基于离散三维活体荧光光谱法的湖泊水体叶绿素a浓度原位测量

荧光光谱分析技术具有灵敏度高、检测快速等优点,三维荧光光谱提供的指纹荧光信息比普通荧光光谱更丰富,选择性更好,在多组分分离上更具优势.离散三维活体荧光光谱法通过提取水体蓝藻、绿藻、硅藻、甲藻和隐藻5个门类藻类荧光光谱的指纹特征,分类测量藻类叶绿素a浓度,经过加和得到总的水体叶绿素a浓度.将基于该方法研制的三维荧光光谱水体藻类原位测量仪用于太湖水体叶绿素a浓度的测定,并与YSI多参数水质检测仪、BBE藻类现场分析仪、分光光度法等测定结果对比,结果表明:该方法与分光光度法间无显著性差异,与分光光度法、BBE法间的相关性好,相关系数达0.96以上,精密度、准确率优于基于普通荧光法的原位测量仪,是一种快速有效的原位测量方法.     

秋季聚积蓝藻打捞对蓝藻生长及水质影响的原位实验

在巢湖西北半湖近岸设置3组小型围隔模拟秋季湖岸带蓝藻聚积,并用单片鳃式过滤器原位打捞蓝藻,研究秋季打捞对蓝藻生长的影响及其对营养盐、藻源性有机物的控制效应.初始围隔水体叶绿素a浓度为309.5±3.7μg/L,总氮和总磷浓度分别为3.32±0.14和0.30±0.04 mg/L.蓝藻衰亡分解释放的藻源性有机物为水体溶解性有机物的主要来源,荧光有机物以类蛋白物质为主.经过打捞,浮游植物生物量削减了41.7%,解除了蓝藻生长"密度制约",24 h细胞分裂频率及原位生长速率均增大,说明打捞在短期内增强蓝藻细胞生长活力,减缓藻源性有机物的释放.与秋季蓝藻衰亡趋势一致,实验周期内围隔中叶绿素a浓度逐渐降低,秋季打捞不会造成蓝藻水华再次暴发.打捞通过削减蓝藻生物量,使水体初级生产力、氮、磷、高锰酸盐指数得到显著控制;而且打捞还可以控制藻源性有机物的释放,使藻源性大分子有机物更易降解为小分子有机物.因此,在秋季对湖岸带聚积蓝藻进行物理打捞,不仅可以控制蓝藻生物量,还可以有效控制营养盐和有机物的释放,降低生态风险.     

太湖底泥表层越冬藻类群落动态的荧光分析法初步研究

为探索春季湖泊底泥表层不同藻类群落的复苏规律,本实验采集了太湖梅梁湾地区的底泥,应用荧光分析法测定藻蓝素,同时测定湖泊底泥中的叶绿素a和叶绿素b,确定春季梅梁湾底泥中不同藻类类群的色素含量变化,说明荧光分析法可以应用于底泥色素分析中,初步探讨了蓝藻群落和非蓝藻群落在春季温度上升期间恢复生长过程的差异。     

富营养化湖泊水体中藻蓝蛋白提取方法的对比

藻蓝蛋白是蓝藻的指示型色素,目前还没有标准的提取方法,特别是萃取剂的选择品种较多,对测量结果影响较大.分别以室内培养的铜绿微囊藻和巢湖夏季野生蓝藻为提取对象,运用液氮反复冻融法破碎蓝藻细胞,分别以Asolctin-CHAPS缓冲液(AC)、磷酸盐缓冲液(PBS)和Tris-HCl缓冲液来提取藻蓝蛋白,通过分光光度法分析提取液的吸收光谱、藻蓝蛋白浓度以及藻蓝蛋白浓度与叶绿素a浓度的相关性,比较3种缓冲液的提取效果.结果显示:3种缓冲液提取的藻蓝蛋白提取液在620 nm处都出现了藻蓝蛋白的特征吸收峰,但AC缓冲液和PBS缓冲液提取效率明显高于Tris-HCl缓冲液.另外,虽然AC缓冲液提取效率最高,但其成本昂贵、配制过程复杂且不易控制、难保存,不适宜大规模地推广应用;而PBS缓冲液的提取效率略低于AC缓冲液,但其配制方便快捷,更适合于大规模湖泊水质监测的要求,因此推荐PBS缓冲液作为常用的藻蓝蛋白提取液.     

太湖水体吸收分解(Ⅱ):浮游植物色素吸收分解

蓝藻水华暴发前,浮游植物群类结构的变化可通过其指示型色素的浓度变化来反映.为了同时反演叶绿素a、叶绿素b(绿藻门指示型色素)、叶绿素c(硅藻门指示型色素)和藻蓝素(蓝藻门的指示型色素)的浓度,利用偏最小二乘回归构建线性模型,通过2011年太湖实测吸收数据,较为准确地反演了叶绿素a和藻蓝素的浓度;针对无明显优势藻的春季数据集较为准确地反演了叶绿素b和叶绿素c的浓度.相对于经典最小二乘算法,偏最小二乘法在多色素混合的吸收光谱分析上更为有效.通过反演指示性色素浓度来反映藻类的分布,为富营养化湖泊主要藻类时空分布变化的遥感监测提供了一定的理论与技术支持.     

富营养化湖泊典型水华蓝藻的固有光学特性

固有光学特性是水体光学特性的重要内容,掌握富营养化湖泊水体内典型水华蓝藻的固有光学特性,是开展不同水华蓝藻遥感识别的理论基础.利用AC-S吸收衰减仪、BB9后向散射仪,通过实验室纯藻培养,研究微囊藻（Microcystis）、鱼腥藻（Dolichospermum）和束丝藻（Aphanizomenon）3种典型水华蓝藻的固有光学特性,并探讨色素浓度、色素占比以及藻类等效粒径对不同水华蓝藻固有光学特性的影响.结果表明,3种典型水华蓝藻的吸收光谱曲线均具有440、620和675 nm吸收峰,微囊藻620和675 nm的比吸收系数最大,鱼腥藻440 nm处的比吸收系数最大;束丝藻单位色素浓度的散射和后向散射能力最高,鱼腥藻次之,微囊藻最低;固有光学特性影响因子分析表明,色素浓度和藻蓝素占比是影响3种水华蓝藻固有光学特性的主要因素.3种蓝藻的吸收系数、散射系数以及鱼腥藻、束丝藻的后向散射系数均随着色素浓度（叶绿素a或藻蓝素）的增加而增大;当蓝藻中藻蓝素占比增加时,3种蓝藻的单位色素浓度的后向散射系数逐渐下降;而藻细胞粒径与固有光学特性之间并未表现出很好的相关性.因此,3种水华蓝藻单位色素浓度的固有光学特性将为典型水华蓝藻的遥感识别提供重要的理论基础和数据支持.     

太湖越冬蓝藻空间分布的初步研究

为确定2007-2008年冬季蓝藻在太湖各个湖区的分布及其变化规律,在冬季逐月对太湖主要湖区14个位点采集底泥和水样,应用荧光分析法测定样品中藻蓝素含量,以确定冬季太湖各个湖区的藻蓝素分布状况,比较冬季太湖各个湖区水体和底泥中蓝藻的分布差异.实验结果说明与夏季情况不同,相对于西南太湖水域,2007-2008年冬季北太湖水体和底泥中的蓝藻含量均较低,而西南湖区部分区域12月仍出现了蓝藻的聚集,底泥表面的藻蓝素含量也较高,说明调查期间,冬季越冬蓝藻主要分布于西太湖和南太湖.     

我国水华蓝藻的新类群——阿氏浮丝藻(Planktothrix agardhii)生理特性

阿氏浮丝藻(Planktothrix agardhii)是水华蓝藻的重要类群,实验对我国不同省份分离到的5株阿氏浮丝藻生长速率、色素组成、光合活性参数进行了测定.结果表明分离于广州的HABll28叶绿素a(Chla)含量较低,藻蓝蛋白(c-Pc)比例和含量较高.电子传递速率(ETR)测定结果表明,HABIl28的ETR曲线较高,最大ETRme值也显著高于其余4株,高效的光能电子传递链弥补了光合色素Chla的不足,以致HABIl28保持了中性的生长速率.分离于武汉东湖的HAB631则与之正好相反,较高的ChLa受限于光能电子传递链的薄弱,生长速率表现较低.分离于北京、上海、昆明的3株藻株在各项生理指标上无显著差异.     

“引江济太”水系有色溶解有机质的特征与来源

在"引江济太"水系的调查基础上,分析了有色溶解有机质(CDOM)的吸收光谱、荧光特性及其主要来源,探讨了CDOM与pH、DO、叶绿素a等水质指标的关系。结果表明:水体吸收系数a(355)与CDOM浓度呈显著正相关,均具有明显的空间差异,它们在河道出入湖口及开阔湖区较低,而在望虞河和太浦河中游较高,这显然与中游河道受纳了两岸污水有关,S值也表明望虞河受外源输入影响最大。通过三维荧光激发-发射矩阵(EEM)分析,发现了5种荧光团,包括2种类蛋白荧光团和3种类腐殖质荧光团,其中类蛋白荧光(特别是T峰)明显强于类腐殖质荧光。研究发现,水体DO浓度、pH值均随CDOM浓度呈指数函数递减。荧光指数(FI)明显偏向生物来源(约1.9),因此,"引江济太"水系CDOM以生物的本地生产为主,河道局部污染水体中的类腐殖质荧光可能来源于污水微生物对藻类产生的溶解有机质的转化,在局部河道中也有一定的外源输入。     

巢湖流域春季浮游植物群落结构特征及其与环境因子的关系

采用野外调查的方法,结合趋势对应分析(DCA)及典范对应分析(CCA)的手段,研究春季巢湖流域河湖水体浮游植物群落结构特征及其与环境因子的相关性.结果表明,共鉴定出浮游植物73种,分属8门(硅藻门、绿藻门、蓝藻门、隐藻门、金藻门、甲藻门、裸藻门和黄藻门).在巢湖水体中,硅藻门、蓝藻门及绿藻门的数量之和占总数量的93.5%,为优势种群;蓝藻门中的项圈藻占总数量的21.9%,成为优势种.巢湖流域出入湖河流水体中,硅藻门、蓝藻门及绿藻门的数量也最多,占总数量的82.6%,为优势种群;蓝藻门中的席藻和束丝藻数量分别占总数量的38.3%、32.6%,成为出入湖河流水体中的绝对优势种.DCA分析表明巢湖流域水体浮游植物群落存在明显的空间差异.CCA分析表明巢湖水体浮游植物空间分布主要受水温、浊度和硝态氮浓度的影响;南淝河和柘皋河浮游植物空间分布受叶绿素a和硝态氮浓度的影响;而裕溪河、兆河和白石山河、杭埠河和丰乐河、派河浮游植物空间分布则受叶绿素a和磷酸根浓度的影响.     

巢湖水华蓝藻原位生长率的时空变化及其环境影响因子

原位生长率是研究藻类生长、衰亡、种群演变、生产力估算,以及藻类对环境变化响应的重要指标,针对水华蓝藻原位生长率的测定,目前还缺乏成熟可靠的手段.本研究利用改进的原位培养法,根据培养前后藻蓝素浓度的变化,对巢湖东、中、西3个湖区水华蓝藻的原位生长率进行周年调查.结果表明,巢湖水华蓝藻的原位生长率变化范围在-1.16～0.69 d-1之间,表层的原位生长率最高,中层次之,底层大部分月份都为负值;原位生长率在空间分布上由高到低依次为西部湖区中部湖区东部湖区;在季节变化上,原位生长率春季(4 6月)相对较高,冬季(1 2月)相对较低.与环境因子进行相关分析后发现,原位生长率与溶解性总磷和温度正相关,这表明溶解性总磷和温度可能是影响巢湖水华蓝藻原位生长率的重要环境因子.     

A Simple In Vivo Fluorescence Method for the Selective Detection and Quantification of Freshwater Cyanobacteria and Eukaryotic Algae

A method for the rapid detection of cyanobacteria (blue‐green algae) and their differentiation from eukaryotic algae in natural phytoplankton assemblages is presented. Fluorescence emission of photosynthetic pigments at 670 nm was measured using a microplate fluorescence reader when excited at two different wavelengths – 485 nm and 590 nm. The ratio of fluorescence excited at these wavelengths (590 nm/485 nm) was proportional to the ratio of cyanobacteria and eukaryotic algae, which was determined by the in situ spectrofluorometer for the phytoplankton quantification. The fluorescence intensity was equal to the total chlorophyll‐a content. These two fluorescence values can provide the first warning on a development of potentially toxic cyanobacteria in water.     

太湖蓝藻水华的年度情势预测方法探讨

在太湖、巢湖、滇池、洱海、三峡水库等我国重要湖泊和水库,蓝藻水华时常发生但年际之间藻情往往有较大差异,给蓝藻水华的防控物资及人员投入、湖库水源地水质安全保障带来较大的挑战,亟待探索周年尺度的蓝藻水华强度预测方法.本文收集了太湖连续15年的蓝藻水华情势观测数据和同步的气象、水文数据用于构建蓝藻水华预测模型,提出了利用遥感反演的蓝藻水华面积(A_(BL))及人工观测的水体浮游植物叶绿素α浓度([Chl.a]_(LB))共同表征的蓝藻水华强度指标(BI).分析了太湖年尺度的BI值与环境条件的关系,提出了基于年初能够掌握的气象、水文、营养盐等综合环境指标进行年度BI预测的统计模型.结果表明,太湖年度BI值与冬季及初春(12-3月)日均水温(WT_(12-3))、冬春季有效积温(AT_(12-3))、前一年降雨总量(RF_(YB))等环境因子呈显著正相关,与冬季及初春的水体总氮(TN_(12-3))、溶解性总氮(DTN_(12-3))、总磷(TP_(12-3))及溶解性总磷(DTP_(12-3))不存在统计上的显著相关关系.此外,本研究开展了基于上述因子(BI为因变量,其余环境因子为自变量)的多元(或一元)回归分析,并遴选出最优模型.总体而言,最优模型的模拟计算结果与实测浓度具有较高的一致性,因此本研究得出的模型对太湖蓝藻水华年际强度预测具有较高精度.本研究对太湖等富营养化湖库蓝藻水华的中长期预测具有指导意义.     

太湖叶绿素a同化系统敏感性分析

太湖叶绿素a同化系统对于不同参数的敏感性将直接影响到该系统能否精确的估算太湖叶绿素a的浓度分布.利用2009年4月21日环境一号卫星(HJ-1B CCD2)影像数据反演太湖叶绿素a浓度场信息.以此作为背景场信息,结合基于集合均方根滤波的太湖叶绿素a同化系统,分析和评价了样本数目、同化时长、背景场误差、观测误差和模型误差对于同化系统性能的影响.结果表明:从计算成本、系统运行时间和同化效果等方面分析,当集合样本数目达到30~40左右时同化系统取得了较好的结果;同化系统对于背景场误差的估计变化不是很敏感,即初始场的估计是否准确对于同化系统的性能影响不是很大;同化系统对于模型误差和观测误差的变化较为敏感,不同的测试点位由于水体动力学性质不一,其敏感性的表现形式有所差异;利用数据同化方法可以有效地估算太湖叶绿素a浓度.     

基于高分六号数据提取太湖蓝藻方法的对比及适用性分析

以往对太湖蓝藻提取的研究中,较少将国内高分系列卫星影像作为数据源.为此本文基于2019年太湖不同蓝藻暴发时期的高分六号数据,采用随机森林(random forest, RF)法、归一化植被指数(normalized differential vegetation index,NDVI)阈值法和多光谱绿潮指数(multispectral green tide index,MGTI)阈值法对太湖蓝藻进行提取以寻求提取太湖蓝藻的最佳方法,并在此基础之上探讨了RF不同输入变量的适用性.结果表明,2019年太湖南岸和梅梁湖的蓝藻水华富营养化较为严重,NDVI阈值法明显将部分轻度蓝藻漏提,MGTI阈值法对中、重度蓝藻的识别能力不如NDVI法,而RF法能够有效地提取太湖蓝藻.其中将归一化植被指数和归一化水体指数作为输入变量的RF法提取中型暴发期的太湖蓝藻精度最高,总体分类精度和Kappa系数分别为99%和0.97.研究太湖蓝藻的提取方法对太湖的环境治理提供了技术支持,也为其他湖泊蓝藻的遥感监测提供了科学依据.     

Multitemporal terrestrial laser scanning point clouds for thaw subsidence observation at Arctic permafrost monitoring sites

This paper investigates different methods for quantifying thaw subsidence using terrestrial laser scanning (TLS) point clouds. Thaw subsidence is a slow (millimetre to centimetre per year) vertical displacement of the ground surface common in ice-rich permafrost-underlain landscapes. It is difficult to quantify thaw subsidence in tundra areas as they often lack stable reference frames. Also, there is no solid ground surface to serve as a basis for elevation measurements, due to a continuous moss–lichen cover. We investigate how an expert-driven method improves the accuracy of benchmark measurements at discrete locations within two sites using multitemporal TLS data of a 1-year period. Our method aggregates multiple experts’ determination of the ground surface in 3D point clouds, collected in a web-based tool. We then compare this to the performance of a fully automated ground surface determination method. Lastly, we quantify ground surface displacement by directly computing multitemporal point cloud distances, thereby extending thaw subsidence observation to an area-based assessment. Using the expert-driven quantification as reference, we validate the other methods, including in-situ benchmark measurements from a conventional field survey. This study demonstrates that quantifying the ground surface using 3D point clouds is more accurate than the field survey method. The expert-driven method achieves an accuracy of 0.1 ± 0.1 cm. Compared to this, in-situ benchmark measurements by single surveyors yield an accuracy of 0.4 ± 1.5 cm. This difference between the two methods is important, considering an observed displacement of 1.4 cm at the sites. Thaw subsidence quantification with the fully automatic benchmark-based method achieves an accuracy of 0.2 ± 0.5 cm and direct point cloud distance computation an accuracy of 0.2 ± 0.9 cm. The range in accuracy is largely influenced by properties of vegetation structure at locations within the sites. The developed methods enable a link of automated quantification and expert judgement for transparent long-term monitoring of permafrost subsidence. © 2020 The Authors. Earth Surface Processes and Landforms published by John Wiley & Sons Ltd     

蓝藻水华暴发和衰亡对太湖有色可溶性有机物的影响

利用平行因子分析(PARAFAC)技术对藻华暴发季节太湖梅梁湾和开敞区水样中有色可溶性有机物(CDOM)的三维荧光光谱进行分析,获得代表类酪氨酸、类色氨酸和类腐殖酸等3种荧光组分,这3个组分的荧光得分值均与叶绿素a浓度呈极显著正相关,其中类腐殖酸物质荧光得分值占总分值的比例也与叶绿素a浓度极显著正相关,由此可以推测,蓝藻水华可能是太湖CDOM的一个重要来源,并极大地影响了湖泊CDOM的组成结构.为进一步探索蓝藻水华对湖泊CDOM的影响,于太湖梅梁湾湖岸进行藻华暴发和衰亡模拟试验.PARAFAC结果显示,模拟试验水样CDOM的三维荧光图谱同样含有3个组分,其中类酪氨酸和类色氨酸荧光峰位置与湖泊水样基本相同,而类腐殖酸物质荧光峰则有一定程度的蓝移,表明培养试验中有新的内源类腐殖酸物质产生.利用PARAFAC模型中的得分值计算后发现,初始叶绿素a浓度越高,类腐殖酸物质所占比例越大,而实验结束时添加了高浓度和中等浓度藻的2个处理中类腐殖酸物质对荧光的贡献率也有显著提高.因此,藻华的长期暴发可以显著改变湖泊CDOM的组成,导致类腐殖酸物质比例提高.