（海洋化学专业论文）骨条藻赤潮后赤潮过程的三维荧光特征与生态学分析.pdf

2 010d i s s e r t a t i o n ，m a s t e rd e g r e e u n i v e r s i t yc o d e ：10 2 6 9 i d ：5 1 0 7 1 6 0 2 0 1 9 e a s tc h i n an o r m a lu n i v e r s i a n a l y s i so fe c o l o g i c a lc h a r a c t e r sa nd e e m so fr e dt i d ec a u s e d b y s k e l e t o n e m a c o s t a t u mi nd e c l i n ep ha s e a c a d e m y ：s t a t ek e yl a b o r a t o r yo f e s t u a r i n ea n dc o a s t a lr e s e a r c h m a j o r ：m a r i n ec h e m i s t r y r e s e a r c hf i e l d ：b i o g e o c h e m i s t r y d i r e c t o r ：p r o f d a o j il e e a u t h o r ：s h a o y u a nw u a p r i l ，2 0 1 0 华东师范大学学位论文原创性声明删 郑重声明：本人呈交的学位论文骨条藻赤潮后赤潮过程的三维荧光特征与生态学 分析，是在华东师范大学攻读絮博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的 研究工作及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已 经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作 了明确说明并表示谢意。 作者签名2 鼍日期：州口年心月加日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 骨条藻赤潮后赤潮过程的三维荧光特征与生态学分析系本人在华东师范大学攻 读学位期间在导师指导下完成的硕半博士( 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果归华 东师范大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向主 管部门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网”送交学位论文的印刷版和电子版； 允许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校将学位论文加 入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出 版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) () 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密 学位论文奉， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( ) 2 不保密，适用上述授权。 导师签名乒磊本人签 妖翰沙 “涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过的学位 论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方为有效) ，未经上 述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用 上述授权) 。 学位论文导师意见 本人负责指导吴绍渊同学的硕士学位论文，据我所知，除文中已经 注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果； 经审阅认为该论文已达到我校硕士学位论文的学术水平，同意该论文送审 并答辩。 导师签名：弛 日期： 指导小组导师意见 本人参与指导吴绍渊同学的硕士学位论文，经审阅认为该论文己达 到我校硕士学位论文的学术水平，同意该论文送审并答辩。 指导小组导师签名： 日期： 聿磁j 罗、 昱绍淄硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 沈新强研究员东海水产研究所主席 华东师范大学河口 朱建荣教授 海岸国家重点实验室 华东师范大学河口 张利权教授 海岸国家重点实验室 论文摘要 分别对2 0 0 7 年8 月青岛近岸( 3 6 0 4 0 7 。n 至3 6 0 5 9 0 。n ；1 2 0 2 8 1 0 。e 至 1 2 0 3 1 5 2 。e ) 骨条藻后赤潮过程1 2 站位赤潮水样的生态学指标与三维荧光光谱 进行了分析。计算获得丫该海域的4 项生态学指标，即：s i m p s o n 优势度指数 ( s i m p s o ni n d e x ) 、m a r g a l e f 多样性指数( m a r g a l e fi n d e x ) 、p i e l o u 均匀度指数( p i e l o u e v e n n e s si n d e x ) 和香农威纳指数( s h a n n o n w e i n e ri n d e x ) 。并对1 2 站位海水样品的 c o d 值与s h a n n o n w e i n e r 指数、中肋骨条藻细胞数间的相关关系进行了分析， 发现：1 2 站位海水样品的c o d 值与s h a n n o n w e i n e r 指数间呈现出一定的负相关 关系；海水样品s h a n n o n w e i n e r 指数与中肋骨条藻细胞数间呈现出一定的负相 关关系；海水样品c o d 值与中肋骨条藻细胞数值间呈现出一定的正相关关系。 此结果表明：赤潮过程后期水体中有新的藻中出现，从而随着生物多样性的增加， 使得水质条件得以改善。同时，采用d e l a u n a y 三角形内插值法对各站位赤潮样 品的三维荧光光谱加以修正，并使用p a r a f a c 模型对对1 2 站位的三维荧光光 谱数据组x ( 1 2 x 3 6 x 2 7 ) 进行了解析。p a r a f a c 模型结果显示：e e m s 不仅在对 于具有复杂组成的c d o m 的光谱学研究中具有优良的分辨能力，而且与诸多生 态学与生物化学指标间也具有良好的相关性。因此，在结合“3 s ”( r s 、g i s 、 g p s ) 等技术后，其将有望成为一套有效的赤潮监测技术，在未来对于赤潮预报 的研究中将发挥较大的作用，并为今后将e e m s 技术与p a r a f a c 模型应用于后 赤潮过程中的深入研究提供了必要的理论支持与数据参考。 关键词：骨条藻赤潮、三维荧光光谱、c d o m 、p a r a f a c 模型 a b s t r a c t a n a l y z e de c o l o g i c a li n d e x e sa n de e m so fw a t e rs a m p l e si n12s i t e so ft h er e dt i d e o c c u r r e di nt h ec o a s to fq i n g d a o ，s h a n d o n gp r o v i n c e ，p r c h i n a ( 3 6 0 4 0 7 。nt o 3 6 0 5 9 0 。n ；1 2 0 2 8 1 0 。et o1 2 0 3 1 5 2e ) ，i n a u g u s t2 0 0 7 o b t a i n e d4e c o l o g i c a li n d e x e sb yc a l c u l a t i n g w h i c ha r es i m p s o ni n d e x ，m a r g a l e f i n d e x p i e l o ue v e n n e s si n d e xa n ds h a n n o n w e i n e ri n d e x t h er e s u l t ss h o wan e g a t i v e c o r r e l a t i o nb e t w e e nc o da n ds h a n n o n w ，e i n e ri n d e x an e g a t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e n s h a n n o n w e i n e ri n d e xa n dt h ec e l ln u m b e ro fs k e 彪t o n e m ac o s t a t u r na n dap o s i t i v e c o r r e l a t i o nb e t w e e ns h a n n o n w r e i n e ri n d e xa n dt h ec e l ln u m b e ro fs k e 彪t o n e m a c o s t a t u m a n d ，ah y p o t h e s i sw a sg i v e nt oe x p l a i nt h er e s u l t s ：i nt h ed e c l i n ep h a s e ， n e wa l g a es p e c i e sm a ya p p e a ri nt h es e aa r e aa n dt h eb i o d i v e r s i t yi n c r e a s ea sw e l l ， w h i c hr e s u l t si nap r o m o t i o no ft h eo v e r a l lw a t e rq u a l i t y m o d i f i e dt h ee x c i t a t i o n - e m i s s i o nm a t r i xs p e c t r o s c o p y ( e e m s ) d a t ao f12s i t e sv i a d e l a u n a yt r i a n g u l a t i o na l g o r i t h m a n d a n a l y z e d t h e c o m p i l e d 3 d m a t r i x ， 砸12 x 3 6 x 2 7 ) ，c o n s t r u c t e db yi n d i v i d u a le e m sd a t ao f12s i t e sb yu s i n gp a r a f a c m o d e l t h er e s u l t sf r o mp a r a f a cm o d e ls h o wt h a te e m si sp r o v e dt ob eas t r o n gm e a n si n m u l t i c o m p o n e n t si e c d o md i s t i n c t i o na n ds o m ep e a k si ni tp e r f o r mw o n d e r f u l c o r r e l a t i o n sw i t he c o l o g i c a la n db i o c h e m i c a li n d e x e s t h u s w h e nc o m b i n e dw i t h “3 s ”( r s 、g i s 、g p s ) t e c h n o l o g i e sa n da r g op r o j e c t e e m si se x p e c t e dt ob e c o m e as u i to fe f f e c t i v ea n de 衔c i e n tm e a n si nr e dt i d em o n i t o t i n g o re v e nt ob eu s e di nr e d t i d ef o r e c a s t h o w e v e r ，i no r d e rt or e a l i z et h eg o a l sm e n t i o n e da b o v e i ts t i l lc a l l sf o r f u r t h e rr e s e a r c ha n ds h 伍c i e n td a t at os u p p o r t a n d t h i sd i s s e r t a t i o n , a st h ee a r l i e s t o n ea d o p t i n ge e m sa n dp a raf a cm o d e li n t op r a c t i c e p r o v i d e sb o t ht h e o r e t i c a l s u p p o r t sa n dd a t af o rf u t u r er e s e a r c h e si nt h i sa n g l e k e yw o r d ：r e d t i d ec a u s e db ys k e l e t o n e m ac o s t a t u m ，e x c i t a t i o n e m i s s i o n m a t r i xs p e c t r o s c o p y ( e e m s ) ，c d o m ，p a r a f a cm o d e l 目录 第一章前言1 页 第一节赤潮的成因、过程及其危害l 页 第二节c d o m 国内外研究现概述5 页 第三节三维荧光光谱技术的国内外研究现状概述7 页 第四节r a y l e i g h 散射修正、d e l a u n a y 三角形内插值法与p a r a f a c 模型9 页 第二章数据采集与测量1 3 页 第一节实验区域1 3 页 第二节测量参数与测量方法1 3 页 第三节主要分析测定设备参数及测定方法1 5 页 第三章实验结果1 8 页 第一节2 0 0 7 年8 月青岛近岸赤潮主要生态学特征1 8 页 第二节2 0 0 7 年8 月青岛近岸赤潮三维荧光光谱3 3 页 第三节p a r a f a c 模型数据解析5 8 页 第四章讨论6 l 页 第一节赤潮生物多样性指数与水质污染状况6 1 页 第二节骨条藻赤潮后期3 荧光峰( a 峰、c 峰与t 2 峰) 荧光强度与中肋骨条藻数 量、s h a n n o n w e i n e r 指数间的关系6 4 页 第五章结论6 7 页 第一章、前言 赤潮作为海洋灾害的一种，其发生不仅影响发牛海域的牛态环境，而且还会直 接或间接地威胁到当地经济建设、社会发展以及公众健康【1 刃。 c d o m ( c h r o m o p h o r i cd i s s o l v e do r g a n i cm a t t e r ) ，也被称为黄色物质，作为遥感 监测水质分析的重要参数之一，已被用于赤潮的预测研究之中【3 , 4 1 。 由于三维荧光光谱技术可提供丰富的海洋浮游植物、复杂有机物等的特征指纹 图谱信息( f i n g e r p r i n ti n f o r m a t i o n ) ，其在赤潮形成机制的研究中也日益受到重视【娴。 本研究通过运用p a r a f a c 模型对发牛于2 0 0 7 年8 月青岛近岸后赤潮过程中 1 2 站位所获的三维荧光光谱数据加以分析，并参考本次实验所获其它乍化数据( 如： 总糖、赤潮藻种类及密度、c o d 等数据) 对骨条藻赤潮后期的牛态学状况与三维荧 光特征加以研究。 本章分为三个部分，将分别针对赤潮的成因、过程及其危害；c d o m 国内外研 究现概述和三维荧光光谱技术在国内外研究现状进行较为详细的介绍。 1 1 赤潮的成因、过程及其危害 赤潮的成因 赤潮是海洋中某一种或某几种浮游生物在一定的环境条件下短时间内爆发性繁 殖或高度聚集的现象，其主要特点是在其发生过程中会造成海水变色( 如：红色、棕 色、白色等) ，并散发较浓烈的异味。据统计，在4 0 0 0 多种海洋浮游微藻中有2 6 0 多种能形成赤潮1 7 】，其中，硅藻和甲藻是最常见的赤潮生物。在我国近海的赤潮硅 藻包括1 纲2 目1 0 科1 8 属1 9 种( 含一个变种) ；赤潮甲藻包括2 纲5 日8 科1 4 属 2 0 种 a l 。除硅藻和甲藻外，蓝藻、金藻、绿藻和浮游动物的中嗌虫、纤毛虫亦可造 成赤潮。如：在长江口邻近水域，在监测到的6 8 种赤潮生物中有5 种已引发过赤潮 1 9 1 。对胶州湾东北养殖水域浮游植物的种类组成、数量波动以及影响因素的综合调 查发现，该水域浮游植物共计2 8 属5 9 种。其中，优势藻类为：中肋骨条藻、旋链 角刺藻、高盒形藻、短角弯角藻等【l o l 。在广东大亚湾澳头，曾先后发生过拟菱形藻 赤潮、日本星杆藻赤潮、原变形翼根管藻赤潮、五角多甲藻赤潮、脆根管藻赤潮等 l i e ! 。通过对烟台四十里湾发生的大规模赤潮进行调查，发现赤潮期间红色裸甲藻 g y m n o d i n i u ms a n g u i n e u m 密度高达1 5 6 0i n d m l i u j 。 赤潮作为一种异常的牛态现象，其诱发因素众多。目前，对于赤潮发影响因子 的研究主要有：气象因予( 如：气温，气压，风向，风速，海况，天气现象等) ；水 文因子( 如：水温，潮汐，盐度等) 2 j ；牛物因子( 如：浮游植物，浮游动物，生物量、 叶绿素a ，叶绿素b ，叶绿素c ，脱镁n t 绿素等) ；化学因予( 如：溶解氧( d o ) ，化学 耗氧量( c o d ) 、营养盐、微量元素、维牛素b 1 ，b 2 ，无机氮( d i n ) ，无机磷( d i p ) ， 铁，锰，硒，磷，锌，钴等) 和光学因子( 如：海水浊度等) ，光照等【n 2 2 j 。 然而在赤潮的诱发机制方面，目前普遍接受的观点是：环境污染、沿岸污水排 放和海水富营养化水平提高是诱发赤潮的主要因素。可是在实际情况中仍有很多赤 潮现象仍无法从中得到合理的解释，如：曾在远离海岸的大洋深处也发现过赤潮； 再如，研究发现，暴雨过后，海水表层盐度迅速降低，也能刺激赤潮牛物的大量急 剧繁殖1 2 3 1 。因此，赤潮作为一个多因素诱导的复杂过程，目前尚无法最终弄清其形 成的内在机制与发牛规律，所以对于海区内是否会发生赤潮仍无法做出准确预报。 赤潮过程 目前，对于赤潮过程，普遍接受的观点是：从发生到结束整个赤潮过程大致可 分为四个阶段，即：起始阶段、发展阶段、维持阶段和消亡阶段( 图1 ) 洲。 2 时阎 图1 赤潮长消过程示意图洲 ( ( 1 ) 起始阶段( 2 ) 发展阶段( 3 ) 维持阶段( 4 ) 消亡阶段) f i g u r e1 t h ep r o c e s so fr e dt i d e t m l ( ( 1 ) l a gp h a s e ( 2 ) e x p o n e n t i a lp h a s e ( 3 ) s t a t i o n a r yp h a s e ( 4 ) d e c l i n ep h a s e ) 1 l 起始阶段海域内聚有定数量的赤潮生物种( 包括营养体或胞囊) 并且此时水 环境的各种理化条件基本适宜于某种赤潮牛物生长、繁殖的需要。表1 、表2 为目前判断赤潮发牛的牛化基准指标和几种主要赤潮牛物形成赤潮时的细胞基 准密度 2 s l 。 。 表1 赤潮生物判断指标 t a b l e1 b i o l o g i c a li n d e x e so fr e dt i d eo c c u r r e n c e 指标基准值 浮游植物多样性指数i h ) 浮游植物均匀度i j ) 叶绿素a ( m g d m 3 ) i d m 3 ) 赤潮异弯藻h e t e r o s i g m oo k o s h i w o 裸甲藻g y m n o d i n i u ms p p 骨条藻s k e l e t o n e m ac o s t o t u m 根管藻r h i z o s o l e n i os p p 原甲藻p r o r o c e n t r u ms p p 夜光藻n o c t i l u c as c i e n t i l l o n s 5 x 1 0 7 5 x 1 0 6 5 x 1 0 6 5 x z 0 6 5 x 1 0 s s x z 0 4 3 一世衡霉露一一霉州鼹骺 2 ) 发展阶段亦称为赤潮形成阶段。当海域内的某种赤潮生物种群达到一定个体 数量，且温度、盐度、光照、营养等外部环境因素均达到该赤潮生物牛长、增 殖的最适范围时，赤潮牛物即可进入指数增殖期，便有可能较快地发展成为赤 潮。 3 ) 持续阶段亦称赤潮维持阶段。这一阶段的长短丰要取决于水体的物理稳定性 和各种营养盐的丰富程度，以及当营养盐被大量消耗后的补充速率与补充量。 若此阶段海区风平浪静，水体垂直混合与水平混合较差，水团相对稳定，且营 养盐等又能及时得到必要的补充，赤潮则可能持续较长时间；反之，若遇台风、 阴雨，水体稳定性差或营养盐被消耗殆尽，又未能得到及时补充，那么，赤潮 现象则可能很快消失。 4 ) 消亡阶段指赤潮现象消失的过程。引起消失的原因可有刮风、降雨或营养盐 消耗殆尽，或者温度已超过该赤潮牛物的适宜范围；潮、流增强，赤潮被扩散 等。而赤潮消亡阶段经常是赤潮对渔业危害的最严重阶段。 赤潮的危害 赤潮往往会对发牛海域的牛态环境以及沿岸居民的生产生活甚至生命健康产生 严重危害 2 s l 。 首先，有限水域短时间内赤潮生物的大规模暴发性繁殖将掠夺性地消耗水体中 的营养物质( 如：营养盐、氧气、有机物等) ，从而造成在赤潮过程后期水体出现“荒 漠化”的现象。 此外，高度密集的赤潮牛物还会将鱼、贝类的呼吸器官堵塞，导致大批鱼类和 贝类因窒息而死亡。有些赤潮藻类还会产生毒素( 如：麻痹性贝毒( p a r a l y t i cs h e l l f i s h p o i s o n i n g ，p s p ) 、溶血性毒素( h e m o l y t i ct o x i n s ) - 笔j ；1 2 6 1 ) 。随着被赤潮毒死的鱼类或贝 类的牛物残骸在海水中氧化分解，溶解氧被大量消耗，从而造成了海域内赤潮过程 后期“低氧区”的出现。 同时，由于在生物残骸的分解过程中，毒素会继续产生并进入水体，并通过生 物富集作用在贝类和鱼类体内大量积累，再通过食物链( 网) 的传递进入人体，继而 4 在不同程度上对人类的生命健康造成损害，这也在很大程度上加剧了赤潮的危害性。 因此，每年由赤潮直接或间接造成的经济损失十分惊人，例如：1 9 9 8 年春季发 生在珠江海域的一次大面积赤潮造成发生海区养殖鱼类几乎全部死亡，导致香港、 深圳、珠海三地养殖渔业损失超过4 亿元人民币【拥；2 0 0 5 年我国海域共发现赤潮 8 2 次，其中渤海9 次，黄海1 3 次，东海5 1 次，南海9 次，累计面积约2 70 7 0 平方 公里，直接经济损失达6 9 0 0 万元 2 8 1 。鉴于赤潮所具有的严重危害性，赤潮目前已 经引起政府管理部门和科学家的广泛关注，并作为海洋灾害中的一种被列入国家防 灾减灾的计划之中【2 9 1 。 本论文以2 0 0 7 年8 月发生于青岛近海骨条藻赤潮为研究背景，结合牛态学指标 与三维荧光光谱技术对该次赤潮的后赤潮过程进行了研究，以期发现骨条藻赤潮在 后赤潮过程所具备的生态学与三维荧光特征。 1 2c d o m 国内外研究现状概述 c d o m ( c h r o m o p h o r i cd i s s o l v e do r g a n i cm a t t e r ) ，也称为黄色物质，指水体中带 色的可溶性有机物。它是在可溶性有机物长谱中具有带色的可溶性有机物一段。 c d o m 作为一种复杂的有机物，可以对水质状况加以反映，已被用于赤潮的预测研 究之中。 c d o m 与浮游生物、悬浮泥沙共同构成影响海洋水色的三大因素，也是海洋初 级生产力和悬浮泥沙含量光学遥感估算所必须考虑的重要参数蛳3 5 1 。因此，对于 c d o m 的研究也成为了海洋光学研究中的重要内容之一。 在分布上，c d o m 通常由近岸向远岸降低。在河口及近岸水域，c d o m 主要 为陆源，多呈现保守行为；而在离岸区域，c d o m 更多受控于浮游植物降解、浮游 动物摄食等现场生产1 3 叼。因此，在针对对赤潮赤潮的研究中，c d o m 可成为一个很 好的指标。最近研究表明，c d o m 在赤潮过程中( 起始阶段、发展阶段、维持阶段 和消亡阶段) 可能存在一定的特征表现。 国际上，如在波罗的海、地中海、大西洋沿岸等地，对c d o m 的分布、物理 特性、化学构成等已进行了大量研究并获得诸多有价值的研究成果【3 7 卅。而在我国， 5 相关研究则起步较晚。1 9 9 6 2 0 0 3 年，吴永森等在胶州湾及其口外黄色物质进行了 现场同步网格化取样，并对现场水样进行了实验窒测量分析，其中包括黄色物质样 品的生化成份测定和吸收荧光光谱测量等，并发现黄色物质分布与陆源水输入、流 系分布间具有很好的吻合性；海水中黄色物质浓度与水体中总糖含量与c o d 间呈 现很好的相关关系【4 9 剐。1 9 9 8 年，曹文熙等在珠江口完成了d o c ( n - 溶性有机碳) 的现场取样，分析了叶绿素、黄色物质和无机悬浮颗粒等要素对海水光谱反射率的 贡献，并由这些要素的光学特性正演光谱反射率，与实测结果符合较好。并使用主 成分分析法，通过对光谱反射率数据的特征向量变换和丰因了回归建立了反演南海 海水叶绿素和溶解有机碳的遥感算法1 5 5 l 。1 9 9 9 年，吴永森等对胶州湾现场水样的黄 色物质生化成份进行了测定，其结果表明胶州湾黄色物质所含的生化成份按其比例 依此为：总脂质占8 6 9 0 ，总糖占5 8 2 ，游离氨基酸占7 2 2 ，氨基多糖占0 0 6 ， 而胡萝卜素和酚所占比例较小【5 2 】。2 0 0 5 年，邢小罡等在渤海海区非色素颗粒物与黄 色物质的研究中发现，非色素颗粒物与黄色物质的吸收系数和曲线斜率之间都存在 比较明显的幂相关关系，相关系数分别为0 6 7 3 和0 4 3 ，并分析了这种负相关关系 可能是由于非色素颗粒物与黄色物质的两种来源( 陆源与海源) 所导致的【铜。 2 0 0 6 2 0 0 7 年，雷惠等对东海典型水体的黄色物质光谱吸收及分布特征进行研究并 发现：海水黄色物质光学性质相对稳定，主要随组成成分变化，可作为水团示踪因 子，反映海水的来源和变化情况。同时，通过对东海四个季节水体c d o m 样品进 行光谱测量和分析，得到了该典型海区的c d o m 吸收数据 5 7 1 。 在黄色物质生化成分的研究方面，尽管对黄色物质的研究自2 0 世纪4 0 年代即 已开始【5 硼，并取得了一定的研究成果，但迄今为止对这种复杂化合物的生化组成与 化学结构仍不完全清楚佟9 一。但是，目前人们对k a l l e 和g a g o s i a n 的推论已普遍认 可【6 l 】。其中k a l l e 认为，黄色物质是由碳水化合物经麦拉德( m a i l l a r d ) 反应而形成的， 成为黄色或棕色类黑精的终产物。且认为“存在于海水中的碳水化合物和氨基酸， 尤以类黑精与可能成为副产品的荧光物质为丰”吲。而g a g o s i a n 提出黄色物质可能 由氨基酸、糖、氨基糖和脂肪酸组成，也可能还含有类萝卜素、氯纶色素、碳水化 合物和酚等1 6 3 1 。 本文则采用三维荧光光谱技术对发生于2 0 0 7 年8 月青岛近岸赤潮的后赤潮过程 中c d o m 的三维荧光光谱特征加以研究，以期发现c d o m 在该赤潮过程中所具有 6 的特征，及其荧光强度与赤潮藻类数量之间可能存在的关系。 1 3 三维荧光光谱技术的国内外研究现状概述 荧光光谱分析法作为水质分析手段之一，具有快速高效、灵敏度高、选择性强、 所需样品量少和对样品结构无破坏等特点m , 6 s l 。近年来，荧光光谱技术的发展实现 了对激发和发射波长的同步快速扫描，并可同步生成待测样品的三维激发发射荧光 光谱 蛩( e x c i t a t i o n e m i s s i o nm a t r i xs p e c t r o s c o p y , e e m s ) 。而样品中不同的荧光物质在 三维激发发射荧光光谱图中则会形成特征荧光中心。 传统的荧光光谱分为发射光谱和激发光谱。发射光谱的荧光强度是发射波长的 函数，可表示为：l = f ( l e m ) ；激发光谱的荧光强度是激发波长的函数，可表示为： i = f ( ) 。然而，仅仅依靠发射光谱与激发光谱并不能完整地描述物质的荧光特征， 因此难以满足当今分析任务的需求。 三维荧光光谱的荧光强度是激发波长与发射波长的二元函数，表示为： l = f r h m ，l e x ) ，它是通过不断改变激发波长而获得的一系列荧光发射强度的光谱数据， 这些数据可以三维立体图( h 加m j f ) ，或平面等高线图( h 互柚m ) 的形式显示。三维立 体图( 如：s u r f 图) 可通过峰位置、荧光强度、主峰陡度以及走向角等特征参数对 样品进行识别。等高线图( 如：c o n t o u r 图) 是立体图降维显示的结果，它解决了立 体图中峰遮蔽不易观察的问题，可清晰地揭示谱图的详细结构、表达完整的荧光信 息，具有指纹性。对这一指纹图谱进行分析，可达到对样本进行分类和鉴别的目的 1 6 司 。 所以，相较传统的荧光光谱分析法，三维荧光光谱中含有更为丰富的信息，故 而具有更好的选择性，可以对复杂水体进行多组分分析，也可对污染物中的多种成 分更好地加以分辩。在对于c d o m 的研究中，三维激发发射荧光光谱图则可同步 获取和表征c d o m 各个不同性质荧光团的谱峰信息，故此e e m s 是一种实用的光 谱指纹技术。 三维荧光谱光谱技术是近几年发展起来的新型荧光检测技术，在国外已用于检 测海水中有色溶解性有机物。b a k e r 等利用三维荧光光谱法研究了城市污水排放对 7 河流水质的影响，取得了很好的效果6 7 9 1 。国内将三维荧光技术应用于海洋学研究 中的起步相对较晚。目前，三维荧光技术的使用丰要集中在对富含多环芳烃( p a h ) 的各种物质进行指纹分析( 如：成品油、石油等) 【7 0 ，7 、绘制各生长时期的藻类特征 谱 7 2 , 7 3 1 、水体溶解态有机物( d o m ) 的测赳7 4 ，7 习等方面，而对c d o m 的三维荧光研究 也局限于湖泊与河口地区。2 0 0 2 年，傅平青利用二维激发发射荧光光谱对f l u k a 腐殖酸的荧光光谱特性进行了研究，并发现：离了强度( o 0 0 5 m o l lk c l 0 4 ) 对f l u k a 腐殖酸的三维荧光光谱特性影响非常小，而腐殖酸的浓度( 5 1 0 0 m g l ) 和溶液 p h ( 2 1 2 ) 对其三维荧光光谱特性影响显著。当腐殖酸浓度增大时，荧光峰出现明显 红移现象【7 司。王志刚等，于2 0 0 5 年应用三维荧光光谱技术对巢湖c d o m 的空间分 布及其来源进行了分析口7 】；韩宇超等，于2 0 0 5 年对九龙江口河流端样品的c d o m 的影响因予进行了研究，发现：c d o m 的e e m s 与样品中离子强度关系不大；在河 口区咸淡水混合过程中，仅仅由于水体盐度的变化不会造成c d o m 光学特征的明 显变化，而且河端c d o m 的荧光强度随物理稀释倍数的增大成比例的减小，稀释 对e e m s 的影响仅仅体现在荧光强度上，显示河口区的c d o m 样品不存在荧光淬 灭效应 t s l 。蒋风华等，于2 0 0 5 年6 月在胶州湾大沽河、海泊河和李村河附近区域 对胶州湾海水溶解有机物三维荧光特征进行了研究，发现胶州湾大部分海水中有机 物的类蛋白与类腐殖质荧光强度之间的比值较大1 7 9 1 。 最近，国外对于三维荧光技术的应用有很多文章发表。但是，此类研究主要集 中在应用三维荧光光谱技术对水体或土壤中自然形成的溶解有机物( n a t u r a lo r g a n i c m a t t e r , n o m ) 的特征进行分析，以研究n o m 中各荧光团的属性咖皿1 。而对于赤潮 过程水体c d o m 的三维荧光分析罕有涉及。 因此，对于具有复杂组成的c d o m 来说，三维荧光光谱技术将会是一个有效 的分析研究工具。本文基于已获2 0 0 7 年8 月青岛近海所发生的赤潮后赤潮过程中 c d o m 的三维荧光光谱数据，并参考相关文献数据，对骨条藻赤潮后赤潮过程水样 的三维荧光特征加以研究。 8 1 4r a y l e i g h 散射修正、d e l a u n a y 三角形内插值法与p a r a f a c 模型 r a y l e i g h 散射 散射是指介质中存在的微小粒了( 异质体) 或分子对光作用，使光束偏离原来的 传播方向而向四周传播的现象。散射丰要有两种类型，即：瑞利散射和拉曼散射， 其中瑞利散射强度较大，会掩蔽色素的荧光信息1 8 2 1 。 瑞利散射( r a y l e i g hs c a t t e r i n g ) 是指入射光在小于光波长的微粒上散射后散射光 与入射光波长相同的现象，由瑞利于1 8 7 1 年发现。瑞利散射光的强度和入射光波长 九的4 次方成反比【鼬舢： - 咄专竽g ) 4 憎n 川- 1 2 仨) 6i _ 1 0 犷旨八n 2 + 2 吲 其中，i 为散射光强；0 为散射角；n 为折射率；d 为粒予直径。 上式可化简为： i 。触n n g o c l ( a ) 可i n c i d e n t 其中：i 。t t e r j n g 是入射光光强度的分布函数。 而在三维荧光光谱的实际应用中，瑞利散射现象同样会强烈的掩盖原有的荧光 信号，继而造成了三维荧光光谱对赤潮浮游藻的鉴别能力降低，必须予以消除。 目前，去除瑞利散射的方法主要有三种：加权法 s s 8 8 1 、空白扣除法1 8 9 , 9 0 1 和 d e l a u n a y 三角形内插值【叽一。加权法是指：通过降低散射区域的权重，或通过增强 信号区域的权重，使得散射的强度相对降低，从而显现原有的荧光信息。但是这种 方法也导致散射区域所包含的荧光信号一并降权。空白扣除法是较常被采用的一种 校正方法，它是将样品三维荧光光谱与空白的三维荧光光谱进行差减，w e n t z e l l 等 9 人在对经过硝基甲烷淬灭的多环芳烃的二维荧光数据处理中使用并详细讨论了空白 扣除的方法i 明。空白扣除法能够有效去除均匀溶液的散射，对于浮游藻的悬浊液而 言，对瑞利散射去除效果并不理想i s 2 1 。d e l a u n a y 三角形内插值法是指：根据散射带 两侧的数据拟合得到去除散射后的荧光光谱。r i c h a r d 等人应用d e l a u n a y 三角形内 插值法对海水中的c d o m 三维荧光光谱中的瑞利散射进行玄除，不仅基本消除了 瑞利散射，而且有效的保留了散射区域的荧光信号【9 1 1 。 鉴于d e l a u n a y 三角形内插值法具有上述优点，本文将采用此方法对2 0 0 7 年8 月青岛近海赤潮所获得的二维荧光光谱数据加以处理，以消除r a y l e i g h 散射的影响。 d e l a u n a y 三角形内插值法 d e l a u n a y 三角形内插值法是指：根据散射带两侧的数据拟合得到去除散射后的 荧光光谱。d e l a u n a y 三角形内插值法只是针对确定的散射区域进行拟合，未发牛散 射的区域，其信号与未去除散射前保持一致。通过这样的限制条件可以在最大程度 上保证光谱的形状不发牛变化。由于只是对于散射带附近的信号进行内插值，所以 未切除的区域在校正前后信号强度不变【蚴。 运用d e l a u n a y 三角形内插值法首先需要确定散射区域，通常是在发射波长等于 1 ，2 ，3 倍激发波长处及其邻近区域( + 1 0 1 5 n m ) 。对于确定的散射区域，先将这部分区 域数据切除，然后再运用d e l a u n a y 三角形内插值法，根据散射带两侧的数据拟合得 到去除散射后的荧光光谱。 具体来讲，对数据应用d e l a u n a y 三角剖分可得到一系列连接数据点的三角形， 使得没有数据点包含在任意三角形内，对d e l a u n a y 三角剖分进行插值可以产生矩形 格栅上的数据点，进行内插点时必须知道内插点所在的三角形，然后对初始三角网 进行局部重构，最后进行局部优化( l o c a lo p t i m i z a t i o np r o c e d u r e ，l o p ) 得到内插点。 插值方法包括线性插值【9 3 】、立方插值和最近点插值等几种方法，本文采用d e l a u n a y 三角剖分插值法对样品的三维激发发射荧光光谱图进行修正【9 l 】。 p a r a f a c 模型【9 4 1 p a r a f a c 模型本质上源于c a t t e l l 在1 9 4 4 所提出的“p a r a l l e lp r o p o r t i o n a l p r o f i l e s ”原理口副。此原理描述的是，对于同组廓线或者载荷向量，它们在描述二 维数据变量时，仅仅在比例上有所不同，并由此确定一个存在旋转问题的数学模型。 p a r a f a c 是对p c a 的一种推广的分解方法，一个l 宰j 半k 的三维阵列展开为 i * j k 的矩阵表示x r ，它的涨f a c 模型可由三个载荷矩阵给出：a 、b 和c ， 包含的元素分别为a 妒，b e 和钳。求解三个载荷矩阵a 、b 和c ，使得拟合参差的平 方和最小。涨f a c 的数学模型是： 那么，将x 的展开矩x p 利用k h a t r i r a o 积表示，则p a r a f a c 模型可以表 示为： x ( 7 吖) = a ( c ioi 口) 丁+ e ( 7 吖) p a r a f a c 模型本质上是一种分解算法，又称三线性模型( t r i l i n e a rm o d e l ) 。利 用p a r a f a c 可以将一个由多个e e m s 数据构成的三维阵列分解为三个载荷矩阵： a 、b 和c ，而且每个矩阵都具有实际的物理意义。例如，一个三维阵列的组织形 式为( s a m p l exe x c i t a t i o nxe m i s s i o n ) 。对这个模型进行三线性分解之后得到的三个载 荷矩阵a 、b 和c 。它们分别为与浓度值相对应的得分、激发光谱和发射光谱。 p a r a f a c 模型可以通过交替最小二乘t g 日( a l t e m a t i n gl e a s ts q u a r e s ，a l s ) 来求解，先 合理地假设其中的两个载荷矩阵，然后估计出其余的未知参数。 p a r a f a c 模型的a l s 求解过程为： 1 ) 初始化b 和c ； 2 ) z = ( e l o i b ) ，a = x ( z ( z t 劢一1 ； l l 七 一u p+ 厂 七 c 厂h ，厂 口 f岸 = 艮 一u x 3 ) z = ( c l oi a ) ，b = x o 。“) z ( z 7 劢一1 ； 4 l z = ( b 10i a ) ，c = x ( k 1 j ) z ( z t z ) 一1 ； 5 ) 返回到第2 步，至目标函数收敛为止。 c o b l epg 等p 7 1 0 0 1 ，经过多年的研究总结了原水中常见的溶解性有机物的种类 和其对应的荧光激发和发射波长建立了溶解性有机物三维荧光的p a r a f a c 模型。 目前，此模型已经在溶解性有机物的二维荧光分析领域得到普遍使用和认同，并广 泛应用于环境检测中。 本文所采用的p a r a f a c 模型为m a t l a b r 2 0 0 9 b ( 美国m a t h w o r k s 公司) 下运 行的“n w a yt o o l b o x ”，程序来源于：h t t p ：w w w m o d e l k v l d k s o u r c e 2 1 实验区域 第二章、数据采集与测量 2 0 0 7 年8 月青岛近岸骨条藻后赤潮过程的实验采样区域主要分为3 个断面共计 1 2 个站位：团岛、中远码头和小青岛( 3 6 0 4 0 7 。n 至3 6 0 5 9 0 。n ；1 2 0 2 8 1 0 。e 至1 2 0 3 1 5 2 e ) ，站位图如下( 图3 ) ： 刁 = 皇 母 一 3 6 嘴 3 6 0 3 4 1 2 0 2 81 2 0 2 晒1 2 0 2 91 2 0 2 9 51 2 0 31 2 0 3 0 51 翻，- 3 11 2 0 3 1 51 2 0 3 21