一种浮游植物初级生产力测量方法和测量装置

1.本发明涉及浮游植物检测技术领域，具体地，涉及一种浮游植物初级生产力测量方法和测量装置。


背景技术：

2.海洋是世界上最大最重要的生态系统。在生态学领域，生产者是能用简单的无机物制造成有机物的自养型生物，而初级生产力是生态系统中植物群落在单位时间、单位面积上所产生有机物质的总量。浮游植物是水生环境中的主要生产者，其生物量仅占全球植物的1％-2％，却贡献了全球约50％的初级生产力，与陆地植物的固碳量相当。海洋浮游植物通过光合作用将大气中的二氧化碳转化为有机化合物，直接或间接地为几乎所有其他海洋生物提供食物，不仅提供了大气层中的大部分氧气，其化石残骸也会通过地质运动变成石油。浮游植物是海洋中重要的“碳库”，在大气层与生物圈之间的二氧化碳的循环中起着极为重要的作用，具有重要的大气和海洋环境碳循环调节功能。正是由于海洋浮游植物的重要性，其初级生产力的研究也成为海气界面交换过程研究的重点之一，但研究海气界面交换过程依赖高精度高分辨的现场测量数据，需要解决浮游植物初级生产力原位在线准确测量的问题，因此需要研制测量评估海洋表层水体浮游植物初级生产力的仪器。
3.目前，浮游植物初级生产力的主要测量方法包括植物生长分析法、传统气体交换法、遥感法、叶绿素荧光法、荧光动力学法等。植物生长法耗时过长、不能重复实验；包括黑白瓶法、同位素示踪法、液相氧电极法等在内的传统气体交换法前处理复杂、分析仪器昂贵、操作复杂费时、易引起二次污染；遥感法研究大区域初级生产力，难以精确测量满足现在高分辨率海气通量交换研究所需求；荧光动力学法测量准确，但依赖精确的初级生产力测量模型，很多模型参数还在研究中，计算复杂；叶绿素荧光法原理模型简单，测量速度快，可实时测量，虽然同化系数随环境变化不为常数，但是在海气界面交换研究的远海测量条件下，受近海营养盐影响小，远海水质相对稳定，同化系数相对稳定，因此可基于激光诱导荧光法测量叶绿素浓度，从而得到表层水体浮游植物初级生产力。
4.应用于表层水体的浮游植物初级生产力测量面临的一个问题是因温度变化导致的精度下降问题。在测量过程中，由于仪器内部的电路、激光器、探测器、电池等都会发热，而水下仪器为封闭式设计，热量容易在仪器内部累积，光电器件受其影响以及外部环境温度变化等导致信号漂移。因此，如何克服温度变化导致的精度下降是亟待解决的难题。
5.经检索，申请公开号为cn109490270a的中国发明专利，公开一种基于叶绿素荧光的浮游植物初级生产力的测量装置及方法，提出利用仿真环境光照实现光适应条件下荧光动力学参数测量技术，设计水下光合有效辐射测量单元和仿真环境光源，产生与水下自然环境光照相仿且可控的光照条件，在仿真光照间隙测量光照条件下荧光动力学曲线。该专利采用荧光动力学参数测量技术，且该专利未考虑环境温度对荧光测量的影响。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种浮游植物初级生产力测量方法和测量装置。
7.根据本发明的一个方面，提供一种浮游植物初级生产力测量方法，该方法包括：
8.获取定标样品在不同温度下的光谱；
9.基于所述光谱，以水环境温度和光谱基线强度为自变量，以荧光峰强度为因变量，建立校正平面；
10.基于所述校正平面，得到定标样品校正后的荧光峰强度；
11.根据定标样品校正后的荧光峰强度与初级生产力建立定标曲线；
12.获取待测样品的荧光光谱；
13.基于校正平面和待测样品的荧光光谱，得到待测样品的校正后荧光峰强度；
14.根据定标曲线，由待测样品的校正后荧光峰强度反演出待测样品的浮游植物初级生产力。
15.可选的，所述定标样品为均一稳定、具有设定浓度的叶绿素a酒精提取液。
16.可选的，所述基于所述光谱，以水环境温度和光谱基线强度为自变量，以荧光峰强度为因变量，建立校正平面，包括：
17.对于某一浓度为c1的定标样品，选取设定波长处的光谱信号强度为光谱基线强度，分别以水环境温度和光谱基线强度为自变量，以荧光峰强度为因变量，建立校正平面，校正平面公式为：f＝k1t+k2b+m，t为水环境温度，b为光谱基线强度，f为荧光峰强度，m为常数，k1和k2是根据定标样品得到的二元一次方程的系数。
18.可选的，所述基于所述校正平面，得到定标样品校正后的荧光峰强度包括：
19.浓度为c1的定标样品在所述校正平面上任意一点的参数表示为(t0，b0，f0)，则选定某一温度ts和某一光谱基线bs为基准，将参数(t0，b0，f0)校正至(ts，bs，f
c1
)，则任意温度和基线的已知浓度c1定标样品的荧光峰强度为f
c1
＝k1(t
s-t0)+k2(b
s-b0)+f0；因此，由定标样品得到一系列已经校正到温度ts和光谱基线bs的校正后荧光峰强度f
c1
，f
c2
…fcn
，其中，c1，c2…cn
为定标样品的一系列溶液中叶绿素a浓度。
20.可选的，所述设定波长的选择原则为：保证在正常测量过程中，叶绿素a荧光以及待测的复杂水体中其他物质的荧光或散射光所在波长位置与选定的波长点不重叠。
21.可选的，所述根据定标样品校正后的荧光峰强度与初级生产力建立定标曲线包括：
22.由校正后荧光峰强度fc与叶绿素a浓度ca的线性关系，得到fc＝k3ca，其中k3为荧光强度与浓度的线性拟合直线的斜率；根据表层水体(1m以内)中浮游植物的初级生产力ps与叶绿素a浓度的关系得到ps＝qca，ca为表层水体叶绿素a的含量，q为同化系数，表层水体的同化系数一般取3.7；因此，得到定标样品初级生产力与校正后荧光峰强度的关系为ps＝qfc/k3，即为定标公式。
23.可选的，所述获取待测样品的荧光光谱，包括：从待测样品荧光光谱中得到荧光峰强度f
0_test
。
24.可选的，所述基于校正平面，得到待测样品的校正后荧光峰强度，包括：校正后荧光峰强度为f
c_test
＝k1(t
s-t0)+k2(b
s-b0)+f
0_test
。
25.可选的，所述根据定标曲线，由待测样品的校正后荧光峰强度反演出待测样品的浮游植物初级生产力，包括根据ps＝qf
c_test
/k3，得到待测样品初级生产力。
26.根据本发明的另一方面，提供一种浮游植物初级生产力测量装置，用于实现上述的浮游植物初级生产力测量方法，该装置包括：
27.仪器外壳，所述仪器外壳的一端依次设有光窗和流通式遮光样品室，所述光窗位于装置的前端并嵌在所述仪器外壳上，所述流通式遮光样品室套设于所述光窗的外部；
28.所述仪器外壳内部设有光源模块、探头、光谱仪和电路模块，所述光源模块和所述光谱仪分别与所述探头连接，所述电路模块与所述光谱仪连接；
29.所述光源模块发出入射光依次经过所述探头和所述光窗入射进所述流通式遮光样品室内的待测样品中，照射到浮游植物上，包含待测样品产生的后向荧光以及部分入射光的检测光依次经过所述光窗和所述探头传输进入所述光谱仪，获得荧光光谱，所述电路模块解析所述荧光光谱，得到浮游植物初级生产力。
30.可选的，所述流通式遮光样品室为杯状结构，所述杯状结构的杯口扣在所述光窗处，所述杯状结构的杯体和杯底上开设多个均匀分布的流通口。
31.可选的，所述电路模块包括：
32.信号调制单元，用于实现对光源模块和光谱仪的触发与同步控制，使光谱仪在光源模块开启到稳定后的预设时间开始曝光；
33.通讯单元，用于实现通信功能；
34.核心控制单元，分别与所述信号调制单元和通讯单元连接；
35.供电单元，为所述电路模块供电。
36.与现有技术相比，本发明具有如下至少之一的有益效果：
37.1、本发明提供的浮游植物初级生产力测量方法和测量装置，可以校正由于内外环境温度波动导致的荧光峰强度偏差，能够提高叶绿素荧光测量精度，为由于水下传感器封闭设计、光电器件发热以及外部环境温度变化等导致测量信号漂移而测不准的问题提出了新的解决方案，从而进一步提高利用激光诱导叶绿素荧光观测浮游植物初级生产力的测量精度。
38.2、本发明提供的浮游植物初级生产力测量方法和测量装置，以光谱仪为内核，可以基于光谱基线和仪器外部环境温度进行温度校正，从而能够精确测量浮游植物光合作用消耗二氧化碳量的初级生产力指标。
附图说明
39.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
40.图1为本发明一实施例中浮游植物初级生产力测量方法的流程示意图；
41.图2为本发明一实施例中浮游植物初级生产力测量仪装置结构示意图；
42.图3为本发明一实施例中浮游植物初级生产力测量仪的流通式遮光样品室结构示意图；
43.图4为本发明一实施例中基于光谱基线和仪器外部环境温度的浮游植物初级生产力测量仪温度校正方法的流程示意图；
44.图5为本发明一实施例中采集到的原始的荧光光谱；
45.图6为本发明一实施例中原始荧光光谱中基线随时间的变化曲线图；
46.图7为本发明一实施例中原始荧光光谱中荧光峰随时间的变化曲线图；
47.图8为本发明一实施例中建立的校正平面三维示意图；
48.图9为本发明一实施例中温度校正方法与单一基线校正和单一温度校正方法的校正结果对比图；
49.图中附图标记分别表示为：1为供电接口，2为通讯接口，3为连接线，4为光纤，5为光窗，6为流通口，7为浮游植物，8为流通式遮光样品室，9为入射光，10为检测光，11为仪器外壳、12为杯口、13为杯底。
具体实施方式
50.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
51.针对浮游植物初级生产力的测量过程中，传感器受温度影响发生信号漂移导致荧光测量精度亟待提高的问题，本发明一实施例提供一种浮游植物初级生产力测量方法，参照图1，该方法包括：
52.s1、获取定标样品在不同温度下的光谱；
53.s2、基于光谱，以水环境温度和光谱基线强度为自变量，以荧光峰强度为因变量，建立校正平面；
54.s3、基于校正平面，得到定标样品校正后的荧光峰强度；
55.s4、根据定标样品校正后的荧光峰强度与初级生产力建立定标曲线；
56.s5、获取待测样品的荧光光谱；
57.s6、基于校正平面和待测样品的荧光光谱，得到待测样品的校正后荧光峰强度；
58.s7、根据定标曲线，由待测样品的校正后荧光峰强度反演出待测样品的浮游植物初级生产力。
59.本发明实施例的测量方法中，步骤s1～s4为带温度校正的初级生产力预测方法的建模过程，步骤s5-s7为带温度校正的初级生产力预测方法的预测过程。所用定标样品为均一稳定、具有设定浓度的叶绿素a酒精提取液，定标样品的不同浓度对应于不同的初级生产力，定标样品的浓度需覆盖仪器测量范围。
60.在一些实施方式中，步骤s2，包括：对于某一浓度为c1的定标样品，选取设定波长处的光谱信号强度为光谱基线强度，分别以水环境温度和光谱基线强度为自变量，以荧光峰强度为因变量，建立校正平面，校正平面公式为：f＝k1t+k2b+m，t为水环境温度，b为光谱基线强度，f为荧光峰强度，m为常数，k1和k2是根据定标样品得到的二元一次方程的系数。
61.在一些实施方式中，步骤s3，包括浓度为c1的定标样品在该校正平面上任意一点的参数可表示为(t0，b0，f0)，则选定某一温度ts和某一光谱基线bs为基准，将参数(t0，b0，f0)校正至(ts，bs，f
c1
)，则任意温度和基线的该已知浓度定标样品的荧光峰强度为f
c1
＝k1(t
s-t0)+k2(b
s-b0)+f0。因此，由一系列不同已知叶绿素a浓度(c1，c2…cn
)的溶液即定标样本，可
得到一系列已经校正到温度ts和光谱基线bs的校正后荧光峰强度(f
c1
，f
c2
…fcn
)，从而能够校正温度变化对荧光峰变化的影响。
62.上述实施例中，设定波长的选择原则为：保证在正常测量过程中，叶绿素a荧光以及待测的复杂水体中其他物质的荧光或散射光所在波长位置与选定的波长点不重叠。
63.在一些实施方式中，步骤s4包括：
64.由校正后荧光峰强度fc与叶绿素a浓度ca的线性关系，得到fc＝k3ca，其中k3为荧光强度与浓度的线性拟合直线的斜率；根据表层水体(1m以内)中浮游植物的初级生产力ps与叶绿素a浓度的关系得到ps＝qca，ca为表层水体叶绿素a的含量，q为同化系数，表层水体的同化系数一般取3.7；因此，可得定标样品初级生产力与校正后荧光峰强度的关系为ps＝qfc/k3，即为定标公式，根据该公式即可得到定标曲线。
65.在s5中，从待测样品荧光光谱中得到荧光峰强度为f
0_test
，则s6中校正后荧光峰强度为f
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＝k1(t
s-t0)+k2(b
s-b0)+f
0_test
，在s7中根据定标公式ps＝qf
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/k3，得到待测样品初级生产力。
66.基于同样的发明构思，本发明另一实施例提供一种浮游植物初级生产力测量装置，用于实现上述的浮游植物初级生产力测量方法，参照图2，该装置包括仪器外壳11，仪器外壳11的一端依次设有光窗5和流通式遮光样品室8，光窗5位于装置的前端并嵌在仪器外壳11上，流通式遮光样品室8套设于光窗5的外部；仪器外壳11内部设有光源模块、探头、光谱仪和电路模块，光源模块和光谱仪分别与探头连接，电路模块与光谱仪连接；光源模块发出入射光9依次经过探头和光窗5入射进流通式遮光样品室8内的待测样品中，照射到浮游植物7上，包含待测样品产生的后向荧光以及部分入射光的检测光10依次经过光窗5和探头传输进入光谱仪，获得荧光光谱，电路模块解析荧光光谱，得到浮游植物初级生产力。
67.在一些实施方式中，流通式遮光样品室8为杯状结构，杯状结构的杯口12扣在光窗5处，杯状结构的杯体和杯底13上开设多个均匀分布的流通口6，具体地，杯体靠近光窗5处开有6个均匀分布的流通口6，杯底13处开有4个均匀分布的流通口6，由此，既保证了水流通畅，又保证了测量过程中的相对封闭性，可有效避免阳光直射，遮挡并有效削弱了进入仪器的外界环境杂散光和干扰光，可实现原位在线测量。
68.在一些实施方式中，电路模块包括信号调制单元、通讯单元、核心控制单元和供电与自容存储单元，信号调制单元用于实现对光源模块和光谱仪的触发与同步控制，使光谱仪在光源模块开启到稳定后的预设时间开始曝光；通讯单元用于实现通信功能；核心控制单元分别与信号调制单元和通讯单元连接；供电单元为电路模块供电。具体地，信号调制单元保证光源模块和光谱仪同步工作，光源模块发射激光，光谱仪接收荧光光谱并将荧光光谱数据传至信号调制单元，信号调制单元通过通讯单元将光谱数据传至核心控制单元，核心控制单元对光谱数据进行解析，得到初级生产力值；该装置还包括自容存储模块，核心控制单元将初级生产力值和荧光光谱存至自容存储单元。
69.上述实施例中，仪器外壳11内还设有电源模块，电源模块为测量装置供电；仪器外壳11上设有供电接口1和通讯接口2，水环境温度由外置温度传感器测量并通过通讯接口2和电路模块进行总体分析。
70.在优选实施方式中，继续参照图2和图3，光源模块为激光器，更为优选地，光源模块为405nm激光器，额定电压12v，功耗150mw。探头为激光探头，激光探头内含有反射滤光
片、带通滤光片、截止滤光片等多种功能性滤光片以及会聚透镜。光谱仪采用可见ccd光谱仪，光谱仪为可见波段微型光谱仪，光谱范围为350-750nm，分辨率为1nm。当然，在其他一些实施方式中，也可使用其他规格的包含浮游植物叶绿素特征荧光光谱响应波段的光谱仪，包括但不仅限于可见光谱仪、紫外可见光谱仪、可见近红外光谱仪、紫外可见近红外光谱仪等。激光器和光谱仪分别通过光纤4与激光探头连接。电路模块通过连接线3与光谱仪实现电连接；电路模块包括核心控制模块(stm32)、信号调制模块(fpga)、通讯模块(rs485)、供电与自容存储模块等。基于fpga的数字脉冲发生电路实现对光源和ccd的触发与同步控制，光源开启一段时间(如100毫秒)光强稳定后光谱仪的ccd开始曝光，曝光时间的误差控制在亚微秒级别，从而保障测量结果稳定性。在测量过程中，设置单次测量的积分时间后，激光器会提前开启，延后关闭，保证积分时间内的检测信号稳定。采用自动流向ttl转rs485通讯模块实现与上位机通信功能，保证通讯模块在长距离传输场景下的高可靠性。基于stm32单片机构建主控模块对所有模块进行总体控制。电源模块采用内置电池，内置电池通过连接线与激光器连接，更为优选地，内置电池为可充电锂电池组，电池容量6400mah，可保证自容式仪器原位在线稳定工作一段时间(3周)。光窗5为圆形亚克力材质光窗。仪器外壳11为圆柱形不锈钢材质外壳，也可根据需求和仪器测量水深，选用其他材质和厚度的外壳，包括但不仅限于不锈钢、铝合金、塑料等。流通式遮光样品室8为杯状样品室，流通式遮光样品室8的类杯状结构中的杯口12可扣在光窗5处并固定。流通式遮光样品室8与仪器外壳11间用于固定的详细方案和螺丝孔位并不唯一，可根据需求调整固定模式和螺丝孔位。杯体靠近光窗5处开有6个均匀分布的流通口6，杯底13处开有4个均匀分布的流通口6。流通式遮光样品室8的流通口6用于保证水流通畅，仪器可实现原位在线测量。流通式遮光样品室8的类杯状结构中的杯底13的设计，使得优选流通式遮光样品室8的杯身长度成为可能，选定合适杯身长度，可在一定程度上显著提高荧光采集信噪比。流通式遮光样品室8的设计保证了测量过程中的相对封闭性，可有效避免阳光直射，遮挡并有效削弱了进入仪器的外界环境杂散光和干扰光。供电接口1和通讯接口2为两个分别用于通讯和供电的水密连接器。
71.本发明上述实施例采用叶绿素荧光测量技术，以光谱仪为内核，可以基于光谱基线和仪器外部环境温度进行温度校正，从而提高利用激光诱导叶绿素荧光观测浮游植物初级生产力的测量精度。
72.针对上述基于光谱基线和温度校正的浮游植物初级生产力测量仪的验证，图4给出了温度校正方法的流程图，具体过程如下：
73.(1)配制溶液并获得标准初级生产力值
74.首先，配置用于定标的均一稳定、某一恒定浓度的叶绿素酒精提取液。将新鲜的菠菜叶清洗干净，剪碎成小块，放在研钵中，加入少量碳酸钙，少量石英砂，95％乙醇。研磨充分后，首先将混合物用4层医用纱布过滤，去除残留叶片组织纤维及石英砂。再将过滤出的溶液置于4℃低温黑暗环境中静止沉淀1小时。只取沉淀后的上层清液通过孔径15μm的中速滤纸，最终得到叶绿素酒精提取液。将配置的叶绿素酒精提取液放入紫外可见分光光度计(如tu-1901，北京普析通用仪器有限责任公司)中测量其吸光度光谱。根据lichtenthaler等提出的利用分光光度计测量时叶绿素a在95％乙醇中的浓度测量关系式：ca＝13.95a
665-6.88a
649
，其中，ca为被测溶液中叶绿素a的浓度，a
665
为被测溶液在665nm处的吸光度，a
649
是溶液在649nm处的吸光度即可计算出配置的叶绿素酒精提取液中叶绿素a浓度。
75.用95％乙醇将已知浓度的叶绿素酒精提取液稀释，制备出3.65ug/l的叶绿素溶液。
76.上述用分光光度计测量获得叶绿素a浓度，依据实验需求，对其进行稀释，制备已知叶绿素a浓度的溶液进行实验。并根据浮游植物的初级生产力(ps)与叶绿素a浓度的关系ps＝qca计算出进行测试的样本标准初级生产力值。
77.(2)变温实验
78.将浮游植物初级生产力测量仪从23℃室温条件下放入41℃的热水中。开启荧光测量，每间隔50s采集一幅光谱，同时记录光谱与温度。水环境温度由外置温度传感器测量并通过通讯接口和电路模块进行总体分析。
79.在水环境温度从41℃自然冷却到室温23℃的过程中，浮游植物初级生产力测量仪连续不断地采集光谱。与此同时，记录下水温随时间的变化。
80.在水环境温度冷却至室温23℃后，向水环境中注入热水，使水环境温度在较短的时间内快速升高到41℃。同时保持连续不断地采集光谱。在注水升温的过程中，依旧记录水温随时间的变化。
81.(3)温度校正及结果分析
82.选取某个波长处(如370nm)的光谱信号强度为基线强度，此波长点的选择原则为：保证在正常测量过程中，叶绿素a荧光以及复杂水体中其他物质的荧光或散射光所在波长位置与该波长点不重叠。
83.分别以水环境温度t和光谱基线b为自变量，以荧光峰强度f为因变量，建立校正平面，校正平面公式为：f＝k1t+k2b+m
84.选定ts＝25℃，bs＝3400为基准，根据校正平面公式去校正任意一个采样样本的荧光峰强度。具体地，某一采样样本的信息可表示为(t0，b0，f0)，首先由校正平面公式计算m0＝-k1t
0-k2b0+f0，再根据选定的基准温度ts和基准光谱基线bs，计算校正后的荧光峰强度fc＝k1ts+k2bs+m0＝k1(t
s-t0)+k2(b
s-b0)+f0。计算并比较原始荧光峰强度f和校正后的荧光峰强度fc的波动范围和相对标准偏差，获得校正效果的评价。校正结果如图5-7所示。
85.如图5所示，为温度校正实验中采集到的原始的荧光光谱，横坐标为波长，纵坐标为荧光强度。从图5中可以看出，在持续的升温和降温过程中，叶绿素a荧光光谱会在较大的强度范围波动，对测量精度产生巨大的干扰。
86.如图6所示，为温度校正实验中原始荧光光谱中基线随时间的变化曲线图，横坐标为时间，纵坐标为荧光强度。从图6中可以看出，在第一阶段的升温过程中，基线强度随温度升高逐渐减小；在第二阶段的降温过程中，基线强度随温度降低逐渐增大；第三阶段的升温过程中，基线强度再一次随温度升高逐渐减小。
87.如图7所示，温度校正实验中原始荧光光谱中荧光峰随时间的变化曲线图。从图7中可以看出，虽然可以分辨3个升温-降温-升温阶段，荧光峰强度大致随温度上升而减小，随温度降低而增大。但是荧光峰强度的增大或减弱并不稳定，对比图5，可以看出荧光峰强度无法简单地由基线去校正，尤其是外部环境温度变化大范围且剧烈的时候。
88.依据初级生产力预测公式ps＝qfc/k3，在q和k3均已确定的情况下，提高荧光峰强度的精度，从f校正到fc，可以提高初级生产力ps的测量精度。现从荧光峰的校正效果方面评估本发明上述实施例的带温度校正的初级生产力预测方法的效果。依据上述实施例中温度
校正方法得到的校正平面三维示意图如图8所示，将应用此校正平面校正获得的荧光强度实验结果与单一基线校正和单一温度校正方法获得的荧光强度校正结果进行对比，如图9所示。从图9中可以看出，受环境温度变化和ccd基线漂移影响造成未校正的荧光峰波动范围为53％，经过单一基线校正的荧光峰波动范围为26％，经过单一温度校正的荧光峰强度波动范围为15％，而上述实施例中的基于光谱基线和温度的综合温度校正方法波动范围为8.8％，相对标准偏差小于2％，远远好于未校正前和其他的单项校正方法。上述实验说明了通过本发明上述实施例的温度校正方法可以有效地校正温度导致的荧光信号漂移，从而提高浮游植物初级生产力测量仪的荧光测量精度，进一步地提高利用激光诱导叶绿素荧光观测浮游植物初级生产力的测量精度。
89.上述实施例中的浮游植物初级生产力测量方法和装置，基于激光诱导叶绿素荧光，且可校正温度变化，能够解决表层水体浮游植物初级生产力测量的难题，提高了水体叶绿素荧光测量精度，为由于水下传感器封闭设计、光电器件发热以及外部环境温度变化等导致测量信号漂移而测不准的问题提出了新的解决方案，进一步提高了利用激光诱导叶绿素荧光观测浮游植物初级生产力的测量精度。
90.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。

技术特征：
1.一种浮游植物初级生产力测量方法，其特征在于，包括：获取定标样品在不同温度下的光谱；基于所述光谱，以水环境温度和光谱基线强度为自变量，以荧光峰强度为因变量，建立校正平面；基于所述校正平面，得到定标样品校正后的荧光峰强度；根据定标样品校正后的荧光峰强度与初级生产力建立定标曲线；获取待测样品的荧光光谱；基于校正平面和待测样品的荧光光谱，得到待测样品的校正后荧光峰强度；根据定标曲线，由待测样品的校正后荧光峰强度反演出待测样品的浮游植物初级生产力。2.根据权利要求1所述的浮游植物初级生产力测量方法，其特征在于，所述定标样品为均一稳定、具有设定浓度的叶绿素a酒精提取液；所述基于所述光谱，以水环境温度和光谱基线强度为自变量，以荧光峰强度为因变量，建立校正平面，包括：对于某一浓度为c1的定标样品，选取设定波长处的光谱信号强度为光谱基线强度，分别以水环境温度和光谱基线强度为自变量，以荧光峰强度为因变量，建立校正平面，校正平面公式为：f＝k1t+k2b+m，t为水环境温度，b为光谱基线强度，f为荧光峰强度，m为常数，k1和k2是根据定标样品得到的二元一次方程的系数。3.根据权利要求2所述的浮游植物初级生产力测量方法，其特征在于，所述基于所述校正平面，得到定标样品校正后的荧光峰强度包括：浓度为c1的定标样品在所述校正平面上任意一点的参数表示为(t0，b0，f0)，则选定某一温度t
s
和某一光谱基线b
s
为基准，将参数(t0，b0，f0)校正至(t
s
，b
s
，f
c1
)，则任意温度和基线的已知浓度c1定标样品的荧光峰强度为f
c1
＝k1(t
s-t0)+k2(b
s-b0)+f0；因此，由定标样品得到一系列已经校正到温度t
s
和光谱基线b
s
的校正后荧光峰强度f
c1
，f
c2
…
f
cn
，其中，c1，c2…
c
n
为定标样品的一系列溶液中叶绿素a浓度。4.根据权利要求2所述的浮游植物初级生产力测量方法，其特征在于，所述设定波长的选择原则为：保证在正常测量过程中，叶绿素a荧光以及待测的复杂水体中其他物质的荧光或散射光所在波长位置与选定的波长点不重叠。5.根据权利要求4所述的浮游植物初级生产力测量方法，其特征在于，所述根据定标样品校正后的荧光峰强度与初级生产力建立定标曲线包括：由校正后荧光峰强度f
c
与叶绿素a浓度c
a
的线性关系，得到f
c
＝k3c
a
，其中k3为荧光强度与浓度的线性拟合直线的斜率；根据表层水体中浮游植物的初级生产力p
s
与叶绿素a浓度的关系得到p
s
＝qc
a
，c
a
为表层水体叶绿素a的含量，q为同化系数；定标样品初级生产力与校正后荧光峰强度的关系为p
s
＝qf
c
/k3，即为定标公式。6.根据权利要求5所述的浮游植物初级生产力测量方法，其特征在于，所述获得待测样品的荧光光谱，包括：从待测样品荧光光谱中得到荧光峰强度f
0_test
；所述基于校正平面，得到待测样品的校正后荧光峰强度，包括：校正后荧光峰强度为f
c_test
＝k1(t
s-t0)+k2(b
s-b0)+f
0_test
。
7.根据权利要求6所述的浮游植物初级生产力测量方法，其特征在于，所述根据定标曲线，由待测样品的校正后荧光峰强度反演出待测样品的浮游植物初级生产力，包括根据p
s
＝qf
c_test
/k3，得到待测样品初级生产力。8.一种浮游植物初级生产力测量装置，用于实现权利要求1-7任一项所述的浮游植物初级生产力测量方法，其特征在于，包括：仪器外壳，所述仪器外壳的一端依次设有光窗和流通式遮光样品室，所述光窗位于装置的前端并嵌在所述仪器外壳上，所述流通式遮光样品室套设于所述光窗的外部；所述仪器外壳内部设有光源模块、探头、光谱仪和电路模块，所述光源模块和所述光谱仪分别与所述探头连接，所述电路模块与所述光谱仪连接；所述光源模块发出入射光依次经过所述探头和所述光窗入射进所述流通式遮光样品室内的待测样品中，照射到浮游植物上，包含待测样品产生的后向荧光以及部分入射光的检测光依次经过所述光窗和所述探头传输进入所述光谱仪，获得荧光光谱，所述电路模块解析所述荧光光谱，得到浮游植物初级生产力。9.根据权利要求8所述的浮游植物初级生产力测量装置，其特征在于，所述流通式遮光样品室为杯状结构，所述杯状结构的杯口扣在所述光窗处，所述杯状结构的杯体和杯底上开设多个均匀分布的流通口。10.根据权利要求8所述的浮游植物初级生产力测量装置，其特征在于，所述电路模块包括：信号调制单元，用于实现对光源模块和光谱仪的触发与同步控制，使光谱仪在光源模块开启到稳定后的预设时间开始曝光；通讯单元，用于实现通信功能；核心控制单元，分别与所述信号调制单元和通讯单元连接；供电单元，为所述电路模块供电。

技术总结
本发明提供一种浮游植物初级生产力测量方法和测量装置，包括：获取定标样品在不同温度下的光谱；基于所述光谱，以水环境温度和光谱基线强度为自变量，以荧光峰强度为因变量，建立校正平面；基于所述校正平面，得到定标样品校正后的荧光峰强度；根据定标样品校正后的荧光峰强度与初级生产力建立定标曲线；获取待测样品的荧光光谱；基于校正平面，得到待测样品的校正后荧光峰强度；根据定标曲线，由待测样品的校正后的荧光峰强度，得到待测样品的浮游植物初级生产力。本发明能够提高叶绿素荧光测量精度，进一步提高利用激光诱导叶绿素荧光观测浮游植物初级生产力的测量精度。观测浮游植物初级生产力的测量精度。观测浮游植物初级生产力的测量精度。


技术研发人员：黄梅珍 李婉香 富雨超 李昊宸 刘天元
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/8/4