基于熒光動力學的海洋初級生產力快速原位傳感技術

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

(1.中國科學院合肥物質科學研究院安徽光學精密機械研究所 中國科學院環(huán)境光學與技術重點實驗室,安徽 合肥,230031;2.中國科學技術大學 環(huán)境科學與光電技術學院,安徽 合肥,230026;3.桂林電子科技大學 計算機與信息安全學院,廣西 桂林,541004;4.安徽工程大學 電氣工程學院,安徽 蕪湖,241000)

0 引言

海洋浮游植物的初級生產力(gross primary productivity,GPP)是海洋生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)和能量流動的基礎環(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循環(huán)與氣候變化[1-3]。海洋GPP 觀測是目前全球海洋生態(tài)系統(tǒng)動力學(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)等重大研究計劃的核心課題,也是全球海洋觀測系統(tǒng)(global ocean observing system,GOOS)、地轉海洋學實時觀測陣(array for real-time geostrophic oceanography,ARGO)以及我國“透明海洋”科學計劃和海洋碳匯評估工作的重要任務[4-5]。

海洋GPP 是浮游植物葉綠體利用光能將H2O和CO2轉變?yōu)橛袡C碳的能力。海洋GPP 測量方法包括黑白瓶法、14C 示蹤法以及葉綠素熒光法等。其中,黑白瓶法和14C 示蹤法等傳統(tǒng)氣體交換法是通過測量浮游植物光合作用過程的光合放氧速率或光合固碳速率評估GPP,需要進行“現場采樣-離線溫育”,取樣培養(yǎng)過程繁瑣、測量周期長、時效性差,難以滿足現代海洋生態(tài)環(huán)境觀測需求。葉綠素熒光法是以光合作用過程產生的葉綠素熒光為探針,探測光合作用的電子傳遞過程,獲得浮游植物光合電子傳遞速率,以此表征GPP 的方法,具有測量快速靈敏、無需樣品預處理、無污染和無破壞性等特點,是極具發(fā)展?jié)摿Φ暮Ｑ驡PP 快速傳感方法。

國內外學者在GPP 葉綠素熒光分析方法與技術方面開展了大量工作。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-光學分析模型(bio-optical model);Schreiber 等[8]提出光誘導葉綠素熒光動力學的光合電子傳遞速率測量技術;Suggett 等[9]實驗驗證了葉綠素熒光動力學法測得的光合電子傳遞速率與傳統(tǒng)氣體交換法測得的光合放氧速率、光合固碳速率的一致性。但受浮游植物種類和生長環(huán)境等因素影響,熒光動力學法測得的GPP 存在較大偏差和不確定性,如Corno 等[10]對北太平洋副熱帶環(huán)流GPP 觀測結果顯示,在貧營養(yǎng)水中,葉綠素熒光動力學法和14C 示蹤法的測量值具有較好相關性,而表層測量結果存在較大偏差,隨深度變化差異逐漸減小;Melrose 等[11]對海灣樣品GPP 對比結果表明,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系,但不同浮游植物樣本的回歸斜率存在明顯差異。為了準確測量光合電子傳遞速率,熒光動力學技術持續(xù)更新,發(fā)展形成了脈沖振幅調制、高速重復脈沖、多相瞬態(tài)熒光等多種類型葉綠素熒光動力學測量技術,獲得更多的光合電子傳遞過程信息[12-13],隨著熒光動力學測量技術的發(fā)展,GPP 計算模型也在不斷更新,葉綠素熒光法測量 GPP 的準確性和魯棒性持續(xù)提升。

針對海洋生態(tài)環(huán)境和海洋碳匯快速監(jiān)測和評估需求,在現有葉綠素熒光動力學技術基礎上,文中提出基于多波段可變光脈沖誘導熒光動力學的浮游植物GPP 快速傳感新技術,研發(fā)海洋GPP 原位傳感器,并在典型海洋開展海試應用。

1 測量原理與技術

1.1 測量原理

浮游植物光合作用能流過程如圖1 所示。在光能驅動下,浮游植物光合組織裂解水分子產生氧氣和電子,電子經反應中心和多級電子受體形成還原力參與固碳過程,主要過程包括捕光色素吸收光能、反應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程示意圖Fig.1 Photosynthetic energy flow and photosynthetic electron transfer process of phytoplankton

理論上,光合作用過程每裂解2 mol H2O 分子可釋放1 mol O2,產生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估浮游植物GPP 時是等效的。根據生物-光學模型[14],光合電子傳遞速率Pe可分解為入射光強度、入射光吸收效率和光驅動光化學效率三部分的乘積

式中:E為入射光的光子輻射度;為光適應下光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)光化學量子效率;aLHⅡ為PSⅡ 捕光色素光吸收系數,是利用暗適應下 PSⅡ 光化學量子效率進行歸一化后的光化學吸收系數aPSⅡ,如式(2)所示;aPSⅡ定義為PSⅡ功能性反應中心濃度[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計算模型為

1.2 測量技術

葉綠素熒光動力學技術是利用一束飽和光脈沖激發(fā)浮游植物細胞,誘導光合反應中心裂解水分子釋放大量電子,阻塞電子傳遞鏈,通過跟蹤葉綠素熒光動力學變化,獲得光合電子傳遞過程信息,根據式(5)計算獲得光合電子傳遞速率Pe。基于上述原理,文中采用多波段可變光脈沖誘導熒光動力學技術設計了如圖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)測量模塊、激發(fā)光源和熒光檢測模塊三部分組成。

圖2 海洋GPP 原位傳感器結構示意圖Fig.2 Structure diagram of marine GPP in-situ sensor

1) PAR 測量模塊

PAR 測量模塊用于測量水下400～700 nm 光合有效輻射強度,即獲得水下環(huán)境光強度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,用于產生葉綠素激發(fā)熒光光譜,實現葉綠素濃度[chla]測量;飽和激發(fā)光源采用3 顆470 nm 激光二極管,用于誘導產生熒光動力學過程,實現PSⅡ光化學量子產率фPSⅡ和PSⅡ的功能吸收截面σPSⅡ測量;仿真環(huán)境光源采用3 顆超高亮白光LED,根據PAR 測量模塊獲得水下環(huán)境光強度E產生等效環(huán)境光強,結合飽和激發(fā)光源,實現光適應下PSⅡ光化學量子效率測量。

3) 熒光檢測模塊

以光電倍增管為探測器,采用雙通道熒光探測技術實現熒光動力學過程和葉綠素激發(fā)熒光光譜測量,其中熒光動力學探測通道采用5 MHz 快速采集電路,確保200 μs 單周轉快速熒光動力學過程無失真探測;葉綠素激發(fā)熒光光譜探測通道采用高靈敏檢測電路,實現0.01 μg/L 以上葉綠素濃度準確測量。

為滿足海洋痕量葉綠素原位監(jiān)測需求,傳感器光學結構采用激發(fā)與發(fā)射同軸端窗式設計,使用大數值孔徑非球面透鏡,增大光源光束準直性,減小照明區(qū)彌散光斑,提升光源激發(fā)效率;通過增加準直、聚焦透鏡焦距比和聚焦鏡口徑,增大熒光接收數值孔徑角,提升熒光收集效率;通過設置消雜光光闌和消光螺紋減少光源雜散光;三者優(yōu)化平衡設計,形成藻類葉綠素熒光高效激發(fā)與探測光學結構,如圖3 所示。該結構光學結構簡單、體積小、具有較強抗震性能。

圖3 海洋GPP 原位傳感器測量系統(tǒng)光學結構Fig.3 Optical structure of marine GPP in-situ sensor

在上述技術基礎上,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 內實現GPP 快速測量,檢測限為0.138 nmol(e)/(m3s),測量上限達1 000 nmol(e)/(m3s),核心指標的測試結果如圖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測試結果Fig.5 Performance index test results of marine GPP insitu sensor

2 海試及應用

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考察工作(如圖6 所示),實現了高/中/低不同緯度下海洋GPP 走航快速觀測,獲取了我國黃海近海、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)境調查和科學研究提供了大量實時觀測數據。

圖6 海洋GPP 傳感器應用海域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“向陽紅1 號”科考船進行了北極航線走航觀測,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行在線監(jiān)測,累計監(jiān)測時長144 h,獲取監(jiān)測數據1 407 條,GPP監(jiān)測結果和空間分布如圖7 和圖8 所示。

圖7 北極科考期間海洋GPP 監(jiān)測結果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)測數據上看,白令海域(8 月26 日—28日)和楚科奇海域(8 月 30 日)2 個海域GPP 明顯高于其他海域,最高GPP 達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。此觀測結果與海區(qū)GPP 調查結果吻合。

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”科考船在黃渤海開展了示范應用。期間傳感器安裝在海水交換水槽中進行在線監(jiān)測,航次共航行806 n mile,獲取監(jiān)測數據1 200 余條。GPP 監(jiān)測結果和空間分布如圖9和圖10 所示。

圖9 黃渤海海試期間海洋GPP 監(jiān)測結果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)測數據表明: 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,渤海海域GPP 明顯高于黃海近海,約為黃海近海海域的2 倍。對比同期(2019 年8 月18 日—23 日)北極航次的監(jiān)測結果可以看出,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“實驗1 號”科考船,在南海海域進行了走航觀測,累積在線監(jiān)測時長852 h,共獲得有效數據4 328 條,監(jiān)測結果和空間分布如圖11和圖12 所示。

圖11 南海島礁科考期間海洋GPP 監(jiān)測結果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)測數據表明,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;對比珠江-瓊州海峽海域和南沙群島海域單日監(jiān)測數據如圖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 對比Fig.13 Comparison of GPP between the Pearl River Qiongzhou Strait and sea area near the Nansha Islands

3 結束語

海洋GPP 是評價海洋生態(tài)環(huán)境狀況的重要指標之一,海洋GPP 快速監(jiān)測可為海洋生態(tài)環(huán)境調查和海洋碳匯評估提供科學的觀測數據。文中以葉綠素熒光作為浮游植物光合作用過程探針,采用多波段可變光脈沖誘導熒光動力學技術,自主研發(fā)了海洋GPP 快速原位傳感技術及儀器,解決了傳統(tǒng)氣體交換法需要“現場采樣-離線溫育”,測量過程繁瑣、周期長、時效性差的難題,將GPP 測量周期由24 h 縮短至1.6 min,為海洋生態(tài)環(huán)境調查和海洋碳匯評估提供了先進技術手段;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考察觀測工作,實現了高/中/低不同緯度下海洋GPP 走航快速觀測,獲取了我國黃海近海、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)境調查和科學研究提供了大量實時觀測數據。

致謝:感謝自然資源部第二海洋研究所、中國科學院島礁綜合研究中心、國家重點研發(fā)計劃“海洋環(huán)境安全保障”重點專項“重點聲學類和近海海洋生態(tài)類儀器設備規(guī)范化海上試驗”課題(20l6 YFCl401304)等提供的海試平臺支持。