樣芯分析技術(shù)(十二)高光譜成像研究波蘭Żabińskie湖萬年沉積物

 2008到2010年，我國處于富營養(yǎng)的湖泊數(shù)量已占多數(shù)，占調(diào)查總數(shù)的78.7%，其中，處于輕度富營養(yǎng)、中度富營養(yǎng)和重度富營養(yǎng)湖泊數(shù)量分別占調(diào)查總數(shù)的50.7%、21.3%和6.7%；處于中營養(yǎng)的湖泊數(shù)量占調(diào)查總數(shù)的14.6%，且不斷向富營養(yǎng)化湖泊轉(zhuǎn)變；處于貧營養(yǎng)狀態(tài)的湖泊數(shù)量只占調(diào)查總數(shù)的 6.7%，主要分布于青藏高原湖區(qū)與云貴高原湖區(qū)，我國湖泊富營養(yǎng)化形勢已非常嚴(yán)峻。
                                                                                         ——《湖庫富營養(yǎng)化防治技術(shù)政策》
 
上一期《易科泰樣芯分析技術(shù)應(yīng)用案例》, 我們介紹了利用XRF和HSI研究波蘭東北部Jaczno半混合湖全新世光養(yǎng)生物群落和缺氧動(dòng)態(tài)的案例，本期將介紹利用這兩大技術(shù)應(yīng)用于波蘭Żabińskie湖沉積物推斷全新世10,800年間水體初級(jí)生產(chǎn)力及混合狀況的案例。
 
全世界湖泊的富營養(yǎng)化和缺氧現(xiàn)象正在增加，但是人類對(duì)數(shù)千年來湖泊初級(jí)生產(chǎn)力和缺氧變化的理解卻很有限，需要長期記錄以了解湖泊生態(tài)系統(tǒng)的自然變異性，并增進(jìn)對(duì)生產(chǎn)力和缺氧驅(qū)動(dòng)因素的了解。瑞士伯爾尼大學(xué)地理與Oeschger氣候變化研究中心的科研人員采用的多代理方法，將高分辨率高光譜成像（HSI）獲得的色素?cái)?shù)據(jù)、XRF數(shù)據(jù)與超高效液相色譜葉綠素、類胡蘿卜素和細(xì)菌葉綠素等數(shù)據(jù)相結(jié)合，以研究波蘭Żabińskie湖沉積物萬年尺度內(nèi)的營養(yǎng)狀態(tài)變化和缺氧演變。研究結(jié)果發(fā)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 LakeŻabińskie, Poland）。
注：Oeschger氣候變化研究中心是伯爾尼大學(xué)卓越的跨學(xué)科氣候研究中心，該中心成立于2007年，以現(xiàn)代氣候研究的先驅(qū)Hans Oeschger的名字命名，在許多領(lǐng)域處于國際研究的最前沿。
 
研究亮點(diǎn)

• 由10,800年沉積物樣芯推斷水體生產(chǎn)力和缺氧狀況
• 使用高光譜成像（HSI）對(duì)湖泊沉積物色素進(jìn)行定量
• 在人類砍伐森林之前，全新世期間缺氧狀況持續(xù)存在
• 高光譜成像重建亞年級(jí)（季節(jié)）尺度生產(chǎn)力和缺氧狀況

 
重點(diǎn)問題
1）在過去的10,800年中，水體初級(jí)生產(chǎn)力和氧氣濃度如何變化？
2）自然和人類影響在推動(dòng)初級(jí)生產(chǎn)力或湖泊變化方面發(fā)揮了什么作用？
 
研究方法
該研究使用ITRAX XRF CORSCANNER在伯爾尼大學(xué)對(duì)樣芯進(jìn)行掃描（鉻管，曝光時(shí)間20s，30kV，50mA）,樣芯2.1-0.8m的掃描分辨率為0.5mm，19.4-2.5m的掃描分辨率為2mm。所有XRF數(shù)據(jù)均以每秒計(jì)數(shù)（cps）計(jì)算，然后均質(zhì)化，以使重疊樣芯部分中每個(gè)元素的標(biāo)準(zhǔn)偏差和均值相等。根據(jù)數(shù)據(jù)質(zhì)量和關(guān)注點(diǎn)選擇關(guān)鍵的XRF元素進(jìn)行分析,解析遵循Davies等人（2015年）利用XRF對(duì)湖泊沉積物所作的研究以及Żarczyński等人（2019年）的研究成果。將鉀、鋯和鈦元素作為集水區(qū)成巖輸入的代理物，鐵、錳、硫和磷作為氧化還原條件改變的指標(biāo)，銅和磷作為水生產(chǎn)量或有機(jī)物含量的指標(biāo)，鈣/鈦比率作為內(nèi)生性方解石的代理物，硅/鈦比率作為生物硅的代理物（硅藻和金藻的豐度）。
 
高光譜成像（HSI）則使用SPECIM PFD-CL-65-V10E推掃式高光譜相機(jī)按照Butz等人的方法完成（2015）,相對(duì)吸收帶深度（RABD）指數(shù)用于量化與沉積色素相關(guān)的吸收特征，以60×60μm（像素）分辨率進(jìn)行測量。RABD_655–685max指數(shù)代表TChl-a（葉綠素a及其衍生物），并作為總藻類豐度的代表；RABD₈₄₅指數(shù)代表Bphe-a（細(xì)菌葉綠素），作為紫色硫細(xì)菌（PSB）的特定生物標(biāo)記。PSB生活在分層水體的化躍層，需要光和還原后的硫才能進(jìn)行光合作用，因此，Bphe-a表明該含氧/缺氧邊界存在于該湖的光合帶內(nèi)。通過分光光度計(jì)測量值與樣品位置的平均RABD指數(shù)值進(jìn)行線性回歸，將RABD指數(shù)值換算為真實(shí)濃度（μg/g干沉積物）。
 
文章指出

• 常規(guī)方法分析色素費(fèi)錢費(fèi)力，將其用于全新世或較大尺度的沉積物分析時(shí)，分辨率很低。
• HSI技術(shù)能夠以亞毫米分辨率（即60×60μm像素大�。�對(duì)大量色素基團(tuán)進(jìn)行快速定量，并且這項(xiàng)技術(shù)已被用于湖泊歷史生產(chǎn)力和氧氣濃度調(diào)查，表現(xiàn)出前所未有的時(shí)間分辨率。
• HSI檢測到Bphe-a在季節(jié)尺度內(nèi)10倍濃度變化，這是其它技術(shù)（低分辨率）無論如何也無法實(shí)現(xiàn)的。
• 與HPLC測量相比，TChl-a的HSI測量受樣本保存問題的影響更小。
• 在亞年級(jí)分辨率下，沉積物樣芯的HSI指數(shù)具有推斷過去環(huán)境變化的潛力，未來的研究可以利用這種方法調(diào)查變化率、主控因素轉(zhuǎn)換以及其他需要高分辨率技術(shù)解決的問題。

 
研究結(jié)果見下圖：





易科泰生態(tài)技術(shù)公司提供全面樣芯掃描成像分析技術(shù)方案：

• 高分辨率樣芯（芯體）掃描成像分析，全面反映二維密度/質(zhì)地和化學(xué)成分分布
• 巖礦樣芯、海洋湖泊沉積樣芯、樹木年輪樣芯等
• RGB掃描成像與CT技術(shù)密度掃描成像
• 高光譜掃描成像分析
• XRF元素掃描分析
• 高通量、非損傷
• 可選配LIBS元素分析

主要產(chǎn)品技術(shù)：

• SisuROCK多樣芯高通量高光譜成像掃描分析系統(tǒng)
• SisuSCS單樣芯高光譜成像掃描分析系統(tǒng)
• SisuCHEMA高光譜成像分析系統(tǒng)
• SpectraScan高光譜成像掃描分析系統(tǒng)
• ITRAX CoreScanner樣芯密度與元素掃描分析系統(tǒng)
• ITRAX XRF Scanner 巖礦/湖海樣芯元素掃描分析系統(tǒng)
• ITRAX MultiScanner樹木年輪分析系統(tǒng)
• VIS-NIR P4000土壤樣芯理化性質(zhì)勘測系統(tǒng)