海洋透光率仪的设计及其在初级生产力研究中的应用*

许占堂, 施震, 谢栢成, 廖健祖, 杨跃忠, 周雯, 李彩, 杨顶田

1. 热带海洋环境国家重点实验室(中国科学院南海海洋研究所), 广东 广州 510301;

2. 南方海洋科学与工程广东省实验室(广州), 广东 广州 511458;

3. 广东省海洋遥感重点实验室(中国科学院南海海洋研究所), 广东 广州 510301;

4. 广东海洋大学化学与环境学院, 广东 湛江 524088

浮游植物通过光合作用吸收海水中的二氧化碳并释放出氧气。据估计, 海洋浮游植物固碳贡献了全球生物圈内近一半的初级生产力(5×1013kg·a-1)(Chavez et al, 2011), 在全球碳循环中扮演着极为重要的角色(胡自明 等, 2018; 黄邦钦等, 2019)。

随着人类社会发展对海洋环境的影响日益显著,多学科交叉的生物-化学-光学研究在近海海洋生态环境中发挥着越来越重要的作用(Gallegos et al,2002; Huot et al, 2007)。光辐射能量是影响海洋生态系统的重要因子, 一方面, 其光场涨落将导致浮游植物光适应性和种群的竞争, 从而影响浮游植物的种群结构和生理学参数, 并进一步影响初级生产力(Litchman et al, 2001; Marra et al, 2007; Uitz et al,2008; 崔世开 等, 2014; 卢蓓, 2017)。另一方面, 光与生态要素间存在着十分复杂的相互作用, 初级生产力的生态效应又反过来影响海水光学特性和光合有效辐射的分布(Falkowski et al, 1992)。

研究海水中光辐射能量, 最重要的是研究海水下行漫射衰减系数Kd(z), 它是表征太阳辐射在海水剖面中分布的重要参数, 对了解海水的浑浊度(Jerlov, 1976; Kirk, 1994; 王积峰 等, 2018)、研究海洋初级生产力具有重要的意义(Marra et al, 1995;McClain et al, 1996; Zhang et al, 2021)。在水下某一几何深度的Kd(z)定义为:

其中Ed(z)为z 深度处的下行辐照度。自 1865 年, 意大利天文学家 Pietro Angelo Secchi 发明塞克盘(Secchi disk)以来,透明度和漫射衰减的测量迄今已有近 150 年的历史, 学者利用塞克盘放置于海水中,通过人眼观测来估算海水的透明度(禹定峰 等,2015), 但是人为个体之间视力和判断经验的差异性,导致非常大的误差, 特别是对于清洁水体, 其误差将更大。后来, 有学者通过将 Photosynthetically active radiation(PAR)探头装在CTD 支架上, 通过缆绳与CTD 一起下放, 根据探头辐射随深度变化获得Kd(z)的变化特性。相对于塞克盘, 这种测量方法减少了人为参与所带来的误差, 但却以海表面太阳辐射恒定不变作为前提条件, 假设观测过程中天空光稳定不变, 显然此要求过于苛刻, 通用性差。加拿大Satlantic 公司于2000 年前后开发了世界上第一款商业化Profiler I 剖面仪, 该仪器设有7 个波段, 中心波长分别为412、443、490、520、555、620 和683nm,带宽为10nm, 在船体上同步配备水面下行辐射探头, 同步测量水面之上和水中的太阳辐射, 从而消除天空光变化引入的测量误差(Ondrusek et al,2014)。后来, 随着高光谱技术的发展, 该公司又开发了升级款的Profiler II 剖面仪, 将7 个波段扩充至256 个波段, 实现了高光谱光学参数的测量, 满足了太阳辐射在水中高光谱衰减研究的需求(Ma et al,2016)。另外, 美国Biosperical 公司开发了PRR-810水面辐射仪, 配备具有19 个波段的水面下行辐射传感器, 采样率高甚至可达15Hz, 其优点是通过快速测量减少波浪引入深度误差的影响, 尤其适合于浅水Kd(z)的测量。

海水中太阳辐射能量在很大程度上影响着初级生产力于垂直空间上的分布特性。利用14C 示踪法测定初级生产力是海洋学家最常用的实验方法, 该方法由丹麦科学家Steemann Nielsen 在1952 年提出(Nielsen, 1952), 具有精确度高、操作简单、耗时短等技术特点。其主要原理是向水样中加入一定量的放射性示踪剂(NaH14CO3), 经过一定时间的培养,测定水样中浮游植物细胞内的14C 活度, 从而计算出浮游植物的初级生产力。在实际工作中, 需按特定的海面入射光衰减层次采集水样, 将表层至真光层的初级生产力进行深度积分, 表示单位面积水柱内浮游植物在单位时间内生成的有机碳量。例如Chen(2005)的研究在真光层内设置了6 个采样水层,在0.6%、5%、13%、38%、46%和100%表面光强所在的深度采集水样进行培养测量。对于初级生产力的研究, 仅仅利用太阳可见光波段(400～700nm)有效辐射的积分在水中的衰减和分布, 即可找到特定衰减深度(0.6%、5%、13%、38%、46%和100%)位置水体进行采样和实验室培养, 并不关心各个波段的辐射特性(即无需辐射探头具有波谱功能)。虽然高光谱Profiler II 剖面仪能满足初级生产力测量对衰减深度判定的需求, 然而其价格昂贵, 有缆布放较为复杂, 使用时还受到浅水的局限。因此, 本研究将通过自主研发的海洋多功能光合有效辐射传感器, 在此基础上开发出一款无缆便携式海洋透光率仪, 专门满足海上快捷采集初级生产力测量水样的需求。

1 海洋透光率仪的研制

海洋透光率仪的核心元件是多功能光合有效辐射探头(multi-function photosynthetically active radiation, MPAR), 其设计原理如图1 所示, 该探头含有3 个传感器模块, 即光学传感器模块、深度传感器模块和倾角仪传感器模块。

光学传感器模块测量太阳半球面的辐射能量,太阳光经过光学扩散片进行分散, 然后入射到滤光片进行波形调节, 调节后的光利用光电感应器将光信号转化为电信号, 再通过逻辑放大电路进行信号增强, 最后利用A/D 转换器将模拟信号转化为数字信号。总的来说光学传感器模块是MPAR 设计和加工最为复杂的模块。

评估PAR 探头最为关键的参数是在400～700nm范围内, 传感器对不同波段光的响应率是否保持一致, 由于PAR 探头无法区分可见光的波段信息,只有对所有波段的光具有相同响应率的前提下, 才能满足辐射能量准确转化的需求。采用不同的光学材料其透过率的光谱特性会导致巨大的差异性, 海洋光学传感器一般采用聚四氟乙烯或者玻璃(K9 玻璃加入扩散剂)材料用于光的扩散, 聚四氟乙烯稳定性小于玻璃, 在自然界长期风化下结构产生一定的变化, 并导致表面变黄, 甚至影响透过光谱波形的改变, 本研究从稳定性和海水深度压力的使用需求下而优先采用玻璃。对于清洁的大洋水体, 其真光层深度一般不超过150m, 本设计将布放深度指标定为＞200m; 根据压力评估计算, 玻璃的厚度需要＞4mm; 本设计利用衰减估算, 通过控制扩散剂剂量的方式, 并在考虑玻璃余量1mm 的前提下, 设计了5mm 厚的K9 作为MPAR 的光扩散玻璃。实验室利用Perkin Elmer 公司的分光光度计对订制的5mm和6mm 光扩散玻璃进行消光系数的检测, 在波长450nm 处的消光系数从最大值0.729mm-1变化到700nm 处的0.595mm-1, 减小了18.3%(图2)。

除了光扩散玻璃改变波谱图形外, 光电感应器对光的响应也是随波长变化而产生改变, 如图3 光电感应器的响应度[单位: A·W-1, 即光辐射能(单位:W)通过光电二极管产生的电流(单位: A)]随波长的增大而增加, 从400nm 处的最小值0.190A·W-1, 增大至700nm 处的0.428A·W-1, 增加了125.3%。显然,针对光扩散玻璃和光电二极管光谱综合光谱的变化特性(可见光区域随着波长的增加而快速增大, 并且在波形修正时不能简单地作为线性变化), 为了实现在400～700nm 范围内MPAR 对光的响应接近一个常数, 需要设计特殊的衰减玻璃, 针对每个波段的变化进行镀膜, 使得光谱在＜400nm 和＞700nm 的波段光谱透过接近于0, 在 400～700nm 透过率接近一个常量。另外, 在进行滤光片和扩散片厚度设计的过程中, 还需要考虑探头使用范围的需求, 探头既要满足水面之上最大进光量的条件下不能饱和, 也需要对弱光具有较强的灵敏度, 本设计的范围为0～6000μmol·m-2·s-1。

图4 为MPAR 传感器和海洋透光率仪的实物照片, 分别为: (a)传感器探头; (b)水下支架, 支架头部可根据布放快慢的需求进行配重; (c)海洋透光率仪。 考虑天空光变化对测量结果带来的巨大影响,海洋透光率仪的设计采用水面辐射MPAR 和水下辐射MPAR 同步测量的方式。为了避免船体晃动的影响, 水面MPAR(图4a 左)放置于常平架上, 受到重力的作用, 探头可一直保持与水平面垂直的状态,满足水面入射辐射Eu(t)的准确测量; 水下MPAR 图4a 中间的探头为测量Ed(z,θ,t)]的探头, 其集成了压力和倾角传感器, 压力数据用于匹配光衰减值对深度位置的寻找, 倾角仪数据用于修正仪器因水流影响导致仪器倾斜所带来的误差, 其中t为时间, 根据t建立Eu和Ed的相关关系。

海上的盐气雾十分严重, 即使传感器可以采用水密接头, 使用时多次插拔将导致寿命损耗, 同时盐气侵蚀会经常导致探头的接触不良(生长铜绿)。本探头设计了无线传输的方式, 并通过电磁无接触开关和软件相结合控制的方式, 实现仪器出水后即可接入局域网, 利用上位机软件实现衰减百分比随深度变化的可视化展示, 软件还具有查询功能, 通过输入百分比值, 查找输出对应的海水深度, 以此为依据设置CTD 并进行采水。本研究不仅解决了MPAR 的国产化问题, 而且利于自容、自供电、无线控制和可见光区域单一感应, 使仪器具有低成本、操作便捷和采用频率高等优点。

2 海洋透光率仪的测试

传感器设计完成后需要进行角度响应测试、波段响应测试和能量标定。

2.1 角度响应

对于辐射测量, 当入射角增大时传感器的响应偏离了余弦定律, 将由此带来测量误差。因此, 理想的辐照度传感器的光收集器必须是余弦响应特性好的余弦集光器, 应该能够接收立体角为2π 的光子。为了验证余弦响应率, 本研究在光学实验室利用标准光源, 设置探头与入射光成不同的夹角进行测试,测试结果如图5 所示, 余弦响应在入射角为50°时与理想值的误差为4.2%, 随着角度变大, 低于70°误差小于5%, 在80°时误差值升至13.6%, 角度越大,入射能量越小, 导致相对的误差与理想值偏差较大,相对于曹文熙等光学浮标所采用的辐照度探头的余弦响应, 海洋透光率仪探头余弦响应的特性是较为理想的(曹文熙 等, 2002a, b)。

2.2 波段响应

采用不同波段的激光器和不同波段的窄带高通滤光片, 获得如365、394、405、445、488、505、532、635、650、685、710、735、780、830 和905nm单波长光作为检测光源, 利用实验室标准探头在特定距离位置测量光源的能量, 定义其值为E(λ), 然后用MPAR 于相同的位置测量所对应的电压值V(λ),响应率R(λ)定义为

其中β为修正常数。理想的PAR 响应如图6a 所示,在400～700nm 范围的响应为一条平行于x轴的直线,而在波长小于400nm 和大于700nm 的波段响应为0。不仅镀膜工艺、光学扩散玻璃的制作工艺、传感器的响应率误差等都将影响着光学单元的响应结果,而且入射孔径、井深和滤光片厚度在一定程度上又将导致波长漂移。本研究综合考虑以上众多因素,通过光学模拟和计算, 获得传感器的响应结果(图6b);400～450nm 处缺少合适的光源, 无法进行响应检测,根据模拟和响应的估算, 结果应该会好于图6b。对比图6b 和6c, 无论是线性度, 还是在短波和长波附近的响应结果, 都明显优于加拿大Satlantic 公司研制的PAR 响应特性(图6c)。

2.3 能量标定

利用MPAR 探头测量的值是电压值信号(V), 需要将电压信号转化成太阳辐射能量值(E(λ)), 本研究利用从中国计量科学研究院购买的1000W 卤素灯作为标准光源进行标定。在使用标准光源的过程中, 电路中串联了阻值为0.001Ω的标准电阻, 用以检测通过辐照度灯的电流, 确保标定过程中光源的稳定。将MPAR 探头放置在离光源1、1.5 和2m 三个点的位置进行标定, 建立E(λ)和V的相关关系,并获得标定系数a和b, 进而将标定系数输入底层程序代码中, 实现能量值的输出。

仪器标定完成后用于水体测试, 图7a 是将本设备于中山大学附近对珠江水体进行测量的结果, 红色曲线为太阳入射值, 绿色曲线为水下辐射能量值,灰色曲线为衰减系数值。 图7b 在南海现场实验中多个站点测量的水中辐射百分比随深度的变化, 多个站点由于水体水质的影响, 其衰减的差异化非常明显, 相同衰减系数下水深的差异甚至能超过50m。在衰减图中, 有些表层的衰减并没有随深度增加而逐渐增大, 这是由于投放初期受到船体阴影影响, 或者是水体组分分层差异较大, 而且太阳并非垂直照射, 导致了下层辐射大于上层的异常情况。

3 海洋透光率仪的应用

中尺度涡旋是海洋中普遍存在的动力过程, 其携带能量约占海洋环流动能 80%(Chelton et al,2011), 因此研究中尺度涡旋初级生产力的时空分布规律对于准确评估全球海洋初级生产力具有重要意义, 我们在南海的中尺度涡旋初级生产力测定中使用自研的海洋透光率仪作为应用示范。

夏季, 于南海的越南离岸流两侧伴生着一对涡旋偶极子, 其中气旋涡位于离岸流北侧, 反气旋涡位于离岸流南侧。2018 年9 月, 测试团队通过搭载“实验3”号科考船, 对该海域进行大面站的水文与生物化学调查(Liao et al, 2021), 并在气旋涡中心(S1)、气旋涡边缘(S2)、反气旋涡中心(S4)和反气旋涡边缘(S3)各设置了1 个站位进行初级生产力的测量(图8)。海水下行辐照度使用自研仪器并与加拿大Satlantic 的ProfilerⅡ剖面仪进行对比测定, 对于天空光变化且两套设备布放时间不一致的情形误差不引入考虑; 对于晴空条件(天空光无变化), 特定衰减系数所对应的水体深度误差小于0.5m, 表明自研仪器的性能指标达到技术要求。通过海水下行辐照度的测定确定了5 个不同光照强度水层(100%、56%、22%、7%和1%表层PAR)的深度(表1); 接着使用CTD 采水器获取不同深度的水样, 进行后续培养实验。结果显示, 气旋涡边缘的初级生产力(68.87mg C·m-2·h-1) 低于气旋涡中心(75.12mg C·m-2·h-1), 显示出涡旋中心和边缘的初级生产力存在差异。而反气旋涡边缘的初级生产力(51.98mg C·m-2·h-1)则高于反气旋涡中心(32.23mg C·m-2·h-1),这与Froneman 等(1999)的研究结果相似。因此, 本次实验结果验证了海洋透光率仪可满足初级生产力测定水样采集的需求。

表1 4 个站位中不同衰减比例所对应的水深值Tab. 1 Water depth values corresponding to different attenuation ratios at four stations

4 结论

海洋浮游植物的光合固碳作用在全球碳循环中扮演着极为重要的角色, 而研究固碳能力需要测量表层至真光层不同海水深度位置的初级生产力。考虑到目前没有快速测量特定衰减系数所对应水体深度的商业化设备, 本研究专门开发了海洋透光率仪。

海洋透光率仪在结构上采用小型化设计, 减少了自身结构对光场干扰的影响, 提高了准确率; 采用单光电传感器, 实现了高频采样和水体剖面深度的高分辨率获取; 采用自供电和自容的方式, 数据通过自动入网和无线传输, 自动标定水上和水下探头, 简化了操作流程, 提高了自动化程度, 极大地缩小了海上作业时间; 为了满足初级生产力对应水深数据的快速获取, 专门设计了根据衰减系数自动搜索水深的功能。海洋透光率仪在经过实验室室内验证后, 于2018年参加海上航次, 在南海的中尺度涡旋初级生产力研究中得到了有效的验证, 相信本套仪器在我国水体生态环境的应用研究中将有广阔的发展空间。