原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置和测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置和原位快速测定湖泊初级生产力的测量方法。所述原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置包括：透光瓶和遮光瓶，透光瓶具有第一开口，遮光瓶具有第二开口；第一和第二瓶盖，第一瓶盖在第一打开位置与第一关闭位置之间可移动地设在透光瓶上，第二瓶盖在第二打开位置与第二关闭位置之间可移动地设在遮光瓶上；以及第一和第二溶解氧传感器，第一溶解氧传感器设在透光瓶上，第二溶解氧传感器设在遮光瓶上。根据本发明实施例的原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置具有曝光时间短、测量精度高、测量周期短、能够实现原位实时观测等优点。
【专利说明】
原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置和测量方法
技术领域
[0001]本发明涉及环境科学领域，具体而言，涉及原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置以及原位快速测定湖泊初级生产力的测量方法。
【背景技术】
[0002]生物生产力(productivity)是生物通过同化作用生产(或者累积)有机物的能力，包括初级生产力和次级生产力。初级生产力(Primary Productivity)是指绿色植物利用太阳光进行光合作用，即太阳光+无机物质+H20+C02 —热量+02+有机物质，把无机碳(C02)固定、转化为有机碳(如葡萄糠、淀粉等)这一过程的能力。
[0003]初级生产力又可分为总初级生产力和净初级生产力。总初级生产力指的是真正光合作用的速率，即在一定时间内合成有机物的总量。净初级生产力指的是从毛生产量中减去呼吸作用消耗的有机物质之后的生产量。初级生产力是生态系统固定太阳能速率的表征量，是衡量生态系统的一个重要的指标。
[0004]湖泊初级生产过程十分复杂，受到光照、温度、营养盐、浮游植物生物量等环境因子的影响。测定浮游植物初级生产力的方法很多，目前在水生态系统领域中应用最广泛的是黑白瓶法和14C法。
[0005]黑白瓶的基本原理是测定黑瓶和白瓶中含氧量，确定氧的净变化量，然后再利用光合作用方程计算出总初级生产量。具体而言，首先从水体一定深度采取含有自养生物的水样，然后将水样分装在成对溶氧瓶中，在每对样品瓶中总有一个白瓶和一个黑瓶。白瓶透光，里面能进行光合作用和呼吸作用，黑瓶不透光，里面只能进行呼吸作用。同时将黑瓶和白瓶悬挂在特定水深处。放置一段时间后(通常是4h，也可以是24h)从水体中取出，使用滴定或者电极法分别测定黑瓶和白瓶中的溶氧量。根据黑瓶和白瓶中溶解氧的变化计算初级生产力、光合作用和呼吸作用强度。
[0006]黑白瓶法的基本假设是:浮游植物的呼吸作用在黑瓶和白瓶中是一样的。这一点对于某些种类的浮游植物来说和对于短时间的实验来说是可以成立的，但是也有很多种类的植物在黑暗条件下常表现出不同的呼吸速率。它必须把整体群落的一部分完全密封起来，而这个取样往往不能完全反映取样所属种群的实际状况(可通过多次实验进行校正)。
[0007]而且，在黑白瓶法中，取样中的水是静止的，而实际情况下水是不断流动的，使运动中的各种营养物质不断到达和离开光合作用发生地点。
[0008]正如前面所说，黑白瓶法由于曝光时间长的原因，不仅常常低估生产力，而且实验费时。
【发明内容】
[0009]本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种能够实现原位实时观测的原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置，所述原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置具有曝光时间短、测量精度高、测量周期短、环境友好的优点。
[0010]本发明的另一个目的在于提出一种能够实现原位实时观测的原位快速测定湖泊初级生产力的测量方法。
[0011]根据本发明第一方面实施例的原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置包括:透光瓶和遮光瓶，所述透光瓶具有第一开口，所述遮光瓶具有第二开口 ；第一瓶盖和第二瓶盖，所述第一瓶盖在打开所述第一开口的第一打开位置与关闭所述第一开口的第一关闭位置之间可移动地设在所述透光瓶上，所述第二瓶盖在打开所述第二开口的第二打开位置与关闭所述第二开口的第二关闭位置之间可移动地设在所述遮光瓶上；以及第一溶解氧传感器和第二溶解氧传感器，所述第一溶解氧传感器设在所述透光瓶上，所述第二溶解氧传感器设在所述遮光瓶上。
[0012]根据本发明实施例的原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置具有曝光时间短、测量精度高、测量周期短、能够实现原位实时观测的优点。
[0013]另外，根据本发明实施例的原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置还可以具有如下附加的技术特征:
根据本发明的一个实施例，所述第一瓶盖在所述第一打开位置与所述第一关闭位置之间可枢转地设在所述透光瓶上，所述第二瓶盖在所述第二打开位置与所述第二关闭位置之间可枢转地设在所述遮光瓶上，优选地，所述透光瓶的容积大于等于I升，所述遮光瓶的容积大于等于I升。
[0014]根据本发明的一个实施例，所述第一瓶盖通过第一弹簧铰链在所述第一打开位置与所述第一关闭位置之间可枢转地设在所述透光瓶上，所述第二瓶盖通过第二弹簧铰链在所述第二打开位置与所述第二关闭位置之间可枢转地设在所述遮光瓶上。
[0015]根据本发明的一个实施例，所述原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置进一步包括第一驱动电机和第二驱动电机；以及第一驱动绳和第二驱动绳，所述第一驱动绳的一部分缠绕在所述第一驱动电机的电机轴上，所述第一驱动绳的自由端与所述第一瓶盖相连，所述第二驱动绳的一部分缠绕在所述第二驱动电机的电机轴上，所述第二驱动绳的自由端与所述第二瓶盖相连。
[0016]根据本发明的一个实施例，所述原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置进一步包括第一导轨和第二导轨，所述第一导轨设在所述透光瓶的内壁上，所述第二导轨设在所述遮光瓶的内壁上，其中所述第一导轨具有第一通孔，所述第一驱动绳穿过所述第一通孔，所述第二导轨具有第二通孔，所述第二驱动绳穿过所述第二通孔。
[0017]根据本发明的一个实施例，所述原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置进一步包括微处理器，所述微处理器与所述第一溶解氧传感器、所述第二溶解氧传感器、所述第一驱动电机和所述第二驱动电机中的每一个相连。
[0018]根据本发明的一个实施例，所述原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置进一步包括:存储单元，所述存储单元与所述微处理器相连;无线传输模块，所述无线传输模块与所述存储单元相连;GPS定位装置，所述GPS定位装置与所述微处理器相连;和电力模块，所述电力模块与所述第一驱动电机、所述第二驱动电机、所述微处理器、所述存储单元、所述GPS定位装置和所述无线传输模块中的每一个相连。
[0019]根据本发明的一个实施例，所述原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置进一步包括固定轴，所述固定轴的第一端与所述透光瓶相连，所述固定轴的第二端与所述遮光瓶相连，其中所述固定轴内具有容纳腔，所述第一驱动电机、所述第二驱动电机、所述微处理器、所述存储单元、所述无线传输模块、所述GPS定位装置和所述电力模块中的每一个均设在所述容纳腔内。
[0020]根据本发明的一个实施例，所述原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置进一步包括:第一叶绿素传感器、第一温度传感器和第一光照度传感器，所述第一叶绿素传感器、所述第一温度传感器和所述第一光照度传感器设在所述透光瓶上；和第二叶绿素传感器、第二温度传感器和第二光照度传感器，所述第二叶绿素传感器、所述第二温度传感器和所述第二光照度传感器设在所述遮光瓶上。
[0021]根据本发明第二方面实施例的原位快速测定湖泊初级生产力的测量方法包括以下步骤:将透光瓶和遮光瓶沉入水中，所述透光瓶和所述遮光瓶中的每一个均具有开口，所述透光瓶和所述遮光瓶中的每一个上均设有溶解氧传感器;关闭所述透光瓶的开口以及所述遮光瓶的开口；每间隔第一预设时间，利用溶解氧传感器测量并记录所述透光瓶内的溶解氧数值以及所述遮光瓶内的溶解氧数值，经过第二预设时间后，测量并记录所述透光瓶内的溶解氧数值以及所述遮光瓶内的溶解氧数值，结束测量;和计算初级生产力[Hlg(O2)/m2.d]:总初级生产力=所述第二预设时间后所述透光瓶的溶解氧-所述第二预设时间后所述遮光瓶的溶解氧，净初级生产力=所述第二预设时间后所述透光瓶的溶解氧-所述透光瓶的初始溶解氧，呼吸作用=所述遮光瓶的初始溶解氧-所述第二预设时间后所述遮光瓶的溶解氧，优选地，所述第一预设时间为8秒-12秒，所述第二预设时间为10分钟-30分钟。
【附图说明】
[0022]本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:
图1是根据本发明实施例的原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置的局部结构示意图。
【具体实施方式】
[0023]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0024]下面参照图1描述根据本发明实施例的原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置
10。如图1所示，根据本发明实施例的原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置10包括透光瓶1011、遮光瓶1012、第一瓶盖1013、第二瓶盖1014、第一溶解氧传感器1021和第二溶解氧传感器1022。
[0025]透光瓶1011具有第一开口，遮光瓶1012具有第二开口。第一瓶盖1013在打开该第一开口的第一打开位置与关闭该第一开口的第一关闭位置之间可移动地设在透光瓶1011上，第二瓶盖1014在打开该第二开口的第二打开位置与关闭该第二开口的第二关闭位置之间可移动地设在遮光瓶1012上。
[0026]第一溶解氧传感器1021设在透光瓶1011上，第二溶解氧传感器1022设在遮光瓶1012上。其中，第一溶解氧传感器1021用于测量透光瓶1011内的水体的溶解氧的浓度，第二溶解氧传感器1022用于测量遮光瓶1012内的水体的溶解氧的浓度。
[0027]现有的黑白瓶法测定初级生产力需要曝光时间较长(2h_24h)、传统黑白瓶法通过使用碘量法来分析瓶中溶解氧浓度的变化，即在水样中加入硫酸锰和碱性碘化钾，水中的溶解氧将低价锰氧化成高价锰，生成四价锰的氢氧化物棕色沉淀。加入浓硫酸后，氢氧化物沉淀溶解并与碘离子反应而释出游离碘。以淀粉作指示剂，用硫代硫酸钠滴定释出碘，计算溶解氧的含量。由此可见该过程比较复杂，且在颜色变化判断时容易受到人为主观因素的影响。
[0028]根据本发明实施例的原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置10通过使用第一溶解氧传感器1021和第二溶解氧传感器1022，能快速检测水体中的溶解氧的数值。以荧光法电极为例，荧光法测定溶解氧基于荧光猝熄原理，蓝光照射到荧光物质上使荧光物质激发并发出红光，由于氧分子可以带走能量(猝熄效应)，所以激发的红光的时间和强度与氧分子的浓度成反比。通过测量激发红光与参比光的相位差，并与内部标定值对比，从而可计算出氧分子的浓度。该技术不仅基本不需要维护、而且不消耗水体中氧分子，同时由于其灵敏度高，能捕捉溶解氧的微小波动，有效减少曝光时间，从而能实现初级生产力的快速测定，同时可以使用更大体积的容器，使测定结果更加符合实际状况，并且环境友好。
[0029]相比于传统的黑白瓶法，本发明最大的特点是能在原位快速测定水柱(水体)中初级生产力。同时，由于可以打开和关闭第一瓶盖1013和第二瓶盖1014，从而保证密闭用于测定初级生产力的水体与外界保持一致，使得分析结果更加符合实际状况。
[0030]根据本发明实施例的原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置10通过在透光瓶1011上设置第一溶解氧传感器1021以及在遮光瓶1012上设置第二溶解氧传感器1022，从而可以直接读取透光瓶1011和遮光瓶1012内的水体的溶解氧的浓度。由此，根据本发明实施例的原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置10不仅可以实现实时地监测透光瓶1011和遮光瓶1012内的水体的溶解氧的浓度的变化规律，而且还能极大地缩短整个测量过程中的曝光时间，减少由于长时间曝光带来的误差。
[0031]而且，根据本发明实施例的原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置10通过设置第一瓶盖1013和第二瓶盖1014，从而在不测量数据时，可以打开第一瓶盖1013和第二瓶盖1014，以便保证透光瓶1011和遮光瓶1012内的水体与外界水体随时保持连通。当测量数据时，可以关闭第一瓶盖1013和第二瓶盖1014，以便确保测试的水体即是当时的环境，由此可以进一步提高测量的准确性。
[0032]此外，由于根据本发明实施例的原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置10的测量时间短，因此满足某些种类短时间内呼吸作用不变的特点。
[0033]因此，根据本发明实施例的原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置10具有曝光时间短、测量精度高、测量周期短、能够实现原位实时观测等优点。
[0034]如图1所示，根据本发明的一些实施例的原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置10包括透光瓶1011(即白瓶)、遮光瓶1012(即黑瓶)、第一瓶盖1013、第二瓶盖1014、第一溶解氧传感器1021、第二溶解氧传感器1022、第一驱动电机1031、第二驱动电机1032、第一驱动绳1033、第二驱动绳1034和微处理器1051。
[0035]透光瓶1011的与透光瓶1011的长度方向正交(垂直)的截面为矩形或正方形，遮光瓶1012的与遮光瓶1012的长度方向正交(垂直)的截面为矩形或正方形。由此可以便于加工和操作。
[0036]有利地，透光瓶1011的容积大于等于I升，遮光瓶1012的容积大于等于I升。现有的白瓶和黑瓶的容积大约为250毫升，经过发明人深入地研究后发现:取样中异养生物(尤其是细菌)的数量变化也会使呼吸消耗偏离正常值，在11小时-12小时之间，细菌消耗的氧往往可以达到总呼吸量的40%-60%，因此常常低估初级生产力。如果进行两天实验，由于瓶壁上细菌的作用加速了营养物质的再生，因此瓶中浮游植物往往较瓶外大。
[0037]通过使透光瓶1011和遮光瓶1012的容积大于等于I升，从而可以减少透光瓶1011和遮光瓶1012的内表面积对体积的比率，由此可以减少细菌生长的影响，以便进一步提高测量的准确性。
[0038]此外，通过使透光瓶1011和遮光瓶1012的容积大于等于I升，从而可以使测定结果更加符合实际状况。通过增加密闭水体体积、并可以多次进行测量，来反映水体中总体群落的实际状况。
[0039]在本发明的一个实施例中，第一瓶盖1013在该第一打开位置与该第一关闭位置之间可枢转地设在透光瓶1011上，第二瓶盖1014在该第二打开位置与该第二关闭位置之间可枢转地设在遮光瓶1012上。由此可以使原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置10的结构更加合理。图1中的虚线为位于该第一打开位置的第一瓶盖1013以及位于该第二打开位置的第二瓶盖1014。
[0040]有利地，第一瓶盖1013通过第一弹簧铰链在第一打开位置与第一关闭位置之间可枢转地设在透光瓶1011上，第二瓶盖1014通过第二弹簧铰链在第二打开位置与第二关闭位置之间可枢转地设在遮光瓶1012上。由此可以利用该第一弹簧铰链和该第二弹簧铰链的弹力，将第一瓶盖1013保持在该第一打开位置且将第二瓶盖1014保持在该第二打开位置，以便透光瓶1011和遮光瓶1012内的水体与外界的水体连通。
[0041]如图1所示，第一驱动绳1033的一部分缠绕在第一驱动电机1031的电机轴上，第一驱动绳1033的自由端与第一瓶盖1013相连，第二驱动绳1034的一部分缠绕在第二驱动电机1032的电机轴上，第二驱动绳1034的自由端与第二瓶盖1014相连。
[0042]在进行初级生产力的测量时，第一驱动电机1031的电机轴沿第一方向(顺时针)转动，更多的第一驱动绳1033被缠绕在第一驱动电机1031的电机轴上，由此可以减小第一驱动绳1033的位于第一驱动电机1031的电机轴与第一瓶盖1013之间的部分的长度，从而可以使第一瓶盖1013从该第一打开位置移动到该第一关闭位置，即关闭第一瓶盖1013。关闭第二瓶盖1014的方式与关闭第一瓶盖1013的方式相同，在此不再详细地描述。
[0043]测量完毕后，第一驱动电机1031的电机轴沿第二方向(逆时针)转动，该第一方向与该第二方向相反。由此可以使第一驱动绳1033处于松弛状态，在该第一弹簧铰链的弹力的作用下，可以使第一瓶盖1013从该第一关闭位置移动到该第一打开位置，即打开第一瓶盖1013。打开第二瓶盖1014的方式与打开第一瓶盖1013的方式相同，在此不再详细地描述。
[0044]具体而言，第一瓶盖1013和第二瓶盖1014都可以是橡胶瓶盖，S卩第一瓶盖1013和第二瓶盖1014都可以由橡胶制成。
[0045]如图1所示，在本发明的一个示例中，根据本发明实施例的原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置10进一步包括第一导轨1041和第二导轨1042，第一导轨1041设在透光瓶1011的内壁上，第二导轨1042设在遮光瓶1012的内壁上。其中，第一导轨1041具有第一通孔，第一驱动绳1033穿过该第一通孔，第二导轨1042具有第二通孔，第二驱动绳1034穿过该第二通孔。通过设置第一导轨1041和第二导轨1042，从而可以引导第一驱动绳1033和第一导轨1041运动，使原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置10的结构更加合理。
[0046]具体而言，第一导轨1041和第二导轨1042中的每一个包括安装杆和设在该安装杆上的导环。其中，第一导轨1041的该安装杆设在透光瓶1011的内底壁上，第二导轨1042的该安装杆设在遮光瓶1012的内顶壁上。第一驱动绳1033穿过第一导轨1041的该导环，第二驱动绳1034穿过第二导轨1042的该导环。
[0047]如图1所示，透光瓶1011和遮光瓶1012中的每一个的左端和右端都可以敞开。也就是说，透光瓶1011具有两个该第一开口，两个该第一开口在左右方向上相对，遮光瓶1012具有两个该第二开口，两个该第二开口在左右方向上相对。
[0048]相应地，第一瓶盖1013为两个以便一一对应地打开和关闭两个该第一开口，第二瓶盖1014为两个以便一一对应地打开和关闭两个该第二开口。第一驱动绳1033为两个以便一一对应地与两个第一瓶盖1013相连，第二驱动绳1034为两个以便一一对应地与两个第二瓶盖1014相连，两个第一驱动绳1033缠绕在第一驱动电机1031的电机轴上，两个第二驱动绳1034缠绕在第二驱动电机1032的电机轴上。
[0049]第一导轨1041为两个，两个第一驱动绳1033—一对应地穿过两个第一导轨1041的该第一通孔，第二导轨1042为两个，两个第二驱动绳1034—一对应地穿过两个第二导轨1042的该第二通孔。有利地，第一驱动电机1031和第二驱动电机1032为同一个电机。
[0050]如图1所示，在本发明的一些示例中，原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置10进一步包括微处理器1051，微处理器1051与第一驱动电机1031和第二驱动电机1032中的每一个相连。由此可以利用微处理器1051自动地控制第一驱动电机1031和第二驱动电机1032，进而可以自动地打开和关闭第一瓶盖1013和第二瓶盖1014。
[0051]具体而言，在上位机上设定原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置10每隔I小时测定一次初级生产力数据。当到达指定时刻后，微处理器1051开始控制第一驱动电机1031和第二驱动电机1032转动，进而带动第一驱动绳1033和第二驱动绳1034开始收紧，以便驱动第一瓶盖1013和第二瓶盖1014并紧紧关闭。此时，透光瓶1011和遮光瓶1012中的水体处于密闭状态，第一驱动电机1031和第二驱动电机1032处于锁定状态。
[0052]也就是说，通过事先编程，实现微处理器1051控制第一驱动电机1031和第二驱动电机1032，定期关闭第一瓶盖1013和第二瓶盖1014。测量完毕后，微处理器1051自动地控制第一驱动电机1031和第二驱动电机1032，以便打开第一瓶盖1013和第二瓶盖1014，使得透光瓶1011和遮光瓶1012中的水始终与外界保持流动，从而实现原位自动测定水体中初级生产力。
[0053]第一溶解氧传感器1021的测量部分可以伸入到透光瓶1011内，第二溶解氧传感器1022的测量部分可以伸入到遮光瓶1012内。微处理器1051可以与第一溶解氧传感器1021和第二溶解氧传感器1022中的每一个相连，以便微处理器1051读取第一溶解氧传感器1021和第二溶解氧传感器1022的数据。
[0054]如图1所示，在本发明的一个具体示例中，原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置10进一步包括第一叶绿素传感器1071、第一温度传感器1072、第一光照度传感器1073、第二叶绿素传感器1081、第二温度传感器1082和第二光照度传感器1083。第一叶绿素传感器1071、第一温度传感器1072和第一光照度传感器1073设在透光瓶1011上，第二叶绿素传感器1081、第二温度传感器1082和第二光照度传感器1083设在遮光瓶1012上。由此，原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置10不仅可以对水体的初级生产力进行监测，而且可以开展初级生产力的时空变化规律及其影响机理研究。
[0055]其中，第一叶绿素传感器1071、第一温度传感器1072、第一光照度传感器1073、第二叶绿素传感器1081、第二温度传感器1082和第二光照度传感器1083中的每一个与微处理器1051相连，以便微处理器1051读取它们的数据。
[0056]有利地，第一溶解氧传感器1021为多个且第二溶解氧传感器1022为多个，由此可以更加精确地测量透光瓶1011和遮光瓶1012内的水体的溶解氧的浓度。
[0057]如图1所示，原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置10进一步包括存储单元1052、无线传输模块1053、GPS定位装置1055和电力模块1054。存储单元1052与微处理器1051相连，以便储存微处理器1051采集的各个传感器(溶解氧传感器、叶绿素传感器、温度传感器、光照度传感器)的数据。
[0058]无线传输模块1053与存储单元1052相连，以便利用无线传输模块1053将存储单元1052存储的数据传输到上位机。其中，无线传输模块1053可以是蓝牙、2G网络、4G网络或者GPRS网络。
[0059]GPS定位装置1055与微处理器1051相连，以便记录测量时的位置。电力模块1054与第一驱动电机1031、第二驱动电机1032、微处理器1051、存储单元1052、GPS定位装置1055和无线传输模块1053中的每一个相连，以便为它们提供电力。
[0060]如图1所示，原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置10进一步包括固定轴106，固定轴106的第一端与透光瓶1011相连，固定轴106的第二端与遮光瓶1012相连。其中，固定轴106内具有容纳腔1061，第一驱动电机1031、第二驱动电机1032、微处理器1051、存储单元1052、无线传输模块1053、GPS定位装置1055和电力模块1054中的每一个均设在容纳腔1061内。
[0061]换言之，透光瓶1011和遮光瓶1012通过固定轴106固定。固定轴106为桶状中空结构，在固定轴106的两端分别固定透光瓶1011和遮光瓶1012，固定轴106可以起到支撑和固定透光瓶1011和遮光瓶1012的作用。
[0062]由于固定轴106具有中空结构，因此固定轴106能起到浮子的作用，使原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置10漂浮在水中。此外，固定轴106上可以添加或减少配重，从而实现原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置10在水中的垂直深度调节。固定轴106的底部可以装有环形铁圈，可以实现锚的固定，防止水流冲走原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置10。
[0063]有利地，原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置10可以采用防水设计，以便原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置10可以沉入到水面以下进行测定。
[0064]相比于现有的测量装置，根据本发明实施例的原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置10具有以下优点:
1、相比于传统的黑白瓶法，本装置由于采用大容量的白瓶和黑瓶(大于等于1L)，可以减少由于瓶壁效应带来的误差。同时，由于体积增加也可以减少附着在瓶壁上的细菌带来的影响。
[0065]2、相比于传统的黑白瓶法需要曝光4h以上，本装置由于采用溶解氧传感器直接读取溶解氧数据，因此本装置不仅可以实现实时监测水体中的溶解氧变化规律，而且还能极大程度缩短整个实验过程中的曝光时间，减少由于长时间曝光带来的误差。
[0066]3、本装置由于能自动控制瓶塞的开关。当不测定数据时，打开瓶塞可以保证白瓶和黑瓶中的水体与外界水体随时保持连通，当电机将瓶塞关闭并开始测定时保证测试的水体即是当时的环境。同时由于具有微处理器和存储单元，可以控制设备的定时运行，从而实现初级生产力的原位实时监测。
[0067]4、本装置由于配备有GPS、温度传感器和叶绿素传感器等，不仅适合监测部门对水体初级生产力的监测，也适合研究部门开展初级生产力的时空变化规律及其影响机理研究。
[0068]5、本装置由于所选材料和技术都是目前非常普通和成熟的，因此组装成本低。同时本装置微处理器只要控制电机和实现数据存储，因此仅需简单编程即可实现。基于以上优点，本专利可以广泛应用于水体中初级生产力的监测中，进行简单的拆装，也能实现不同地点监测。
[0069]本发明还提供了一种原位快速测定湖泊初级生产力的测量方法。根据本发明实施例的原位快速测定湖泊初级生产力的测量方法包括以下步骤:
将透光瓶和遮光瓶沉入水中，透光瓶和遮光瓶中的每一个均具有开口，透光瓶和遮光瓶中的每一个上均设有溶解氧传感器；
关闭透光瓶的开口以及遮光瓶的开口；
每间隔第一预设时间，利用溶解氧传感器测量透光瓶1011内的溶解氧以及遮光瓶1012内的溶解氧，经过第二预设时间后，结束测量;和
通过微处理器计算各水层日生产力[mg(02)/m2.d]:
总生产力=透光瓶第二预设时间后的溶解氧-遮光瓶第二预设时间后的溶解氧净生产力=透光瓶第二预设时间后的溶解氧-透光瓶的初始溶解氧呼吸作用=遮光瓶的初始溶解氧-遮光瓶第二预设时间后的溶解氧优选地，该第一预设时间为8秒-12秒，该第二预设时间为10分钟-30分钟。
[0070]在本发明的一个实施例中，将根据本发明实施例的原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置10放入水中，调节固定轴106的配重使原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置10刚好能漂浮到水表面。同时利用钢丝绳锁住固定轴106的底部，保证原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置10不随水流漂走。
[0071]开启电力模块1054后，微处理器1051开始工作，使用上位机(例如笔记本电脑)通过蓝牙(或者GPRS等其他无线技术)与原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置10连接。在上位机上设定原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置10每隔I小时测定一次初级生产力数据。
[0072]设定完成后，将原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置10沉入水中，在没有开始工作时，第一瓶盖1013和第二瓶盖1014由于在弹簧的作用下处于打开状态，因此透光瓶1011和遮光瓶1012中始终与外界相通。当到达指定时刻后，微处理器1051开始控制第一驱动电机1031和第二驱动电机1032转动，带动第一驱动绳1033和第二驱动绳1034开始收紧，从而拉动第一瓶盖1013和第二瓶盖1014并紧紧关闭。此时透光瓶1011和遮光瓶1012中的水体处于密闭状态，第一驱动电机1031和第二驱动电机1032处于锁定状态。
[0073]微处理器1051开始读取第一叶绿素传感器1071、第一温度传感器1072、第一光照度传感器1073、第二叶绿素传感器1081、第二温度传感器1082、第二光照度传感器1083和GPS定位装置1055的数据，结束后各个探头处于关闭状态。此后，微处理器1051每隔10秒读取第一溶解氧传感器1021和第二溶解氧传感器1022的数据，并将数据存储在存储单元1052中。此时，如果上位机还与原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置10保持连接，则同时将数据发送为上位机。
[0074]根据水体中生物的数量差异和日照条件的差异，10分钟-30分钟后测定结束。停止工作时，微处理器1051不再读取各个传感器的数据，第一驱动电机1031和第二驱动电机1032处于松弛状态。第一瓶盖1013和第二瓶盖1014由于受弹簧弹力的作用逐渐打开。透光瓶1011和遮光瓶1012中的水又重新与外界相通。此时，原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置10处于待机状态，等待下一次测量的开始。
[0075]在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0076]尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解:在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
【主权项】
1.一种原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置，其特征在于，包括: 透光瓶和遮光瓶，所述透光瓶具有第一开口，所述遮光瓶具有第二开口 ； 第一瓶盖和第二瓶盖，所述第一瓶盖在打开所述第一开口的第一打开位置与关闭所述第一开口的第一关闭位置之间可移动地设在所述透光瓶上，所述第二瓶盖在打开所述第二开口的第二打开位置与关闭所述第二开口的第二关闭位置之间可移动地设在所述遮光瓶上；以及 第一溶解氧传感器和第二溶解氧传感器，所述第一溶解氧传感器设在所述透光瓶上，所述第二溶解氧传感器设在所述遮光瓶上。2.根据权利要求1所述的原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置，其特征在于，所述第一瓶盖在所述第一打开位置与所述第一关闭位置之间可枢转地设在所述透光瓶上，所述第二瓶盖在所述第二打开位置与所述第二关闭位置之间可枢转地设在所述遮光瓶上，优选地，所述透光瓶的容积大于等于I升，所述遮光瓶的容积大于等于I升。3.根据权利要求2所述的原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置，其特征在于，所述第一瓶盖通过第一弹簧铰链在所述第一打开位置与所述第一关闭位置之间可枢转地设在所述透光瓶上，所述第二瓶盖通过第二弹簧铰链在所述第二打开位置与所述第二关闭位置之间可枢转地设在所述遮光瓶上。4.根据权利要求2所述的原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置，其特征在于，进一步包括 第一驱动电机和第二驱动电机；以及 第一驱动绳和第二驱动绳，所述第一驱动绳的一部分缠绕在所述第一驱动电机的电机轴上，所述第一驱动绳的自由端与所述第一瓶盖相连，所述第二驱动绳的一部分缠绕在所述第二驱动电机的电机轴上，所述第二驱动绳的自由端与所述第二瓶盖相连。5.根据权利要求4所述的原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置，其特征在于，进一步包括第一导轨和第二导轨，所述第一导轨设在所述透光瓶的内壁上，所述第二导轨设在所述遮光瓶的内壁上，其中所述第一导轨具有第一通孔，所述第一驱动绳穿过所述第一通孔，所述第二导轨具有第二通孔，所述第二驱动绳穿过所述第二通孔。6.根据权利要求4所述的原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置，其特征在于，进一步包括微处理器，所述微处理器与所述第一溶解氧传感器、所述第二溶解氧传感器、所述第一驱动电机和所述第二驱动电机中的每一个相连。7.根据权利要求6所述的原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置，其特征在于，进一步包括: 存储单元，所述存储单元与所述微处理器相连； 无线传输模块，所述无线传输模块与所述存储单元相连； GPS定位装置，所述GPS定位装置与所述微处理器相连;和 电力模块，所述电力模块与所述第一驱动电机、所述第二驱动电机、所述微处理器、所述存储单元、所述GPS定位装置和所述无线传输模块中的每一个相连。8.根据权利要求7所述的原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置，其特征在于，进一步包括固定轴，所述固定轴的第一端与所述透光瓶相连，所述固定轴的第二端与所述遮光瓶相连，其中所述固定轴内具有容纳腔，所述第一驱动电机、所述第二驱动电机、所述微处理器、所述存储单元、所述无线传输模块、所述GPS定位装置和所述电力模块中的每一个均设在所述容纳腔内。9.根据权利要求1所述的原位快速测定湖泊初级生产力的测量装置，其特征在于，进一步包括: 第一叶绿素传感器、第一温度传感器和第一光照度传感器，所述第一叶绿素传感器、所述第一温度传感器和所述第一光照度传感器设在所述透光瓶上;和 第二叶绿素传感器、第二温度传感器和第二光照度传感器，所述第二叶绿素传感器、所述第二温度传感器和所述第二光照度传感器设在所述遮光瓶上。10.—种原位快速测定湖泊初级生产力的测量方法，其特征在于，包括以下步骤:将透光瓶和遮光瓶沉入水中，所述透光瓶和所述遮光瓶中的每一个均具有开口，所述透光瓶和所述遮光瓶中的每一个上均设有溶解氧传感器； 关闭所述透光瓶的开口以及所述遮光瓶的开口 ； 每间隔第一预设时间，利用溶解氧传感器测量并记录所述透光瓶内的溶解氧数值以及所述遮光瓶内的溶解氧数值，经过第二预设时间后，测量并记录所述透光瓶内的溶解氧数值以及所述遮光瓶内的溶解氧数值，结束测量;和计算初级生产力[mg(02)/m2.d]: 总初级生产力=所述第二预设时间后所述透光瓶的溶解氧-所述第二预设时间后所述遮光瓶的溶解氧， 净初级生产力=所述第二预设时间后所述透光瓶的溶解氧-所述透光瓶的初始溶解氧， 呼吸作用=所述遮光瓶的初始溶解氧-所述第二预设时间后所述遮光瓶的溶解氧， 优选地，所述第一预设时间为8秒-12秒，所述第二预设时间为10分钟-30分钟。
【文档编号】G01N21/63GK105954240SQ201610342861
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月23日
【发明人】邓建明, 秦伯强, 张运林
【申请人】中国科学院南京地理与湖泊研究所