浮游植物群落組成熒光識別測定方法研究.pdf

1、浮游植物分類識別和定量檢測是赤潮監(jiān)測技術(shù)的主要研究內(nèi)容，活體熒光法不僅能提供豐富的光譜信息，而且靈敏度和選擇性高，不需要使用有機(jī)溶劑，因而得到廣泛應(yīng)用。利用高斯分解法研究浮游植物熒光激發(fā)光譜和發(fā)射光譜的特征，運(yùn)用Fisher判別分析法確定特征譜的有效性，在此基礎(chǔ)上，利用非負(fù)最小二乘法(NNLS)建立浮游植物群落組成識別測定技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)浮游植物群落組成的現(xiàn)場、實(shí)時、快速測定，對防治和減少赤潮災(zāi)害具有重要意義。 本文選擇了12種常見

2、藻種，分屬硅藻門、甲藻門、綠藻門和隱藻門，包括我國東海常見的10種赤潮藻以及一種綠藻和一種隱藻。在溫度為20℃，三個光照條件(15000Lx、10000Lx、6000Lx)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)，測定活體浮游植物三維熒光光譜，運(yùn)用高斯分解法研究了不同門類浮游植物的熒光光譜特征，在門類水平上分別建立了基于浮游植物熒光激發(fā)光譜和發(fā)射光譜的群落組成識別技術(shù)。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和討論，主要得到如下結(jié)論； (1)三維光譜中的瑞利散射嚴(yán)重掩蓋了浮

3、游植物的光譜信息，采用Delaunay三角形內(nèi)插值法能有效消除光譜中的散射干擾，去散射后，甲藻門除塔瑪亞歷山大藻之外的其它三維光譜的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均在5﹪～6﹪之間，除盒形藻之外，硅藻與綠藻、隱藻的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于5﹪。散射的去除有助于提高光譜的精密度，凸顯浮游植物熒光特征信息。 (2)在門類水平上建立活體葉綠素?zé)晒饧ぐl(fā)光譜的群落組成識別技術(shù)。利用四階導(dǎo)數(shù)分析法分離激發(fā)光譜中的重疊熒光峰，在350～550nm內(nèi)出現(xiàn)的六個極大值，

4、主要代表了活體藻液中的非色素?zé)晒馕镔|(zhì)、葉綠素和類胡蘿卜素等物質(zhì)的熒光峰；以導(dǎo)數(shù)分析為基礎(chǔ)，在300～600hm范圍內(nèi)，對硅藻門、甲藻門、綠藻門的熒光激發(fā)光譜分別設(shè)定11個初始中心波長，對隱藻門設(shè)定12個中心波長，作高斯分解及多峰擬合。特征解析表明，同門類熒光激發(fā)光譜的高斯峰具有相似的特征，而不同門類高斯峰特征具有顯著差異。高斯參數(shù)中心波長U和高斯峰高C的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分別小于0.5﹪和2.5﹪，半峰寬S在350～550nm范圍內(nèi)相對標(biāo)準(zhǔn)偏

5、差小于5﹪，具有較高的精密度和良好的重現(xiàn)性。利用相鄰峰高比值法不僅可以將硅藻和甲藻很好的分開，還可以對含葉綠素b和含葉綠素c的兩大類浮游植物進(jìn)行區(qū)分。以高斯分解得到的7個特征波長點(diǎn)作為熒光激發(fā)光譜特征譜，利用Fisher判別技術(shù)對測試集作判別分析，結(jié)果在門類水平上，三個光照單藻測試集的判別平均正確率達(dá)到96.06﹪，兩組不同濃度比組合的混合藻判別平均正確率為82.29﹪；利用NNLS作識別測定研究，結(jié)果單藻識別正確率為92.71﹪，混合

6、藻識別平均正確率為84.02﹪ 。表明以波長380nm，415nm，440nm，465nm，495nm，530nm，560nm構(gòu)建的特征譜能夠在門類上對不同浮游植物進(jìn)行有效識別，因而為進(jìn)一步開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的浮游植物熒光自動分析儀提供技術(shù)支持。 (3)建立單激發(fā)波長熒光發(fā)射光譜的群落組成測定技術(shù)。比較特征激發(fā)波長為410nm、440nm、470nm、500nm和530nm下的不同門類浮游植物熒光發(fā)射光譜，對差異最大的530n

7、m單激發(fā)波長熒光發(fā)射光譜進(jìn)行門類水平上單藻測試集的Fisher判別分析，結(jié)果硅藻和甲藻無法區(qū)分，在將硅藻和甲藻視為同類’的基礎(chǔ)上，單藻判別正確率達(dá)到94.68﹪：NNLS識別測定正確率達(dá)到85.42﹪，有效識別硅甲藻、綠藻、隱藻三大類浮游植物。530nm常被作為激光熒光雷達(dá)的激發(fā)波長，因此單激發(fā)波長熒光發(fā)射光譜識別技術(shù)可以為常用激光熒光雷達(dá)提供技術(shù)支撐。 (4)在門類水平上建立多激發(fā)波長熒光發(fā)射光譜群落組成測定技術(shù)。以熒光激發(fā)光

8、譜的高斯特征波長440nm、470nm、530nm為激發(fā)波長構(gòu)建多激發(fā)波長熒光發(fā)射光譜，對構(gòu)建的多激發(fā)波長熒光發(fā)射光譜作Fisher判別分析，結(jié)果單藻判別平均正確率為98.15﹪，兩組混合藻判別平均正確率為92.57﹪：利用NNLS對單藻測試集和混合藻測試集分別作識別測定，其中單藻識別正確率為90.63﹪：混合藻識別平均正確率為89.53﹪。分析表明多激發(fā)波長熒光發(fā)射光譜群落組成測定技術(shù)能對不同門類浮游植物進(jìn)行有效識別，可以為各海洋監(jiān)測