +NO-3 in the Pearl River Estuary a. comparison with measurements of AA3 and ISUS; b. result of AA3 observation (each dot represents one station), units: μmol·L-1; c. result of corrected ISUS observation

由圖1a 可知, ISUS 與實驗室測定數(shù)據(jù)具有非常好的線性關(guān)系, 相關(guān)系數(shù)R2=0.9995, 斜率為1.0421,但I(xiàn)SUS 測定結(jié)果整體略低于AA3 測定結(jié)果, 偏差約為4.2%, 可能與ISUS 靈敏度較低, 且儀器讀數(shù)受溫度、鹽度影響有關(guān)系(Zielinski et al, 2011; 潘俊等, 2017)。為確保ISUS 測定的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性, 對本航次ISUS 測定數(shù)據(jù)按y=1.0421x+1.1152 的關(guān)系進(jìn)行校正。

從圖1b、c 可知, 第三個站位(AA3 測量數(shù)據(jù),第三個點(diǎn))附近ISUS 的觀測值略低于瓶采觀測值,第二個站位(AA3 測量數(shù)據(jù), 第二個點(diǎn))附近ISUS 沒有數(shù)據(jù)外, 兩者在其余站位的觀測結(jié)果具有高度的一致性, 分布的趨勢和濃度范圍基本相同; 本航次兩者調(diào)查的結(jié)果與前人的研究基本一致(Dai et al,2008)。第三個站位附近是珠江廣州河段與東江北支水交匯處, ISUS 密集采樣測定, 因此更有可能捕捉到不同濃度的水源輸入的信號, 這可能是造成上游第三個站位附近ISUS 的測定值偏低的主要原因。本航次ISUS 走航觀測了3 天, 獲取了高分辨率的NO-2+NO-3分布圖, 跟點(diǎn)狀的站位觀測圖相比, ISUS走航連續(xù)觀測不但使獲取的數(shù)據(jù)具有時間的連續(xù)性,而且有效捕捉到了河口上游區(qū)域密集的輸入源信號,而站位觀測僅有一點(diǎn)顯示了東江匯入珠江口的區(qū)域有高NO-2+NO-3的信號。

2014 年5 月在國家自然科學(xué)基金項目“南海深部過程綜合航次”中, 應(yīng)用ISUS 對1000m 以淺水體做了水柱的剖面測定。應(yīng)用時, 把ISUS 固定在CTD采水器架子的下方, 下放速度為1m·s-1, 采樣頻率為1Hz。為驗證ISUS 剖面觀測結(jié)果的可靠性, 在ISUS 觀測的同時, 同步進(jìn)行了CTD 采水測定(AA3測定)。本航次共觀測5 個站位, 分別為P04、LT2、C7、X1、D3, 其中P04 站位于呂宋海峽外, LT2 站位于呂宋海峽, C7、X1 和D3 位于南海, 由P04 站至D3 站依次從呂宋海峽外往南海里面排列。本航次觀測站位的經(jīng)緯度、各站位的ISUS 與CTD 瓶采的觀測結(jié)果如圖2 所示。

由圖2a 可知, P04 站位CTD 瓶采的觀測結(jié)果與ISUS 觀測的結(jié)果基本吻合, 瓶采AA3 測定值基本落在ISUS 的觀測曲線上。水深800～1000m 的層位瓶采的測定值比ISUS 測定的值略低1～2μmol·L-1左右, 水深100～200m 的層位兩者測定值較接近, 水深100m 以淺的層位, 瓶采AA3 測定值已低于儀器的檢出限 (0.1μmol·L-1), 而 ISUS 測定值仍有1～2μmol·L-1左右, 兩者相差較大的主要原因是ISUS 靈敏度較低(2μmol·L-1)及儀器本身的系統(tǒng)誤差所致。在200～800m 間, 通過ISUS 的剖面觀測數(shù)據(jù),可以看到P04 站的營養(yǎng)鹽濃度隨深度增加而遞增的精細(xì)結(jié)構(gòu)。由圖2b 可知, LT2 站位CTD 瓶采的觀測結(jié)果與ISUS 觀測的結(jié)果吻合性較好, 但25m 以淺的層位, ISUS 測定值比AA3 測定值高一些。由圖2c可知, C7 站位25～200m 間的CTD 瓶采的觀測結(jié)果與ISUS 觀測的結(jié)果吻合性較好, 25m 以淺的層位與300m 的層位, ISUS 測定值均高于瓶采測定值。X1、D3 站(圖2d、e)CTD 瓶采的觀測結(jié)果與ISUS 觀測的結(jié)果分布趨勢較一致, 但是除75m 附近外, 其他層位都出現(xiàn)了CTD 瓶采測定值要比ISUS 測定值略高 1～2μmol·L-1左右。這些站位無論是瓶采還是ISUS 的觀測結(jié)果, 其剖面的分布趨勢與之前調(diào)查航次的結(jié)果基本是一致(Du et al, 2013)。相對瓶采有限幾個點(diǎn)的觀測結(jié)果, ISUS 的精細(xì)剖面可以更清晰地看到各個站位垂直精細(xì)結(jié)構(gòu), 例如不同站位營養(yǎng)鹽的匱乏層(nutrient depleted layer, NDL)的深度存在的差異性; 水深200～500m 間, 不同站位NO-2+NO-3濃度整體呈現(xiàn)從東往西依次遞增(P4→D3)的分布趨勢, 與溫度和鹽度數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)未展示)的空間變化具有很好的吻合性。通過ISUS 精細(xì)剖面, 可以清晰甄別不同站位間NO-2+NO-3濃度的水平差異和垂直變化差異, 對計算南海營養(yǎng)鹽的湍流擴(kuò)散通量及其在垂向通量中的作用是CTD 瓶采數(shù)據(jù)所無法比擬的。與ISUS 測定數(shù)據(jù)相比, 如果用CTD 瓶采數(shù)據(jù)計算南海營養(yǎng)鹽的垂向通量, 誤差可能高達(dá) 50%左右(Du et al, 2013) 。但對于存在營養(yǎng)鹽匱乏層的海域, ISUS 由于靈敏度所限, 測定值低于2μmol·L-1的數(shù)據(jù)不可信。

圖2 南海呂宋海峽5 個站位的NO- 2+NO- 3 剖面分布圖Fig. 2 Vertical profiles of NO- 2+NO- 3 of P04—D3 stations in the Luzon Strait of the South China Sea

綜上, 基于特征紫外光吸收光譜的硝酸鹽傳感器ISUS 具有不需化學(xué)試劑、響應(yīng)速度快、無二次污染、適合連續(xù)長期觀測、耐壓深度深的優(yōu)點(diǎn), 可廣泛應(yīng)用于海水和淡水的走航觀測、剖面觀測和浮標(biāo)定點(diǎn)觀測。但其僅能測定硝酸鹽, 與傳統(tǒng)的瓶采測定值相比, 通常會存在±1～2μmol·L-1左右的濃度偏差, 靈敏度相對較低 (約2μmol·L-1), 不適于寡營養(yǎng)鹽海域的上層海洋; 另外水體濁度對其影響比較大, 需進(jìn)行水樣過濾或濁度的較正; 長時間應(yīng)用時, ISUS 存在漂移的現(xiàn)象, 仍需要用瓶采數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。

2.2 濕化學(xué)法

2.2.1 APNA 營養(yǎng)鹽剖面分析儀—原位式

APNA 營養(yǎng)鹽剖面分析儀是由美國Subchem 公司研制的原位營養(yǎng)鹽測量儀, 其工作原理采用顯色反應(yīng)和流動分析技術(shù)(continuous flow analysis, CFA)相結(jié)合的“濕化學(xué)”分析方法, 已成功應(yīng)用于現(xiàn)場監(jiān)測。在哥倫比亞(Columbia)河口, Vincent 等(2018)利用APNA 獲得了為期三個月的潮汐周期營養(yǎng)鹽的動態(tài)變化。利用APNA 對北極的源頭河流的上游地帶進(jìn)行每小時間隔的營養(yǎng)鹽采樣, Snyder 等(2014)發(fā)現(xiàn)該河流中的與NO-3每天都呈現(xiàn)鏡像關(guān)系的振蕩, 除了河流生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部生物的自養(yǎng)與硝化過程影響外, 另一個重要原因是通過高頻的營養(yǎng)鹽觀測發(fā)現(xiàn)了白天解凍土壤在晚上對河流進(jìn)行了營養(yǎng)鹽的側(cè)向輸入。但目前利用APNA 分析儀獲得觀測結(jié)果的報道不多, 而我國則無報道。

2008 年8 月在南海北部過程實驗(South China Sea Coastal Oceanographic Process Experiment,SCOPE)航次, 利用APNA 營養(yǎng)鹽剖面分析儀對位于南海北部陸架S206 站(115°22′24″E, 22°0′3″N)進(jìn)行了剖面觀測。航次中使用的APNA 營養(yǎng)鹽剖面分析儀配置四個通道, 可測量硝酸鹽、亞硝酸鹽、磷酸鹽(PO3-4)、硅酸鹽四個參數(shù)。該儀器可分為兩個獨(dú)立的部分: 一部分用于試劑和標(biāo)準(zhǔn)溶液的儲存; 另一部分為主體部分, 主要用于樣品的反應(yīng)與檢測,其中亞硝酸鹽和磷酸鹽的通道配置5cm 的流通池,硝酸鹽和硅酸鹽通道配置1cm 的流通池。該儀器可布放的最大深度為200m。使用之前, 在船上的實驗室內(nèi)先對該儀器的進(jìn)樣泵和試劑泵的速率進(jìn)行精確測定與校正。應(yīng)用時, 總進(jìn)樣管的流量設(shè)置為4mL·min-1, 進(jìn)樣管前端接0.45μm 孔徑的囊式過濾頭, NO-2與NOX(NO-3+NO-2)通道的試劑流量都設(shè)為0.2mL·min-1, PO3-4通道試劑流量分別設(shè)為0.2mL·min-1(鉬酸銨)、0.15mL·min-1(抗壞血酸),Si(OH)4通道試劑流量分別設(shè)為0.5mL·min-1(鉬酸銨)、0.4mL·min-1(草酸+抗壞血酸)。設(shè)定好APNA的待機(jī)時間 (5min)、沖洗時間 (2min)、校正時間(10min)、采樣時間 (35min), 這些時間需要根據(jù)儀器由甲板下放至水面的時間、站位的深度、下放速率、標(biāo)準(zhǔn)校正的時間與頻率等因素決定。根據(jù)設(shè)定,先在5min 之內(nèi)把APNA 下放至約1m 水深位置, 等待13min 后, 開始以約0.10～0.15m·s-1的速率下放在至 70m 水深處, 停滯約 10min, 再以約0.10～0.15m·s-1的速率回收, 每秒鐘記錄一個數(shù)據(jù)值。為了解APNA 剖面觀測結(jié)果的可靠性, 在APNA觀測的同時, 同步進(jìn)行了CTD 采水測定(AA3 測定)。APNA 的剖面觀測結(jié)果與CTD 瓶采觀測結(jié)果見圖3 所示。由于20m 以淺的營養(yǎng)鹽濃度低于AA3和APNA 的檢出下限, 因此僅選取20m 以深的數(shù)據(jù)作為比較。

圖3 S206 站營養(yǎng)鹽剖面分布圖Fig. 3 Vertical profiles of nutrients at station S206

由圖3a、b 可知, 對于NO-3+ NO-2和Si(OH)4,APNA 的觀測結(jié)果與瓶采觀測結(jié)果的分布趨勢較一致, 兩者拐點(diǎn)出現(xiàn)的深度基本相同, 但在20～40m 左右, APNA 的NO-3+NO-2測定值高于瓶采測定值, 兩者相差約1～2μmol·L-1, 而對于Si(OH)4, 兩者測定結(jié)果的吻合性很好。APNA 測定的 NO-3+NO-2與Si(OH)4光滑度都較佳。此外, 從APNA 的觀測數(shù)據(jù)可以看出, 在55m 左右NO-3+NO-2與Si(OH)4都存在一個明顯的躍層, 而瓶采的測定結(jié)果無法準(zhǔn)確獲取躍層的位置。對NO-2(圖3c), 無論是瓶采測定還是APNA 測定, 在40m 深度都有極大值, 兩者測定結(jié)果的分布趨勢相似, 但APNA 在50m 以淺要高于瓶采AA3 的測定值, 同時APNA 測定的NO-2整個剖面都比較離散。這一方面與NO-2的濃度較低, 測定相對誤差較大有關(guān), 另一方面可能是5cm 流通池的光散射較大, 穩(wěn)定性相對較差的緣故。對于磷酸鹽(圖3d), APNA 測定的結(jié)果較差, 數(shù)據(jù)離散, 無明顯趨勢, 而瓶采數(shù)據(jù)可以看到明顯的躍層。究其原因,一方面可能是與磷酸鹽濃度太低, 顯色過程相對其它參數(shù)比較緩慢, 儀器的上升速度過快使其不能充分反應(yīng)有關(guān); 另一方面可能是5cm 流通池的光散射較大, 穩(wěn)定性相對較差。在該站位, APNA 觀測結(jié)果基本與該航次中其他站位的分布規(guī)律吻合(Han et al,2012)。從APNA 高分辨率的營養(yǎng)鹽剖面圖中, 除了磷酸鹽外, 我們可以清晰地看到各站位NO-3+ NO-2、NO-2、Si(OH)4精細(xì)的剖面結(jié)構(gòu), 這對于在物質(zhì)交換頻繁的河口地帶提高河口的物質(zhì)交換通量的計算精度非常重要, 同時也更能清晰直觀地觀測到生源要素在水體的分布規(guī)律及其潛在的物理、化學(xué)和生物過程的影響。

基于濕化學(xué)法的APNA 營養(yǎng)鹽剖面分析儀具有測定精度高、可隨機(jī)進(jìn)行空白或標(biāo)準(zhǔn)校正的優(yōu)點(diǎn),但其響應(yīng)速度相對較慢、耐壓深度淺、受限于試劑的容量和保質(zhì)期, 僅可用于淺水剖面觀測和短時間的連續(xù)觀測, 同時在操作過程中泵容易出現(xiàn)問題,對儀器的下放和回收速率也有一定的要求: 如果速率過快, 其內(nèi)部反應(yīng)速度沒有那么快, 則會導(dǎo)致結(jié)果不理想。根據(jù)現(xiàn)場測試的結(jié)果看, 儀器下放與回收的速度要盡量慢, 其觀測效果才會更佳。本航次中盡管儀器的下放速率控制在約0.10～0.15m·s-1左右, 但磷酸鹽的測定結(jié)果仍不理想。本儀器在實際水體應(yīng)用中, 進(jìn)樣管前面需要裝載0.45μm 孔徑的囊式濾頭。此外, 對于水體中營養(yǎng)鹽濃度較低時測定的結(jié)果也不理想。

2.2.2 QuAAtro 連續(xù)流動在線分析儀—船載式

德國 SeaL 公司生產(chǎn)的船載式流動分析儀QuAAtro 是一種現(xiàn)代濕化學(xué)分析儀, 采用空氣片段連續(xù)流動分析(segmented flow analysis, SFA)技術(shù)進(jìn)行樣品自動分析。其原理是在一個連續(xù)流動的系統(tǒng)中, 樣品和試劑不斷混合, 每個樣品被均勻的氣泡分割, 實現(xiàn)了樣品連續(xù)在線混合與顯色, 具有測定時間短、試劑用量少、靈敏度高、準(zhǔn)確度高和再現(xiàn)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本實驗室利用該儀器相同系列的另一型號AA3 儀器于2003—2014 年間多次參與營養(yǎng)鹽的國際比對實驗, 結(jié)果良好(Aoyama et al, 2006,2008)。QuAAtro 雖然擁有自動分析的功能, 但必須先通過瓶采樣品, 把樣品放在專用的樣品架上才能完成, 無法實現(xiàn)在線連續(xù)分析。

為了實現(xiàn)QuAAtro 的在線連續(xù)分析, 本實驗室設(shè)計了一套在線采樣與過濾系統(tǒng)。通過重新設(shè)計QuAAtro 的進(jìn)樣口, 把在線過濾的水樣直接連接到改造后的QuAAtro 的進(jìn)樣口, 使樣品以“下進(jìn)上出”的方式連續(xù)流動, 整個系統(tǒng)的設(shè)計如圖4 所示。應(yīng)用時, 把流量控制在約10L·min-1的潛水泵下放至設(shè)定的深度, 把水泵到甲板上, 經(jīng)過分流的水樣先通過10μm 的濾芯把粗顆粒物濾掉, 然后再通過兩個串聯(lián)的1μm 濾芯后, 連接到QuAAtro 的進(jìn)樣口處,最后通過修改QuAAtro 設(shè)定命令, 實現(xiàn)連續(xù)不斷地自動采樣分析。流經(jīng)QuAAtro 的進(jìn)樣口的水樣流速控制在約10mL·min-1, 采樣頻率設(shè)為4min。為確保樣品連續(xù)經(jīng)過多個濾芯過濾后不受明顯的影響, 每隔一段時間, 在樣品經(jīng)過濾芯之前和之后各采集一個比對樣, 濾芯之前的樣品用手工濾器過濾, 兩者都用AA3 測定。兩者的比較結(jié)果顯示, 樣品無論是采用濾芯過濾或手工過濾, 都具有良好的相關(guān)性,偏差＜5%, R2＞0.99, 不存在顯著性差異。

圖4 QuAAtro 連續(xù)流動在線測定與采樣示意圖Fig. 4 Continuous flow on-line measurement of QuAAtro and sampling diagram

本研究于2012 年8 月在珠江口夏季航次, 利用該系統(tǒng)對位于南海北部陸架區(qū)域的 F414 站(113°58′482″E, 21°59′79″N)表、中、底層水體進(jìn)行了連續(xù)約24h 的連續(xù)觀測, 同時采用傳統(tǒng)的瓶采方式,隨機(jī)抽取一些樣品作比對, 連續(xù)觀測的測定值與瓶采的測定值比較結(jié)果如圖5 所示。需要指出由于在測定過程中, QuAAtro 儀器的磷酸鹽通道出現(xiàn)故障,故無數(shù)據(jù)。

由圖5a 可知, 在8 月7 日對表層水的觀測中,瓶采樣品的測定值基本都落在連續(xù)觀測的曲線上。早上09:38, 出現(xiàn)鹽度低值時, 瓶采樣品的測定值會略高于連續(xù)觀測的值, 可能由于此時, 水團(tuán)混合劇烈, 營養(yǎng)鹽的濃度變化也比較劇烈, 兩者的采樣時間不完全一致, 導(dǎo)致兩者值相差約4%左右, 其它觀測點(diǎn)兩者相差都在2%以內(nèi)。8 月7 日對表層水的連續(xù)觀測中, 營養(yǎng)鹽與鹽度呈現(xiàn)了良好的鏡像關(guān)系,指證了該河口區(qū)域表層營養(yǎng)鹽受控于物理混合作用。8 月8 日對該站位的中層水進(jìn)行了連續(xù)觀測(圖5b), 雖然瓶采樣品的測定值基本都落在連續(xù)觀測的曲線上, 但瓶采樣品的測定值比對應(yīng)時間連續(xù)觀測的測定值會偏高或偏4%～10%不等, 總體上NO-2、NO-3、Si(OH)4三者參數(shù)在連續(xù)觀測中表現(xiàn)出相同的分布趨勢, 但在20:21 到02:00 之間, NO-3表現(xiàn)不同的趨勢。8 月9 日對底層水的觀測中(圖5c), 瓶采樣品的測定值與對應(yīng)時間連續(xù)觀測吻合相當(dāng)好, 兩者間相差在2%以內(nèi), 同時NO-2、NO-3、Si(OH)4三者參數(shù)變化規(guī)律趨勢基本一致。通過連續(xù)觀測, 可清晰地看到表底層水體中的營養(yǎng)鹽, 在以潮汐為主的多種因素驅(qū)動下, 其濃度隨時間的不同而變化, 如表層水由高值降到低值約3h, 而底層則需12h 左右。在8 月8 日的觀測中, 中層水的變化趨勢不明顯, 沒有很好的變化規(guī)律。推測潛水泵放置的位置可能剛好處于溫鹽躍層, 溫鹽躍層在垂直方向上下波動, 導(dǎo)致在固定深度測定的中層水營養(yǎng)鹽濃度波動較大, 沒有很好的變化規(guī)律, 同時也導(dǎo)致瓶采的測定值與對應(yīng)的連續(xù)觀測值相差較大。當(dāng)把潛水泵放置到底層時, 營養(yǎng)鹽濃度隨時間就有良好的變化規(guī)律。從不同深度高分辨率的營養(yǎng)鹽連續(xù)觀測圖中,可以清晰地看到各層位NO-3、NO-2、Si(OH)4隨時間的精細(xì)變化, 這對于物質(zhì)交換通量計算和細(xì)微特征表達(dá)具有重大意義, 是傳統(tǒng)瓶采用方法無法比擬的。

圖5 F414 站位表、中、底水體營養(yǎng)鹽24h 連續(xù)觀測結(jié)果a. 8 月7 日表層水; b. 8 月8 日中層水; c. 8 月9 日底層水Fig. 5 Time series observation results of nutrient in surface, middle- and bottom-layer water at station F414 a. Surface water on August 7; b. middle-layer water on August 8; c. bottom-layer water on August 9

QuAAtro 連續(xù)流動在線分析儀通過與在線過濾系統(tǒng)的聯(lián)用, 具有測定精度高、靈敏度高、隨時進(jìn)行空白或標(biāo)準(zhǔn)校正、隨時監(jiān)控或更改儀器運(yùn)行狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn), 可用于淺水剖面觀測和走航觀測。盡管QuAAtro 采用濕化學(xué)的反應(yīng)原理, 但不同于上述的APNA 儀器, 它基于船載, 不能放至水下使用, 并且需在前面加裝過濾和泵水系統(tǒng)來實行現(xiàn)場原位海水的連續(xù)觀測, 對于深層水實施觀測的難度較大,同時儀器的運(yùn)行需要有人值守, 不適合長時間序列觀測。

3 結(jié)語與展望

基于上述應(yīng)用結(jié)果, 這三種不同類型自動監(jiān)測儀器的總結(jié)如表1 所示?；谧贤夤庾V法的ISUS硝酸鹽傳感器最大的優(yōu)勢在于不需要化學(xué)試劑、響應(yīng)速度快、可持續(xù)時間長和操作簡單, 可廣泛應(yīng)用于河口、近海和開闊大洋, 但目前紫外光譜法普遍存在靈敏度低、可選參數(shù)少的缺點(diǎn), 且不適用于NO-3濃度值低于2μmol·L-1的水體。而基于濕化學(xué)法的儀器主要優(yōu)勢是可觀測參數(shù)多、靈敏度高、準(zhǔn)確度高,可廣泛應(yīng)用于從河口到開闊大洋, 但操作比較復(fù)雜,可持續(xù)時間比較短, 較難應(yīng)用于較深的水體中。鑒于QuAAtro 連續(xù)流動在線分析儀在線的成功應(yīng)用,目前各實驗室可以實現(xiàn)把室內(nèi)營養(yǎng)鹽分析儀通過與在線過濾裝置聯(lián)用, 實現(xiàn)在線連續(xù)觀測。在實際應(yīng)用中, 需綜合考慮多個因素來選擇適宜的營養(yǎng)鹽自動觀測儀, 例如所需監(jiān)測營養(yǎng)鹽的種類、測定頻率、測定參數(shù)所需達(dá)到的精度與靈敏度, 同時還要考慮布放儀器的環(huán)境及維護(hù)成本等。

表1 不同營養(yǎng)鹽在線觀測方法的比對Tab. 1 Comparison of in-situ observation methods of nutrients

雖然營養(yǎng)鹽自動觀測儀在海水現(xiàn)場監(jiān)測中得到廣泛的關(guān)注, 但還存在一定的技術(shù)瓶頸, 如持續(xù)測定時間短、精度低、檢測濃度范圍窄、重現(xiàn)性差等問題。這些技術(shù)瓶頸導(dǎo)致目前國內(nèi)基于高精度、多參數(shù)化、長時間序列的生源要素數(shù)據(jù)的成果少。海洋科學(xué)的發(fā)展對上述營養(yǎng)鹽自動觀測儀提出了更高的要求: 基于紫外光譜法的營養(yǎng)鹽原位分析儀應(yīng)往高分辨率、高靈敏度、高精度、持續(xù)測定時間長、多參數(shù)整合等方向發(fā)展; 基于濕化學(xué)法的營養(yǎng)鹽原位分析儀應(yīng)往小型化、操作簡易、耐壓深度深、工作時間久、能耗低、試劑用量少等方向發(fā)展;如采用傳統(tǒng)船載連續(xù)流動分析與在線過濾聯(lián)用的觀測系統(tǒng), 則對海水樣品采集過濾系統(tǒng)提出了性能可靠、自動化程度高、操作簡便等要求。總體上, 營養(yǎng)鹽自動分析技術(shù)需要進(jìn)一步向模塊化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、小型化、簡易化和多功能化的方向發(fā)展。

具備高分辨率、高靈敏度、高精度和長時間持續(xù)測定的營養(yǎng)鹽傳感器是捕捉海洋小尺度時間和空間變化, 了解海洋生態(tài)環(huán)境的時間變遷, 計算潮汐變化劇烈、動力條件復(fù)雜的河口地帶營養(yǎng)鹽通量的有效手段。營養(yǎng)鹽傳感器的發(fā)展與應(yīng)用對我國海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋學(xué)科的發(fā)展以及自然災(zāi)害預(yù)警等都具有重大意義。