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    样芯分析技术(十二)高光谱成像研究波兰?abińskie湖万年沉积物

    发布时间: 2021-01-25  点击次数: 731次

    2008到2010年,我国处于富营养的湖泊数量已占多数,占调查总数的78.7%,其中,处于轻度富营养、中度富营养和重度富营养湖泊数量分别占调查总数的50.7%、21.3%和6.7%;处于中营养的湖泊数量占调查总数的14.6%,且不断向富营养化湖泊转变;处于贫营养状态的湖泊数量只占调查总数的 6.7%,主要分布于青藏高原湖区与云贵高原湖区,我国湖泊富营养化形势已非常严峻。

                                        ——《湖库富营养化防治技术政策》

    上一期《易科泰样芯分析技术应用案例》, 我们介绍了利用XRF和HSI研究波兰东北部Jaczno半混合湖全新世光养生物群落和缺氧动态的案例,本期将介绍利用这两大技术应用于波兰?abińskie湖沉积物推断全新世10,800年间水体初级生产力及混合状况的案例。

    *湖泊的富营养化和缺氧现象正在增加,但是人类对数千年来湖泊初级生产力和缺氧变化的理解却很有限,需要长期记录以了解湖泊生态系统的自然变异性,并增进对生产力和缺氧驱动因素的了解。瑞士伯尔尼大学地理与Oeschger气候变化研究中心的科研人员采用的多代理方法,将高分辨率高光谱成像(HSI)获得的色素数据、XRF数据与超高效液相色谱叶绿素、类胡萝卜素和细菌叶绿素等数据相结合,以研究波兰?abińskie湖沉积物万年尺度内的营养状态变化和缺氧演变。研究结果发表于2020年《Science of the Total Environment》(A high-resolution record of Holocene primary productivity and water-column mixing from the varved sediments of Lake?abińskie, Poland)。

    注:Oeschger气候变化研究中心是伯尔尼大学的跨学科气候研究中心,该中心成立于2007年,以现代气候研究的Hans Oeschger的名字命名,在许多领域处于研究的前端。

    研究亮点

    • 由10,800年沉积物样芯推断水体生产力和缺氧状况
    • 使用高光谱成像(HSI)对湖泊沉积物色素进行定量
    • 在人类砍伐森林之前,全新世期间缺氧状况持续存在
    • 高光谱成像重建亚年级(季节)尺度生产力和缺氧状况


    重点问题

    1)在过去的10,800年中,水体初级生产力和氧气浓度如何变化?

    2)自然和人类影响在推动初级生产力或湖泊变化方面发挥了什么作用?

    研究方法

    该研究使用ITRAX XRF CORSCANNER在伯尔尼大学对样芯进行扫描(铬管,曝光时间20s,30kV,50mA),样芯2.1-0.8m的扫描分辨率为0.5mm,19.4-2.5m的扫描分辨率为2mm。所有XRF数据均以每秒计数(cps)计算,然后均质化,以使重叠样芯部分中每个元素的标准偏差和均值相等。根据数据质量和关注点选择关键的XRF元素进行分析,解析遵循Davies等人(2015年)利用XRF对湖泊沉积物所作的研究以及?arczyński等人(2019年)的研究成果。将钾、锆和钛元素作为集水区成岩输入的代理物,铁、锰、硫和磷作为氧化还原条件改变的指标,铜和磷作为水生产量或有机物含量的指标,钙/钛比率作为内生性方解石的代理物,硅/钛比率作为生物硅的代理物(硅藻和金藻的丰度)。

    高光谱成像(HSI)则使用SPECIM PFD-CL-65-V10E推扫式高光谱相机按照Butz等人的方法完成(2015),相对吸收带深度(RABD)指数用于量化与沉积色素相关的吸收特征,以60×60μm(像素)分辨率进行测量。RABD655–685max指数代表TChl-a(叶绿素a及其衍生物),并作为总藻类丰度的代表;RABD845指数代表Bphe-a(细菌叶绿素),作为紫色硫细菌(PSB)的特定生物标记。PSB生活在分层水体的化跃层,需要光和还原后的硫才能进行光合作用,因此,Bphe-a表明该含氧/缺氧边界存在于该湖的光合带内。通过分光光度计测量值与样品位置的平均RABD指数值进行线性回归,将RABD指数值换算为真实浓度(μg/g干沉积物)。

    文章指出

    • 常规方法分析色素费钱费力,将其用于全新世或较大尺度的沉积物分析时,分辨率很低。
    • HSI技术能够以亚毫米分辨率(即60×60μm像素大小)对大量色素基团进行快速定量,并且这项技术已被用于湖泊历史生产力和氧气浓度调查。
    • HSI检测到Bphe-a在季节尺度内10倍浓度变化,这是其它技术(低分辨率)无论如何也无法实现的。
    • 与HPLC测量相比,TChl-a的HSI测量受样本保存问题的影响更小。
    • 在亚年级分辨率下,沉积物样芯的HSI指数具有推断过去环境变化的潜力,未来的研究可以利用这种方法调查变化率、主控因素转换以及其他需要高分辨率技术解决的问题。


    研究结果见下图:

    样芯分析技术(十二)高光谱成像研究波兰?abińskie湖万年沉积物
    样芯分析技术(十二)高光谱成像研究波兰?abińskie湖万年沉积物

     

    主要产品技术:

    • SisuROCK多样芯高通量高光谱成像扫描分析系统
    • SisuSCS单样芯高光谱成像扫描分析系统
    • SisuCHEMA高光谱成像分析系统
    • SpectraScan高光谱成像扫描分析系统
    • ITRAX CoreScanner样芯密度与元素扫描分析系统
    • ITRAX XRF Scanner 岩矿/湖海样芯元素扫描分析系统
    • ITRAX MultiScanner树木年轮分析系统
    • VIS-NIR P4000土壤样芯理化性质勘测系统


    易科泰生态技术公司提供全面样芯扫描成像分析技术方案:

    • 高分辨率样芯(芯体)扫描成像分析,全面反映二维密度/质地和化学成分分布
    • 岩矿样芯、海洋湖泊沉积样芯、树木年轮样芯等
    • RGB扫描成像与CT技术密度扫描成像
    • 高光谱扫描成像分析
    • XRF元素扫描分析
    • 高通量、非损伤
    • 可选配LIBS元素分析