本發明屬于傳感器領域，具體涉及一種海水葉綠素傳感器測量的懸浮顆粒物影響校準方法。

背景技術：

葉綠素是浮游植物細胞內的主要色素，海水中葉綠素含量能直接揭示海域浮游植物數量和初級生產力水平，因此葉綠素在預測海洋赤潮暴發和估算海水富營養化程度等海洋生態環境研究方面具有重要作用。當前海水葉綠素已經被列為我國海洋調查監測的主要參數。

基于活體熒光測定原理的葉綠素傳感器能夠原位獲取水體中的葉綠素濃度，這些葉綠素傳感器搭載在多參數水質儀、浮標、潛標等平臺上進行長期應用，為海洋科學研究獲取了大量的原位數據。然而目前葉綠素傳感器測量數據的準確度仍受到諸多環境影響因素的制約，水體中懸浮顆粒物就是其中之一。特別是在某些近岸高渾濁度水體中，懸浮顆粒物的影響甚至是葉綠素傳感器測量偏差的主要因素。

近年來已有一些研究者開展了懸浮顆粒物對葉綠素傳感器測量的影響研究，如呂鵬翼認為當水體濁度較大時，會使葉綠素測定結果偏高；劉建華則認為濁度會使葉綠素的熒光強度下降。趙洋甬認為濁度能引起水樣中葉綠素測值的增加，并提出使用線性公式進行濁度影響修正。鄭旻輝根據福爾馬肼溶液試驗提出了濁度的“熒光效應”和“遮蔽效應”兩種影響方式，并分別提出了兩者的校準公式。

由上可見，目前對葉綠素傳感器測量的懸浮顆粒物影響規律探討大多停留在定性描述階段，因采用的實驗條件不同得出的結論存在明顯差異，少數提出的校準方法也由于缺乏對懸浮顆粒物影響的機理分析而顯得過于籠統，導致在區別于特定實驗條件的現場環境下使用時校準效果不理想。因此建立一種能夠適用于不同海洋環境下的統一校準方法，對于海水葉綠素原位測定過程中準確修正懸浮顆粒物的影響有著重要意義。

參考文獻

呂鵬翼.熒光法測定水體中葉綠素的影響因素研究[d].河北科技大學,2014.

劉建華.熒光法測定水體中葉綠素含量影響因素的研究[d].河北科技大學,2014.

趙洋甬,沈碧君,胡建林,等.濁度對熒光法測定葉綠素a的影響[c]//2013中國環境科學學會學術年會論文集(第四卷).2013.

鄭旻輝.硅藻生長過程中活體熒光變化規律及其對葉綠素測量的影響[d].中國地質大學,2016.

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是，克服現有葉綠素傳感器測量中懸浮顆粒物影響校準方法適用范圍窄的缺點，提供一種基于懸浮顆粒物對藻類活體熒光測量影響機理而構建的懸浮顆粒物影響校準方法，使得同一個方法可以適用于不同濃度范圍的懸浮顆粒物影響校準。

本發明所采用的具體技術方案如下：

海水葉綠素傳感器測量的懸浮顆粒物影響校準方法，包括以下步驟：

s1：將葉綠素傳感器和濁度傳感器置于裝有清水的容器中，記錄初始葉綠素傳感器熒光值flua0，逐步將經預處理的泥質海洋表層沉積物添加進容器內水體中，形成若干個懸浮顆粒物濃度梯度，在每個懸浮顆粒物濃度梯度下，記錄葉綠素傳感器熒光值fluai和濁度傳感器測定值tuai；將每個fluai值分別扣除flua0值后，得到δfluai；以δfluai作為因變量，tuai作為自變量進行直線擬合，得到擬合公式的斜率a1和截距a0；

s2：將葉綠素傳感器和濁度傳感器置于裝有藻類溶液的容器中，記錄初始葉綠素傳感器熒光值flub0，逐步將經預先處理的泥質海洋表層沉積物添加進容器內水體中，形成若干個懸浮顆粒物濃度梯度，在每個懸浮顆粒物濃度梯度下，記錄葉綠素傳感器熒光值flubi和濁度傳感器測定值tubi；計算不同懸浮顆粒物濃度梯度下的葉綠素傳感器熒光差值變化率δflubi，其中δflubi＝[flubi-flub0-(a1×tubi+a0)]/flub0；以δflubi作為因變量，tubi作為自變量進行直線擬合，得到擬合公式的斜率b1和截距b0；

s3：根據濁度傳感器測得的水體中濁度值tu，對葉綠素傳感器測量的熒光值flu測進行懸浮顆粒物影響校準，得到校準后的的熒光值flu校，校準公式為：

flu校＝(flu測–a1×tu–a0)/(1+b1×tu+b0)。

經過研究發現，懸浮顆粒物熒光效應會使測量結果偏大，需要扣除該影響值；而懸浮顆粒物遮蔽效應會使測量結果偏小，需要加上該影響值。上述校準公式正是根據這一原理推導得到的，具體推導過程如下：

a)在實際測量時，無懸浮顆粒物影響時的葉綠素傳感器熒光值，即葉綠素傳感器熒光校準值flu校，即為藻液懸浮物影響實驗過程中的初始葉綠素傳感器熒光值flub0；

b)根據δflubi的定義：δflubi＝(flu測–flu校–δfluai)/flu校；

將其進行變換可得：flu測–flu校–δfluai＝flu校×δflubi；

再次進行變換可得：flu測–δfluai＝flu校×δflubi+flu校；

再次進行變換可得：flu校＝(flu測–δfluai)/(1+δflubi)；

c)將擬合公式δflua＝a1×tu+a0和擬合公式δflub＝b1×tu+b0代入上述公式，即可得到：flu校＝(flu測–a1×tu–a0)/(1+b1×tu+b0)，即上述校準公式。

作為優選，s2中泥質海洋表層沉積物的預處理方法如下：采集泥質海洋表層沉積物后冷凍保存，使用前加入丙酮攪拌后靜置，離心后用純水洗滌沉淀若干次。進一步的，丙酮靜置時間優選為24小時，離心后純水洗滌沉淀次數優選為3次。懸浮顆粒物濃度梯度優選為10個。

本發明的海水葉綠素傳感器測量的懸浮顆粒物影響校準方法，將懸浮物的熒光效應和遮蔽效應進行區分，具有以下有益效果：

(1)本發明采用的是一種貼近于海洋實際環境的懸浮物模擬物質，即經預先處理的泥質海洋表層沉積物。不同物質如福爾馬肼、泥沙等在葉綠素測量中的熒光效應影響差異顯著。海水中懸浮物主要成分是被能夠被攪動到水體中的泥質海洋表層沉積物，其成分與經預先處理的泥質海洋表層沉積物非常類似，因此將其用于懸浮物熒光效應模擬實驗能夠最大限度地體現海洋實際環境。經過大量實驗驗證，經過處理的不同海域泥質海洋表層沉積物在葉綠素測量中的熒光效應影響基本一致，因此可用于懸浮物熒光效應影響修正。

(2)本發明提出了適用于不同藻類濃度下懸浮顆粒物遮蔽效應影響的統一校準公式。此前已有研究提出不同藻液濃度下懸浮物的遮蔽效應不同，并提出了根據藻液濃度采用不同的校準公式。本發明通過大量的藻液實驗，總結出懸浮物的遮蔽效應隨藻液濃度的變化規律，提出了葉綠素傳感器熒光差值變化率的概念，并據此將懸浮物的熒光效應和遮蔽效應融合到同一公式中，促使校準方法達到從理論分析到實際應用的轉變。本發明提出的方法能夠適用于不同熒光強度，既可適用于不同濃度的同一藻液，也可適用于不同藻種的溶液，不需要考慮藻種差異。

附圖說明

圖1為不同種類懸浮顆粒物的熒光性差異；

圖2為懸浮顆粒物熒光效應影響擬合公式；

圖3為懸浮顆粒物遮蔽效應影響擬合公式；

圖4為懸浮顆粒物對葉綠素熒光測量的影響校準效果。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步闡述和說明。

實施例1

為了校準懸浮顆粒物對葉綠素測量的影響，用于模擬濁度的物質必須跟海洋實際環境中懸浮顆粒物接近，性狀穩定，并且能夠大量獲取和保存的物質。以福爾馬肼溶液、海水過濾懸浮顆粒物、泥質表層沉積物等多種懸浮顆粒物質進行不同濁度下的熒光測定實驗。本發明中所采用的泥質海洋表層沉積物可使用抓斗等常規表層沉積物取樣設備獲取，一般可以采取距表層10cm以內的泥質沉積物層。實驗中，分別采取了大量海域的樣本(本實施例中選取a、b、c海域為代表，其余類同)，每個樣本分為兩部分：一部分不進行預處理，另一部分進行下列預處理：采集后冷凍保存，使用前加入少量丙酮攪拌后靜置24小時，離心后用純水洗滌沉淀3次。不同懸浮顆粒物的實驗結果如圖1所示，福爾馬肼溶液、海水過濾懸浮顆粒物、泥質表層沉積物等不同物質的熒光性存在較大差異，不同海域未經處理的泥質表層沉積物之間也存在熒光性差異，而經預先處理的不同海域泥質海洋表層沉積物則具有基本一致的熒光性，由此表明可以將其用于本發明的懸浮顆粒物影響校準方法。

實施例2

本實施例中使用美國seapoint葉綠素傳感器為例(該葉綠素傳感器熒光值為電壓值，單位為mv)，對本發明中的海水葉綠素傳感器測量的懸浮顆粒物影響校準方法作進一步說明，具體包括以下步驟：

(1)將葉綠素傳感器和濁度傳感器置于裝有清水的容器中，記錄初始葉綠素傳感器熒光值flua0和濁度傳感器測定值tua0，依次將經實施例1中預處理的泥質海洋表層沉積物添加進容器水體中，形成10個懸浮顆粒物濃度梯度，在每個懸浮顆粒物濃度梯度下，記錄葉綠素傳感器熒光值fluai和濁度傳感器測定值tuai(表1)，以獲取懸浮顆粒物熒光效應影響校準系數。

表1清水中不同懸浮物濃度梯度的葉綠素傳感器熒光值和濁度傳感器測定值

獲取懸浮顆粒物熒光效應影響校準系數的具體方法如下：

1>將每個懸浮顆粒物濃度梯度下的葉綠素傳感器熒光值fluai減去初始葉綠素傳感器熒光值flua0，獲得每個懸浮顆粒物濃度梯度下的葉綠素傳感器熒光差值δfluai；

2>將每個懸浮顆粒物濃度梯度下的δfluai與對應濁度值tuai進行形式為δflua＝a1×tu+a0的直線擬合(圖2)，獲得擬合公式：

δflua＝0.0944×tu+0.0483(公式ⅰ)

式中δflua為葉綠素傳感器熒光差值(因變量)；tu為水體中濁度值(自變量)，單位為ntu；斜率a1和截距a0作為懸浮顆粒物熒光效應影響校準系數。

(2)以含有葉綠素的藻類加入水中配成藻類溶液，將葉綠素傳感器和濁度傳感器置于含有藻類溶液的容器中，記錄初始葉綠素傳感器熒光值flub0和濁度傳感器測定值tub0，依次將經實施例1中預處理的泥質海洋表層沉積物添加進容器水體中，形成10個懸浮顆粒物濃度梯度，在每個懸浮顆粒物濃度梯度下，記錄葉綠素傳感器熒光值flubi和濁度傳感器測定值tubi(表2)，以獲取懸浮顆粒物遮蔽效應影響校準系數。

表2藻液中不同懸浮物濃度梯度的葉綠素傳感器熒光值和濁度傳感器測定值

獲取懸浮顆粒物遮蔽效應影響校準系數的具體方法如下：

1>將每個懸浮顆粒物濃度梯度下的葉綠素傳感器熒光值flubi減去初始葉綠素傳感器熒光值flub0，獲得每個懸浮顆粒物濃度梯度下的葉綠素傳感器熒光差值，再將其減去對應懸浮顆粒物濃度下根據公式i計算所得的δflua，再除以初始葉綠素傳感器熒光值flub0，獲得每個懸浮顆粒物濃度梯度下的葉綠素傳感器熒光差值變化率δflubi，即δflubi＝[flubi-flub0-(a1×tubi+a0)]/flub0。

2>將每個懸浮顆粒物濃度梯度下的δflubi與對應濁度值tubi進行形如

δflub＝b1×tu+b0的擬合(圖3)，獲得擬合公式：

δflub＝–0.002×tu–0.019(公式ⅱ)

式中δflub為葉綠素傳感器熒光差值變化率(因變量)；tu為水體中濁度值(自變量)，單位為ntu；b1、b0作為懸浮顆粒物遮蔽效應影響校準系數。

(3)根據濁度傳感器測得的水體中濁度值tu，對葉綠素傳感器測量的熒光值flu測進行懸浮顆粒物影響校準，得到校準后的的熒光值flu校，校準公式形式為：flu校＝(flu測–a1×tu–a0)/(1+b1×tu+b0)。最終本實施例中建立的懸浮顆粒物對葉綠素熒光測量的影響校準公式為：

flu校＝(flu測–0.0944*tu–0.0483)/(1–0.002*tu–0.019)(公式ⅲ)

式中flu校為葉綠素傳感器熒光校準值，flu測為葉綠素傳感器熒光測量值；tu為水體中濁度值，單位為ntu；a1、a0為懸浮顆粒物熒光效應影響校準系數；b1、b0為懸浮顆粒物遮蔽效應影響校準系數。

通過以上步驟獲得懸浮物影響校準公式以后，使用該公式進行了不同藻液濃度的隨機驗證。從隨機驗證結果(表3)可以看出，經過本方法校準后，葉綠素熒光偏差絕對值大幅減小(圖4)，表明使用該方法能夠較大限度地對懸浮物濃度的影響進行校準。

表3藻液中不同懸浮物濃度梯度的葉綠素傳感器熒光值和濁度傳感器測定值

以上所述的實施例只是本發明的一種較佳的方案，然其并非用以限制本發明。有關技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型。因此凡采取等同替換或等效變換的方式所獲得的技術方案，均落在本發明的保護范圍內。