海洋透光率儀的設(shè)計及其在初級生產(chǎn)力研究中的應(yīng)用*

許占堂, 施震, 謝栢成, 廖健祖, 楊躍忠, 周雯, 李彩, 楊頂田

1. 熱帶海洋環(huán)境國家重點實驗室(中國科學(xué)院南海海洋研究所), 廣東 廣州 510301;

2. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室(廣州), 廣東 廣州 511458;

3. 廣東省海洋遙感重點實驗室(中國科學(xué)院南海海洋研究所), 廣東 廣州 510301;

4. 廣東海洋大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院, 廣東 湛江 524088

浮游植物通過光合作用吸收海水中的二氧化碳并釋放出氧氣。據(jù)估計, 海洋浮游植物固碳貢獻(xiàn)了全球生物圈內(nèi)近一半的初級生產(chǎn)力(5×1013kg·a-1)(Chavez et al, 2011), 在全球碳循環(huán)中扮演著極為重要的角色(胡自明 等, 2018; 黃邦欽等, 2019)。

隨著人類社會發(fā)展對海洋環(huán)境的影響日益顯著,多學(xué)科交叉的生物-化學(xué)-光學(xué)研究在近海海洋生態(tài)環(huán)境中發(fā)揮著越來越重要的作用(Gallegos et al,2002; Huot et al, 2007)。光輻射能量是影響海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要因子, 一方面, 其光場漲落將導(dǎo)致浮游植物光適應(yīng)性和種群的競爭, 從而影響浮游植物的種群結(jié)構(gòu)和生理學(xué)參數(shù), 并進(jìn)一步影響初級生產(chǎn)力(Litchman et al, 2001; Marra et al, 2007; Uitz et al,2008; 崔世開 等, 2014; 盧蓓, 2017)。另一方面, 光與生態(tài)要素間存在著十分復(fù)雜的相互作用, 初級生產(chǎn)力的生態(tài)效應(yīng)又反過來影響海水光學(xué)特性和光合有效輻射的分布(Falkowski et al, 1992)。

研究海水中光輻射能量, 最重要的是研究海水下行漫射衰減系數(shù)Kd(z), 它是表征太陽輻射在海水剖面中分布的重要參數(shù), 對了解海水的渾濁度(Jerlov, 1976; Kirk, 1994; 王積峰 等, 2018)、研究海洋初級生產(chǎn)力具有重要的意義(Marra et al, 1995;McClain et al, 1996; Zhang et al, 2021)。在水下某一幾何深度的Kd(z)定義為:

其中Ed(z)為z 深度處的下行輻照度。自 1865 年, 意大利天文學(xué)家 Pietro Angelo Secchi 發(fā)明塞克盤(Secchi disk)以來,透明度和漫射衰減的測量迄今已有近 150 年的歷史, 學(xué)者利用塞克盤放置于海水中,通過人眼觀測來估算海水的透明度(禹定峰 等,2015), 但是人為個體之間視力和判斷經(jīng)驗的差異性,導(dǎo)致非常大的誤差, 特別是對于清潔水體, 其誤差將更大。后來, 有學(xué)者通過將 Photosynthetically active radiation(PAR)探頭裝在CTD 支架上, 通過纜繩與CTD 一起下放, 根據(jù)探頭輻射隨深度變化獲得Kd(z)的變化特性。相對于塞克盤, 這種測量方法減少了人為參與所帶來的誤差, 但卻以海表面太陽輻射恒定不變作為前提條件, 假設(shè)觀測過程中天空光穩(wěn)定不變, 顯然此要求過于苛刻, 通用性差。加拿大Satlantic 公司于2000 年前后開發(fā)了世界上第一款商業(yè)化Profiler I 剖面儀, 該儀器設(shè)有7 個波段, 中心波長分別為412、443、490、520、555、620 和683nm,帶寬為10nm, 在船體上同步配備水面下行輻射探頭, 同步測量水面之上和水中的太陽輻射, 從而消除天空光變化引入的測量誤差(Ondrusek et al,2014)。后來, 隨著高光譜技術(shù)的發(fā)展, 該公司又開發(fā)了升級款的Profiler II 剖面儀, 將7 個波段擴(kuò)充至256 個波段, 實現(xiàn)了高光譜光學(xué)參數(shù)的測量, 滿足了太陽輻射在水中高光譜衰減研究的需求(Ma et al,2016)。另外, 美國Biosperical 公司開發(fā)了PRR-810水面輻射儀, 配備具有19 個波段的水面下行輻射傳感器, 采樣率高甚至可達(dá)15Hz, 其優(yōu)點是通過快速測量減少波浪引入深度誤差的影響, 尤其適合于淺水Kd(z)的測量。

海水中太陽輻射能量在很大程度上影響著初級生產(chǎn)力于垂直空間上的分布特性。利用14C 示蹤法測定初級生產(chǎn)力是海洋學(xué)家最常用的實驗方法, 該方法由丹麥科學(xué)家Steemann Nielsen 在1952 年提出(Nielsen, 1952), 具有精確度高、操作簡單、耗時短等技術(shù)特點。其主要原理是向水樣中加入一定量的放射性示蹤劑(NaH14CO3), 經(jīng)過一定時間的培養(yǎng),測定水樣中浮游植物細(xì)胞內(nèi)的14C 活度, 從而計算出浮游植物的初級生產(chǎn)力。在實際工作中, 需按特定的海面入射光衰減層次采集水樣, 將表層至真光層的初級生產(chǎn)力進(jìn)行深度積分, 表示單位面積水柱內(nèi)浮游植物在單位時間內(nèi)生成的有機(jī)碳量。例如Chen(2005)的研究在真光層內(nèi)設(shè)置了6 個采樣水層,在0.6%、5%、13%、38%、46%和100%表面光強(qiáng)所在的深度采集水樣進(jìn)行培養(yǎng)測量。對于初級生產(chǎn)力的研究, 僅僅利用太陽可見光波段(400～700nm)有效輻射的積分在水中的衰減和分布, 即可找到特定衰減深度(0.6%、5%、13%、38%、46%和100%)位置水體進(jìn)行采樣和實驗室培養(yǎng), 并不關(guān)心各個波段的輻射特性(即無需輻射探頭具有波譜功能)。雖然高光譜Profiler II 剖面儀能滿足初級生產(chǎn)力測量對衰減深度判定的需求, 然而其價格昂貴, 有纜布放較為復(fù)雜, 使用時還受到淺水的局限。因此, 本研究將通過自主研發(fā)的海洋多功能光合有效輻射傳感器, 在此基礎(chǔ)上開發(fā)出一款無纜便攜式海洋透光率儀, 專門滿足海上快捷采集初級生產(chǎn)力測量水樣的需求。

1 海洋透光率儀的研制

海洋透光率儀的核心元件是多功能光合有效輻射探頭(multi-function photosynthetically active radiation, MPAR), 其設(shè)計原理如圖1 所示, 該探頭含有3 個傳感器模塊, 即光學(xué)傳感器模塊、深度傳感器模塊和傾角儀傳感器模塊。

光學(xué)傳感器模塊測量太陽半球面的輻射能量,太陽光經(jīng)過光學(xué)擴(kuò)散片進(jìn)行分散, 然后入射到濾光片進(jìn)行波形調(diào)節(jié), 調(diào)節(jié)后的光利用光電感應(yīng)器將光信號轉(zhuǎn)化為電信號, 再通過邏輯放大電路進(jìn)行信號增強(qiáng), 最后利用A/D 轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號?？偟膩碚f光學(xué)傳感器模塊是MPAR 設(shè)計和加工最為復(fù)雜的模塊。

評估PAR 探頭最為關(guān)鍵的參數(shù)是在400～700nm范圍內(nèi), 傳感器對不同波段光的響應(yīng)率是否保持一致, 由于PAR 探頭無法區(qū)分可見光的波段信息,只有對所有波段的光具有相同響應(yīng)率的前提下, 才能滿足輻射能量準(zhǔn)確轉(zhuǎn)化的需求。采用不同的光學(xué)材料其透過率的光譜特性會導(dǎo)致巨大的差異性, 海洋光學(xué)傳感器一般采用聚四氟乙烯或者玻璃(K9 玻璃加入擴(kuò)散劑)材料用于光的擴(kuò)散, 聚四氟乙烯穩(wěn)定性小于玻璃, 在自然界長期風(fēng)化下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的變化, 并導(dǎo)致表面變黃, 甚至影響透過光譜波形的改變, 本研究從穩(wěn)定性和海水深度壓力的使用需求下而優(yōu)先采用玻璃。對于清潔的大洋水體, 其真光層深度一般不超過150m, 本設(shè)計將布放深度指標(biāo)定為＞200m; 根據(jù)壓力評估計算, 玻璃的厚度需要＞4mm; 本設(shè)計利用衰減估算, 通過控制擴(kuò)散劑劑量的方式, 并在考慮玻璃余量1mm 的前提下, 設(shè)計了5mm 厚的K9 作為MPAR 的光擴(kuò)散玻璃。實驗室利用Perkin Elmer 公司的分光光度計對訂制的5mm和6mm 光擴(kuò)散玻璃進(jìn)行消光系數(shù)的檢測, 在波長450nm 處的消光系數(shù)從最大值0.729mm-1變化到700nm 處的0.595mm-1, 減小了18.3%(圖2)。

除了光擴(kuò)散玻璃改變波譜圖形外, 光電感應(yīng)器對光的響應(yīng)也是隨波長變化而產(chǎn)生改變, 如圖3 光電感應(yīng)器的響應(yīng)度[單位: A·W-1, 即光輻射能(單位:W)通過光電二極管產(chǎn)生的電流(單位: A)]隨波長的增大而增加, 從400nm 處的最小值0.190A·W-1, 增大至700nm 處的0.428A·W-1, 增加了125.3%。顯然,針對光擴(kuò)散玻璃和光電二極管光譜綜合光譜的變化特性(可見光區(qū)域隨著波長的增加而快速增大, 并且在波形修正時不能簡單地作為線性變化), 為了實現(xiàn)在400～700nm 范圍內(nèi)MPAR 對光的響應(yīng)接近一個常數(shù), 需要設(shè)計特殊的衰減玻璃, 針對每個波段的變化進(jìn)行鍍膜, 使得光譜在＜400nm 和＞700nm 的波段光譜透過接近于0, 在 400～700nm 透過率接近一個常量。另外, 在進(jìn)行濾光片和擴(kuò)散片厚度設(shè)計的過程中, 還需要考慮探頭使用范圍的需求, 探頭既要滿足水面之上最大進(jìn)光量的條件下不能飽和, 也需要對弱光具有較強(qiáng)的靈敏度, 本設(shè)計的范圍為0～6000μmol·m-2·s-1。

圖4 為MPAR 傳感器和海洋透光率儀的實物照片, 分別為: (a)傳感器探頭; (b)水下支架, 支架頭部可根據(jù)布放快慢的需求進(jìn)行配重; (c)海洋透光率儀。 考慮天空光變化對測量結(jié)果帶來的巨大影響,海洋透光率儀的設(shè)計采用水面輻射MPAR 和水下輻射MPAR 同步測量的方式。為了避免船體晃動的影響, 水面MPAR(圖4a 左)放置于常平架上, 受到重力的作用, 探頭可一直保持與水平面垂直的狀態(tài),滿足水面入射輻射Eu(t)的準(zhǔn)確測量; 水下MPAR 圖4a 中間的探頭為測量Ed(z,θ,t)]的探頭, 其集成了壓力和傾角傳感器, 壓力數(shù)據(jù)用于匹配光衰減值對深度位置的尋找, 傾角儀數(shù)據(jù)用于修正儀器因水流影響導(dǎo)致儀器傾斜所帶來的誤差, 其中t為時間, 根據(jù)t建立Eu和Ed的相關(guān)關(guān)系。

海上的鹽氣霧十分嚴(yán)重, 即使傳感器可以采用水密接頭, 使用時多次插拔將導(dǎo)致壽命損耗, 同時鹽氣侵蝕會經(jīng)常導(dǎo)致探頭的接觸不良(生長銅綠)。本探頭設(shè)計了無線傳輸?shù)姆绞? 并通過電磁無接觸開關(guān)和軟件相結(jié)合控制的方式, 實現(xiàn)儀器出水后即可接入局域網(wǎng), 利用上位機(jī)軟件實現(xiàn)衰減百分比隨深度變化的可視化展示, 軟件還具有查詢功能, 通過輸入百分比值, 查找輸出對應(yīng)的海水深度, 以此為依據(jù)設(shè)置CTD 并進(jìn)行采水。本研究不僅解決了MPAR 的國產(chǎn)化問題, 而且利于自容、自供電、無線控制和可見光區(qū)域單一感應(yīng), 使儀器具有低成本、操作便捷和采用頻率高等優(yōu)點。

2 海洋透光率儀的測試

傳感器設(shè)計完成后需要進(jìn)行角度響應(yīng)測試、波段響應(yīng)測試和能量標(biāo)定。

2.1 角度響應(yīng)

對于輻射測量, 當(dāng)入射角增大時傳感器的響應(yīng)偏離了余弦定律, 將由此帶來測量誤差。因此, 理想的輻照度傳感器的光收集器必須是余弦響應(yīng)特性好的余弦集光器, 應(yīng)該能夠接收立體角為2π 的光子。為了驗證余弦響應(yīng)率, 本研究在光學(xué)實驗室利用標(biāo)準(zhǔn)光源, 設(shè)置探頭與入射光成不同的夾角進(jìn)行測試,測試結(jié)果如圖5 所示, 余弦響應(yīng)在入射角為50°時與理想值的誤差為4.2%, 隨著角度變大, 低于70°誤差小于5%, 在80°時誤差值升至13.6%, 角度越大,入射能量越小, 導(dǎo)致相對的誤差與理想值偏差較大,相對于曹文熙等光學(xué)浮標(biāo)所采用的輻照度探頭的余弦響應(yīng), 海洋透光率儀探頭余弦響應(yīng)的特性是較為理想的(曹文熙 等, 2002a, b)。

2.2 波段響應(yīng)

采用不同波段的激光器和不同波段的窄帶高通濾光片, 獲得如365、394、405、445、488、505、532、635、650、685、710、735、780、830 和905nm單波長光作為檢測光源, 利用實驗室標(biāo)準(zhǔn)探頭在特定距離位置測量光源的能量, 定義其值為E(λ), 然后用MPAR 于相同的位置測量所對應(yīng)的電壓值V(λ),響應(yīng)率R(λ)定義為

其中β為修正常數(shù)。理想的PAR 響應(yīng)如圖6a 所示,在400～700nm 范圍的響應(yīng)為一條平行于x軸的直線,而在波長小于400nm 和大于700nm 的波段響應(yīng)為0。不僅鍍膜工藝、光學(xué)擴(kuò)散玻璃的制作工藝、傳感器的響應(yīng)率誤差等都將影響著光學(xué)單元的響應(yīng)結(jié)果,而且入射孔徑、井深和濾光片厚度在一定程度上又將導(dǎo)致波長漂移。本研究綜合考慮以上眾多因素,通過光學(xué)模擬和計算, 獲得傳感器的響應(yīng)結(jié)果(圖6b);400～450nm 處缺少合適的光源, 無法進(jìn)行響應(yīng)檢測,根據(jù)模擬和響應(yīng)的估算, 結(jié)果應(yīng)該會好于圖6b。對比圖6b 和6c, 無論是線性度, 還是在短波和長波附近的響應(yīng)結(jié)果, 都明顯優(yōu)于加拿大Satlantic 公司研制的PAR 響應(yīng)特性(圖6c)。

2.3 能量標(biāo)定

利用MPAR 探頭測量的值是電壓值信號(V), 需要將電壓信號轉(zhuǎn)化成太陽輻射能量值(E(λ)), 本研究利用從中國計量科學(xué)研究院購買的1000W 鹵素?zé)糇鳛闃?biāo)準(zhǔn)光源進(jìn)行標(biāo)定。在使用標(biāo)準(zhǔn)光源的過程中, 電路中串聯(lián)了阻值為0.001Ω的標(biāo)準(zhǔn)電阻, 用以檢測通過輻照度燈的電流, 確保標(biāo)定過程中光源的穩(wěn)定。將MPAR 探頭放置在離光源1、1.5 和2m 三個點的位置進(jìn)行標(biāo)定, 建立E(λ)和V的相關(guān)關(guān)系,并獲得標(biāo)定系數(shù)a和b, 進(jìn)而將標(biāo)定系數(shù)輸入底層程序代碼中, 實現(xiàn)能量值的輸出。

儀器標(biāo)定完成后用于水體測試, 圖7a 是將本設(shè)備于中山大學(xué)附近對珠江水體進(jìn)行測量的結(jié)果, 紅色曲線為太陽入射值, 綠色曲線為水下輻射能量值,灰色曲線為衰減系數(shù)值。 圖7b 在南?，F(xiàn)場實驗中多個站點測量的水中輻射百分比隨深度的變化, 多個站點由于水體水質(zhì)的影響, 其衰減的差異化非常明顯, 相同衰減系數(shù)下水深的差異甚至能超過50m。在衰減圖中, 有些表層的衰減并沒有隨深度增加而逐漸增大, 這是由于投放初期受到船體陰影影響, 或者是水體組分分層差異較大, 而且太陽并非垂直照射, 導(dǎo)致了下層輻射大于上層的異常情況。

3 海洋透光率儀的應(yīng)用

中尺度渦旋是海洋中普遍存在的動力過程, 其攜帶能量約占海洋環(huán)流動能 80%(Chelton et al,2011), 因此研究中尺度渦旋初級生產(chǎn)力的時空分布規(guī)律對于準(zhǔn)確評估全球海洋初級生產(chǎn)力具有重要意義, 我們在南海的中尺度渦旋初級生產(chǎn)力測定中使用自研的海洋透光率儀作為應(yīng)用示范。

夏季, 于南海的越南離岸流兩側(cè)伴生著一對渦旋偶極子, 其中氣旋渦位于離岸流北側(cè), 反氣旋渦位于離岸流南側(cè)。2018 年9 月, 測試團(tuán)隊通過搭載“實驗3”號科考船, 對該海域進(jìn)行大面站的水文與生物化學(xué)調(diào)查(Liao et al, 2021), 并在氣旋渦中心(S1)、氣旋渦邊緣(S2)、反氣旋渦中心(S4)和反氣旋渦邊緣(S3)各設(shè)置了1 個站位進(jìn)行初級生產(chǎn)力的測量(圖8)。海水下行輻照度使用自研儀器并與加拿大Satlantic 的ProfilerⅡ剖面儀進(jìn)行對比測定, 對于天空光變化且兩套設(shè)備布放時間不一致的情形誤差不引入考慮; 對于晴空條件(天空光無變化), 特定衰減系數(shù)所對應(yīng)的水體深度誤差小于0.5m, 表明自研儀器的性能指標(biāo)達(dá)到技術(shù)要求。通過海水下行輻照度的測定確定了5 個不同光照強(qiáng)度水層(100%、56%、22%、7%和1%表層PAR)的深度(表1); 接著使用CTD 采水器獲取不同深度的水樣, 進(jìn)行后續(xù)培養(yǎng)實驗。結(jié)果顯示, 氣旋渦邊緣的初級生產(chǎn)力(68.87mg C·m-2·h-1) 低于氣旋渦中心(75.12mg C·m-2·h-1), 顯示出渦旋中心和邊緣的初級生產(chǎn)力存在差異。而反氣旋渦邊緣的初級生產(chǎn)力(51.98mg C·m-2·h-1)則高于反氣旋渦中心(32.23mg C·m-2·h-1),這與Froneman 等(1999)的研究結(jié)果相似。因此, 本次實驗結(jié)果驗證了海洋透光率儀可滿足初級生產(chǎn)力測定水樣采集的需求。

表1 4 個站位中不同衰減比例所對應(yīng)的水深值Tab. 1 Water depth values corresponding to different attenuation ratios at four stations

4 結(jié)論

海洋浮游植物的光合固碳作用在全球碳循環(huán)中扮演著極為重要的角色, 而研究固碳能力需要測量表層至真光層不同海水深度位置的初級生產(chǎn)力?？紤]到目前沒有快速測量特定衰減系數(shù)所對應(yīng)水體深度的商業(yè)化設(shè)備, 本研究專門開發(fā)了海洋透光率儀。

海洋透光率儀在結(jié)構(gòu)上采用小型化設(shè)計, 減少了自身結(jié)構(gòu)對光場干擾的影響, 提高了準(zhǔn)確率; 采用單光電傳感器, 實現(xiàn)了高頻采樣和水體剖面深度的高分辨率獲取; 采用自供電和自容的方式, 數(shù)據(jù)通過自動入網(wǎng)和無線傳輸, 自動標(biāo)定水上和水下探頭, 簡化了操作流程, 提高了自動化程度, 極大地縮小了海上作業(yè)時間; 為了滿足初級生產(chǎn)力對應(yīng)水深數(shù)據(jù)的快速獲取, 專門設(shè)計了根據(jù)衰減系數(shù)自動搜索水深的功能。海洋透光率儀在經(jīng)過實驗室室內(nèi)驗證后, 于2018年參加海上航次, 在南海的中尺度渦旋初級生產(chǎn)力研究中得到了有效的驗證, 相信本套儀器在我國水體生態(tài)環(huán)境的應(yīng)用研究中將有廣闊的發(fā)展空間。